系统建模与仿真第1章概论
系统建模与仿真-齐欢
课程大纲
02
系统建模
离散事件建模
建模方法与技巧
连续系统建模
混合系统建模
概率建模
离散事件系统中最常见的就是排队模型，通过输入流、输出流和排队规则来描述系统的动态行为。
离散事件建模
排队模型
库存模型是一种特殊的排队模型，主要应用于库存管理和生产物流等领域，通过库存量和补货策略来描述系统的动态行为。
库存模型
通过建立物流系统仿真模型，对物流系统的运行情况进行模拟和预测，以便更好地管理和优化物流系统。
要点三
在服务管理中的应用
服务流程优化
通过建立服务流程模型，对服务流程进行优化和再造，以提高服务质量和效率。
服务能力规划
通过建立服务能力规划模型，对服务能力的需求和供给进行预测和规划，以达到服务能力的合理配置和利用。
整数规划方法
基于仿真的优化
通过模拟大量随机样本，计算期望值和方差，进而进行优化。
蒙特卡洛仿真
通过构建系统模型，模拟系统行为，寻找最优参数配置。
系统仿真
通过与环境交互，自主学习，寻找最优策略。
强化学习算法
通过引入多种目标函数，求解多目标最优解。
多目标优化
遗传算法的应用
遗传算法是一种基于自然进化原理的优化算法，通过模拟生物进化过程中的选择、交叉、变异等操作，寻找最优解。
进行仿真实验数据采集，对数据进行预处理和分析。
实验方法与步骤
选择仿真软件
根据研究问题和模型特点，选用合适的仿真软件进行建模和仿真。
建立模型
根据研究问题选择合适的数学建模方法，建立系统模型。
模型验证与调试
对所建模型进行验证和调试，确保模型的正确性和可行性。
数据清洗
系统建模与仿真概述
IE
18
2.1 系统仿真的定义
Simulation
在有的模型中，既有连续变化的成分，也有离散变化的因素，这种模型 被称为混合模型（Mixed continuous-discrete model），例如在炼油 厂，储油罐中的压力是连续变化的，但会在离散时间点上发生间歇。 （3）确定和随机： 没有随机输入的模型为确定性模型，严格预约时间与固定服务时间的运 作过程即属此类。 在随机模型中，至少存在一部分随机输入，例如在银行中，顾客的到达 时间与服务时间都是随机变化的。 一个模型中也可以同时包括确定的和随机的输入成分，哪些属于确定因 素、哪些属于随机因素是建模时要考虑的重要问题。
②简单性
从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要因素和某些 非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。 一般来说，在实用的前提下，模型越简单越好。
③多面性
对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集 的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型并不是唯一的。 由于不同的分析者所关心的是系统的不同方面，或者由于同一分析者要了解 系统的各种变化关系，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
①清晰性：一个复杂的系统是由许多子系统组成的，对应的系统模型也 是由许多子模型构成的。在子模型之间除了研究目的所必需的信息联系 外，相互辐合要尽可能少，结构要尽可能清晰。 ②相关性：模型中应该只包括系统中与研究目的有关的那些信息。 ③准确性：建立系统模型时，应该考虑所收集的、用以建立模型的信息 的准确性 ④可辨识性：模型结构必须具有可辨识的形式。所谓可辨识性是指系统 的模型必须有确定的描述或表示方式，而在这种描述方式下与系统性质 相关的参数必须有唯一确定的解。 ⑤集合性：是能够把一些个别的实体组成更大实体的程度，即模型的集 合性。
AMESim系统建模仿真—从入门到精通第1章引言
第一章引言本章将介绍AMESim 家族产品和AMESim 4.2的新特征。
AMESim是什么? AMESim 怎么用? 如何使用文件组？在线帮助的组织结构。
AMESim 4 软件包。
AMESim 4.2的新特征1.1 AMESim是什么?AMESim表示项目系统仿真高级建模环境<A dvanced M odeling E nvironment for performing Sim ulations of engineering systems）.基于直接图形接口，在整个仿真过程中系统可以显示在环境中。
AMESim 使用图标符号代表各种系统的元件，这些图标符号要么是国际标准组织如项目领域的ISO为液压元部件确定的标准符号，或为控制系统确定的方块图符号，或者当不存在这样的标准符号时可以为该系统给出一个容易接受的非标准图形特征。
