系統(tǒng)仿真

1、系統(tǒng)仿真,(控制系統(tǒng)仿真)System Simulation,聯(lián)系方法,王雷電二樓215實(shí)驗(yàn)室3603245wangl@ustc.edu.cn信箱：系樓二樓,課程簡(jiǎn)介,系統(tǒng)仿真技術(shù)涉及到建模理論、計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)值方法、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、工程設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)，是學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握仿真工程的相關(guān)內(nèi)容，包括建模技術(shù)、仿真算法與仿真結(jié)果分析方法等。本課程還將介紹最新的仿真技術(shù)及其應(yīng)用。,本課程有何用處？

2、,科研：控制：機(jī)器人、月球車(chē)、預(yù)測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)：用戶(hù)行為研究、P2P網(wǎng)絡(luò)研究、服務(wù)器集群性能研究仿真技術(shù)幾乎應(yīng)用于所有的研究與技術(shù)領(lǐng)域，它可以縮短研發(fā)周期、改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程、降低成本以及輔助決策,主要內(nèi)容,系統(tǒng)仿真概論仿真模型與建模方法論連續(xù)系統(tǒng)仿真方法學(xué)離散事件系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)離散事件系統(tǒng)仿真方法學(xué)仿真結(jié)果分析先進(jìn)仿真技術(shù)與應(yīng)用,參考書(shū),系統(tǒng)仿真導(dǎo)論，肖田元等，清華大學(xué)出版社，2000建模與仿真，王紅衛(wèi)，科學(xué)出版社，2002

3、仿真工程，(美)Jim Ledin，機(jī)械工業(yè)出版社，2003,第一章 系統(tǒng)仿真概論,系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其它專(zhuān)用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而做出決策的一門(mén)綜合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科,本章主要內(nèi)容,系統(tǒng)系統(tǒng)模型系統(tǒng)仿真仿真的發(fā)展,一、系統(tǒng),定義：相互聯(lián)系且相互作用的對(duì)象的有

4、機(jī)組合（本課程的研究對(duì)象） 系統(tǒng)特征均由一些相關(guān)的實(shí)體組合而成 實(shí)體具有自身的特征：屬性 系統(tǒng)通常是動(dòng)態(tài)的，其變化過(guò)程稱(chēng)為活動(dòng) 按物理特征分類(lèi)工程系統(tǒng)：電氣、機(jī)械、化工、水利等非工程系統(tǒng)：經(jīng)濟(jì)、交通、管理、生態(tài)等,,按狀態(tài)變化方式分類(lèi)連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)量隨時(shí)間連續(xù)變化離散事件系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)只在一些時(shí)間點(diǎn)上由于某種隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化按復(fù)雜程度分類(lèi)單變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng),,二、系統(tǒng)模型,研究系統(tǒng)的目的 了解系統(tǒng)

5、各組成部分間的關(guān)系（內(nèi)部特性） 預(yù)測(cè)系統(tǒng)在一種新的工作策略下的執(zhí)行情況（外部行為） 有時(shí)不能直接把系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象 不具有可行性：系統(tǒng)未建成、行為預(yù)測(cè)代價(jià)昂貴：生產(chǎn)過(guò)程、大型系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)不安全：核試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、軍事演習(xí),,其它包括涉及到主觀因素影響或者不能復(fù)原的試驗(yàn)等等即從可行性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性等角度考慮，需要在能模擬實(shí)際系統(tǒng)或待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)模型上進(jìn)行研究,,模型分類(lèi)（按表示方式）物理模型：實(shí)體模型。實(shí)際系統(tǒng)尺寸上

6、縮小或放大后的相似體。描述的逼真感強(qiáng)，但建模費(fèi)用大，不易試驗(yàn)，修改參數(shù)或結(jié)構(gòu)困難數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)形式描述實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，可以描述系統(tǒng)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性。建模費(fèi)用低，可反復(fù)試驗(yàn)復(fù)雜系統(tǒng)仿真時(shí)往往兩者相結(jié)合,三、系統(tǒng)仿真,仿真的定義變遷1961年，G.W. Morgenthater首次定義仿真：在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)1978年，Korn的著作《連續(xù)系統(tǒng)仿真》定義：用能代表所研究的系統(tǒng)的模型作實(shí)驗(yàn)19

