《計(jì)算機(jī)仿真》PPT課件.ppt

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1、第九章 仿真應(yīng)用技術(shù),實(shí)際應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)時(shí)，還有許多問(wèn)題需要考慮，本章將向讀者介紹部分仿真應(yīng)用技術(shù)，包括：仿真語(yǔ)言、一體化仿真技術(shù)、人工智能和專(zhuān)家系統(tǒng)在仿真技術(shù)中的應(yīng)用、仿真建模方法學(xué)，以及仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃指定和實(shí)施。 如果要有效地進(jìn)行仿真研究，最大限度地避免工作中的盲目性，減少研究費(fèi)用，縮短研究周期，必須對(duì)整個(gè)仿真研究工作進(jìn)行科學(xué)而周密的組織與設(shè)計(jì)。對(duì)于從事實(shí)際應(yīng)用的人員來(lái)說(shuō)，仿真應(yīng)用技術(shù)或仿真研究的組織方法是非常必要的知識(shí)。組織與設(shè)計(jì)工作的好壞，直接關(guān)系到仿真應(yīng)用的成效。本章的最后向讀者介紹這一方面的基本知識(shí)，使讀者尤其是初學(xué)者重視仿真實(shí)驗(yàn)的組織設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作，了解有關(guān)基本知識(shí)，并能應(yīng)用

2、到實(shí)際工作中去。 考慮到重點(diǎn)突出篇幅限制等原因，對(duì)有些問(wèn)題僅僅提出，而不做深入討論。顯然，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所要遇到的問(wèn)題是極其復(fù)雜的，需要讀者在今后的工作中不斷探索，不斷總結(jié)。,第九章 仿真應(yīng)用技術(shù),9.1 仿真語(yǔ)言及其發(fā)展 9.2 仿真語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和組織 9.3 一種典型的連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言 9.4 一體化仿真技術(shù) 9.5 人工智能與仿真技術(shù) 9.6 數(shù)學(xué)模型和建模方法學(xué) 9.7 仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃指定和實(shí)施,9.1 仿真語(yǔ)言及其發(fā)展 9.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真,在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真研究時(shí)，很重要的一個(gè)步驟是將研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉谟?jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的仿真模型，并編制仿真程序。仿真程序的一

3、般組成如圖3.5.1所示。 傳統(tǒng)地編寫(xiě)仿真程序所采用的語(yǔ)言是高級(jí)算法語(yǔ)言，如FORTRAN語(yǔ)言，BASIC語(yǔ)言，C語(yǔ)言等。除非有時(shí)需要高質(zhì)量的程序以節(jié)省使用機(jī)器內(nèi)存和縮短程序執(zhí)行時(shí)間，才用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。在采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)仿真程序時(shí)，用戶(hù)發(fā)現(xiàn)，雖然基本語(yǔ)言不難學(xué)習(xí)，并且便于移植，不受機(jī)型限制，但如需要充分利用語(yǔ)言的能力與精微之處，則需要很高的熟練程度。尤其是對(duì)一些模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型狀態(tài)變量和參數(shù)多的系統(tǒng)，用戶(hù)不得不將許多精力和時(shí)間花費(fèi)在模型參數(shù)處理仿真算法和程序的實(shí)現(xiàn)，以及輸出數(shù)據(jù)的分析等輔助性工作上，而不能將精力集中于對(duì)系統(tǒng)本身的研究。因而需要一種面向問(wèn)題的非順序的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。這種語(yǔ)言應(yīng)該是足夠

4、簡(jiǎn)單，而且易于學(xué)習(xí)和使用。用戶(hù)只需寫(xiě)入被仿真系統(tǒng)的模型，定義變量和必要的數(shù)據(jù)和命令，就可以進(jìn)行仿真。這使得用戶(hù)能擺脫程序編寫(xiě)中的許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，將精力集中于研究所要仿真的問(wèn)題本身。這樣的一種用于仿真研究的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，便是仿真語(yǔ)言。,9.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真,仿真程序具有一定通用性的仿真程序包和仿真語(yǔ)言是處理不同問(wèn)題常用的三種仿真工具。表9.1.1對(duì)它們進(jìn)行了比較。讀者可以根據(jù)問(wèn)題的需求，以及軟硬件的可能性進(jìn)行選擇使用。 表9.1.1,9.1.2 仿真語(yǔ)言的功能,數(shù)字仿真語(yǔ)言是一種直接面向仿真問(wèn)題的專(zhuān)用語(yǔ)言，是進(jìn)行數(shù)字仿真的重要工具。其主 要功能表現(xiàn)為以下三點(diǎn)： (

