第四章：系统仿真及系统力学方法PPT优秀课件
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系统仿真ppt课件
本章主要内容
系统 系统模型 系统仿真 仿真的发展
一、系统
定义：相互联系且相互作用的对象的有机组合 （本课程的研究对象） 系统特征
均由一些相关的实体组合而成 实体具有自身的特征：属性 系统通常是动态的，其变化过程称为活动 工程系统：电气、机械、化工、水利等 非工程系统：经济、交通、管理、生态等
基本特点：能用一组方程式描述 一般的物理系统、工程系统均属此类（连续 流程工业、石油、化工、医药等）
离散事件系统仿真
系统状态只在一些时间点上由于某种随机事 件的驱动而发生变化（状态是在两个事件之 间保持不变即离散变化） 数学模型：一般不是数学方程，而用流程图 或者网络图描述 当前的研究热点，如城市交通系统、计算机 网络、生态系统，管理系统、柔性制造系统、 计算机集成制造系统等
便于重复进行试验，便于控制参数，时间短， 代价小。 可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效 果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的 结果比较之中，选择最佳模型。 对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但 无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统 运行的数值结果。 对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标。
本课程有何用处？
科研：
控制：机器人、月球车、预测控制 网络：用户行为研究、P2P网络研究、服务 器集群性能研究
仿真技术几乎应用于所有的研究与技术 领域，它可以缩短研发周期、改进生产 过程、降低成本以及辅助决策
主要内容
系统仿真概论 仿真模型与建模方法论 连续系统仿真方法学 离散事件系统仿真基础 离散事件系统仿真方法学 仿真结果分析 先进仿真技术与应用
第4章 系统仿真模型-系统动力学
§4-5 DYNAMO仿真计算
一、 一阶正反馈回路 二、 一阶负反馈回路 三、 两阶负反馈回路
§4-6 系统动力学建模步骤
一、系统动力学模型的建模步骤 二、 DYNAMO仿真流程框图 三、系统动力学模型的评价 课后作业
第六章 系统仿真模型——系统动力学
§6-1 系统仿真的基本概念及其实质 一、基本概念 系统仿真——（Systems simulation）是对真 实过程或系统在整个时间内运行的模仿。 ◆依系统的分析目的进行构思 ◆建立系统模型 ◆建立描述系统结构和行为、具有逻辑和数学性 质的仿真模型 ◆依仿真模型对系统进行试验和分析 ◆获得决策所需信息
第六章 系统仿真模型——系统动力学
§6-2 系统动力学概述 一、系统动力学及其发展
（二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展
1 国外学者SD研究现状
系统动力学在国外的应用非常广泛，其应用几乎遍及 各类系统，深入到各类领域。在商业上模拟复杂竞争 环境中的商业模型；在经济学上解释了SamuelsonHicks模型；在医学研究上模拟不同药物效用对病人的 生理学反映，如测试经过胰岛素治疗后糖尿病病人血 液葡萄糖水平的医学模型；在生物学上模拟并推导了 捕食者——被捕食者问题；还有模拟地区经济模型， 模拟生态系统模型等研究。
一、基本概念 二、系统仿真的实质 三、系统仿真的作用
§4-2 系统动力学概述
一、系统动力学及其发展 二、反馈系统
§4-3 系统动力学结构模型
一、信息反馈系统的动力学特征 二、反馈系统 三、流程图（结构模型）
第六章 系统仿真模型——系统动力学
目 录
§4-4 系统动力学数学模型（结构方程式）
一、基本概念 二、 DYNAMO方程
系统仿真及系统动力学方法
研究方向：深入研究系统动力学方法，拓 展其应用领域，提高其精度和效率。
技术发展：结合新技术，如人工智能、大 数据等，开发新的系统仿真方法，提高仿 真效率和精度。
行业应用：将系统仿真及系统动力学方法 应用于更多的行业，解决实际问题，推动 经济发展。
学科交叉：加强与其他学科的交叉融合， 形成更多新的研究方向，推动系统仿真及 系统动力学方法的创新和发展。
系统仿真及系统动力 学方法的发展趋势
技术发展动向
建模技术：更精细、更复杂的模型，提高系统仿真的准确性 计算能力：高效的计算硬件和软件，提高仿真速度和效率 人工智能和机器学习：应用于系统识别和参数估计，提高仿真的可靠性和可信度 云技术和物联网：实现大规模仿真和实时监测，拓展系统仿真的应用领域
理论研究热点
应用领域：广泛应用于工程设计、 生产管理、金融分析等领域，为决 策者提供科学依据和预测结果。
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缺点：由于系统复杂，仿真计算量 大，需要较高的计算能力和数据处 理能力，同时还需要考虑模型的可 信度和适用范围。
发展前景：随着计算机技术和数据 处理能力的不断提高，系统仿真与 系统动力学结合的方法将会得到更 广泛的应用和发展。
系统仿真及系统动力学方 法
系统仿真
目录
系统动力学
系统仿真与系统动 力学结合
系统仿真及系统动
结论
力学方法的发展趋
势
系统仿真
定义及目的
定义：通过建立数学模型对真实系统进行实验研究 目的：研究系统的行为特性，为决策提供依据
仿真模型的种类
物理仿真：基于物理模型的仿 真方法
数学仿真：基于数学模型的仿 真方法
利用系统仿真 方法对系统动 力学模型进行
系统模型与系统建模方法ppt课件
（三） 模型化 1、模型化的定义
模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法即建模过程
*
2、模型化的本质、作用及地位 1.本质：利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。 2.作用：①模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、 形式化的。②模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。③利用模型可以进行“思想”试验。 3.地位：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。
案例：台湾省建立核电厂
