复试科目要点总结-系统仿真

控制系统系统仿真

《系统仿真导论》

2021/1/14参考教材1.系统仿真导论，肖田元等编著，清华大学出版社。2.控制系统仿真熊光楞清华大学出版社3.离散事件系统建模与仿真，顾启太编著，清华大学出版社。0概述几个例子：1、加加林遇难新说1968年3月27日加加林遇难1988年1月18日塔斯社报道（参考消息1月28日）

“加加林驾驶的米格15进入前面飞机产生的湍流区域而进行螺旋飞行状态”，“驾驶员做了5~6次摆脱操作，但缺少约2秒的时间”；“在250~300米高度出了问题”2、广州白云机场坠机事件（1992年）起飞飞行中突然遭遇风切变所致逆风逆风切变顺风切变3、气囊弹射速度确定（1997年，美国）原来220英里/小时，在加拿大一年统计：6000件事故，救了4000人，打死2000人；1997年12月美国众议院通过，调整到180英里/小时。4、美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用

原计划发射仿真后实发节省导弹节省费用（单位：千万美元）爱国者141101408罗兰特224951294.2尾刺185114712.50.1系统、模型与仿真0.1.1系统G.Golden----“系统这个术语已经在各个领域用得如此广泛，以至很难给它下一个定义。”

系统----最早见著“世界大系统”德谟克利特（公元前460－公元前370年）

“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。”G.Golden----

“按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和”。系统举例1、理发馆系统：实体：服务员、顾客顾客：按某种规律到达，服务完毕后顾客离去服务员：根据顾客的要求，按一定的程序服务相互作用：顾客到达模式影响着服务员的工作忙闲状态、顾客排队状态服务员的多少和服务效率：影响着顾客接受服务的质量

2、电动机调速系统实体：电动机、测速元件、比较元件以及控制器。相互作用：实现按给定要求调节电动机的速度

系统定义：确定边界、输入、输出描述系统“三要素”：实体、属性、活动边界环境系统输入输出实体确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；属性也称为描述变量，描述每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。边界环境系统输入输出0.1.2模型模型――实际系统本质的抽象与简化（1）系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这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系统破坏或发生故障，例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险；（3）难以保证每次试验的条件相同（4）试验时间太长或费用昂贵模型分为两大类物理模型，采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作――沙盘模型数学模型，用数学表达式形式来描述系统的内在规律。定义如下集合结构：T：时间基，描述系统变化的时间坐标

为整数则称为离散时间系统，为实数则称为连续时间系统X：输入集，代表外部环境对系统的作用。

X被定义为,其中，即X代表n个实值的输入变量。：输入段集，描述某个时间间隔内输入模式，是的子集。：内部状态集，是系统内部结构建模的核心。：状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的。

它是映射其含义：若系统在时刻处于状态，并施加一个输入段，则表示系统处于状态。：输出函数，它是映射：输出函数给出了一个输出段集。：输出段集，系统通过它作用于环境。模型表示：系统模型水平：行为水平――亦称为输入/输出水平

将系统视为一个“黑盒”，在输入信号的作用下，只对系统的输出进行测量；分解结构水平

将系统看成若干个黑盒连接起来，定义每个黑盒的输入与输出，以及它们相互之间的连接关系；状态结构水平

不仅定义了系统的输入与输出，而且还定义了系统内部的状态集及状态转移函数。13表1.1模型Orën分类模型描述变量的轨迹模型的时间集合模型形式变量范围连续离散空间连续变化模型空间不连续变化模型连续时间模型偏微分方程√

常微分方程√

离散（变化）模型离散时间模型差分方程√√有限状态机

√马尔可夫链

√连续时间模型活动扫描√√事件调度√√过程交互√√Orën分类：模型描述变量的模

型变量范围模型的轨

迹形

式连续离散时间集合空间连续变化模型偏微分方程a

连续时间空间不连续变化常微分方程a

模型模型差分方程a

离散时间

有限状态机

a模型

马尔可夫链

a

离散（变化）活动扫描

a连续时间模型事件调度

a模型

进程交互

a

0.1.3仿真定义：1961年，G.W.Morgenthater，首次技术性定义

“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。1978年，Körn，《连续系统仿真》

“用能代表所研究的系统的模型作实验”。1982年，Spriet――进一步将仿真的内涵加以扩充

“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”1984年，Oren――给出了仿真的基本概念框架“建模－实验－分析”

“仿真是一种基于模型的活动”

仿真示意图实际对象模型抽象化操作推断模拟系统的行为实际系统的行为tt“系统、模型、仿真”三者之间的关系：系统模型计算机系统建模仿真实验仿真建模计算机仿真三要素及三个基本活动系统是研究的对象

