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實驗室3603245wangl@ustc.edu.cn信箱：系樓二樓,課程簡介,系統(tǒng)仿真技術(shù)涉及到建模理論、計算機軟件、數(shù)值方法、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、工程設(shè)計等方面的知識，是學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。通過本課程的學(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：機器人、月球車、預(yù)測控制網(wǎng)絡(luò)：用戶行為研究、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、改進生產(chǎn)過程、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)果分析先進仿真技術(shù)與應(yīng)用,參考書,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)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計算機和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗，并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料對試驗結(jié)果進行分析研究，進而做出決策的一門綜合性的和試驗性的學(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)系且相互作用的對象的有

4、機組合（本課程的研究對象） 系統(tǒng)特征均由一些相關(guān)的實體組合而成 實體具有自身的特征：屬性 系統(tǒng)通常是動態(tài)的，其變化過程稱為活動 按物理特征分類工程系統(tǒng)：電氣、機械、化工、水利等非工程系統(tǒng)：經(jīng)濟、交通、管理、生態(tài)等,,按狀態(tài)變化方式分類連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)量隨時間連續(xù)變化離散事件系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)只在一些時間點上由于某種隨機事件的驅(qū)動而發(fā)生變化按復(fù)雜程度分類單變量系統(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） 有時不能直接把系統(tǒng)作為試驗對象 不具有可行性：系統(tǒng)未建成、行為預(yù)測代價昂貴：生產(chǎn)過程、大型系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)不安全：核試驗、碰撞試驗、軍事演習(xí),,其它包括涉及到主觀因素影響或者不能復(fù)原的試驗等等即從可行性、經(jīng)濟性以及安全性等角度考慮，需要在能模擬實際系統(tǒng)或待設(shè)計系統(tǒng)的系統(tǒng)模型上進行研究,,模型分類（按表示方式）物理模型：實體模型。實際系統(tǒng)尺寸上

6、縮小或放大后的相似體。描述的逼真感強，但建模費用大，不易試驗，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)或動態(tài)特性。建模費用低，可反復(fù)試驗復(fù)雜系統(tǒng)仿真時往往兩者相結(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：在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的實現(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)的模型作實驗19

7、82年，Spriet擴充定義：所有支持模型建立與模型分析的活動即為仿真活動1984年，Oren提出：仿真是一種基于模型的活動,系統(tǒng)仿真與計算機仿真,系統(tǒng)仿真的概念計算機仿真是一種非實物仿真方法，是用計算機對一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為進行動態(tài)演示, 以評價或預(yù)測一個系統(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)雜的實際問題的一條有效途徑?，F(xiàn)在一般認(rèn)為系統(tǒng)仿真等同于計算機仿真,為什么要進行計算機仿真,便于重復(fù)進行試驗，便于控制參數(shù)，

8、時間短，代價小?？梢栽谡鎸嵪到y(tǒng)建立起來之前，預(yù)測其行為效果，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。對于缺少解析表示的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，可以通過仿真獲得系統(tǒng)運行的數(shù)值結(jié)果。對于隨機性系統(tǒng)，可以通過大量的重復(fù)試驗，獲得其平均意義上的特性指標(biāo)。,適合計算機仿真的問題,難以用數(shù)學(xué)公式表示的系統(tǒng)，或者沒有建立和求解數(shù)學(xué)模型的有效方法．雖然可以用解析的方法解決問題，但數(shù)學(xué)的分析與計算過于復(fù)雜

9、，這時計算機仿真可能提供簡單可行的求解方法．希望能在較短的時間內(nèi)觀察到系統(tǒng)發(fā)展的全過程，以估計某些參數(shù)對系統(tǒng)行為的影響．難以在實際環(huán)境中進行實驗和觀察時，計算機仿真是唯一可行的方法，例如太空飛行的研究．需要對系統(tǒng)或過程進行長期運行比較，從大量方案中尋找最優(yōu)方案．,,,計算機仿真的應(yīng)用,三峽水庫總庫容393 億立方米，總裝機容量1820萬千瓦，將是世界上最大的水電站。 但是三峽的安全問題是一個很重要的問題，我們不可能等到建好

10、后再看它的安全性，用計算機仿真就可以很好的解決這一問題。,長江三峽工程,,,計算機仿真的應(yīng)用,飛機設(shè)計中有一個重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗。實際的風(fēng)洞試驗費用巨大。使用計算機仿真進行模擬風(fēng)洞試驗，使費用大大降低。,飛機設(shè)計,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)實等 性能相似：數(shù)學(xué)模型，計算機仿真 在具體實現(xiàn)時，則基于相似理論，對應(yīng)仿真的不同層次,相似理

