系统仿真的概述及优化方案

2023-07-15 理论教育版权反馈

【摘要】：目前系统仿真作为研究、分析和设计系统的一种有效技术正被广泛应用。当系统比较复杂尤其是引进非线性因素后，此微分方程经常不可求解，所以采用仿真方法求解。连续系统计算机仿真的中心问题是将微分方程描述的系统转变为能在计算机上运行的模型。离散事件系统模型可以进一步分为动态和静态两类。图7-3 离散事件系统的仿真步骤

仿真，其基本意思也是模仿、仿效，对应的英文词也是“simulation”。这个词出现得比较晚，较早使用这个词的是我国航天等部门。20世纪70年代以后，我国航空及军队等部门才逐渐使用了这个词。目前系统仿真作为研究、分析和设计系统的一种有效技术正被广泛应用。

仿真是真实过程或系统在整个时间内运行的模仿。在比较多的专著中，仿真指的是利用计算机在模型上而不是在真实系统上进行实验、运行的研究方法。仿真也称数值实验。仿真包括两个过程：建立模型和对模型进行实验、运行。

如某地区生长着兔子和狐狸，兔子吃草繁殖，狐狸捕食兔子繁殖，而狐狸则被猎人捕杀制成毛皮。通常草的生长十分茂盛。这里的问题是兔子和狐狸的繁殖数量是怎样随时间变化的？是全部兔子被狐狸捕食而灭亡了？或是狐狸也灭亡了？能立即回答这个问题的人不多。那么可否试验一下兔子、狐狸、猎人三者的捕食关系呢？很显然这个试验是不可能的。这时候就要采用计算机仿真来给出答案。如图7-2所示，就是在计算机上仿真得到的兔子—狐狸—猎人生态平衡系统结果^[1]。

构造一个物理模型进行实验，称为物理仿真，也称为实物仿真。数学—物理仿真，即半实物仿真。计算机仿真根据被研究系统的特性可以分为连续系统仿真与离散事件系统仿真两大类。

图7-2 兔子—狐狸—猎人生态系统的仿真

1.连续系统仿真

连续系统是指系统中的状态变量随时间连续地变化的系统。连续系统的数学模型通常是由微分方程组成。当系统比较复杂尤其是引进非线性因素后，此微分方程经常不可求解，所以采用仿真方法求解。连续系统计算机仿真的中心问题是将微分方程描述的系统转变为能在计算机上运行的模型。常用的方法如下：

1）数值积分法，应保证数值解的稳定性。

2）离散相似法：将连续系统进行离散化处理，用离散化的模型直接代替连续系统的数学模型，其数字描述是以常系数差分方程来近似“等效”原来的常系数微分方程，这样一来就可以方便地用迭代方法在数字计算机上直接求解差分方程。

2.离散事件系统仿真

（1）离散事件系统离散事件系统是指状态变量只在一些离散的时间点上发生变化的系统。这些离散的时间点称为特定时刻。在这些特定时刻系统状态发生变化，而在其他时刻系统状态保持不变。常见的离散事件系统有排队系统、存储系统等。

离散事件系统的一个主要特征是随机性，输入和输出都是随机变量。离散事件系统模型可以进一步分为动态和静态两类。静态系统仿真也被称为蒙塔卡罗法，它是对每一个时间点上的系统进行仿真；动态系统仿真是对整个运行时间内的系统进行仿真。

（2）离散事件系统的仿真步骤仿真步骤如图7-3所示。

3.仿真语言

仿真模型的运行是在计算机上进行的。采用的是仿真专用语言，如SIMULA、CSS1和CSS2等。当然，也可以采用计算机通用语言，如FORTRAN、BASIC、VB、VC、C++和PASCAL等。

4.仿真应用

1）仿真技术在系统研究与分析设计中的应用。系统仿真作为系统理论研究的一个辅助工具，可以应用仿真技术来验证理论研究的正确性和为理论研究提供依据。对排队系统（如加油站服务系统）的仿真可以提高服务质量，又可以提高服务资源的利用效果。仿真技术也可用于各类加工系统尤其是计算机集成制造系统，使这些系统正常运行。

2）仿真技术用于培训实际系统操作人员。

图7-3 离散事件系统的仿真步骤

系统仿真的概述及优化方案

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