模型是系统的抽象

仿真是对模型的实验传统上：

“系统建模”――系统辨识技术范畴

“仿真建模”――即针对不同形式的系统模型研究其求解算法

“仿真实验”――检验（Verification）――“仿真程序”的检验

致效（Validation）――将仿真结果与实际系统的行

为进行比较系统模型计算机系统建模仿真实验仿真建模

计算机仿真三要素及三个基本活动现代仿真技术：将仿真活动扩展到上述三个方面(“系统建模”，“仿真建模”，“仿真实验”)，并将其统一到同一环境中。系统建模基本定律及系统辨识等方法计算机程序化用仿真方法确定实际系统的模型基于模型库的结构化建模采用面向对象建模（Object-OrientedModeling）方法，在类库的基础上实现模型拼合与重用

仿真建模许多新算法和新软件模型与实验分离技术，即模型的数据驱动(datadriven)仿真问题分为两部分：模型与实验模型又分为两部分：参数模型和参数值仿真实验将实验框架与仿真运行控制区分开来实验框架定义一组条件输出函数与仿真模型分离Orën仿真概念框架：“仿真问题描述”――“仿真建模”“行为产生”――“仿真实验”“模型行为及其处理”――输出处理特定模型：参数模型参数值实验：实验框架仿真运行控制仿真问题描述行为产生模型行为及其处理模型行为（仿真数据）轨迹行为结构行为行为处理：分析、显示图0.2现代仿真的概念框架0.2仿真技术的应用0.2.1仿真技术在系统设计中的应用新系统设计：提供了强有力的工具在可行性论证阶段，进行定量比较，为系统设计打下坚实的基础在系统设计阶段，进行模型实验、模型简化并进行优化设计系统改造设计：涉及新的设备、部件或控制装置利用仿真技术进行分系统实验，即一部分采用实际部件，另一部分采用模型，避免由于新的子系统的投入可能造成对原系统的破坏或影响大大缩短开工周期，提高系统投入的一次成功率

0.2.2仿真技术在系统分析中的应用在真实系统上进行试验在真实系统上试验会破坏系统的正常运行；难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条件；很难保证每次的操作条件相同，难以对试验结果做出正确的判断；无法复原；试验时间太长、费用太大或者有危险等

230.2.3仿真在教育与训练中的应用训练仿真系统利用计算机并通过运动设备、操纵设备、显示设备、仪器仪表等复现所模拟的对象行为，并产生与之适应的环境，从而成为训练操纵、控制或管理这类对象的人员的系统。三大类：载体操纵型这是与运载工具有关的仿真系统航空、航天、航海、地面运载工具，以训练驾驶员的操纵技术为主要目的。过程控制型用于训练各种工厂的运行操作人员如电厂、化工厂、核电站、电力网等搏奕决策型企业管理人员（厂长、经理）交通管制人员（火车调度、航空管制、港口管制、城市交通指挥等）军事指挥人员（空战、海战、电子战等）。25

我国第一台J5QM-1歼五球形飞行模拟器.26

大型电站机组分布式仿真系统主流仿真软件Ansys——有限元分析领域结构分析热分析电磁分析流体分析CFD耦合场分析-多物理场adams——多体领域、机械系统动力学Matlab——控制领域，Matrix+lab举例：船舶训练仿真系统

——训练驾驶员特点：（1）人在回路中——操作环境、视觉环境、

听觉环境、力觉环境（加速度、速度）——VR（2）真实性：模型的准确性以人的感觉

为判断依据、模型的多面向要求（3）实时要求必须保证：仿真算法、

软硬件选择、输入输出接口要求视景产生器：模拟航行周围的海洋、陆地、天空、港口、其它船舶的大视场景象产生设备模拟驾驶舱：

内装各种航行仪表、伡钟、雷达等设备，由驱动系统实现船舶摇摆模拟环境音响发生器：模拟风、流、浪及外界产生的音响仿真计算机：实现船舶操纵运动模型仿真，控制所有外围设备同步。环境音响产生器受训者模拟舰桥仿真计算机D/APIOA/D视景视景发生器闭路电视控制台教练员控制指令CRT显示记录设备典型例子：SIMNET――分布交互式训练仿真系统分布在美国和德国11个城市，260个地面装甲车辆仿真器和飞行模拟器集成起来，形成一个广域战场，进行多兵种合成训练。1989年的海湾战争准备，美国采用了该系统进行与伊拉克的地面战斗的准备。0.2.4仿真在产品开发及制造过程中的应用虚拟制造（VirtualManufacturing）是实际制造在计算机上的本质实现，是仿真技术以制造过程为对象的全方位的应用。虚拟制造32图1.4虚拟制造与实际制造