7、82年，Spriet擴(kuò)充定義：所有支持模型建立與模型分析的活動(dòng)即為仿真活動(dòng)1984年，Oren提出：仿真是一種基于模型的活動(dòng),系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)仿真,系統(tǒng)仿真的概念計(jì)算機(jī)仿真是一種非實(shí)物仿真方法，是用計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示, 以評(píng)價(jià)或預(yù)測(cè)一個(gè)系統(tǒng)的行為效果,為決策提供信息的一種方法.它是解決較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題的一條有效途徑?，F(xiàn)在一般認(rèn)為系統(tǒng)仿真等同于計(jì)算機(jī)仿真,為什么要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,便于重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，便于控制參數(shù)，

8、時(shí)間短，代價(jià)小。可以在真實(shí)系統(tǒng)建立起來(lái)之前，預(yù)測(cè)其行為效果，從而可以從不同結(jié)構(gòu)或不同參數(shù)的模型的結(jié)果比較之中，選擇最佳模型。對(duì)于缺少解析表示的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無(wú)法精確求解的系統(tǒng)，可以通過(guò)仿真獲得系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值結(jié)果。對(duì)于隨機(jī)性系統(tǒng)，可以通過(guò)大量的重復(fù)試驗(yàn)，獲得其平均意義上的特性指標(biāo)。,適合計(jì)算機(jī)仿真的問(wèn)題,難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)，或者沒(méi)有建立和求解數(shù)學(xué)模型的有效方法．雖然可以用解析的方法解決問(wèn)題，但數(shù)學(xué)的分析與計(jì)算過(guò)于復(fù)雜

9、，這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真可能提供簡(jiǎn)單可行的求解方法．希望能在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到系統(tǒng)發(fā)展的全過(guò)程，以估計(jì)某些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)行為的影響．難以在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真是唯一可行的方法，例如太空飛行的研究．需要對(duì)系統(tǒng)或過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行比較，從大量方案中尋找最優(yōu)方案．,,,計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用,三峽水庫(kù)總庫(kù)容393 億立方米，總裝機(jī)容量1820萬(wàn)千瓦，將是世界上最大的水電站。 但是三峽的安全問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，我們不可能等到建好

10、后再看它的安全性，用計(jì)算機(jī)仿真就可以很好的解決這一問(wèn)題。,長(zhǎng)江三峽工程,,,計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用,飛機(jī)設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗(yàn)。實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用巨大。使用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，使費(fèi)用大大降低。,飛機(jī)設(shè)計(jì),相似原理與相似理論,系統(tǒng)仿真遵循相似原理：幾何相似：風(fēng)洞試驗(yàn)等，工作原理相同、質(zhì)地相同，但幾何尺寸不同 環(huán)境相似：虛擬現(xiàn)實(shí)等 性能相似：數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)仿真 在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，則基于相似理論，對(duì)應(yīng)仿真的不同層次,相似理

11、論,幾何相似：實(shí)物模型等 模擬：如用電量表示物理量，也稱(chēng)異類(lèi)相似 離散化：可以用數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算 等效：在數(shù)學(xué)描述層次上相似，常見(jiàn)的仿真器 感覺(jué)相似：虛擬現(xiàn)實(shí)等 思維相似：邏輯思維、形象思維、靈感思維 生理相似：如人體生理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,例：模擬計(jì)算仿真,用相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)與調(diào)整的電氣、電子系統(tǒng)對(duì)其它物理系統(tǒng)進(jìn)行仿真。模擬電子計(jì)算機(jī)。模型與原型之間狀態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性相似,列寫(xiě)圖1所示電網(wǎng)絡(luò)以u(píng)i(t)為輸入量，uo(t)為輸出

