系统仿真
简述系统仿真的基本步骤
简述系统仿真的基本步骤
系统仿真是一种通过建立模型来模拟真实系统行为的技术。
它可以用于评估系统性能、预测系统行为、优化系统设计等方面。
系统仿真的基本步骤如下：
1. 定义问题：明确系统仿真的目的和范围，确定需要模拟的系统和需要关注的指标。
2. 建立模型：根据问题定义，选择合适的建模方法，如数学模型、计算机模拟模型等，建立系统的模型。
3. 模型验证：对模型进行验证，确保模型的准确性和可靠性。
这可以通过与真实系统的实验数据进行比较来实现。
4. 参数设置：确定模型的参数，并根据问题定义设置合理的参数值。
5. 仿真运行：运行仿真模型，收集和分析仿真结果。
6. 结果分析：对仿真结果进行分析，评估系统的性能和行为，并与问题定义进行比较。
7. 优化设计：根据仿真结果，对系统设计进行优化，以提高系统性能和效率。
8. 结果验证：对优化后的系统进行再次仿真，验证优化效果。
以上是系统仿真的基本步骤，在实际应用中，可能会根据具体情况进行调整和扩展。
系统仿真需要综合运用数学、计算机科学、工程学等多学科知识，是一项复杂而重要的技术。
系统仿真
系统仿真1系统仿真概述1.1定义及实质所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。
系统仿真的实质是①它是一种对系统问题求数值解的计算技术。
尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。
②仿真是一种人为的试验手段。
它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。
这是仿真的主要功能。
③仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。
1.2系统仿真的分类根据仿真所采用的模型划分，可将仿真分为数学仿真和物理仿真两大类。
物理仿真亦称为实物仿真，它是在系统生产出样机后，将系统实物全部或部分的引入回路，由于物理仿真能将系统的实际参数、数学仿真中难以考虑到的非线性因素和干扰因素引入仿真回路，因此物理仿真更接近系统的实际情况，通过仿真可以检验实物系统工作的可靠性，可以准确地调整系统元部件的参数。
数学仿真就是将数学模型编排成模拟计算机的排题图或数值计算机的程序。
这一过程是将原始数学模型转换成仿真模型，通过对计算机模型的运行达到对原始系统研究的目的，数学仿真在系统设计阶段和分析阶段是十分重要的，通过数学仿真可以检验理论设计的正确性。
1.3系统仿真的作用①仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。
尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。
②对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。
③通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。
④通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
系统仿真有限元仿真的关系
系统仿真有限元仿真的关系
系统仿真和有限元仿真是两种不同的仿真方法。
系统仿真是通过模拟和分析系统的运行过程，研究系统的行为和性能。
系统仿真通常基于系统的数学模型，通过计算机模拟系统的各个部分之间的相互作用和动态变化，来模拟系统在不同条件下的运行情况。
系统仿真常用于研究复杂系统，例如电力系统、交通系统、工业生产线等，以评估和改进系统的性能。
有限元仿真是一种特定的系统仿真方法，用于分析和预测物体结构在受力下的变形和应力分布。
有限元仿真将结构分割成有限数量的小单元（称为有限元），并使用独立变量和控制条件来建立系统的数学模型。
然后，通过求解这个数学模型，可以计算出结构在不同受力情况下的应变、应力分布等信息。
有限元仿真常用于工程领域，例如建筑结构的强度分析、汽车零件的设计等，以评估和优化物体结构的性能。
综上所述，有限元仿真可以视为系统仿真的一个特定应用，用于分析物体结构的变形和应力分布。
而系统仿真则更加广泛，可以用于研究和优化各种不同类型的系统。
系统仿真的概念 -回复
系统仿真的概念-回复什么是系统仿真？系统仿真是指通过建立一个模型来模拟和分析一个复杂系统的行为和性能。
这个模型可以是物理的、数学的或者计算机程序的，它能够准确地再现真实系统的各种特征和变化。
在系统仿真的过程中，我们可以通过改变各种输入参数来探索不同的场景和条件对系统的影响，从而更好地理解系统的行为和性能。
这种探索性的分析可以帮助决策者做出更明智的决策，以及对系统进行优化和改进。
系统仿真领域的研究主要包括以下几个方面：1. 建模：系统仿真的第一步是建立一个准确的模型。
模型可以是基于数学模型、物理模型或者计算机程序。
模型的准确性和细节决定了仿真的精确程度和可信度。
2. 参数设定：模型需要一些输入参数才能运行。
这些参数可以代表系统的特性、环境的变化或者其他一些重要的因素。
准确设定参数非常关键，因为它们直接影响着模型的输出结果。
3. 实验设计：系统仿真通常涉及多个实验和场景。
在进行仿真实验之前，我们需要设计实验方案，明确实验的目的、变量和测量指标等。
