《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第1章（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机仿真技术基础,主编,第1章,1.1 从现实问题开始 1.2 系统及系统的分类 1.3 系统模型的概念及其分类 1.4 计算机仿真中的系统建模 1.5 计算机仿真的定义 1.6 计算机仿真技术发展概要 1.7 小结,1.1 从现实问题开始,随便在您的身边都可能找到一个使您为难的问题，尤其是在工作中，许多事先没有想到或是想到了却无法预测结果，或者无法事先演练的事情给我们带来诸多烦恼。这里不妨举个实际的例子看看问题是如何出现的。,1.2 系统及系统的分类,1.2.1 系统的概念 1.2.2 系统环境的概念 1.2.3 系统中的随机概念 1.2.4 连续系统与离散事件系统,系统的观点追述,30年
2、代：人们在一些科学学科研究中（生物学、心理学、社会科学），发现系统的一些固有性质与个别系统的特殊性无关。 二次大战前不久:路德维希.冯.倍塔朗菲提出一般系统概念和一般系统理论。 1954年：建立了一般系统理论促进协会，系统的研究进入蓬勃发展的时代。 1957年：美国人古德写的“ 系统工程”公开出版，系统工程一词被确认。 20世纪70年代：电子计算机的应用，系统工程思想有了充分实现的可能性。,1.1 系统的定义,系统是一些部件为了某种目的而有机地结合的一个整体，就其本质而言是一定环境中一类为达到某种目的而相互联系、相互作用的事物有机集合体。 系统的概念可以是抽象的，也可以是实际的。一个抽象的系统
3、可以是相关的概念或思维结构的有序组合，如卡尔马克思所创立的共产主义思想体系，凯恩斯所创立的凯恩斯经济学派等。而一个实际系统是为完成一个目标而共同工作的一组元素的有机组合。上至国家，下至一个小单位、一个家庭及一个人内部的血液循环都是系统。,系统具有以下四个特点： 系统是由部件组成的，部件处于运动状态； 部件之间存在着联系； 系统行为的输出也就是对目标的贡献，系统各主量和的贡献大于各主量贡献之和，即系统的观点1+12； 系统的状态是可以转换的，在某些情况下系统有输入和输出，系统状态的转换是可以控制的。,1.2 系统的分类,从不同的角度出发，系统分类有不同的方法： 按综合复杂程度 按抽象程度 按功能
4、 按与外界关系 按内部结构,1、从系统的综合复杂程度方面考虑，我们可以把系统分为三类九等。 “三类”是:物理系统；生物系统；人类社会及宇宙。 “九等”是：,管理信息系统属于哪一类哪一等的系统？,2.按系统的抽象程度分，可把系统分为三类，即概念系统，逻辑系统和实在系统。 概念系统： 是最抽象的系统，在各方面均不很完善，有许多地方很含糊，也有可能不能实现，但它表达了系统的主要特征，描绘了系统大致轮廓，从根本上决定了以后系统的成败。 逻辑系统： 在概念系统的基础上构造出的原理上可行得通的系统，它考虑到了总体的合理性，结构的合理性和实现的可能性，但它没有给出实现的具体元件。所以逻辑系统是摆脱了具体实现
5、细节的合理系统。 实在系统（物理系统）： 完全确定的系统，能完全实现。,3.按系统功能来分类: 不同的系统为不同的领域服务： 社会系统 经济系统 军事系统 企业管理系统,4.按系统和外界的关系分类: 封闭系统：系统与外界分开，外界不影响系统的主要现象的复现。 开放系统：指不可能和外界分开的系统或者可以分开，但分开以后系统的重要性质将会发生变化。 封闭系统和开放系统有时也能互相转化。,5.按系统内部的结构分类 按系统内部结构分,可把系统分为开环系统和闭环系统。开环系统又可分为一般开环系统和前馈开环系统，见图（a）。闭环系统又可分为单闭环和多重闭环系统，见图 (b)，闭环中既可能包含反馈，又可能包
6、括前馈。,图 (a),图 (b),执行,1.3 系统性能的评价,判断一个系统的好坏可以由以下四点观察： 1. 目标明确。每个系统（部件）均为一个目标而运动。系统的好坏要看它运行后对目标的贡献。因而目标明确是评价系统的第一指标。 2. 结构合理。子系统的联接方式组成系统的结构。联接清晰，路径通畅，冗余少等，以达到合理实现系统目标的目的。 3. 接口清楚。子系统之间有接口，系统和外部的联接也有接口，好的接口其定义应十分清楚。 4. 能观能控。通过接口，外界可以输入信息，控制系统的行为，可以通过输出观测系统的行为。只有系统能观能控，系统才会有用，才会对目标作出贡献。,1.4 系统的计划与控制,设置目