12、量的微分方程和圖2所示 彈簧-質(zhì)量-阻尼器機(jī)械位移系統(tǒng)在外力F(t)作用下，位移x(t)的運(yùn)動(dòng)方程。,列寫(xiě)電網(wǎng)絡(luò)微分方程。設(shè)回路電流為i(t)根據(jù)回路電壓定理：,根據(jù)電容特性：,因此：,列寫(xiě)機(jī)械位移系統(tǒng)微分方程。根據(jù)力平衡方程：,從微分方程上看： 兩類(lèi)系統(tǒng)在狀態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律上相似。因此，可以用電網(wǎng)絡(luò)模擬機(jī)械位移系統(tǒng)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,仿真的分類(lèi)(1),根據(jù)模型的種類(lèi)分類(lèi)物理仿真：電力系統(tǒng)仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)等，實(shí)物仿真；早期常用

13、數(shù)字仿真：基于計(jì)算機(jī)的仿真，本課程的內(nèi)容；各種學(xué)科、工程領(lǐng)域半實(shí)物仿真：軍事領(lǐng)域、水利工程等重要、大型應(yīng)用,仿真的分類(lèi)(2),根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類(lèi)實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘(仿真時(shí)模型采用的時(shí)鐘)與實(shí)際時(shí)鐘(實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間基)完全一致；常用于訓(xùn)練仿真器，稱(chēng)為在線仿真亞實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，即模型仿真的速度慢于時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行的速度；常用于離線分析，稱(chēng)為離線仿真超實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘；如大氣環(huán)流仿真、

14、交通系統(tǒng)仿真等,仿真的分類(lèi)(3),根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類(lèi)連續(xù)系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真研究對(duì)象的特征完全不同研究方法本質(zhì)上不同是本課程研究的兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容,,連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)狀態(tài)量隨時(shí)間連續(xù)變化（包括由于數(shù)據(jù)采集是在離散時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行時(shí)所產(chǎn)生的非連續(xù)數(shù)據(jù)） 數(shù)學(xué)模型形式 連續(xù)模型（微分方程描述） 離散時(shí)間模型（差分方程描述） 基本特點(diǎn)：能用一組方程式描述一般的物理系統(tǒng)、工程系統(tǒng)均屬此類(lèi)（連續(xù)流程工業(yè)、石油、化工、醫(yī)藥等）

15、,,離散事件系統(tǒng)仿真系統(tǒng)狀態(tài)只在一些時(shí)間點(diǎn)上由于某種隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)而發(fā)生變化（狀態(tài)是在兩個(gè)事件之間保持不變即離散變化） 數(shù)學(xué)模型：一般不是數(shù)學(xué)方程，而用流程圖或者網(wǎng)絡(luò)圖描述 當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，如城市交通系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)系統(tǒng)，管理系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等,系統(tǒng)仿真的研究?jī)?nèi)容,仿真三要素：系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī),,,聯(lián)系三者的三個(gè)基本活動(dòng) 系統(tǒng)建模：一直是研究的重點(diǎn)，技術(shù)成熟，包括抽象的公式、定理等，需要結(jié)合相關(guān)專(zhuān)業(yè)

16、知識(shí)仿真建模：難點(diǎn)之一，先要設(shè)計(jì)算法使系統(tǒng)模型能被計(jì)算機(jī)所接受，然后編程，再在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，由此產(chǎn)生仿真算法、仿真軟件，技術(shù)也較為成熟 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析：最有實(shí)際意義，但常常被忽略，技術(shù)難點(diǎn)多,系統(tǒng)仿真的基本步驟,,,,系統(tǒng)仿真過(guò)程即建立模型并通過(guò)模型在計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)、修正和分析的過(guò)程。與軟件開(kāi)發(fā)類(lèi)似，可以分為若干階段。,系統(tǒng)仿真的過(guò)程I,系統(tǒng)定義：求解問(wèn)題前，先要提出明確的準(zhǔn)則來(lái)描述系統(tǒng)目標(biāo)及是否達(dá)到的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其