5、1) 有一套完整的規(guī)定描述模型的符號(hào)語(yǔ)句句法及語(yǔ)法，并有檢測(cè)用該語(yǔ)言所 編寫(xiě)的源程序中錯(cuò)誤的能力，最后能將文法上正確的源程序翻譯成機(jī)器可執(zhí)行碼（一般是先翻譯成某一種高級(jí)語(yǔ)言，比如FORTRAN語(yǔ)言，然后由計(jì)算機(jī)廠家所提供的編譯程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼）。 (2) 具有設(shè)定模型實(shí)驗(yàn)的初始條件終止條件，以及控制并實(shí)現(xiàn)單次多次或迭代 運(yùn)行的功能。 (3) 具有對(duì)仿真結(jié)果的分析與顯示功能。,9.1.2 仿真語(yǔ)言的功能,由上面所介紹的仿真語(yǔ)言的三種功能可知：使用者使用這種語(yǔ)言不僅能更多地?cái)[脫掉 對(duì)程序的熟悉與了解，而且由于它具有更強(qiáng)的仿真功能，因此能用來(lái)仿真比較復(fù)雜的系統(tǒng)，并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更全面的實(shí)驗(yàn)。,9

6、.1.3 仿真語(yǔ)言的分類(lèi),仿真語(yǔ)言可以按不同方式進(jìn)行分類(lèi)。 一、按被仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)分類(lèi) 按被仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)可將仿真語(yǔ)言分為三類(lèi)： 連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言； 離散系統(tǒng)仿真語(yǔ)言； 通用仿真語(yǔ)言。 連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言所采用的模型通常是微分方程，系統(tǒng)的響應(yīng)是按一個(gè)或幾個(gè)自變量的 變化而連續(xù)發(fā)生的。而離散系統(tǒng)仿真語(yǔ)言所采用的模型通常不包括微分方程，而包括部分代數(shù)方程和邏輯關(guān)系，其系統(tǒng)的響應(yīng)是以在一個(gè)自變量的離散點(diǎn)上的事件序列的形式發(fā)生的。對(duì)于兩類(lèi)系統(tǒng)均適用的是通用仿真語(yǔ)言。本書(shū)僅介紹連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言。,9.1.3 仿真語(yǔ)言的分類(lèi),二、按數(shù)學(xué)模型的形式分類(lèi) 連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言按被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型形式，可分為

7、： 面向方程的仿真語(yǔ)言； 面向框圖的仿真語(yǔ)言。 面向方程的仿真語(yǔ)言采用的模型描述方式是一階微分方程組和代數(shù)方程，即與現(xiàn)代控制 理論中的狀態(tài)空間相對(duì)應(yīng)。面向框圖的仿真語(yǔ)言中模型是通過(guò)框圖的形式描述的，框圖中的內(nèi)容可以是加減乘除運(yùn)算，邏輯運(yùn)算和積分運(yùn)算等基本算符，也可以是基本傳遞函數(shù)或其它特定函數(shù)。,9.1.3 仿真語(yǔ)言的分類(lèi),三、按運(yùn)行方式分類(lèi) 按仿真語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行方式可分為： 交互式仿真語(yǔ)言，或會(huì)話(huà)式仿真語(yǔ)言； 非交互式仿真語(yǔ)言，或批處理式仿真語(yǔ)言。 交互式仿真語(yǔ)言在具有分時(shí)操作系統(tǒng)的大中型計(jì)算機(jī)或小型微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通 常采用圖形顯示終端，并以鍵盤(pán)或光筆作為輸入設(shè)備。該方式由于

