先验 知识
先验 知识
演绎分析
演绎分析 目 标 协 调 归 纳 程 序
目的 目 标 协 调
框架定义 归 纳 程 序 试验 数据
目的
模型构造
试验 数据
结构特征化
参数估计
可信性分析
可信性分析
最终模型
最终模型
建模过程总框图
建模过程的框架表示
返回主目录
1.5 系统仿真
1.5.1 仿真的依据 1.5.2 仿真的定义 1.5.3 系统仿真的必要性 1.5.4 系统仿真技术的发展 1.5.5 系统仿真的分类 1.5.6 仿真的一般步骤 1.5.7 仿真技术的应用 1.5.8 仿真的特点
2. 系统仿真三要素和3项基本活动
系统仿真体系
√
面向过程仿真 连续系统仿真 采样控制系统仿真
√
定量仿真
离散事件系统仿真 面向对象仿真 数学仿真 面向对象建模与仿真
系 统 仿 真 数学物理仿真
定性仿真
定性仿真
半实物仿真 分布交互仿真
物理仿真
仿真置信水平评估
课程主要内容
第1章 绪论
第2章 系统的数学描述
第3章 连续系统的建模与仿真
第4章 采样控制系统的建模与仿真 第5章 基于系统辨识的建模方法
返回子目录
1.5.2 仿真的定义
1. 仿真二字，顾名思义，是指模仿真实事物的意 义。 比较有代表性的定义有如下几个：
a. 1961 年 ， 摩 根 扎 特 （ Morgenthater ） 首 次 对 “仿真”进行了技术性定义：即“在实际系统 尚不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。 b. 1984年，奥伦（Oren）在给出了仿真的基本概 念框架“建模－实验－分析”的基础上，提出 了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被 认为是现代仿真技术的一个重要概念。
④ 思维相似 思维是人脑对客观世界反映在人脑中的信息进 行加工的过程。 人的思维方式包括逻辑思维和形象思维，在模 拟人的行为的仿真实验中，应遵循思维相似的原则。 逻辑思维相似主要是应用数理逻辑、模糊逻辑 等理论，通过对问题的程序化，应用计算机来仿真 人的某些行为，例如：专家系统、知识库、企业管 理ERP等。 形象思维相似主要是应用神经网络等理论来模 拟人脑所固有的大规模并行分布处理能力，以模拟 人的瞬时完成对大量外界信息的感知与控制的能力。
1.5 系统仿真
1.1 系统
1.1.1 系统定义
1.1.2 系统三要素
1.1.3 系统的分类
1.1.1 系统定义
系统是由相互联系、相互制约、互相依存的若干组 成部分结合在一起形成的具有特定功能和运动规律 的有机整体。
1.1.2 系统三要素
一个系统以特有的表征和内在特性而区别于其他系 统，这主要是由构成系统的四方面内容确定的： • 实体：系统是实体的集合。所谓实体是指组成系统 的具体对象。 • 属性：组成系统的实体具有一定的属性。所谓属性 是指实体所具有的全部有效特性。
与所讨论的系统的特性有关
返回主目录
1.4 数学建模方法学
1.4.1 建模过程的信息源 1.4.2 建模的途径 1.4.3 建模的一般原则 1.4.4 建模的一般过程
1.4.5 模型文档
1.4.1 建模过程的信息源
目的
先验 知识
建模过程
试验 数据
数学模型
数学建模的信息源
① 目标和目的 一个数学模型事实上是对一个真实过程给出一 个非常有限的映象。同一个实际系统可以有很 多研究目的，不同的研究目的将规定建模过程 不同的方面。 ② 先验知识 建模过程是从以往的知识源出发进行开发的。 ③ 试验数据 在进行建模时，关于系统的信息也能通过对系 统的试验与量测而获得。合适的定量观测是解 决建模的另一个途径。
为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进 行试验，可以分为两大类：在真实系统上进行； 构造模型并用模型试验来代替在系统上的实验。 后者必不可少，原因有四：
① 系统还处于设计阶段，真实系统尚未建立， 需要了解未来系统的性能，只能通过对模型 的试验来了解； ② 在真实系统上进行试验可能会引起破坏或发 生故障，如处于运行状态的化工系统、电力 系统、火箭系统等； ③ 系统无法恢复，如经济系统，新政策出台， 经过一段时间才能看出效果，若造成损失已 经无法挽回了； ④ 试验条件无法保证，如多次试验，难以保证 每次试验条件相同，或试验时间太长、或费 用昂贵。
第6章 虚拟现实与系统仿真
第1章 绪论
主要内容： 1.系统的定义、分类 2.模型的定义、分类 3.数学模型的定义、分类 4. 数学建模方法学（信息源、途径、原则、 过程） 5. 系统仿真的依据、定义、分类、一般步骤、 应用、特点
主要内容
1.1 系统 1.2 模型 1.3 数学模型
1.4 数学建模方法学
1.4.3 建模的一般原则
① 简单性 在实用的前提下，模型越简单越好。 ② 清晰性 在子模型之间除为了研究目的所必须的信息联系 外，互相耦合要尽可能少，结构要尽可能清晰。 ③ 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。 ④ 准确性 信息源的准确性，假设的正确性
1.4.3 建模的一般原则
返回主目录
1.2 模型
1.2.1 模型定义
1.2.2 系统建模—why？
1.2.3 模型分类
1.2.1 模型定义
模型（ Model ）是一个系统的物理的、数学的或 其他方式的逻辑表述，它以某种确定的形式（如 文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关 于系统的知识。
1.2.2 系统建模-why?