What要干什么？在研究台湾省核电厂的建立问题时，用SA法探讨在台湾建设核电厂的可行性如何 Why为什么在台湾省建立核电厂？因为台湾省自产能源很少，历来靠岛外调进原油和煤炭发电，调进能源受政治，经济，交通运输等影响太大，自己无法掌握主动权，同时也为了减少环境污染和在经济上求得更廉价的电力 When何时建立为宜？电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业。当前世界屡发能源危机，因此，为保证台湾经济的稳定与发展，建设核电厂刻不容缓
*
第二节 概述
三、建模的基本步骤 ②对系统进行一般语言描述 因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础； ③弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系） 以便使模型准确表示现实系统； ④确定模型的结构 这一步决定了模型定量方面的内容；
*
三、建模的基本步骤 ⑤估计模型的参数 用数量来表示系统中的因果关系； ⑥实验研究 对模型进行实验研究，进行真实性检验，以检验模型与实际系统的符合性； ⑦必要修改 根据实验结果，对模型作必要的修改。
模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法即建模过程
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2、模型化的本质、作用及地位 1.本质：利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。 2.作用：①模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、 形式化的。②模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。③利用模型可以进行“思想”试验。 3.地位：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。
案例：台湾省建立核电厂
What要干什么？在研究台湾省核电厂的建立问题时，用SA法探讨在台湾建设核电厂的可行性如何 Why为什么在台湾省建立核电厂？因为台湾省自产能源很少，历来靠岛外调进原油和煤炭发电，调进能源受政治，经济，交通运输等影响太大，自己无法掌握主动权，同时也为了减少环境污染和在经济上求得更廉价的电力 When何时建立为宜？电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业。当前世界屡发能源危机，因此，为保证台湾经济的稳定与发展，建设核电厂刻不容缓
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第二节 概述
三、建模的基本步骤 ②对系统进行一般语言描述 因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础； ③弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系） 以便使模型准确表示现实系统； ④确定模型的结构 这一步决定了模型定量方面的内容；
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三、建模的基本步骤 ⑤估计模型的参数 用数量来表示系统中的因果关系； ⑥实验研究 对模型进行实验研究，进行真实性检验，以检验模型与实际系统的符合性； ⑦必要修改 根据实验结果，对模型作必要的修改。
系统仿真技术-24页PPT资料
偏微分方程法
优点： 偏导数反映了空间特性——更全面的信息——分布参数模型； 稳态、动态系统均可描述。
方法：划分微元体
流入的流率—流出的流率=微元累计速度 y
X方向：
u x dy d u x z ( x u x)d d xy d ( zx u x)dxdXdy iyn dz
3
SrL V 1r2H
3
代数法
系统变量间的稳态关系
1、一元回归
单变量关系
2、初等函数法
3、多元回归
非线性关系
多变量关系
yf(x)
y a 0 a 1 x a 2 x 2 a n x n 注意计算效率
y a 0 x ( a 1 x ( a 2 x ( a 3 a 4 x )))
经济性 预见、研发
普及性 科研价值
3 仿真系统的实际应用
辅助训练、人员培训
大型仿真系统
辅助设计
稳态仿真
仿真工厂 动态仿真
稳态仿真
代数方程组
各种物质物理化学性质计算
单元设备及系统物料衡算 单元设备及系统能量衡算 气液平衡计算 化学反应动力学计算
动态仿真
微分方程组
开车可行性实验 停车可行性实验
Xout dz
x
三个方向 流 ( 入 (ux) 流 (u出 y)( 的 uz))d差 xdyd
x y z
微元内的累 积 dx量 dydz
t
整理的：
(ux)(uy)(uz)0
t x y z
第三节 数值求解 —— 仿真（模拟）过程
常规模拟方法：有限差分方法、有限元法、数值积分方法…… 基本方法：
生产优化可行性实验 装置开、停车方案论证 复杂控制系统方案论证
系统仿真及系统动力学方法
a. 水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点； 而速率（R)变量只在一个时段才有意义。
b. 决策者最为关注和需要输出的要素一般被处 理成L变量。
c. 在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量 不能直接相连 。
d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变 量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量 在数量上一般是较多的。
5
第一节 系统仿真
3、系统仿真的作用
(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。
6
第一节 系统仿真
二、系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型 和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上 编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
P 100 102 104.04 ┆
PR 2 2.04 2.0808
┆
100
0 一阶正反馈（简单 人口问题）系统输 出特性曲线