8、采用對(duì)話(huà)形式，故可及時(shí)觀察分析仿真結(jié)果，修改模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)。非交互式仿真語(yǔ)言在大中型機(jī)上通常采用讀卡機(jī)來(lái)輸入問(wèn)題，在微型機(jī)上通常采用宏定義方式來(lái)描述問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)方法。顯見(jiàn)這種方式只有在取得一次運(yùn)行的結(jié)果后，才能分析仿真結(jié)果，并修改模型參數(shù)和實(shí)驗(yàn)方法。,9.1.4 數(shù)字仿真語(yǔ)言的發(fā)展概況和性能評(píng)價(jià),從60年代開(kāi)始，國(guó)外就已著手研制仿真語(yǔ)言。第一個(gè)獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)字仿真語(yǔ)言是MIMIC，它是1965年研制成功的一種面向方程的仿真語(yǔ)言。該語(yǔ)言的主要部分是一個(gè)翻譯器，它把用MIMIC語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的仿真源程序翻譯成機(jī)器代碼。1966年美國(guó)又推出了另一個(gè)數(shù)字仿真語(yǔ)言DSL/90，它也是面向方程的一種仿真語(yǔ)言。但

9、它的翻譯器是將仿真源程序翻譯成FORTRAN語(yǔ)言，因此這種仿真語(yǔ)言可以和FORTRAN語(yǔ)言兼容。在這期間，美國(guó)相繼推出了許多種數(shù)字仿真語(yǔ)言，為了促進(jìn)數(shù)字仿真語(yǔ)言規(guī)范化，進(jìn)一步普及推廣數(shù)字仿真的應(yīng)用，美國(guó)計(jì)算機(jī)仿真協(xié)會(huì)（SCS）軟件委員會(huì)于1967年召集了許多仿真方面的專(zhuān)家進(jìn)行了討論，最后發(fā)表了一個(gè)數(shù)字仿真語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)文本CSSL。因?yàn)镾CS是美國(guó)仿真學(xué)術(shù)界的中心，因此CSSL有相當(dāng)?shù)臋?quán)威性，在70年代初一直被廣泛應(yīng)用。與CSSL并列的還有一個(gè)被廣泛應(yīng)用的數(shù)字仿真語(yǔ)言CSMP，它是IBM公司推出的。由于IBM公司是美國(guó)最大的一家計(jì)算機(jī)公司，所以CSMP也擁有眾多的用戶(hù)。,9.1.4 數(shù)字仿真語(yǔ)言的

10、發(fā)展概況和性能評(píng)價(jià),在70年代以后，數(shù)字仿真語(yǔ)言在提高功能提高速度等方面有了一些新的發(fā)展。它們的代表是ACSL及DARE系列。我國(guó)從70年代后期在引進(jìn)移植和研制數(shù)字仿真語(yǔ)言方面也做了不少工作，并已取得了可喜的成績(jī)。80年代，我國(guó)的仿真工作者在引進(jìn)與消化國(guó)外仿真語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，逐步形成了自己的語(yǔ)言規(guī)范。ICSL就是我國(guó)一個(gè)功能比較齊全質(zhì)量較高的仿真語(yǔ)言。,9.2 仿真語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)和組織 9.2.1 對(duì)仿真語(yǔ)言的主要要求,一個(gè)好的仿真語(yǔ)言應(yīng)滿(mǎn)足下列要求： (1) 被仿真的問(wèn)題可以以自然的形式，方便地用仿真語(yǔ)言的語(yǔ)句描述。所謂自然的形式，是指與工程技術(shù)人員用來(lái)描述被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相一致的形式。通

11、常，被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有微分方程與代數(shù)方程組合的形式，或框圖的形式，因而要求仿真語(yǔ)言也能以相似的形式描述系統(tǒng)，最好兼有兩種方式描述的能力，因?yàn)橛行┫到y(tǒng)的模型具有組合的形式。 (2) 要求仿真語(yǔ)言具有并行性的特點(diǎn)。在被仿真的實(shí)際連續(xù)系統(tǒng)中，過(guò)程是并行發(fā)生的，對(duì)模擬計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，它是一種并行的計(jì)算裝置，即對(duì)各個(gè)變量的運(yùn)算是同時(shí)進(jìn)行的，因而真實(shí)地體現(xiàn)了所仿真的連續(xù)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)。但數(shù)字計(jì)算機(jī)是串行計(jì)算裝置，為了滿(mǎn)足閉合回路的要求，一個(gè)變量在先前沒(méi)有規(guī)定就不能出現(xiàn)在語(yǔ)句中，因而仿真語(yǔ)言必須有一種自動(dòng)分選能力，能將規(guī)定數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)的仿真語(yǔ)言的語(yǔ)句排列成正確的計(jì)算順序，從而使計(jì)算機(jī)按順序計(jì)算，而從仿真

