系统工程(2)

1系统模型
系统模型也有它的局限性，例如，系统模型本身并不能产生理论概 念和实际数据，模型也不是现实系统本身，因此仅靠模型并不能检验出 系统分析的结论是否与实际相符，最后还要用实践来检验。
2系统建模
2.1对系统模型的要求和建模的原则
（1） 对系统模型的要求：现实性、简明性、标准化 1）现实性 —— 即在一定程度上能够较好地反映系统的客观实际，
系统模型反映着实际系统的主要特征，但它又区别于实际系统而具 有同类问题的共性。一个通用的系统模型应具有如下的三个特征： 1）是实际系统的合理抽象和有效的模仿； 2）由反映系统本质或特征的主要因素构成； 3）表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系。
在构造模型时，要兼顾到它的现实性和易处理性。
1）考虑到现实性，模型必须包括现实系统中的主要因素。 2）考虑到易处理性，模型要采取一些理想化的办法，即去掉一些 外在的影响并对一些过程作合理的简化。
1系统模型
模 型
实物模型
抽象模型
原样模型
相似模型
模拟模型
图式模型
数学模型
实体模拟模型
计算机模拟模型
1系统模型
5.1.4系统模型的作用
系统模型在系统工程中占有重要的地位，它的作用主要表现在以下 几个方面： （1）直观和定量 用系统模型不但能对现实系统的结构、环境和变化过程进行定性地 推理和判断，而且可以通过图形及实物等直观的形式比较形象地反映出 现实系统的结构、环境和变化过程的规律，尤其重要的是还可以用数学 模型对现实系统进行定量分析并得出问题的数学解。 （2）应用范围广、成本低 由于用系统模型不必直接对现实系统本身进行实验研究，这样就可 以减少大量的研究经费，更便于在实践中推广应用。
于使用计算机。
因此，数学模型解决了对系统进行定量描述的问题，而且为计算机 模拟提供了条件，所以它是系统分析中最重要的一种模型。人们通常所
说的系统建模，大多数情况下都是指建立系统的数学模型。
1系统模型
在系统工程中，最常用的数学模型是运筹学模型，以变量的性质来 分主要有两大类： 一类是确定性模型，即系统的输出、输入信号和系统参数的性质是 确定的，如线性规划模型、非线性规划模型、整数规划模型、目标规划 模型、动态规划模型、网络模型、确定性存贮模型等； 一类是随机性模型，即系统的输出、输入或系统的性质参数是不确 定或不完全确知时建立的模型，如决策模型、对策模型、随机性存贮模 型、排队模型随机模拟模型、预测模型等
例如：一个受外力F作用的物体M，其动力学系 统的数学模型在不同环境下有不同的等级要求。 （1）当物体的运动速度v足够小的时候，可以 忽略空气阻力，此时的数学模型为 F=M（d2x）/dt2 X表示位移，t 表示时间
当速度v提高到必须考虑空气阻力的影响 时，则其符合精度要求的数学模型为： F=M（dv）/（dt）+kv2
（1） 系统建模方法 1)推理法——“白箱”系统
对于那些内部结构和特性已经清楚或者可以通过分析弄清楚的系统，
即所谓的“白箱”系统，可以利用一致的定律和定理，经过一定的分析 和推理，得到系统模型。
常用的三种数学模型为：


微分方程，建立的主要方法是机理分析法（演绎法） 传递函数，建立系统传递函数的主要方法是拉氏变 换法 状态空间模型，系统的状态空间模型可以在演绎法 的基础上，通过适当选取系统的状态变量来建立
2)实验法——“黑箱”或“灰箱”系统，允许 做实验的系统
对于那些内部结构和特性不清楚或者难以 弄清楚的系统，即所谓的“黑箱”或者” 灰箱“系统，如果允许实验性观察，则可 以通过实验方法，选择各种典型的输入量， 并测试器相应的输出量，然后按照一定的 辨识方法，得到系统模型。
2系统建模
3)统计分析法——对于那些属于“黑箱”，但又不允许直接进行实 验观察的系统 4)混合法——大部分系统模型的建造往往是上述几种方法综合运用 的结果 对信息已知的部分采用演绎法； 对信息未知的部分采用归纳法，或者根据已知的物理和结构特性
1系统模型
1.2建立系统模型的必要性
人类认识和改造客观世界的研究方法一般说来有三种，即实验法、 抽象法、模型法。
实验法是通过对客观事物本身直接进行科学实验来进行研究的，因 此局限性比较大。 抽象法是把现实系统抽象为一般的理论概念，然后进行推理和判断， 因此这种方法缺乏实体感，过于概念化。
模型法是在对现实系统进行抽象的基础上，把它们再现为某种实物 的、图画的或数学的模型，然后通过模型来对系统进行分析、对比和研 究，最终导出结论。 模型法既避免了实验法的局限性，又避免了抽象法的过于概念化， 所以成为现代工程中一种最常用的研究方法。
辑推理，变成可以进行准确分析和处理的东西，从而能得到所需要给出 的结论； 模型化之所以有用，还因为它能利用模型来模拟和实验以及优化在 现实世界中无法实践的事情，从而节省大量的人力、物力和时间，而又 无风险之虑
1系统模型