17、次必須描述系統(tǒng)的約束條件，再確定研究范圍，即哪些實(shí)體屬于要研究的系統(tǒng)，哪些屬于系統(tǒng)的環(huán)境構(gòu)造模型：抽象真實(shí)系統(tǒng)，并規(guī)范化，確定模型要素、變量、參數(shù)及其關(guān)系，表達(dá)約束條件；要求以研究目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，模型性質(zhì)盡量接近原系統(tǒng)，盡可能簡(jiǎn)化，易于理解、操作和控制 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：收集數(shù)據(jù)，決定使用方式，數(shù)據(jù)完整性、有效性檢驗(yàn)，用來(lái)確定模型參數(shù),系統(tǒng)仿真的過(guò)程II,模型轉(zhuǎn)換：用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（高級(jí)語(yǔ)言或者專(zhuān)用仿真語(yǔ)言）描述數(shù)學(xué)模型 模型運(yùn)行：獲取被研究系

18、統(tǒng)的信息，預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，一般是動(dòng)態(tài)過(guò)程，常反復(fù)運(yùn)行以獲得足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 分析并評(píng)論仿真結(jié)果：仿真技術(shù)包括了某些主觀的方法，如抽象化、直觀感覺(jué)和設(shè)想等，在提交仿真報(bào)告前，應(yīng)全面分析和論證仿真結(jié)果； 分析的基本目標(biāo)確定仿真試驗(yàn)中獲得的信息是否充分、有效精簡(jiǎn)和歸納仿真數(shù)據(jù)以輔助決策,系統(tǒng)仿真的應(yīng)用,系統(tǒng)仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時(shí)代特征，它的應(yīng)用為各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真

19、系統(tǒng)分析：分析與優(yōu)化教育與訓(xùn)練：載體操縱型、過(guò)程控制型、博弈決策型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及制造：虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，虛擬制造，CIMS,具體應(yīng)用場(chǎng)合,航空管理, 公交車(chē)的調(diào)度, 飛機(jī)設(shè)計(jì), 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì), 三峽的安全、生態(tài), 道路的修建, 醫(yī)療保險(xiǎn), 國(guó)債的發(fā)行, 家居裝修, 煉鋼的溫度估計(jì), 發(fā)電廠的操作訓(xùn)練, 飛行員訓(xùn)練， 流

20、行疾病的檢測(cè)和預(yù)報(bào)。,系統(tǒng)仿真的歷史與發(fā)展,,系統(tǒng)仿真技術(shù)展望,分布交互仿真(DIS，HLA)在分布式交互系統(tǒng)（DIS）和高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）上，建立在一個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)分布在不同地域上的各種仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作和重用的框架及規(guī)范以軍事應(yīng)用為主,,虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)仿真其核心是建模與仿真，通過(guò)建立模型，對(duì)人、物、環(huán)境及其相互關(guān)系進(jìn)行本質(zhì)的描述，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，從根本上改變?nèi)伺c計(jì)算機(jī)的關(guān)系飛行器模擬、虛

21、擬戰(zhàn)場(chǎng)、虛擬樣機(jī)、虛擬制造等都是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的典型應(yīng)用,,面向?qū)ο蠓抡?Object-Oriented Simulation)結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)仿真,,建模方法學(xué)(Modeling Methodology)從建模的方法學(xué)來(lái)看，除了典型的機(jī)理建模及系統(tǒng)辨識(shí)方法外，近年來(lái)正積極發(fā)展模糊優(yōu)化法、人工智能輔助建模方法學(xué)及混合模式（multi-paradigm）的建模方法學(xué)等,,建模和仿真的VVA( Verification, Valida

22、tion, Accreditation)技術(shù)模型和仿真過(guò)程的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)技術(shù),,仿真軟件與算法仿真算法經(jīng)歷了從串行算法到并行算法的發(fā)展過(guò)程。目前非實(shí)時(shí)串行算法已相當(dāng)完善，研究重點(diǎn)是實(shí)時(shí)、并行與定性算法仿真軟件的發(fā)展分為六個(gè)階段：通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、仿真程序包及初級(jí)仿真語(yǔ)言、完善的商品化的高級(jí)仿真語(yǔ)言、一體化建模與仿真環(huán)境、智能化建模與仿真環(huán)境以及支持分布交互仿真的綜合仿真環(huán)境,,Internet網(wǎng)上仿真(P2P、普適計(jì)算)基于