12、語(yǔ)言的程序看來(lái)則如并行運(yùn)算一樣。,9.2.1 對(duì)仿真語(yǔ)言的主要要求,(3) 仿真語(yǔ)言應(yīng)備有多種不同的積分方法可供使用者選擇。積分算法是數(shù)字仿真程序的核心。微分方程的數(shù)值解法有許多種；不同的方法具有不同的特點(diǎn)（精度計(jì)算速度和對(duì)計(jì)算機(jī)的要求等），適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。多種積分算法的存在為滿(mǎn)足用戶(hù)的具體應(yīng)用要求提供充分的選擇余地。 (4) 仿真語(yǔ)言應(yīng)包含有預(yù)先編制好的輸入和輸出程序。輸入程序可使用戶(hù)方便地輸入問(wèn)題的模型和參數(shù)，并且便于修改模型參數(shù)。輸出程序使用戶(hù)可按所研究的問(wèn)題的需要，選擇有關(guān)的輸出變量與參數(shù)，以多種輸出方式輸出。輸出方式包括數(shù)據(jù)表格，時(shí)間響應(yīng)曲線，相平面軌跡及變量與參數(shù)的交叉列表和

13、繪圖。輸出設(shè)備的形式應(yīng)多樣化，包括寬行打印機(jī)數(shù)字繪圖機(jī)圖像終端等。使用者可以方便地用于準(zhǔn)備技術(shù)報(bào)告的規(guī)格化文件。,9.2.1 對(duì)仿真語(yǔ)言的主要要求,(5) 為了面向用戶(hù)，仿真語(yǔ)言應(yīng)與現(xiàn)有常用的有序編程語(yǔ)言（通常為FORTRAN,C語(yǔ)言等）有兼容性，使仿真語(yǔ)言的語(yǔ)句和有序語(yǔ)言的語(yǔ)句混和，從而有經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)可以將有序語(yǔ)言的功能引入到仿真語(yǔ)言中，擴(kuò)展仿真語(yǔ)言的能力。 (6) 為了面向用戶(hù)，要求仿真語(yǔ)言要適應(yīng)不同水平用戶(hù)的要求。對(duì)不太熟悉的用戶(hù)，可以使用仿真語(yǔ)言的基本組成部分，基本結(jié)構(gòu)語(yǔ)句（或基本算符）和代數(shù)語(yǔ)句，內(nèi)裝的程序庫(kù)，完成基本的仿真研究。對(duì)熟練的或內(nèi)行的用戶(hù)，則要求仿真語(yǔ)言具有擴(kuò)展能力，能將用

14、戶(hù)規(guī)定的函數(shù)和程序加入到內(nèi)裝程序庫(kù)中。 (7) 要求仿真語(yǔ)言配有宏函數(shù)處理器。用戶(hù)可將他所研究的問(wèn)題中多次重復(fù)使用的部分編寫(xiě)為宏函數(shù)，通過(guò)宏函數(shù)處理器可被主程序反復(fù)引用。仿真語(yǔ)言的宏函數(shù)不僅是一種方便的速記手段，而且可成為一種表示分系統(tǒng)或特殊運(yùn)算的直觀的有意義的語(yǔ)言要素。,9.2.1 對(duì)仿真語(yǔ)言的主要要求,(8) 仿真語(yǔ)言不僅應(yīng)便于輸入和修改系統(tǒng)參數(shù)及初始條件，更進(jìn)一步應(yīng)能進(jìn)行多次運(yùn)行的仿真研究，對(duì)多次運(yùn)行具有邏輯控制函數(shù)存儲(chǔ)二次運(yùn)行間的代數(shù)運(yùn)算等能力。這種多次運(yùn)行研究可用于模型參數(shù)及初始條件的“起始計(jì)算”和運(yùn)行結(jié)果的“終結(jié)”處理，如求得時(shí)間歷程采樣的函數(shù)；按預(yù)先編定的程序或按前次運(yùn)算結(jié)果確定