好的实验设计可以更好地揭示系统的行为和性能。
4. 模拟计算：在仿真过程中，计算机程序使用模型和参数来计算系统的行为和性能。
这些计算可以是连续的、离散的、随机的或者确定性的，具体取决于系统的特点和需求。
5. 结果分析：仿真结果通常以图表、表格和统计数据的形式呈现。
这些结果可以帮助我们理解系统的行为和性能，以及各种因素对系统的影响。
分析结果的过程可能还包括对敏感性、鲁棒性和优化的评估。
系统仿真可以应用于各个领域，包括军事、交通、生物医学、工业、社会经济等。
以下是一些典型的应用场景：1. 军事仿真：军事系统通常非常复杂，涉及多个层面和因素。
通过系统仿真可以帮助军队更好地评估和优化作战方案、武器系统的性能和作战指挥的效果。
2. 交通仿真：交通系统非常庞大和复杂，涉及各种交通工具、道路和交通规则。
通过系统仿真可以更好地评估交通拥堵、交通规划和交通管理策略的效果，以提供更好的出行体验和交通安全。
系统仿真教学设计方案
一、教学目标1. 了解系统仿真的基本概念、原理和方法。
2. 掌握系统仿真的基本工具和软件操作。
3. 能够运用系统仿真方法分析和解决实际问题。
4. 培养学生的创新意识和团队合作能力。
二、教学内容1. 系统仿真的基本概念和原理2. 系统仿真的分类和特点3. 系统仿真的建模方法4. 系统仿真软件的应用5. 系统仿真的案例分析三、教学方法1. 讲授法：系统仿真基本概念、原理、方法和分类的讲解。
2. 案例分析法：通过实际案例分析，让学生了解系统仿真的应用。
3. 实践操作法：让学生在仿真软件上动手实践，提高操作技能。
4. 讨论法：组织学生进行小组讨论，培养学生的团队合作能力。
四、教学步骤1. 第一阶段：系统仿真基本概念和原理的讲解（2课时）- 介绍系统仿真的基本概念、原理和方法。
- 分析系统仿真的分类和特点。
2. 第二阶段：系统仿真的建模方法（2课时）- 介绍系统仿真的建模方法，如流程图、状态图等。
- 通过实例讲解如何将实际问题转化为仿真模型。
3. 第三阶段：系统仿真软件的应用（2课时）- 介绍常用的系统仿真软件，如MATLAB、Simulink等。
- 让学生动手操作，熟悉仿真软件的基本功能。
4. 第四阶段：系统仿真的案例分析（2课时）- 分析实际案例，让学生了解系统仿真的应用场景。
- 引导学生思考如何将所学知识应用于实际问题。
5. 第五阶段：实践操作（4课时）- 分组进行实践操作，每个小组完成一个仿真项目。
- 教师巡回指导，解答学生遇到的问题。
6. 第六阶段：成果展示与评价（1课时）- 各小组展示仿真项目成果，分享经验。
- 教师对学生的仿真项目进行评价，提出改进意见。
五、教学评价1. 课堂表现：学生参与课堂讨论、提问和回答问题的积极性。
2. 实践操作：学生熟练掌握仿真软件，完成仿真项目的能力。
3. 案例分析：学生对实际案例的分析能力和解决实际问题的能力。
4. 成果展示：学生展示仿真项目成果的完整性和创新性。
系统仿真
例：模拟计算仿真
用相对比较容易实现与调整的电气、电 子系统对其它物理系统进行仿真。 模拟电子计算机。 模型与原型之间状态运动规律特性相似
列写图1所示电网络以ui(t)为输入量，
K
uo(t)为输出量的微分方程和图2所示
弹簧-质量-阻尼器机械位移系统在外
F(t) m x(t) f
力F(t)作用下，位移x(t)的运动方程。
复杂系统仿真时往往两者相结合
3.系统仿真
仿真的定义变迁
1961年，G.W. Morgenthater首次定义仿真：在实 际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实 现 1978年，Korn的著作《连续系统仿真》定义：用能 代表所研究的系统的模型作实验 1982年，Spriet扩充定义：所有支持模型建立与模 型分析的活动即为仿真活动 1984年，Oren提出：仿真是一种基于模型的活动
Kn(xn,yn)共n个工地，各需混凝土Q1, Q2, ..., Qn 吨，混凝土每吨公里的运费为C元。 如何确定混凝土搅拌中心的位置K0(x0,y0) 使 得费用最少？
仿真举例
解1：数学计算 记第K个工地的位置为 （xk,yk）,
中心的位置为(x0,y0)， 则目标函数为
c Q
i 1 n i
计算机仿真的基本概念
长江三峡工程
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
飞机设计 计算机仿真的基本概念
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。
系统仿真技术教学大纲+考试大纲