1.4.2 建模的途径
① 机理建模法/分析法/演绎法/理论建模 根据系统的工作原理，运用一些已知的定理、定 律和原理，推导出描述系统的数学模型。 ② 实验建模法/测试法/归纳法/系统辨识/ 系统的动态特性必然表现在变化的输入输出数据 中，通过测取系统在人为输入作用下的输出响应， 或正常进行时系统的输入输出记录，加以必要的 数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型。 ③ 综合法/混合法 将分析法与测试法互相结合的一种建模方法。
1.4.4 建模的一般过程
建模者根据建模目的、已掌握的先验知识以及 数据，通过目的协调、演绎分析以及归纳程序 三种途径构造模型，然后通过可信性分析，最 后获得最终模型。
1.4.5 模型文档
模型文档是根据一定的 规范对模型的文字描 述。是模型开发者与使用者之间信息交流的依 据。完善的、规范化的文档能够帮助用户迅 速、清晰地了解模型的结构、功能、使用方法 和适用范围，而不必重复建模者的所有工作。
前言
课程的重要性： 1.科学研究的重要手段： 理论研究； 科学实验； 仿真技术。 特点：安全性、经济性、可重复性 2.应用范围广； 3.课程发展与现状： 正在向一级学科发展； 很多学校招收仿真方向的硕博士研究生； 军队院校设立仿真工程本科专业； 本部：航天学院控制与仿真中心，从事军用仿 真非标准设备，军/民用仿真控制系统的研制
扰动 温度给定值 比较器 温度偏差 调节器 电压 电炉 温度
实际温度 温度计
电炉温度调节系统
经理部
市场部
采购部
仓储部
销售部
商品销售系统
BACK
1.1.3 系统的分类
线性系统 工程系统 系统特性 非工程系统 定常系统 连续系统 状态随时间的变化 离散事件系统 白色系统 对系统内部特性的了解程度 黑色系统 灰色系统 系统的物理结构和数学性质 集中参数系统 分布参数系统 单输入单输出系统 多输入多输出系统 小系统 简单系统 系统内子系统的关联关系 复杂系统 巨系统 子系统的数量 大系统 时变系统 非线性系统
c. 综合国内外学者对仿真的定义，可以对系统仿 真做如下定义： 系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息 处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计 算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系 统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助 专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结 果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合 性的试验性科学。 综上所述，系统、模型和仿真三者之间有着密 切的关系。系统是研究的对象，模型是系统的 抽象，仿真则是通过对模型进行实验以达到研 究系统的目的。
⑤ 生理相似 为了有效地对人体本身进行模拟，以推进现代 医学、生物学、解剖学等的发展，生理相似理论已 有长足的发展（如人体生理系统数学模型 Human ），但是，由于人体生理系统是一个十分 复杂的系统，甚至还有许多机理至今尚未搞清楚， 所以生理相似理论还不完善，这也是当今仿真技术 中一个重要的交叉学科。 对整个人体进行分解研究是一种较为有效的办 法。首先分系统、分器官，逐个进行建模，然后将 各个部分通过通过输入 / 输出联系起来构成整个人 体系统。
1.5.1 仿真的依据
1. 相似 是指各类事物间某些共性的客观存在。 2. 相似性原理： 是系统仿真学科最主要的基础理论之一。就是 按某种相似方式或相似原则对各种事物进行分 类，获得多个类集合；在每一个类集合中选取 一个具体事物并对它进行综合性的研究，获取 有关信息、结论和规律性的东西；这种规律性 的东西可以方便地推广到该集合的其他事物中 去。
系统建模体系
√
理论建模 离散事件系统建模方法 概念建模 随机变量模型建模方法 连续系统建模方法
定量建模 系 统 建 模
√
实验建模
基于系统辨识的建模方法 基于人工神经网络的建模方法 基于灰色系统理论的建模方法
数学建模
定性建模
定性建模方法
基于系统动力学的建模方法 定性定量建模 基于层次分析法的建模方法 基于Agent的行为建模方法
⑤ 可辨识性
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有关的参数 必须是唯一确定的解。 ⑥ 集合性
建立模型还需要进一步考虑的一个因素，是 能够把一些个别的实体组成更大实体的程 度。例如，对防空导弹系统的研究，除了能 够研究每枚导弹的发射细节和飞行规律之 外，还可以综合计算多枚导弹发射时的作战 效能。