《计算机仿真技术》课程电子教案（PPT教学课件）第一章 绪论

第一章绪论 这一章将介绍计算 机仿真的基本概念、它 所包括的内容以及发展 状况,即我们将从横向 和纵向来阐述计算机系 统仿真的内涵。 所有这些内容将为 学习计算机仿真技术和 以后更进一步的研究建 立一个基础

第一章 绪论 这一章将介绍计算 机仿真的基本概念、它 所包括的内容以及发展 状况，即我们将从横向 和纵向来阐述计算机系 统仿真的内涵。 所有这些内容将为 学习计算机仿真技术和 以后更进一步的研究建 立一个基础

第一章绪论 1.1系统仿真的基本概念 1.2连续系统仿真技术 1.3离散事件系统仿真技术 1.3.1离散事件系统的数学模型 1.3.2离散事件系统的仿真方法 1.3.3离散事件系统仿真语言 14仿真技术的应用 1.4.1系统仿真技术在系统分析、综合方面的应用 14.2系统仿真技术在仿真器方面的应用 143系统仿真技术在技术咨询和预测方面的应用 1-5仿真技术的现状与发展 1.51仿真计算机的现状及发展 1.52计算机软件的现状及发展 1.53仿真器的现状与开发

第一章 绪论 1.1 系统仿真的基本概念 1.2 连续系统仿真技术 1.3 离散事件系统仿真技术 1.3.1 离散事件系统的数学模型 1.3.2 离散事件系统的仿真方法 1.3.3 离散事件系统仿真语言 1.4 仿真技术的应用 1.4.1 系统仿真技术在系统分析﹑综合方面的应用 1.4.2 系统仿真技术在仿真器方面的应用 1.4.3 系统仿真技术在技术咨询和预测方面的应用 1-5 仿真技术的现状与发展 1.5.1 仿真计算机的现状及发展 1.5.2 计算机软件的现状及发展 1.5.3 仿真器的现状与开发

1.1系统仿真的基本概念 系统与模型 系统就是一些具有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物 体所组成的一个总体 个系统可能非常复杂,也可能很简单,因此很难给“系统” 下一个确切的定义。因为这个定义不但能够足以概括系统的各种应 用,而且又能够简明地把这个定义应用于实际。但无论什么系统一 般均具有4个重要的性质,即 整体性、相关性、有序性和动态性。 系统是一个广泛的概念,毫无疑问它在现代科学研究和工程实 践中扮演着重要的角色。不同领域的问题均可以用系统的框架来解 决。但究竟一个系统是由什么构成的,这取决于观测者的观点。例 如,这个系统可以是一个由一些电子部件组成的放大器;或者是一 个可能包括该放大器在内的控制回路;或者是一个有许多这样回路 的化学处理装置;或者是一些装置组成的一个工厂;或者是一些工 厂的联合作业形成的系统,而世界经济就是这个系统的环境

1.1 系统仿真的基本概念 一、系统与模型 系统就是一些具有特定功能的、相互间以一定规律联系着的物 体所组成的一个总体。 一个系统可能非常复杂，也可能很简单，因此很难给“系统” 下一个确切的定义。因为这个定义不但能够足以概括系统的各种应 用，而且又能够简明地把这个定义应用于实际。但无论什么系统一 般均具有4个重要的性质，即 整体性、相关性、有序性和动态性。 系统是一个广泛的概念，毫无疑问它在现代科学研究和工程实 践中扮演着重要的角色。不同领域的问题均可以用系统的框架来解 决。但究竟一个系统是由什么构成的，这取决于观测者的观点。例 如，这个系统可以是一个由一些电子部件组成的放大器；或者是一 个可能包括该放大器在内的控制回路；或者是一个有许多这样回路 的化学处理装置；或者是一些装置组成的一个工厂；或者是一些工 厂的联合作业形成的系统，而世界经济就是这个系统的环境

1.1系统仿真的基本概念 首先,必须明确系统的整体性。也就是说,它作为一个整体, 各部分是不可分割 体,它 四肢等多 部分组成,如巢把这些部分拆卉,就不能构成完整的人 至于人们熟悉的自动控制系统,其基本组成部分控制对象,测 葺元件、控制等)同样缺不可。整体性是茶统的第性。 其次,要明确系统的相关性。相关性是指系统内部各部分之 得阻的架的规律联看宝之間的特卖系择店重 笑素其块复好性笑系E是由逶 才构成了我 这个多彩的世界。 对于复杂的非线性关系,必须研究其复杂性与整体性。再以人 体为例人的双眼视敏度是单眼视敏摩的6~10倍外双 娘有立体感命单眼川特点,这就是种里的线性 征,因此相关性是系统的第 性,也是目前系统研究的王要 问题