11、論,幾何相似：實物模型等 模擬：如用電量表示物理量，也稱異類相似 離散化：可以用數(shù)字計算機計算 等效：在數(shù)學(xué)描述層次上相似，常見的仿真器 感覺相似：虛擬現(xiàn)實等 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：模擬計算仿真,用相對比較容易實現(xiàn)與調(diào)整的電氣、電子系統(tǒng)對其它物理系統(tǒng)進行仿真。模擬電子計算機。模型與原型之間狀態(tài)運動規(guī)律特性相似,列寫圖1所示電網(wǎng)絡(luò)以ui(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-阻尼器機械位移系統(tǒng)在外力F(t)作用下，位移x(t)的運動方程。,列寫電網(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：,列寫機械位移系統(tǒng)微分方程。根據(jù)力平衡方程：,從微分方程上看： 兩類系統(tǒng)在狀態(tài)運動規(guī)律上相似。因此，可以用電網(wǎng)絡(luò)模擬機械位移系統(tǒng)的狀態(tài)運動規(guī)律。,仿真的分類(1),根據(jù)模型的種類分類物理仿真：電力系統(tǒng)仿真、風(fēng)洞試驗等，實物仿真；早期常用

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

14、交通系統(tǒng)仿真等,仿真的分類(3),根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類連續(xù)系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真研究對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重點內(nèi)容,,連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)狀態(tài)量隨時間連續(xù)變化（包括由于數(shù)據(jù)采集是在離散時間點上進行時所產(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） 離散時間模型（差分方程描述） 基本特點：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（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)只在一些時間點上由于某種隨機事件的驅(qū)動而發(fā)生變化（狀態(tài)是在兩個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，如城市交通系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)系統(tǒng)，管理系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等,系統(tǒng)仿真的研究內(nèi)容,仿真三要素：系統(tǒng)、模型、計算機,,,聯(lián)系三者的三個基本活動 系統(tǒng)建模：一直是研究的重點，技術(shù)成熟，包括抽象的公式、定理等，需要結(jié)合相關(guān)專業(yè)

16、知識仿真建模：難點之一，先要設(shè)計算法使系統(tǒng)模型能被計算機所接受，然后編程，再在計算機上運行，由此產(chǎn)生仿真算法、仿真軟件，技術(shù)也較為成熟 仿真試驗及結(jié)果分析：最有實際意義，但常常被忽略，技術(shù)難點多,系統(tǒng)仿真的基本步驟,,,,系統(tǒng)仿真過程即建立模型并通過模型在計算機上的運行對模型進行檢驗、修正和分析的過程。與軟件開發(fā)類似，可以分為若干階段。,系統(tǒng)仿真的過程I,系統(tǒng)定義：求解問題前，先要提出明確的準(zhǔn)則來描述系統(tǒng)目標(biāo)及是否達到的衡量標(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，表達約束條件；要求以研究目標(biāo)為出發(fā)點，模型性質(zhì)盡量接近原系統(tǒng)，盡可能簡化，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，用來確定模型參數(shù),系統(tǒng)仿真的過程II,模型轉(zhuǎn)換：用計算機語言（高級語言或者專用仿真語言）描述數(shù)學(xué)模型 模型運行：獲取被研究系

18、統(tǒng)的信息，預(yù)測系統(tǒng)運行情況，一般是動態(tài)過程，常反復(fù)運行以獲得足夠的實驗數(shù)據(jù) 分析并評論仿真結(jié)果：仿真技術(shù)包括了某些主觀的方法，如抽象化、直觀感覺和設(shè)想等，在提交仿真報告前，應(yīng)全面分析和論證仿真結(jié)果； 分析的基本目標(biāo)確定仿真試驗中獲得的信息是否充分、有效精簡和歸納仿真數(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)的時代特征，它的應(yīng)用為各個領(lǐng)域帶來新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域主要包括：系統(tǒng)設(shè)計：計算機輔助設(shè)計與仿真

19、系統(tǒng)分析：分析與優(yōu)化教育與訓(xùn)練：載體操縱型、過程控制型、博弈決策型產(chǎn)品開發(fā)及制造：虛擬產(chǎn)品開發(fā)，虛擬制造，CIMS,具體應(yīng)用場合,航空管理, 公交車的調(diào)度, 飛機設(shè)計, 動畫設(shè)計, 三峽的安全、生態(tài), 道路的修建, 醫(yī)療保險, 國債的發(fā)行, 家居裝修, 煉鋼的溫度估計, 發(fā)電廠的操作訓(xùn)練, 飛行員訓(xùn)練， 流

20、行疾病的檢測和預(yù)報。,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(Virtual Reality)仿真其核心是建模與仿真，通過建立模型，對人、物、環(huán)境及其相互關(guān)系進行本質(zhì)的描述，并在計算機上實現(xiàn)，從根本上改變?nèi)伺c計算機的關(guān)系飛行器模擬、虛

21、擬戰(zhàn)場、虛擬樣機、虛擬制造等都是虛擬現(xiàn)實技術(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)實現(xiàn)仿真,,建模方法學(xué)(Modeling Methodology)從建模的方法學(xué)來看，除了典型的機理建模及系統(tǒng)辨識方法外，近年來正積極發(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)模型和仿真過程的校核、驗證與確認(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)展過程。目前非實時串行算法已相當(dāng)完善，研究重點是實時、并行與定性算法仿真軟件的發(fā)展分為六個階段：通用程序設(shè)計語言、仿真程序包及初級仿真語言、完善的商品化的高級仿真語言、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、普適計算)基于