系统仿真技术教学大纲一、课程简介1.1 课程名称：系统仿真技术1.2 学分：3学分1.3 先修课程：无1.4 课程类型：必修课二、教学目标2.1 理论目标：- 了解系统仿真技术的基本概念和原理- 掌握系统仿真建模的方法与技巧- 熟悉系统仿真软件的使用2.2 技能目标：- 能够应用系统仿真技术解决实际问题- 具备系统仿真实验的设计和分析能力- 能够进行系统仿真结果的可视化展示和报告撰写三、教学内容3.1 系统仿真技术概述- 系统仿真技术的发展背景和应用领域- 系统仿真技术的定义和分类- 系统仿真技术在工程领域中的重要性和作用3.2 系统建模与仿真- 系统建模的基本原理和方法- 离散事件仿真和连续仿真的比较与选择- 系统建模中常用的数学模型和统计方法3.3 系统仿真软件- 常用的系统仿真软件介绍和比较- 系统仿真软件的基本操作和功能- 使用系统仿真软件进行实际案例分析3.4 系统仿真实验设计与分析- 系统仿真实验的目标和方法- 系统仿真实验的设计和参数设置- 分析系统仿真实验结果和优化方法四、教学方法4.1 理论课程- 教师讲授课程中的基本概念、原理和方法- 学生通过阅读相关教材和文献进行自学和讨论 - 教师指导学生进行系统仿真建模和实验设计4.2 实践课程- 学生使用系统仿真软件进行实际仿真操作- 学生独立完成系统仿真实验和结果分析- 学生进行实验结果的报告撰写和展示五、教材与参考书目5.1 教材：- 《系统仿真技术导论》作者：张三，出版社：XX出版社5.2 参考书目：- 《系统仿真理论与技术》作者：李四，出版社：XX出版社 - 《系统仿真软件与应用》作者：王五，出版社：XX出版社六、考核方式6.1 平时成绩：包括课堂讨论和实验报告等6.2 期末考核：闭卷考试，占课程总成绩的70%6.3 实验成绩：学生使用系统仿真软件进行的实验和实验报告，占课程总成绩的30%七、教学进度安排7.1 第1周：系统仿真技术概述7.2 第2周：系统建模与仿真7.3 第3周：系统仿真软件介绍7.4 第4周：系统仿真实验设计与分析7.5 第5周：复习与总结八、其他事项8.1 学生应自觉遵守学术道德和实验室安全规定8.2 学生可根据自身兴趣和实际需求，选择具体的系统仿真案例进行研究和实验8.3 学生对系统仿真技术及其应用领域进行深入了解和研究，可作为研究课题或未来的就业方向考试大纲一、考试形式1.1 闭卷考试1.2 考试时间：120分钟二、蓝本内容2.1 系统仿真技术概述- 系统仿真技术的基本概念和应用领域（20分）- 系统仿真技术在工程领域中的作用和意义（30分）2.2 系统建模与仿真- 系统建模的基本原理和方法（20分）- 离散事件仿真和连续仿真的比较与选择（30分）2.3 系统仿真软件- 系统仿真软件的基本操作和功能（30分）- 使用系统仿真软件进行实际案例分析（20分）2.4 系统仿真实验设计与分析- 系统仿真实验的设计和参数设置（20分）- 分析系统仿真实验结果和优化方法（30分）三、参考书目- 《系统仿真技术导论》- 《系统仿真理论与技术》- 《系统仿真软件与应用》四、注意事项4.1 考试过程中禁止交流和抄袭4.2 考试结束后，将试卷和答案整齐放在桌面上，离开考场时禁止携带任何试卷或草稿纸等物品以上为系统仿真技术教学大纲和考试大纲的详细内容，希望能够为学生提供系统学习系统仿真技术的指导和评估依据。
第6章 系统仿真
§6.1 系统仿真概述
(3)在系统仿真时，尽管要研究的是某些特定时刻的系统状 态或行为，但仿真过程也恰恰是对系统状态或行为在时间序列 内全过程的描述。即仿真可以比较真实地描述系统的运行、演 变及其发展过程。
3.系统仿真的作用 (1)仿真的过程也是试验的过程，而且还是系统地收集和积 累信息的过程。尤其适用一些复杂的随机问题，仿真技术是获 取信息惟一令人满意的方法。 (2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通 过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。 (3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统， 以便于分析。 (4)通过系统仿真，不仅能启发新的思想或产生新的策略， 还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
1968年，来自世界各国的几十位科学家、教育家和经济学 家等学者聚会罗马，成立了一个非正式的国际协会－－罗马俱 乐部（The Club of Rome）。其工作目标是关注、探讨与研究 人类面临的共同问题，使国际社会对人类困境包括社会的、经 济的、环境的诸多问题有更深入的理解，并提出应该采取的能 扭转不利局面的新态度、新政策和新制度。
§6.1 系统仿真概述
系统动态学的概念和原理是在上世纪 50年代末由美国麻省理工学院的斯隆管理 学院福雷斯特（Jay .W .Forrester）教授提 出来的，当时称“工业动力学”（Industrial Dynamics)。
当时主要应用于工业 和经济系统方面，如研究 企业规模、雇佣劳动、调 整生产、调整产品价格等. 随着应用范围的扩大，很 难反映它的实际意义，将 其改为“系统动态学”。
§6.1 系统仿真概述
四、应用系统动态学模型的步骤
1. 系统分析（以某地区人口问题分析研究为例） 2. 绘制诸因素的因果反馈关系图，建立模型框架 3. 依照系统因果关系图绘制系统流图 4. 将各子系统流图衔接为总模型流图 5. 最后收集整理数据
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系统仿真的历史·现状·未来
系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。
最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。
一、工程系统的仿真，起源于自动控制技术领域。