15、的參數(shù)及初始條件進(jìn)行多次仿真運(yùn)行，做迭代仿真實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化或模型匹配等研究；保存多次運(yùn)行的時(shí)間歷程；交叉繪制或交叉列表表示參數(shù)和初始條件對(duì)解的影響；進(jìn)行隨機(jī)輸入作用下的統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算（蒙特卡羅仿真）。 (9) 要求具有多重速率的能力，即被仿真的模型可分成兩段或多段（相應(yīng)于被仿真總系統(tǒng)的分系統(tǒng)或暫存部分），以便不同時(shí)間常數(shù)的子系統(tǒng)（如快的分系統(tǒng)和慢的分系統(tǒng)）可采用不同的積分方法或積分步長(zhǎng)；不同子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在時(shí)間推移過(guò)程中的轉(zhuǎn)接。 (10) 具有面向問(wèn)題的錯(cuò)誤的診斷能力，使仿真研究者能在源程序的級(jí)別上很快發(fā)現(xiàn)和改正錯(cuò)誤。 上述要求是作為設(shè)計(jì)仿真語(yǔ)言的指導(dǎo)原則提出的，并不是所有仿真語(yǔ)言都能滿(mǎn)足所有這些要

16、求。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,一、仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu) 仿真語(yǔ)言在結(jié)構(gòu)上一般包括三個(gè)區(qū)域：初始區(qū)動(dòng)態(tài)區(qū)和終止區(qū)，如圖9.2.1所示。 一般將仿真語(yǔ)言的單次運(yùn)行稱(chēng)為仿真，同一問(wèn)題的多次運(yùn)行稱(chēng)為研究。 (1) 初始區(qū)：初始區(qū)包括了所有在一次仿真之前必須進(jìn)行的輸入/輸出操作和初始化步驟。那些具有更永久性特點(diǎn)的初始化操作（如指定具體的積分算法）應(yīng)在進(jìn)入這一區(qū)域之前進(jìn)行。 圖9.2.2說(shuō)明了初始區(qū)的一般結(jié)構(gòu)。初始區(qū)在作用上可用三個(gè)分區(qū)域說(shuō)明：解釋程序初始分區(qū)和積分初始分區(qū)。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,圖9.2.1 圖9.2.2,,,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組

17、織,解釋程序是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)程序，它完成仿真分析人員和程序之間在運(yùn)行時(shí)間的交互作用。仿真分析人員可通過(guò)終端或其它輸入裝置輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)初始化的指令，這些指令經(jīng)解釋程序的翻譯而在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行。有下述類(lèi)型的指令： 調(diào)整仿真中變量的值（如參數(shù)或初始條件）； 中間讀出任何仿真中變量的值； 對(duì)積分算法中可調(diào)控制參數(shù)，包括自變量的間隔初值和終值及誤差控制參數(shù)，進(jìn)行控制； 進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算，用以根據(jù)前一次的結(jié)果計(jì)算參數(shù)的改變量； 對(duì)個(gè)別的仿真運(yùn)行進(jìn)行初始控制和對(duì)一組仿真運(yùn)行（研究）進(jìn)行終止控制。 初始分區(qū)是進(jìn)行初始化計(jì)算輸入和仿真研究終止邏輯控制的有序編碼。 積分初始化程序是運(yùn)行時(shí)間所用數(shù)值積分系統(tǒng)的一部分

18、。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(2) 動(dòng)態(tài)區(qū)：動(dòng)態(tài)區(qū)是仿真過(guò)程中在數(shù)字計(jì)算機(jī)和外界之間起積極的交互作用中的一部 分，它表示在使用者規(guī)定的自變量的離散值上進(jìn)行的所有計(jì)算和輸入/輸出操作。 自變量的基本間隔用每次經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)區(qū)的穿越來(lái)表示，稱(chēng)為仿真通訊間隔。這一間隔只由 與外界通訊的準(zhǔn)確度要求來(lái)決定。計(jì)算（積分）間隔可以比通訊間隔短。計(jì)算間隔嚴(yán)格按數(shù)字計(jì)算（特別是積分）的準(zhǔn)確度要求來(lái)決定。 圖9.2.3所示說(shuō)明了動(dòng)態(tài)區(qū)的一般結(jié)構(gòu)，它可用兩個(gè)分區(qū)域描述：輸入/輸出和積分。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,圖9.2.3,,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,輸入/輸出分區(qū)包括了在基本自