.Figure 1.1: AMESim中使用符号Figure 1.1 所示为使用标准液压，机械和控制符号表达的一个项目系统。
Figure 1.2所示为使用了非标准图形特征的汽车制动系统。
Figure 1.2: 汽车制动系统的符号1.2 如何使用AMESim?使用AMESim你可以通过在绘图区添加符号或图标搭建项目系统草图，搭建完草图后，可按如步骤进行系统仿真：•图标元件的数学描述• 设定元件的特征• 初始化仿真运行• 绘图显示系统运行状况Figure 1.3 所示为从HCD符号构建的一个三柱塞径向液压泵详细模型。
箭头用来表示液流方向。
Figure 1.3: 从HCD符号构建的一个三柱塞径向液压泵大多数自动化系统都可按上述步骤执行，在每一步都可以看到系统草图。
接口现在的联系是为了提供软件间的接口使它们能够联合工作，以便你能够获得每个软件的最佳特征。
标准AMESim软件包提供了与MATLAB.的接口。
这使你有权使用控制器设计，优化工具和功率谱分析等。
还有其它一些接口可用，AMESim最新接口信息请参见1.6.6节接口。
系统建模与仿真技术
1.1 系统、模型与仿真
数学模型分类
按照数学方法可以分为确定性模型，随机模型，和模糊模型。 确定性模型：对象具有固定性，对象之间具有必然的联系。这类模型的表示形式 可以是方程式，关系式，逻辑关系式，网络图等。所使用的方法是经典的数学方 法。 随机模型：这类模型对应的实际问题具有随机性，模型的表示工具是概率论，随 机过程和数理统计等。 模糊模型：这类模型对应的实际问题具有模糊性，模型的表示工具是模糊集合， 模糊逻辑等。
中北大学 信息与通信工程学院
1.1 系统、模型与仿真
仿真的定义 1961年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义 “仿真指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，Körn，“连续系统仿真” “用能代表所研究的系统的模型作实验”。 1982年，Spriet―进一步将仿真的内涵加以扩充 “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―给出了仿真的基本概念框架 “建模－实验－分析”, “仿真是一种基于模型的活动” 1989年文传源又在“系统仿真在中国的发展”一文中对系统仿真的学科定义作 了如下重要修订：“系统仿真是建立在相似理论，控制理论、系统科学及计算机 技术基础上的一门综合性和试验性学科”。
在实际问题中，参数的分布性质是普遍存在的。在很多情况下可以部分甚至全部地忽略这 种分布性质，以便简化对问题的研究。例如，对于一个有质量分布的弹性飞行器，在研究 它的扭转运动时，必须考察其内部各点的运动，把它当作分布参数系统。但在研究它的运 动轨线时，就不必逐点考虑其内部运动，而把质量集中到质心来分析，即把它当作集中参 数系统。
中北大学 信息与通信工程学院
1.1 系统、模型与仿真
第1章 系统建模仿真基础
模型
模型（Model）
模型是实际系统（或对象）在某些方面特性的一种 表现形式。它必须反映该系统（或对象）的主要特征、 行为特性或本质特性。
百钱买百鸡问题的模型。（方程组）
模型-地图
模型
模型 按一定研究目的，对所研究系统准确的描述。 按描述手段，模型有如下几类:
文字式模型
框图式模型 数学式模型 图解式模型 混合式模型
学模型上进行试验，再现系统的某些特性。
数学模型能精确反映系统内部的各种静态和动态特性， 如锅炉运行中的燃料化学反应、传热过程、能量储存与释放、 工质循环流动的特性。 数学仿真一般是利用计算机对系统数学模型进行运算和 试验的。因此，利用计算机实现的系统数学仿真也称为：计 算机仿真。
物理-数学混合仿真
1.1 概述
1961年G. W. Morgenthater：“仿真意指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在《连续系统仿真》一述中将仿真定义为“用能 代表所研究的系统的模型做实验”；
1984年Oren提出“仿真是一种基于模型的活动”，被认为是 现代仿真技术的一个重要概念。
Time is condensed Does not disturb the real system Modeling is almost always cheaper than experimenting on the actual system.