从最初的简单电子、机械系统，逐步发展到今天涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控制器和执行机构两个方向上飞速发展。
控制器的仿真软件，在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。
随着执行机构技术的发展，机、电、液、热、气、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提升到了前所未有的水平。
相对控制器本身的发展，凭借新的加工制造技术的支持，执行机构技术的发展更加富于创新和挑战，而对于设计、制造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化系统也提出了更高的要求。
二、系统仿真技术发展的现状
工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设
计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。
因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。
其主要特征表现为：
1、控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB＋AMESIM（提供平台级仿真技术的工具），可以覆盖整个自动控制系统的全部要求。
2、被控对象的多学科、跨专业的联合仿真：AMESIM＋机构动力学＋CFD＋THERMAL＋电磁分析
3、实时仿真技术
实时仿真技术是由仿真软件与仿真机等半实物仿真系统联合实现的，通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。
4、集成进设计平台
现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单位，引进
PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。
在复杂的数据管理流程中，系统仿真作为CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，与上下游工具配合。
5、超越仿真技术本身
工程师不必是精通数值算法和仿真技术的专家，而只需要关注自己的专业对象，其他大量的模型建立、算法选择和数据前后处理等工作都交给软件自动完成。
这一技术特点极大地提高了仿真的效率，降低了系统仿真技术的应用门槛，避免了因为不了解算法造成的仿真失败。
6、构建虚拟产品
在通过建立虚拟产品进行开发和优化过程中，关注以各种特征值为代表的系统性能，实现多方案的快速比较。
三、系统仿真技术的发展趋势
1、屏弃单专业的仿真
单一专业仿真将退出系统设计的领域，专注于单一专业技术的深入发展。
作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。
2、跟随计算技术的发展
随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。
更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。
在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。
3、平台化
要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。
同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。
4、整合和细分市场
整合化：将出现主流的标准工具。
其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。
专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。
这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。
将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。
5、智能化
将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。
不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。
提供易学易用的强大工具。
6、丰富的二次开发选项
提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开发要求。
在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。
这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。
今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。
这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。
机电工程学院自动化 040732班。