19、變量回路中進(jìn)行的積分運(yùn)算以外的作用，其中有那些不屬于導(dǎo)數(shù)計(jì)算部分的與時(shí)間有關(guān)的代數(shù)計(jì)算和動(dòng)態(tài)回路，以及程序條件實(shí)驗(yàn)所必需的所有數(shù)字輸入。程序條件實(shí)驗(yàn)用于確定：是否終止仿真并將控制轉(zhuǎn)移到終止區(qū)；是否要計(jì)算新的值和重新開(kāi)始積分。在通信間隔上輸出系統(tǒng)變量是在這一分區(qū)上控制的。 積分分區(qū)包括了動(dòng)態(tài)區(qū)內(nèi)對(duì)自變量的所有積分運(yùn)算。積分分區(qū)還可以分成不同的數(shù)段，以便對(duì)幾組仿真的狀態(tài)變量采用不同的積分速率（或算法）。某些段落也可能根本不包含積分，而可能是仿真與積分速率有不同速率的并行同步邏輯部分的程序。 包括積分的各段都有與它相關(guān)的計(jì)算被積分的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)的子程序，因?yàn)槊恳环e分段都有這樣一個(gè)子程序，故它被稱(chēng)為導(dǎo)

20、數(shù)段。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(3) 終止區(qū)：終止區(qū)接受動(dòng)態(tài)區(qū)的控制，并將控制作用返回到仿真的入口處。終止區(qū)包括用以適當(dāng)?shù)亟K止一次單一的仿真所需要的計(jì)算和輸入/輸出作用。此外，制備某些仿真報(bào)告的操作，如數(shù)據(jù)表和繪圖輸出，也在這一階段完成。 二 仿真語(yǔ)言的程序組織 仿真語(yǔ)言的程序通常由三部分組成：翻譯部分運(yùn)行部分和輸出部分。 (1) 翻譯部分: 翻譯部分的主要作用是將使用者用仿真語(yǔ)言編寫(xiě)的仿真程序翻譯為中介語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言的子程序，以供和運(yùn)行部分的有關(guān)程序一起編譯（如果仿真語(yǔ)言的程序用中介語(yǔ)言寫(xiě)成）連接和加載。翻譯部分還完成語(yǔ)句的分選和排序作用對(duì)使用者規(guī)定的輸出指令的解釋作用，以及

21、輸入數(shù)據(jù)（初始條件和參數(shù)）的處理。,9.2.2 仿真語(yǔ)言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(2) 運(yùn)行部分: 運(yùn)行部分主要包括仿真運(yùn)行的控制程序各種積分算法的子程序，以及各種仿真語(yǔ)言的內(nèi)裝程序庫(kù)函數(shù)。它們與翻譯模塊輸出的程序一起進(jìn)行編譯連接加載執(zhí)行。 (3) 輸出部分: 輸出部分按使用者規(guī)定的輸出指令要求將仿真運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行處理。它包括處理輸出指令，從有關(guān)的數(shù)據(jù)文件中抽取所需數(shù)據(jù)的子程序，在指定的輸出設(shè)備上顯示仿真結(jié)果的相應(yīng)的子程序。,9.3 一種典型的連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言,DARE-P(Differential Analyzer Replacement Portable)是由美國(guó)阿里桑那（Arizona）大學(xué)電器

22、工程系計(jì)算機(jī)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室研制成的一種仿真軟件。它是按批處理方式設(shè)計(jì)的，適合在中型及大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。國(guó)內(nèi)已有多家單位將它移植到微型機(jī)上。其主要特點(diǎn)如下：,9.3.1 DARE-P的主要功能,DARE-P主要功能如下： 面向方程，其模型采用一階微分方程和代數(shù)方程組描述，其狀態(tài)變量數(shù)200。 具有自動(dòng)安排各方程運(yùn)算次序的能力； 共有10種積分方法（見(jiàn)表9.3.1）可供選擇，用戶(hù)還可加入自定義的積分法則； 有多種庫(kù)函數(shù)可供調(diào)用，如延遲函數(shù)比較器飽和死區(qū)脈沖采樣滯環(huán)等； 具有多種輸出方式，包括打印數(shù)據(jù)和圖形，用繪圖機(jī)輸出圖形，等等； 在程序運(yùn)行過(guò)程中，可以分階段給出編程錯(cuò)誤診斷信息，便于用戶(hù)查錯(cuò)。,