1.1 系统仿真的基本概念 首先，必须明确系统的整体性。也就是说，它作为一个整体， 各部分是不可分割的。就好像人体，它由头、身躯、四肢等多 个部分组成，如果把这些部分拆开，就不能构成完整的人体。 至于人们熟悉的自动控制系统，其基本组成部分(控制对象、测 量元件、控制器等)同样缺一不可。整体性是系统的第一特性。 其次，要明确系统的相关性。相关性是指系统内部各部分之 间相互以一定的规律联系着，它们之间的特定关系形成了具有 特定性能的系统。有时系统各要素之间的关系并不是简单的线 性关系，而呈现出复杂的非线性关系。也正是由于这种非线性， 才构成了我们这个多彩的世界。 对于复杂的非线性关系，必须研究其复杂性与整体性。再以人 体为例，人的双眼视敏度是单眼视敏度的6～10倍。此外，双 眼有立体感，而单眼却无此特点。这就是一种典型的非线性特 征，因此相关性是系统的第二特性，也是目前系统研究的主要 问题

1.1系统仿真的基本概念 除整体性和相关性外,系统 还具有有序性和动态性。比如, 生命是一种高度有序的结构,它 所具有的复杂功能组织,与现代 化大工业生产的“装配线”非常 相似,这是一种结构上的有序性, 对任何系统都是适用的。又如图A 1.11所示,一个非平衡系统如果 经过分支点A、B到达C,那么对 C态的解释就必须暗含着对A态和 B态的了解。这就是系统的动态图1系统的动态性 性

1.1 系统仿真的基本概念 除整体性和相关性外，系统 还具有有序性和动态性。比如， 生命是一种高度有序的结构，它 所具有的复杂功能组织，与现代 化大工业生产的“装配线”非常 相似，这是一种结构上的有序性， 对任何系统都是适用的。又如图 1.1.1所示，一个非平衡系统如果 经过分支点A、B到达C，那么对 C态的解释就必须暗含着对A态和 B态的了解。这就是系统的动态 性。 • • • A B C 图1.1.1 系统的动态性

1.1系统仿真的基本概念 建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运 动规律。因此不仅要定性地了解系统,还要定量地分析、 综合系统,以便能更准确地解决工程、自然界和现代社 会中的种种复杂问题。定量地分析、综合系统最有效的 方法是建立系统的模型,并使用高效的数值计算工具和 算法对系统的模型进行解算。 采用模型法分析系统的第一步是建立系统的数学模型 所谓数学模型就是把关于系统的本质部分信息,抽象成 有用的描述形式,因此抽象是数学建模的基础。数学在 建模中扮演着十分重要的角色,马克思说过:“一种科 学只有在成功地运用数学时,才算达到完善的地步。” 例如集合的概念是建立在抽象的基础上的,共同的基础 使集合论对亍建模过程非常有用。这样,数学模型可以 看成是由一个集合构造的

1.1 系统仿真的基本概念 建立系统概念的目的在于深入认识并掌握系统的运 动规律。因此不仅要定性地了解系统，还要定量地分析、 综合系统，以便能更准确地解决工程、自然界和现代社 会中的种种复杂问题。定量地分析、综合系统最有效的 方法是建立系统的模型，并使用高效的数值计算工具和 算法对系统的模型进行解算。 采用模型法分析系统的第一步是建立系统的数学模型， 所谓数学模型就是把关于系统的本质部分信息，抽象成 有用的描述形式，因此抽象是数学建模的基础。数学在 建模中扮演着十分重要的角色，马克思说过：“一种科 学只有在成功地运用数学时，才算达到完善的地步。” 例如集合的概念是建立在抽象的基础上的，共同的基础 使集合论对于建模过程非常有用。这样，数学模型可以 看成是由一个集合构造的

1.1系统仿真的基本概念 数学模型的应用无论是在纯科学领域还是在实际工程领域 守都有着广的应用⊥侣通常认为一个数学模型有两个主要的用 途:首 人不断 维续酵 际物理 跃识拌自发人行去行可 学模型有 次们对实际系统的决策和 数学模型按建立方法的不同可分为机理模型,统计模型和混合 模型。 机理 运用已知定律,用推理方法建立数学 成观察的 用 验观测 和运用的数学工 征:数 定常、连续、离散、集中参数、夯布参数、确定、随机等系统模

1.1 系统仿真的基本概念 数学模型的应用无论是在纯科学领域还是在实际工程领域 中都有着广泛的应用，但通常认为一个数学模型有两个主要的用 途：首先，数学模型可以帮助人们不断地加深对实际物理系统的 认识，并且启发人们去进行可以获得满意结果的实验；其次，数 学模型有助于提高人们对实际系统的决策和干预能力。 数学模型按建立方法的不同可分为机理模型，统计模型和混合 模型。 机理模型采用演绎方法，运用已知定律，用推理方法建立数学 模型；统计模型采用归纳法，它根据大量实测或观察的数据，用 统计的规律估计系统的模型；混合模型是理论上的逻辑推理和实 验观测数据的统计分析相结合的模型。按所描述的系统运动特性 和运用的数学工具特征，数学模型可分类为线性、非线性、时变、 定常、连续、离散、集中参数、分布参数、确定、随机等系统模 型

