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
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) 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
模型类型
静态系统模型
动态系统模型
连续系统模型
离散系统模型
集中参数
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
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.

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