23、9.3.1 DARE-P的主要功能,表9.3.1 DARE-P仿真語(yǔ)言的10種積分法,9.3.2 DARE-P語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu),翻譯系統(tǒng)TRNSYS（占內(nèi)存約90KB） 這部分共有1個(gè)主程序1個(gè)數(shù)據(jù)塊26個(gè)子程序和2個(gè)函數(shù)子程序。它的主要作用是將用戶(hù)用仿真語(yǔ)言編寫(xiě)的仿真題目程序翻譯成FORTRAN語(yǔ)言，編譯完后，自動(dòng)與運(yùn)行系統(tǒng)連接，一起運(yùn)行。 運(yùn)行系統(tǒng)RUNSYS（占內(nèi)存約170KB） 運(yùn)行系統(tǒng)中包括1個(gè)主程序5個(gè)基本子程序，以及其它子程序和函數(shù)子程序等，這些子程序可分成三類(lèi)： 存放控制變量值及生成數(shù)據(jù)文件子程序； 各種積分法則子程序； 仿真中常用的一些函數(shù)子程序。 運(yùn)行系統(tǒng)中還分為單次仿

24、真和多次仿真兩種執(zhí)行過(guò)程。兩種過(guò)程的輸出結(jié)果各有不同要求。,9.3.2 DARE-P語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu),3輸出系統(tǒng)OUTSYS(占內(nèi)存約40KB) 輸出系統(tǒng)中有1個(gè)主程序1個(gè)數(shù)據(jù)塊19個(gè)子程序和2個(gè)函數(shù)子程序。它的作用是按輸出指令的要求從有關(guān)數(shù)據(jù)文件中抽取所需信息，完成所要求形式的輸出結(jié)果。,9.3.3 DARE-P的使用方法,DARE-P是一種模塊式結(jié)構(gòu)語(yǔ)言，模型描述初始值和參數(shù)設(shè)置，以及輸出指令，都分別寫(xiě)在各個(gè)塊中。每一種模塊都有一定的識(shí)別符號(hào)（第2列上寫(xiě)有$符號(hào)，其后再接1或2個(gè)字符）。各模塊名稱(chēng)及其內(nèi)容見(jiàn)表9.3.2。,9.3.3 DARE-P的使用方法,下面分別說(shuō)明各模塊內(nèi)容及有關(guān)子程

25、序。 (1) 導(dǎo)數(shù)塊($D1和$D2) 本塊主要用于寫(xiě)入狀態(tài)方程和所定義的變量方程。其狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)用變量名加一圓點(diǎn)號(hào)(.)表示。例如： 一階微分方程為 其書(shū)寫(xiě)格式為 方程可以按任意順序?qū)懭?，翻譯程序會(huì)自動(dòng)將方程組整理出運(yùn)算順序。但是表達(dá)式中必須避免代數(shù)環(huán)出現(xiàn)，即要求用顯式表示，而不能用隱式表示。例如，以下兩式就構(gòu)成了代數(shù)環(huán)： Q=P-X P=Y+Q 因?yàn)樯鲜街械淖兞縌需從兩方程中解出，故構(gòu)成了代數(shù)環(huán)。,,,9.3.3 DARE-P的使用方法,導(dǎo)數(shù)塊中可以包含以下程序及變量： 過(guò)程段：它用于定義一組變量，其格式為 PROCED P,Q,,=X,Y, ENDPRO

26、被定義變量 控制仿真運(yùn)行終止語(yǔ)句：其格式為 TERMINATE 算術(shù)表達(dá)式 當(dāng)表達(dá)式小于或等于零時(shí)，仿真運(yùn)行立即停止。例如： TERMINATE X+30.0 當(dāng)X-30.0時(shí)，仿真運(yùn)行停止。 存儲(chǔ)變量的語(yǔ)句：其格式為 STORE A,B, 其中 A,B, 為要存儲(chǔ)的變量名稱(chēng)。,9.3.3 DARE-P的使用方法, 重復(fù)段：當(dāng)有些算式需要重復(fù)運(yùn)算時(shí)，可用重復(fù)段語(yǔ)句，例如： REPEAT 3 FI$.=(V$(-1)-V$)/FL V$.=(FI$-FI$(+1))/C ENDREP 即實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)算： FI1.=(V-V1)/FL FI2.=(V1-V2)/FL F3.=(V2-V3)/FL