0.3系统仿真的类型1.根据模型的物理属性分类物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟”。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，亦称为计算机仿真

数学仿真优点是：方便、灵活、经济数学仿真缺点是：受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立。半实物仿真：即将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现对比较复杂的部分或对规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验2.根据仿真计算机类型分类模拟计算机仿真：模拟计算机本质上是一种通用的电气装置，这是50－60年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟机仿真是一种并行仿真，仿真时，代表模型的各部件是并发执行的。例如:

…b-c-af数字计算机仿真：将系统数学模型用计算机程序加以实现，通过运行程序来得到数学模型的解，从而达到系统仿真的目的。

早期的数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为计算机只有一个中央处理器（CPU），计算机指令只能逐条执行。数字模拟混合仿真：为了发挥模拟计算机并行计算和数字计算机强大的存贮记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模/数和数/模转换装置交换信息。

3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类实际动态系统的时间基称为实际时钟

系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致

模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同

当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟

模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为离线仿真。超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟

模型仿真的速度快于实际系统运行的速度

4.根据系统模型的特性分类连续系统仿真连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统分为：集中参数系统模型，一般用常微分方程（组）描述分布参数系统模型，一般用偏微分方程（组）描述离散时间变化模型中的差分模型归为连续系统仿真范畴离散事件系统仿真离散事件系统是指在某些随机时间点上系统状态发生离散变化的系统。与连续系统的主要区别在于：

状态变化发生在随机时间点上这种引起状态变化的行为称为“事件”，因而这类系统是由事件驱动的；

★“事件”往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件，因而一般都具有随机特性★系统的状态变量往往是离散变化的

系统的动态特性很难用人们所熟悉的数学方程形式描述★研究与分析的主要目标是系统行为的统计性能而不是行为的点轨迹。0.4系统仿真的一般步骤建模与形式化： 确定模型的边界， 模型进行形式化处理仿真建模：选择合适的算法，算法的稳定性、计算精度、计算速度

实际系统建模与形式化形式模型仿真建模程序设计仿真模型校验正确否？否仿真运行仿真结果分析是正确否？否是结束图0.3

仿真的一般步骤可信否？否是系统仿真的一般步骤（on..）程序设计：将仿真模型用计算机能执行的程序来描述程序中要包括仿真实验的要求

仿真运行参数、控制参数、输出要求模型校验：程序调试

检验所选仿真算法的合理

★检验模型计算的正确性（Verification）仿真运行：对模型进行实验仿真结果分析：对系统性能作出评价

模型可信性检验（Validation）

★只有可信的模型才能作为仿真的基础实际系统建模与形式化形式模型仿真建模程序设计仿真模型校验正确否？否仿真运行仿真结果分析是正确否？否是结束图0.3

仿真的一般步骤可信否？否是461.4.5地面防空作战指挥系统的建模与仿真

地面防空武器系统的作战效能能否充分发挥，指挥控制系统起着重要作用因此，在研究地面防空作战效能时，往往是把武器系统的指挥控制系统作为重点。无论是在新型武器系统的研制过程中还是在武器系统的使用过程中，都要对其进行系统的分析论证和试验。由于实弹打靶试验风险大、周期长费用高，因此用仿真方浩对系统进行分析论证是最有效的手段之一。地面防空指挥控制系统是一个大规模的复杂系统，有其自身特点。47

第一，组织形式是多层次的分布式结构体现在两个方面。一是指挥控制机构由多级构成，且各级指挥人员及其所辖资源分布在广阔的区域上。各行其职，相互协调地工作。这就决定了指控系统是分布式结构。二是具有严格的等级区别。上级指挥员对下级指挥员具有绝对的指挥权。下级指挥员在执行上级指挥员命令的过程中。有着如何完成任务的决定权，这就捷定了指控系统呈多层次结构。一般情况下，地面防空武器系统多以营为火力单元以旅(团)为作战单位。48

第二，防空指挥控制决策是一个多目标决策问题要求它能有效地组织、利用所辖资源，使自己及其所保卫的目标遭受的损失尽可能小。使敌损失尽可能大。

第三，敌我双方攻防对抗是一个随机对策问题。对抗过程中，敌方可能不断变换使用多种作战方案，这就要求指挥控制系统自对敌方采取的任何一种方案都有相应的对抗策略。

第四，指控系统是一个人机系统。由于人的很多因素不能确切估算，在指控系统分析中如何考虑人的因素目前还是一个难题。因此，在建立模型与仿真时要充分考虑这些特点。49电力系统仿真器

