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1、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,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。,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。,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、。(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。,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。,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
3、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。,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
4、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。,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。,表1.1 数学模型分类,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
5、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。,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。,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
6、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。,(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。,(3)半实物仿
7、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。,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
8、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。,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。,计算机作为一种最重要的仿真工具，已经推出了模拟机、模拟数字机、数字通用机、仿真专用机等各种机型并应用在不同的仿真领域。除了计算机这种主要的仿真工具外还有两类
9、专用仿真器：一类是专用物理仿真器，如在飞行仿真中得到广泛应用的转台，各种风洞、水洞等；另一类是用于培训目的的各种训练仿真器，如培训原子能电站、大型自动化工厂操作人员和训练飞行员、宇航员的培训仿真器、仿真工作台和仿真机舱等。,1.1.1 仿真的作用 仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益。由于仿真技术的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。首先由于仿真技术在应用上的安全性，使得航空、航天、核电站等成为仿真技术最早的和最主要的应用领域。,归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点：(1)优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计。如
10、控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。(2)系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的。,(3)验证系统设计的正确性。(4)对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真，如飞机的疲劳试验。(5)训练系统操作员。常见于各种模拟器，如飞行模拟器、坦克模拟器等。(6)为管理决策和技术决策提供支持。,1.1.1 仿真算法和仿真软件 1.仿真算法 在建立系统的数学模型后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型。由于计算机只能进行离散的数值计算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，
11、如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。其实这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。,通常这些仿真算法并不需要仿真人员去编制，因为这些仿真算法往往已经内嵌于各种面向仿真用途的专用软件中了。但是对这些算法的了解无疑有助于用户更好地完成仿真任务。一般来说，系统仿真算法有如下几类：(1)集中参数系统仿真算法。(2)分布参数系统仿真算法。(3)离散时间系统仿真算法。,2.仿真软件 仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可以概括为以下几点：(1)为仿真提供算法支持。(2)模
12、型描述，用来建立计算机仿真模型。(3)仿真实验的执行和控制。(4)仿真数据的显示、记录和分析。(5)对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的存储、检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库系统)。,根据软件功能，仿真软件可分为以下三个层次：(1)仿真程序库：由一组完成特定功能的程序组成的集合，专门面向某一问题或某一领域。它可能是用通用的语言(C+、FORTRAN等)开发的程序软件包，也可能是依附于某种集成仿真环境的函数库或模块库。(2)仿真语言：仿真语言多属于面向专门问题的高级语言，它是针对仿真问题，在高级语言的基础上研制的。,(3)集成仿真环境：它是一组用于仿真的软件工具的集合，包括设计、
13、分析、编制系统模型，编写仿真程序，创建仿真模型，运行、控制、观察仿真实验，记录仿真数据，分析仿真结果，校验仿真模型等。,1.1.1计算机仿真的一般过程 计算机仿真的一般过程可以表述如下：(1)描述仿真问题，明确仿真目的。(2)项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。,(3)数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。(4)仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或
14、其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。(5)试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。(6)仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。,图1.1 计算机仿真流程图,1.2 动态系统的Simulink仿真,1.1.1Simulink 简介 Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用Simulink来建模、分析和仿真各种动态系统(包括连续系统、离散系统和混合系统)，将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至
15、不需要编写一行代码。,利用Simulink进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用，并能依托MATLAB提供的丰富的仿真资源。这里对Simulink的强大功能进行简单的介绍。1.交互式、图形化的建模环境 Simulink提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来。,2.交互式的仿真环境 Simulink框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。3.专用模块库(Blocksets)作为Simuli
16、nk建模系统的补充，MathWorks公司还开发了专用功能块程序包，如DSP Blockset和Communication Blockset等。通过使用这些程序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真与分析。更重要的是用户还可以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。,表1.2 Simulink的部分软件工具包,4.提供了仿真库的扩充和定制机制 Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面。因此用户可以将使用FORTRAN或C编写的代码链接进来，或者购买使用第三方开发提供的模块库进行更
17、高级的系统设计、仿真与分析。,5.与MATLAB工具箱的集成 由于Simulink可以直接利用MATLAB的诸多资源与功能，因而用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级的设计和分析能力可以融入仿真过程。简而言之，Simulink具有以下特点：(1)基于矩阵的数值计算。(2)高级编程语言。(3)图形与可视化。,(4)工具箱提供面向具体应用领域的功能。(5)丰富的数据 I/O 工具。(6)提供与其它高级语言的接口。(7)支持多平台(PC/Macintosh/UNIX)。(8)开放与可扩展的体系结构。,1.1.1 Simulink的应用领域 至此
18、，读者应该对动态系统的模型建立、系统仿真与分析有了一个比较感性的认识；同时对Simulink的强大功能也会有一定的了解。那么使用Simulink到底可 以对什么样的动态系统进行仿真分析与辅助设计呢？其实，任何使用数学方式进行描述的动态系统都可以使用Simulink进行建模、仿真与分析。,由于Simulink具有强大的功能与友好的用户界面，因此它已经被广泛地应用到诸多领域之中，如：(1)通讯与卫星系统。(2)航空航天系统。(3)生物系统。(4)船舶系统。(5)汽车系统。(6)金融系统。,此外，Simulink在生态系统、社会和经济等领域也都有所应用。在科学技术飞速发展的21世纪，Simulink
19、的应用领域也将会更加广泛。图1.2所示为Simulink在一些领域中的典型应用。,图1.2 Simulink的应用领域示意图,1.1.1 Simulink在MATLAB家族中的位置 MATLAB是一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集成化科学计算环境。MATLAB Toolbox提供了面向专业的函数库，扩展了MATLAB的能力。MATLAB Compiler 自动将MATLAB中的M文件转换成C和C+代码，用于独立应用开发。Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真和分析工具。Simulink Blockset提供了丰富的专业模块库，广泛地用于控制、DSP、通讯等系统仿真领域
20、。Stateflow是一种利用有限状态机理论建模和仿真事件驱动系统的可视化设计工具，适合用于描述复杂的开关控制逻辑、状态转移图以及流程图等。,Real-Time Workshop 能够从Simulink模型中生成可定制的代码及独立的可执行程序。Stateflow coder能够自动生成状态图的代码，并且能够自动地结合到RTW生成的代码中。图1.3所示为Simulink与MATLAB的层次结构示意图。,图1.3 Simulink与MATLAB之间的层次关系示意图,1.3 本书的组织结构,在对Simulink做进一步的介绍之前，首先对本书的组织结构进行简单的介绍。不同的用户可以根据自己的专业背景、对系统仿真认识的程度以及对使用Simulink进行动态系统仿真掌握的程度来制定本书的使用方法。,在本书的编排之中，我们竭力使每一章的内容在一定程度上都能够自成体系，以方便不同用户的需要。在使用Simulink进行动态系统模型的建立、仿真与分析时，用户可以随时查阅本书的相应内容，以满足特定的需要。本书既可作为学习Simulink的教材，也可作为一本使用手册供读者查阅。图1.4所示为本书的组织结构说明。,图1.4 本书的组织结构说明,