18
3、一级负反馈回路
+
I
库存量 —
订货 量
R1
(—) +
库存 差额 D
期望库存Y
L
I
I•K=I•J+DT*R1•JK
R1
。
Z
。
D
（订货调整时间，5）
D R1
I
1000
。I 。Y（6000）
3
第一节 系统仿真
2、系统仿真的实质
(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。
b. 决策者最为关注和需要输出的要素一般被处 理成L变量。
c. 在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量 不能直接相连 。
d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变 量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量 在数量上一般是较多的。
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第一节 系统仿真
3、系统仿真的作用
(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。
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第一节 系统仿真
二、系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型 和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上 编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
P 100 102 104.04 ┆
PR 2 2.04 2.0808
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100
0 一阶正反馈（简单 人口问题）系统输 出特性曲线
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3、一级负反馈回路
+
I
库存量 —
订货 量
R1
(—) +
库存 差额 D
期望库存Y
L
I
I•K=I•J+DT*R1•JK
R1
。
Z
。
D
（订货调整时间，5）
D R1
I
1000
。I 。Y（6000）
3
第一节 系统仿真
2、系统仿真的实质
(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。
《系统仿真技术》课件
系统仿真的基本步骤
问题定义与模型建立
明确仿真目的，根据实际系统建立数学模型。
仿真模型实现
将数学模型转化为计算机程序，实现仿真模型的计算。
仿真实验与数据收集
运行仿真模型，收集实验数据，用于后续分析和评估。
结果分析
对实验数据进行统计分析，得出结论，支持决策制定。
系统仿真的常用方法
蒙特卡洛方法
基于概率统计的随机抽样技术，常用于解决复杂系统 的仿真问题。
特点
系统仿真技术具有高度逼真性、可重 复性和可控制性，能够模拟真实系统 的运行过程和行为，为系统设计、优 化和决策提供有力支持。
系统仿真技术的应用领域
航空航天
模拟飞行器、航天器的性能和 行为，优化设计。
交通运输
模拟交通流、车辆性能和交通 规划，提高交通效率和安全性 。
工业生产
模拟生产过程、设备和工艺， 优化生产效率和产品质量。
电力系统
分析电力系统的稳定性、 优化电网的运行和管理策 略。
06
CHAPTER
系统仿真技术在解决实际问 题中的应用
系统仿真技术在生产制造中的应用
01
生产调度仿真
通过仿真技术模拟生产线的运行 情况，优化生产调度，提高生产 效率。
02
工艺流程仿真
03
质量控制仿真
对生产制造过程中的工艺流程进 行模拟，发现潜在问题，优化工 艺参数。
03
02
仿真实验
根据建立的模型进行仿真实验，模 拟系统的运行过程。
系统优化
根据分析结果对系统进行优化和改 进。
04
混合系统仿真的应用实例
制造系统
分析制造过程的性能、优 化生产线的布局和管理策 略。
物流系统
系统仿真-PPT课件
便于重复进行试验，便于控制参数，时间短， 代价小。 可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效 果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的 结果比较之中，选择最佳模型。 对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但 无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统 运行的数值结果。 对于随机性系统，可以通过大量的重复试验， 获得其平均意义上的特性指标。
系统仿真与计算机仿真
系统仿真的概念 计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算 机对一个系统的结构和行为进行动态演示, 以 评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信 息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一 条有效途径。 现在一般认为系统仿真等同于计算机仿真
为什么要进行计算机仿真
即从可行性、经济性以及安全性等角度 考虑，需要在能模拟实际系统或待设计 系统的系统模型上进行研究
模型分类（按表示方式）
物理模型：实体模型。实际系统尺寸上缩小 或放大后的相似体。描述的逼真感强，但建 模费用大，不易试验，修改参数或结构困难 数学模型：用数学形式描述实际系统的结构 和性能，可以描述系统的静态或动态特性。 建模费用低，可反复试验
自治系统(autonomous) 系统无输入变量 非自治系统 系统有输入变量 闭系统 开系统 无记忆系统 有记忆系统 线性系统 非线性系统 系统无输入、输出变量 系统有输入、输出变量 系统无状态变量 系统有状态变量 系统的输入输出满足齐次性和叠加性 系统的输入输出不满足齐次性和叠加性
二、系统模型
相似原理与相似理论
系统仿真遵循相似原理：
几何相似：风洞试验等，工作原理相同、质 地相同，但几何尺寸不同 环境相似：虚拟现实等 性能相似：数学模型，计算机仿真
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The Limits to Growth,D.