自从20世纪80年代以来，我国电力系统仿真器的开发与应用得到了飞速发展，也取得了巨大的成绩。现已有数百台各种类型的仿真器应用于电力系统的各个领域，取得了良好的经济效益和社会效益，为我国电力系统的技术进步做出了贡献。50电力系统仿真是系统仿真的一个分支，是计算机科学、计算数学、控制理论和电力系统专业技术等学科的综合。电力系统仿真的技术水平代表了电力系统科学研究水平。已在研究、试验、工程、培训等多方面获得广泛的应用。电力系统事故所造成的损失很大，因此提高运行人员技术水平，防止事故发生及在事故发生后避免事故扩大很重要。培训仿真器以其极佳的经济性、有效性而受到电力部门的重视，并迅速发展成为一种新兴的产业。51电力系统培训仿真器分类：电力系统调度人员培训仿真器系统运行人员培训仿真器变电站运行人员培训仿真器发电厂单元机组运行人员培训仿真器52仿真机主要分类依据：仿真对象：是一般的典型机组，还是专门针对某一套机组；仿真范围：是覆盖一套火电机组的全部内容，还是部分内容；仿真深度：是仿真机组的全工况范围，还是部分工况；仿真用途：用于培训或工程设计、分析；53先进的控制技术与系统在电力系统的广泛应用，对电站仿真器开发的影响：1．仿真器的硬件结构发生变化

以前为实现盘台与仿真计算机之间的信息传送，仿真系统需要开发专门的接口系统。目前我国投入的主力机组中，均采用了DCS集散控制系统和计算机数据采集系统，基本上取消了常规控制盘台。因此，电站仿真机的接口变成了，仿真模型计算机与DCS操作员站计算机之间的接口。由计算机通过网络通信接口程序实现。54552．控制系统对仿真器数学模型提出了更高的要求

由于集散控制系统可以根据系统的控制模式选择合适的模块，对控制系统进行组态，也可按需要修改某一控制回路甚至改变整个控制系统。这些灵活多样的操作，使得仿真系统数学模型的实现变得更加困难，也使得培训型仿真器与研究型仿真器的界限变得模糊。563．仿真机的培训对象改变

过去以常规控制盘台为主的仿真机，人员培训是分专业进行的。采用集散控制系统以后，生产的全部过程在任何一台操作员站都可得到全面地反映，专业划分被打破，使得全能值班员的培训成为可能。574.仿真机的功能不断扩展

从单一仿真系统到采用DIS技术的多台仿真系统联合运行。从单纯培训型仿真项具有经济分析、运行决策等功能的综合型仿真系统发展。从离线仿真向在线运行仿真过渡。58电力仿真系统开发研究的主要内容：1．仿真计算机由RISC结构工作站向由多台微型计算机构成的分布式系统过渡。2．计算机网络结构

IEEE802.3总线网（简称以太网）是目前各仿真机生产厂家广泛采用的局域网结构。3．仿真机系统的软件设计方法电站系统仿真软件设计方法由面向功能向面向对象方法转变。594．仿真数学模型

数学模型是仿真的基础。数学模型有定性和定量的，可采用微分方程、代数方程、逻辑关系式等表达形式来描述连续系统、离散事件系统或混合系统。同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度的数学模型。对被仿真的对象或系统，应根据其运动定律、约束条件和物理特性建立数学模型。5．一体化仿真支撑环境早期的支持软件是基于多用户、多任务的UNIX或VMS操作系统的仿真软件，暂不能在当前广泛使用的WINDOWSNT操作系统下运行，因而构建WINDOWS操作系统下的一体化仿真支撑环境，成为亟待解决的问题。606．DCS系统的仿真方法目前有三种方式：第一种是传统的全范围仿真，即所谓仿真方式。第二种是全激励方式。第三种为部分激励方式。61现代电站仿真器的发展趋势：1．博弈型的仿真系统会发展起来，它将具有经营管理、经济分析、运行决策的功能。2．用于对实际机组的运行数据分析、故障诊断。3．专家系统在仿真技术中广泛应用。4．基于Web的仿真。5．分布交互仿真。62

双鸭山第一发电有限责任公司#4机组是引进前苏联210MW机组，该机组始建于1990年，91年11月投产发电。苏联机组与国产200MW机组结构上的主要区别是：锅炉的燃烧室分为前后两个炉膛。汽轮机的高压缸为单层缸体结构。发电机励磁系统不设副励磁机，主励磁机采用自励恒压方式运行。63机组主要技术规范如下：锅炉：

制造厂：前苏联“塔干洛戈”锅炉厂制造型号：En－670－13.8－545KT(TnE—215/AC)

额定蒸发量：670T/h

再热蒸汽量：590T/h

汽包工作压力：15.8M