Simulink建模与仿真 第1章 绪论

第1章

绪

论

第1章

绪

论

1.1 动态系统的计算机仿真

1.2 动态系统的Simulink仿真1.3 本书的组织结构

第1章

绪

论

1.1 动态系统的计算机仿真1.1.1 系统与模型 为了能全面、正确地理解系统仿真，需要对系统仿 真所研究的对象进行概要的了解。这里对与系统仿真 相关的知识——系统与系统模型进行简单的介绍。

第1章

绪

论

1. 系统系统是指具有某些特定功能，相互联系、相互作用 的元素的集合。这里的系统是指广义上的系统，泛指 自然界的一切现象与过程。它具有两个基本特征：整 体性和相关性。整体性是指系统作为一个整体存在而 表现出某项特定的功能，它是不可分割的。

第1章

绪

论

对于任何系统的研究都必须从如下三个方面考虑：(1) 实体：组成系统的元素、对象。 (2) 属性：实体的特征。 (3) 活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程。 组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性的

变化，通常用状态变量来描述。研究系统主要研究系统的动态变化。除了研究系统的实体属性活动外，还 需要研究影响系统活动的外部条件，这些外部条件称

之为环境。

第1章

绪

论

2. 系统模型系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本 质(或是系统的某种特性)的一种描述。模型可视为对真 实世界中物体或过程的信息进行形式化的结果。模型 具有与系统相似的特性，可以以各种形式给出我们所 感兴趣的信息。

第1章

绪

论

模型可以分为实体模型和数学模型。实体模型又称为物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起 来的物理模型。实体模型最常见的是比例模型，如风 洞吹风实验常用的翼型模型或建筑模型。数学模型包 括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。原始系统 数学模型是对系统的原始数学描述。仿真系统数学模 型是一种适合在计算机上演算的模型，主要是指根据 计算机的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求 将原始系统数学模型转换为计算机程序。

第1章

绪

论

数学模型可以分为许多类型。按照状态变化可分为动态模型和静态模型。用以描述系统状态变化过程 的数学模型称为动态模型。而静态模型仅仅反映系统 在平衡状态下系统特征值间的关系，这种关系常用代 数方程来描述。按照输入和输出的关系可分为确定性 模型和随机性模型。若一个系统的输出完全可以用它 的输入来表示，则称之为确定性系统。若系统的输出 是随机的，即对于给定的输入存在多种可能的输出， 则该系统是随机系统。

第1章

绪

论

离散系统是指系统的操作和状态变化仅在离散时刻产生的系统，如

交通系统、电话系统、通信网络系统 等等，常常用各种概率模型来描述。连续系统模型还 可分为集中参数的和分布参数的，线性的和非线性的， 时变的和时不变的，时域的和频域的，连续时间的和 离散时间的等等。表1.1列出了各种类型的数学模型及 其数学描述。

第1章

绪

论 表1.1 数学模型分类

动态系统模型静态系统模 型 集中参数

模型类型

连续系统模型 离散系统 模型 分布参数 离散时间

数学描述

代数方程

微分方程 状态方程 传递函数

偏微分方程

差分方程 离散状态方 程

概率分布 排队论

第1章

绪

论

1.1.1计算机仿真1. 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领 域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备 为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一 门综合性技术。它利用物理或数学方法来建立模型， 类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的 规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实 际系统的目的。

第1章

绪

论

系统仿真涉及相似论、控制论、计算机科学、系统工程理论、数值计算、概率论、数理统计、时间序列 分析等多种学科。

相似性原理是仿真主要的理论依据。所谓相似，是指各类事务或对象间存在的某些共性。相似性是客 观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界不同事物 之间存在着某些共同的规律。采用相似性技术建立实 际系统的相似模型就是仿真的本质过程。

第1章

绪

论

2. 仿真分类 按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类： (1) 实物仿真：又称物理仿真。它是指研制某些实 体模型，使之能够重现原系统的各种状态。早期的仿 真大多属于这一类。它的优点是直观形象，至今仍然

广泛应用。但是为系统构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期长，且很难改变参 数，灵活性差。

第1章

绪

论

(2) 数学仿真：数学仿真就是用数学语言去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研究 的过程。这种数学表述就是数学模型。数学仿真把研

究对象的结构特征或者输入输出关系抽象为一种数学描述(微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模 型)来研究，具有很大的灵活性，它可以方便地改变系

统结构、参数；而且速度快，可以在很短的时间内完成实际系统很长时间的动态演变过程；精确度高，可 以根据需要改变仿真的精度；重复性好，可以很容易 地再现仿真过程。

第1章

绪

论

(3) 半实物仿真：又称数学物理仿真或者混合仿真。 为了提高仿真的可信度或者针对一些难以建模的实体， 在

系统研究中往往把数学模型、物理模型和实体结合 起来组成一个复杂的仿真系统，这种在仿真环节中存 在实体的仿真称为半实物仿真或者半物理仿真。这样 的仿真系统有飞机半实物仿真、射频制导导弹半实物 仿真等，并且许多模拟器也属于半实物仿真。

第1章

绪

论

按照仿真系统与实际系统时间尺度上的关系，又可 将其分为如下几类：(1) 实时仿真：仿真时钟与系统实际时钟完全一致。 许多仿真应用需要满足实时性，这时往往需要实时操 作系统或者专用实时仿真硬件的支持。 (2) 欠实时仿真：仿真时钟比实际时钟慢。当对仿真 的实时性没有严格的要求时，仿真时钟比实际时钟慢， 不影响仿真的目的，采取欠实时仿真则可节约很多资 金。 (3) 超实时仿真：仿真时钟比实际时钟快。当实际 系统周期太长时，若采用实际时钟就变得毫无意义， 这时就要进行超实时仿真。

第1章

绪

论

3. 计算机仿真计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理， 利用计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实 际的系统，也可以是设想中的系统。在没有计算机以 前，仿真都是利用实物或者它的物理模型来进行研究 的，即物理仿真。物理仿真的优点是直接、形象、可 信，缺点是模型受限、易破坏、难以重用。