1.1系统仿真的基本概念 仿真 随着科学技术的进步尤其是信息技术和计算机技 术的发展仿真”的概念不断得以发展和完善,因 此给予仿真一_个清晰和明了的定义是韭常困难的。但 通俗的系统仿真基本含义是指设让一个实际系 个第略币这里的横中使果的爱 统的模型,对 数学模型、非数学模型、物理模型等等。显见,根琚 模型的不同,有不同方式的仿真。从仿真实现的角度 同,因 真方 法不同,分别对应为连续系统仿真和离散事件系统仿

1.1 系统仿真的基本概念 二、仿真 随着科学技术的进步，尤其是信息技术和计算机技 术的发展，“仿真”的概念不断得以发展和完善，因 此给予仿真一个清晰和明了的定义是非常困难的。但 一个通俗的系统仿真基本含义是指：设计一个实际系 统的模型，对它进行实验，以便理解和评价系统的各 种运行策略。而这里的模型是一个广义的模型，包含 数学模型、非数学模型、物理模型等等。显见，根据 模型的不同，有不同方式的仿真。从仿真实现的角度 来看，模型特性可以分为连续系统和离散事件系统两 大类。由于这两类系统的运动规律差异很大，描述其 运动规律的模型也有很大的不同，因此相应的仿真方 法不同，分别对应为连续系统仿真和离散事件系统仿 真

1.1系统仿真的基本概念 1连续系统仿真 连续系统仿真是損物理系统状态随时间连续变化的系统 出的是这类系统也包括用差分方程描述的离散时间系统。对 于工料院校因为主要研究的对象 控制,因此本教材主要介绍连续系统仿真。 2离散事件系统仿真 生要系的量全的杀务主第物 理状态变 生在随机F 这种引起状态变化的行为 称为美件,因市文类系嘉由事什驱动 经的事件(状态往往发生在随机时间 并且事件(状态 是时间的离敢尘量。系统的动态性法使用微分方程这类 好害敌集在禁统的食图省的是对经为1 析,而不像连续系统仿真的目的是对物理系统的状 态轨远作出分析

1.1 系统仿真的基本概念 1 连续系统仿真 连续系统仿真是指物理系统状态随时间连续变化的系统， 一般可以使用常微分方程或偏微分方程组描述。需要特别指 出的是这类系统也包括用差分方程描述的离散时间系统。对 于工科院校，因为主要研究的对象是工业自动化和工业过程 控制，因此本教材主要介绍连续系统仿真。 2 离散事件系统仿真 离散事件系统是指物理系统的状态在某些随机时间点上发 生离散变化的系统。它与连续时间系统的主要区别在于：物 理状态变化发生在随机时间点上，这种引起状态变化的行为 称为“事件”，因而这类系统是由事件驱动的。离散时间系 统的事件(状态)往往发生在随机时间点上，并且事件(状态) 是时间的离散变量。系统的动态特性无法使用微分方程这类 数学方程来描述，而只能使用事件的活动图或流程图。因此 对离散事件系统的仿真的主要目的是对系统事件的行为作统 计特性分析，而不像连续系统仿真的目的是对物理系统的状 态轨迹作出分析

11系统仿真的基本概念 仿真技术的分类方法很多不同的分类仿真方法 也有所不同 小节我们还要针对连续时间系统仿 真的分类进行详细研究。 本书讲授的是连续时间系统的计算机仿真因此仿 真的基础是建立在系统的数学模型基础上,并以计算 机为工具对系统进行实验研究的一种方法。 仿真,就是模仿真实的事物,也就是用一个模型来 模仿真实系统。既然是模仿,两者就不可能完全等同 恒是最基本的内容应该相同,即模型必须至少反映系 统的主要特征。 臨着恐代工的展点科学究的深入复计篡机软 特别是大索统的一种有效研究方法和看另研究自

1.1 系统仿真的基本概念 仿真技术的分类方法很多，不同的分类仿真方法 也有所不同，下一小节我们还要针对连续时间系统仿 真的分类进行详细研究。 本书讲授的是连续时间系统的计算机仿真，因此仿 真的基础是建立在系统的数学模型基础上，并以计算 机为工具对系统进行实验研究的一种方法。 仿真，就是模仿真实的事物，也就是用一个模型来 模仿真实系统。既然是模仿，两者就不可能完全等同， 但是最基本的内容应该相同，即模型必须至少反映系 统的主要特征。 随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软、 硬件的发展，仿真技术已成为分析、综合各类系统， 特别是大系统的一种有效研究方法和有力的研究工具