7、标是计划的第一步。计划中所用名词的精确定义如下：,计划是由远及近，由面至点分层进行的。一般来说一个系统的计划都有以下几层： 战略计划 (五年及以上)：企业应当进入什么行业领域？如何筹集资金？如何分配现有资源？ 策略计划(1-5年)：实现长期计划的投资模型是什么？如何决定设备位置、扩建、停用，以使利润最大？产品系列中应增加、减少什么产品？最佳产品价格模型是什么？ 运行计划(1-12个月)：原料获得、库存水平、分配系统结构、路线和模式，怎样使运行最优？怎样和长期计划衔接？ 调度和发放(现时) ：当前设备运行的顺序是什么？怎样吻合下一周期的运行要求？,系统计划过程本身就是一项系统工程性工作，有时也是
8、耗时耗资最多的工作，往往由于以下一些原因使这项工作不能很好地进行。 计划是一项很困难的认识活动。 计划是一项阐明未来不确定性的工作。 计划减少了行动的自由，受约束者不愿要计划。 计划是一项很紧张的工作。 计划在计算上是冗长乏味的。 做了计划却放到一边不用。 因为计划的这些困难，所以用手工制定及维护一个计划是很困难的。大型完善的计划都需要计算机进行强有力的支持。大型系统工程项目成功的重要原因是因为有强有力的计划技术支持。,控制是测量实际和计划的偏差，并采取校正行动的过程。这个过程可以如下图所示： 由图可以看出这个系统可以通过输入的改变，影响系统的输出。我们通过测量装置得到输出结果，送给控制装置，
9、由控制装置按照一定的规则产生反馈信号，利用反馈信号改变输入，以达到控制输出的目的。,根据系统内部结构的特性和反馈信号产生的规律，闭环系统的输入、输出间有一定关系，不同的关系给以不同的名字： 比例环节是指输入和输出间始终保持比例关系，如在价格一定的情况下的产量和产值之间的关系。 延迟环节是指输出只比输入落后一段时间，但完全重复输入的情况。例如固定提前期的订货，订货与到货只存在时差。,惯性环节是指输出要随输入而变化，但有个惯性的过程。例如生产的发展与人民生活的改善之间，就是个惯性的过程。 震荡环节是最一般的环节，震荡环节至少是两阶的，但也可能是高阶的。,在输出为跃阶的情况下，输出的变化大致分为三类
10、，如下图： 第一种情况是单调增长的情况，如果各项参数配合得好，则接近稳定的时间可达到最短，这叫最佳过渡过程。 第二种情况是衰减震荡的情况，系统虽然震荡，但能达到稳定，这时输出有一定的超调量。 第三种情况是我们最不希望的情况发散震荡，此时系统输出不能达到稳定。就好象一个生产性企业，一会儿脱库，一会儿满库，一会儿停工，一会儿加班。,为了控制系统的性能，对系统结构进行一些改变常常是有效的，在信息系统中经常应用的方法有分解、归并和解耦等三种方法。 分解就是把一个大系统按各种原则，把它分解为子系统。 归并是把联系很密切的子系统合并到一起，减少子系统之间的联系，使接口简化并清楚。 解耦是相互联系很密切的子
11、系统加进一些缓冲环节，使它们之间的联系减弱，相互依赖性减少。,解耦的办法有三种，如左图： 第一种方法：应用缓冲库存， 可使前后两个子系统相对独 立。如在生产线中间有个原 料库存，生产就不致于因为 原材料的输送问题而停顿。 在信息系统中往往用缓冲储 存器或暂存文件协调外部设 备和主机运行速度的不一致， 从而提高了全系统的效率。,第二种方法：松弛资源，用于 当一个子系统的输出直接作为 另一系统的输入的情况。这种 应用可以使两个系统相对独立 。这种材料、能力、时间上的 松弛使两个系统不会产生不一 致的现象，使得数据处理系统 提供额外的报告成为可能。,第三种方法：应用标准，可以把 系统的联系切断，前面
12、系统只要 产生达到标准的产品，后面系统 只要按照标准接受产品，这样就 简化了系统的通信。这也是为什 么在企业管理中要制定质量标准 、成本标准的原因。,利用解耦不仅减少系统间的物理联系，而且可以减少系统间的通信。利用解耦可以提高系统的能力，例如由每天处理200笔卖主支付提高到300笔。 解耦也有其缺点，这就是局部的优化未必是全局的优化，甚至可能是全局的劣化。例如，过分强调生产线的效率，可能导致库存费用大大增加，可能使全局费用升高。因而如何利用解耦，还要根据具体的情况分析。但一般来说子系统之间的联系越松，系统间的通信要求就越少，越有利于调动子系统的积极性。,表1.3 三个系统研究对象及其属性,1.