在系统工程中广泛地使用系统模型还出自于下面的考虑： （1）系统开发的需要。在开发一个新系统时，由于实际系统尚未建 立，只能通过构造系统模型来对系统的性能进行预测，以实现对系统的 分析、优化和评价。
（2）经济上的考虑。对大型复杂系统直接进行实验其成本是十分昂 贵的，采用系统模型就便宜多了。
（3）安全上的考虑。对有些系统直接进行实验非常危险，有时根本 不允许。 （4）时间上的考虑。对于社会、经济、生态等系统，它们的惯性大， 反应周期长，使用系统模型进行分析、评价，很快就能得到结果。
（5）系统模型容易操作，分析结果易于理解。
2）模拟模型分为两类：一类为实体模拟模型，一类为计算机模拟模 型。实体模拟模型也称为物理模拟模型，它是指用一种原理上相似，而 求解或控制容易的系统，代替或描述真实系统。计算机模拟模型是指用 计算机操作而根据特定的程序语言描述真实系统的模型
1系统模型
3）数学模型——是指用数学方法如数学表达式、图像、图表等描 述系统结构和过程的模型，它由常数、参数、变量和函数关系组成，具 有以下特点： ① 它是定量分析的基础； ② 它是系统预测和决策的工具； ③ 它可变性好，适应性强，分析问题速度快，省时省力，而且便
k表示阻力系数
当速度接近光速的时候，需要考虑质量的变 化 F=（dMv）/（dt）+kv2
(4)尽量使用标准模型
在建立一个实际系统的模型时，应该尽量 在符号，单位，以及模型结构等模型的基 本要素上向标准模型靠拢，这样有利于模 型的推广和应用，同时与其他模型进行比 较分析。
2系统建模
5.2.2系统建模方法与步骤
1系统模型
运筹学模型还可分为静态模型和动态模型、连续性模型和离散性模 型： 静态模型——指系统的输出输入关系由同一时刻决定，可以忽略时 间变化的模型，数学中的代数方程和逻辑方程式就属于此种模型； 动态模型——是指系统的输出输入关系是时间的函数，模型中包含 有时间或代表时间的步长作为独立变量，如含有时间变量的偏微分方程、 积分方程等； 连续性模型——是在时间上连续变化或动作的模型，微分方程描述 的就是这一种； 离散性模型——是在一定的时间间隔上动作的模型，常用差分方程 来表示。
1)系统——即模型描述的对象；
2)目标——即系统所要达到的目标； 3)组分——构成系统的各组成部分； 4)约束条件——是指系统所处的客观环境及限制条件； 5)变量——表述系统组分的变量，包括内部变量和外部变量、状态 变量（空间、时间）等； 6)关联——表述系统不同变量之间的数量关系。
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（2）特征
系统建模方法
实际的系统描述极为困难:
社会、经济、军事大系统，其行为和政策效果往往无法用直接
试验的办法得到。
有些工程技术问题，虽然可以通过试验掌握系统的部分结构功 能和特性，但是往往代价太大，
解决方法：
采用系统模型的方法来研究分析比较复杂的现实系统。
系统模型方法
1系统模型
1.1系统模型的定义与特征 1.2建立系统模型的必要性 1.3系统模型的分类
系统模型一般是现实系统的描述、模仿或抽象，用以简化地描述现 实系统的本质属性，是一切客观事物及其运动形态的特征和变化规律的 一种定量抽象，是在研究范围内更普遍、更集中、更深刻地描述实体特 征的工具。
1系统模型
同一个系统根据不同的研究目的，可以建立不同的系统模型。
同一种模型也可以代表多个系统。 系统模型由以下几部分组成：
应把系统本质的特征和关系反映进去，而把非本质的东西去掉，但又不
影响反映本质的真实程度。 2）简明性 ——在满足现实性要求的基础上，应尽量使系统模型简
单明了，以节约建模费用和时间。
3）标准化 ——在建立某些系统的模型时，如果已有某种标准化模 型可供借鉴，则应尽量采用标准化模型，或对标准化模型加以某些修改，
使之适合对象系统。
2系统建模
（2） 系建模原则
1） 抓住主要矛盾
建模都是针对某一目的而言的，建模只有在一定目的的指引下 才有方向，所以建模时只应包括与研究的目的有关方面，抓住问题的主 要方面，而不是去囊括对象系统的所有方面 例如：对于一个空运指挥调度系统的研究，建模只需考虑飞机的飞
行方向，而无需考虑其飞行姿态
2力争清晰明了 现实生活中，需要研究的对象往往是非常 复杂的大系统，如社会经济系统，环境系 统等，一个大型系统是由许多联系密切的 子系统组成的，而子系统也可包括很多子 系统，这要求人们在建模时，子模型之间 除了研究目的所必须的信息联系外，其他 的耦合关系要尽量少。
3）精度要求适当
精度要求是一个重要方面，其要求的高低 对系统模型有重要的影响。但是，并非精 度越高越好，建立系统模型时，应该视研 究目的和使用环境不同，选择适当的精度 等级，以保证模型切题，实用，而又不致 花费太多。
1.4系统模型的作用
1.5系统模型与原型
系统建模方法
2 系统建模技术
2.1系统模型的要求