Working on a simulation model helps you think about the
对其它研究方法得到的研究结果
对于存在但由于各种因素难以
系统建模与仿真讲义-哈尔滨工业大学
第一章 绪论
概述
系统辨识是控制论的一个分支，系统辨识、状态 估计、控制理论构成了现代控制论的三大支柱。 经典控制理论中蕴含着系统辨识：用试验法确定 系统传递函数。20世纪60年代，系统辨识发展成现代 控制论的一个活跃分支。 目前，系统辨识被推广至其他广泛领域，如气象 学、生物学、生态学和社会经济学等。
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模型的含义： 所谓模型（model）就是把关于实际系统的本质的 部分信息简缩成有用的描述形式。
是分析系统和预报、控制系统行为特性的有力工具。
是根据使用目的对实际系统所作的一种近似描述。
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●
模型的表现形式
(1)直觉模型：开车、指挥战斗
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(2) 物理模型：根据相似原理把实际系统加以缩小的 复制品，或是实际系统的一种物理模拟。
哈尔滨工业大学
控制与仿真中心
1
教学与考核方式
教学方式
总学时 授课学时 上机学时 24 16 8
目的：掌握系统辨 识的基本原理方法，
提高解决问题能力
和编程能力。
考核方式
期末考试 实验
60分 开卷 40分 （3个实验，10+15+15分）
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主要内容安排
第一章 绪论 第二章 系统辨识常用输入信号 第三章 系统数学描述及经典辨识法 第四章 最小二乘法辨识
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（3）在目的方面的可信性：从实践的观点出发，假如 运用一个模型能达到预期的目标，那么这个模型就是成 功的、可信的。一个模型只有在它用于原定的目标时， 它才真正的发出光来。
1.1.5 建模过程 建模过程总的来说可以用下图来描述。
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先验 知识
演绎分析 目 标 协 调 归 纳 程 序
电力电子、电机控制系统的建模及仿真(第1章)
2. 保存目前空白的设计 (File＞Save As …)，在File Name字段输入名称VoltageRegulator，在保存文件的时候需要注 意，文件的保存路径必须为英文路径，否则在文件再次打开时会出现错误。
3. 放置元器件 按图1-2所示在原理框图上放置元器件。
(5) 将鼠标放置在窗口空白处并单击鼠标右键，通过图1-9中的选项可以改变主窗口背景颜色。 第一项为彩色黑背景；第二项为彩色白背景；第三项为黑色白背景。用户可根据自己的习惯进行 修改。
5. 连接原理图 在完成元件布局并设定属性后，可以将元件用导线连接在一起。在两个端口间连线的最简
单的方法如下： (1) 将光标放在第一端口上面(以V_dc符号的顶部开始)； (2) 单击鼠标左键； (3) 将光标放在第二个端口上(lm317的左侧端口)； (4) 再次单击鼠标左键。 重复步骤(1)-(4)，从而将每个元件符号连至相关部件，如图1-10所示。
图1-31参数设置对话框
3. 在Saber中设置输入输出接口 启动Sketch并打开power_window_control.ai_sch 文件，文件位于：Synopsys\B
-2008.09-SP1\Saber\lib\tool_model\Simulink2SaberRTWexport_Matlab2008a\po wer_window，如图1-32所示。
主要功能: • 1. 数值计算功能 • 2. 符号计算功能 • 3. 数据分析和可视 化功能 • 4. 文字处理功能 • 5. SIMULINK动态仿真功能
主要特点: • 1. 功能强大
含有40多个应用于不同领域的工具箱.
• 2. 界面有好
其指令表达方式与习惯上的数学表达 式非常接近。 • 3. 扩展性强
系统建模与仿真-齐欢
系统建模与仿真-齐欢xx年xx月xx日contents •引言•系统建模•仿真实验•系统优化•系统建模与仿真应用•总结与展望目录01引言系统建模与仿真是一门研究系统建模、仿真技术及其应用的学科。
课程从数学模型、仿真技术、计算机系统等方面系统地介绍系统建模与仿真的基本概念、原理和方法。
课程简介教学目的理解并掌握常见的系统建模方法、仿真算法和工具。
掌握系统建模与仿真的基本概念、原理和方法。
能够应用所学知识解决实际系统建模与仿真问题。
课程大纲•第一部分：系统建模基础•第1章：系统与模型概述•第2章：数学模型基础•第3章：系统建模的原则和方法•第二部分：系统仿真技术•第4章：仿真技术概述•第5章：数值仿真方法•第6章：仿真实验设计及其实践•第三部分：现代系统建模与仿真•第7章：现代系统建模与仿真概述•第8章：基于Agent的系统建模与仿真•第9章：基于流程的系统建模与仿真•第四部分：应用与实践•第10章：系统建模与仿真的应用•第11章：系统建模与仿真实验02系统建模建模方法与技巧适合描述在离散时间点上系统状态的变化，通常用流程图和状态图表示。
离散事件建模系统动力学建模连续系统建模混合建模用反馈机制描述系统内部各要素之间的相互作用和影响，从而预测系统的长期行为。
使用微分方程、传递函数等连续模型描述系统的动态行为。
结合离散事件和连续事件进行建模。
离散事件建模Petri网一种形式化的离散事件模型，适用于描述并行、异步、分布式系统中的事件序列。
进程代数一种代数结构，用于描述并发系统中的交互和同步。
时序逻辑用于描述系统在时间上的行为顺序。
系统动力学建模系统动力学方程描述系统内部各要素之间的因果关系和反馈机制，从而预测系统的长期行为。
流图描述系统中物质、能量、信息等资源的流动路径和转化过程。
参数估计与校准根据历史数据和经验，确定模型中的参数，使模型符合实际情况。
010203仿真模型的评估与验证模型性能评估通过对比仿真结果与实际数据，评估模型的准确性和鲁棒性。