13、3 系统模型的概念及其分类,1.3.1 系统模型的概念 1.3.2 系统模型的分类,1.3.1 系统模型的概念,研究系统有时可以以实际系统为背景或在实际系统的环境中进行实验，这会给研究工作带来方便，但有时也会出现很多困难，如经济问题、实验环境问题等。尤其是许多关于系统的研究是预研性质的，即实际系统未建立起来，同时还要预测系统未来的行为或初步结果。显然这种情况下无法有现成的背景或环境进行实验。一种替代的方法是建立与原形一致的系统进行测试或实验，但是这样的代价通常较大，且在时间上没有保证。倘若存在其他类似的系统，其实很多情况下也不可能进行像在实际系统下进行的实验工作那样。比如说我们很难通过随意改变
14、商品供求量的方法来研究商品经济系统的运行。因此多数系统的研究实际靠的是对系统模型的研究。尤其是多数情况下我们研究的并不是系统的所有方面，所以系统的模型不必是系统的完全替代品，而是系统的简化形式。,表1.4 购物系统实体,1.3.2 系统模型的分类,1.物理模型 2.数学模型,1.物理模型,图1.3 某建筑工程中的楼房物理模型,2.数学模型,(1)静态数学模型 系统的静态模型给出了系统处于稳定状态时系统属性间的数学关系。 (2)动态数学模型,2.数学模型,图1.4 系统模型的分类与关系,(1)静态数学模型,图1.5 超市某日用品供需线性变化模型,图1.6 超市某日用品供需非线性变化模型,(2)动
15、态数学模型,1)连续系统模型 2)离散系统模型 时间离散系统。有时称为采样控制系统，一般用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数来描述。此类系统的特性是连续的，仅仅是由于某些情况下是在离散的时间点上进行的采样过程，所以也看成连续系统(模型)。 事件离散系统。这是一种用概率模型描述的随机系统，系统的输出不是完全由输入作用的形式描述的，而可能存在多种输出，即系统的输入输出是随机发生的。常见的有库存系统、管理车辆流动的交通系统、排队服务系统等。,图1.7 取不同值时汽车振动的变化形式,1.4 计算机仿真中的系统建模,1.4.1 构筑模块的思想 1.4.2 相关信息的原则 1.4.3 准确数据的原则 1
16、.4.4 实体聚合的原则,1.4.1 构筑模块的思想,图1.8 冷连轧计算机仿真系统优化机 部分子模块的划分,1.4.2 相关信息的原则,模型中必须只包括那些确实与所研究系统的内容相关的主体，也就是与研究目的相关的实体，这些实体上所具有的与研究目的相关的属性。例如在工厂系统中研究的重点是比较不同的操作规程影响工作效率的问题，这时就不能把如何雇佣工人列入其中。即使无关的信息对模型没有不利的影响，也应该将其从模型中清除，否则可能增加所建模型的复杂性，或者造成求解仿真模型时不必要的麻烦，这是我们不希望的。,1.4.3 准确数据的原则,在建立模型的过程中，收集准确、实际的数据是一个重要的步骤。例如航空系统中，飞机飞行状态的准确数据就是具体地描述机身在空中的方位和飞行参数。这时飞机可以被认为是一块刚体，从而建立导航和飞机控制系统间的简单依赖关系。有时必须当作一个有弹性的飞行物，从而讨论其结构上可容忍的最大振动限度。负责飞机油料使用情况的机械师可以满足于一个简单的飞机航程与飞机状态的数学关系，但负责旅客旅行舒适程度的机械师应该更注意飞机在空中的振动情况，并得出有关飞