Meadows,1972”,“Toward Global
Equilibrium D.Meadows,1974”) 。这些成果引
起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力
学正是在这一番论战中，加速壮大成熟起来。
通信网络： Comnet III等。
Arena
Extend
Automod
SimProcess
FlexSim
Some Useful Links
Arena, / Extend, /
2、系统仿真的实质
(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。
（二）系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结 构模型和量化分析模型，并将其转换为 适合在计算机上编程的仿真模型，然后 对模型进行仿真实验。 系统根据其模型表示可以分为： ✓ 连续系统 ✓ 离散事件系统
连续系统
连续系统：其服从于物理学定律（电学、 力学、热学），其数学模型可表示为传 统意义上的微分方程或差分方程。 其系统的状态变量随时间而发生连 续变化。
Extend试用版： /prods_demo.html Witness, / AutoMod学生版 /academic/studentresources.asp AutoMod，/ Promodel（Academic)： /academic/ Flexsim
第四章 系统仿真及系统
动力学（SD）方法
第一节：系统仿真概述 第二节：系统动力学模型化原理 第三节： 基本反馈回路的DYNAMO仿真
分析 第四节：DYNAMO函数
第一节 系统仿真概述
（一）概念及作用
1.基本概念 所谓系统仿真，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。
离散事件系统
离散事件系统（Discrete Event Dynamic
System) DEDS/DES:
指系统的状态在一些离散时间点上由于某种 事件的驱动而发生变化。其数学模型很难用数 学方程来表示。
生产系统是DES系统！
由于连续系统和离散(事件)系统的数学模 型有很大差别，所以系统仿真方法基本 上分为两大类，即连续系统仿真方法和 离散系统仿真方法。
（三）系统动力学的发展及特点
1、由来和发展
1956年至 60年代初 60年代初至 70年代初 70年代初至
80年代
80年代以来
SD的出现始于1956年，主要应用于工业企业管理，并 创立了“Industrial Dynamics” (1959)
SD思想和方法的应用范围日益扩大。“Principles of Systems”(1968)，“ Urban Dynamics”(1969)的出现.
1972年美国MIT的J.W.Forrester正式提出“Systems Dynamics”。 经历了两次严峻的挑战。
SD成为一种重要的系统工程方法论和重要的模型方 法。尤其是随着国内外管理界对学习型组织的关注 ,SD思想和方法的生命力更为强劲。
20世纪70年代以来，S70年代初，来自
26个国家的75名科学家的罗马俱乐部困惑于世界
面临人口增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时
一些惯用的工具难以胜任对此复杂问题的研究，
于是他们寄希望于刚刚兴起的系统动力学方法。
其主要的标志是两个世界模型(WORLD
）
(WORLD “World
Dynamics,1971,Forester”; WORLD -- “
通用的 vs. 面向应用的仿真软件
通用的仿真软件包括：
Arena, Extend, FlexSim。
面向应用的仿真软件包括：
生产领域：Witness, AutoMod, ProModel等。
过程重组： ProcessModel, SimProcess等。
卫生医疗： MedModel
呼叫中心： Arena Call Center
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。
在以上两类基本方法的基础上，还 有一些用于系统(特别是社会经济和 管理系统)仿真的特殊而有效的方法， 如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。
系统动力学方法通过建立系统动力 学模型(流图等)、利用DYNAMO仿 真语言在计算机上实现对真实系统 的仿真实验，从而研究系统结构、 功能和行为之间的动态关系。
常见仿真软件
(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。
仿真应用领域
仿真应用领域-食品及服务领域
/casestudies/index.htm
仿真应用领域-交通
仿真应用领域-化学工厂
呼叫中心
Motorola Distribution Centre 摩托罗拉分销中心-物流