27、V1.=(FI1-FI2)/C V2.=(FI2-FI3)/C V3.=(FI3-FI4)/C 導(dǎo)數(shù)塊$D1和$D2都是用于書(shū)寫(xiě)模型方程及變量表達(dá)式的，一般只用一塊$D1就夠了。如果需要分開(kāi)兩組寫(xiě)（當(dāng)采用不同的積分方法時(shí)），則可再用$D2導(dǎo)數(shù)塊。,9.3.3 DARE-P的使用方法,(2) 邏輯塊（$L） 這塊主要用于控制多次仿真運(yùn)行?？刂品绞绞侵匦略O(shè)置變量值，并調(diào)用仿真運(yùn)行程序RUN等。若是單次時(shí)不需要邏輯塊。 本塊中除調(diào)用運(yùn)行子程序RUN完成從T=0到TMAX的一次仿真運(yùn)行外，還調(diào)用以下子程序： RESET 用于將狀態(tài)變量等設(shè)置到初始值，但不對(duì)外部定義變量（參數(shù)）重新設(shè)置。仿真參數(shù)如DT,

28、DTMAX,DTMIN等也不重新設(shè)置。 CROSS 用于將輸出變量隨時(shí)間變化過(guò)程寫(xiě)于磁盤(pán)文件CROSS中，其作用與STORE（存儲(chǔ)）子程序相似。 SAVE 用于將輸出變量隨時(shí)間變化過(guò)程寫(xiě)于磁盤(pán)文件SAVE中。如不用SAVE，則輸出變量將寫(xiě)在磁盤(pán)文件TIME中，但TIME文件只保留多次運(yùn)行中的最后一次結(jié)果。 STROF 用于阻止TIME文件的數(shù)據(jù)輸出到SAVE文件中。因?yàn)橛袝r(shí)只對(duì)多次運(yùn)行中的最后一次解感興趣，故這時(shí)可調(diào)用這一子程序。 STRON 用于恢復(fù)TIME文件向SAVE文件的輸出。,9.3.3 DARE-P的使用方法,(3) FORTRAN塊（$F）和自編塊（$O） (4)表格塊（$T）

29、 用于設(shè)置一維和二維任意非線形函數(shù)自變量和函數(shù)值的數(shù)據(jù)表格，以及相應(yīng)的線性?xún)?nèi)插查表函數(shù)。以一維函數(shù)為例，其格式如下： $T EXAMPLE OF ONE-DIMENSIONAL TABLE NAME,4 3.0,1.0 4.0,5.0 8.0,3.0 9.0,2.0 以上表格規(guī)定了一個(gè)單變量函數(shù)NAME(X),有4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，自變量值3.0，4.0，8.0，9.0自小到大排列。 (5) 方法塊（$M） 主要用于調(diào)用各種積分法則子程序。 (6) 打印控制塊($P) 用于阻止打印。 (7) 模型結(jié)束（END） 寫(xiě)于第13列上的END字符表示模型結(jié)束。另外，7380列作為識(shí)別區(qū)，語(yǔ)句內(nèi)容不能寫(xiě)入。,9

30、.3.4 應(yīng)用例子,設(shè)二階系統(tǒng)的微分方程為 狀態(tài)方程為 在應(yīng)用DARE-P仿真語(yǔ)言時(shí)，用戶(hù)只需書(shū)寫(xiě)以下程序即可 $D1 * SECOND ORDER SYSTEM Y.=YDOT YDOT.=-D*YDOT-Y+1.0 END TMAX=50.0,DT=0.1 END LIST,Y,YDOT PLOT,Y PLOTXY,Y,YDOT END,,,9.4 一體化仿真技術(shù),50年代最熱門(mén)的仿真領(lǐng)域是火炮控制和飛行控制系統(tǒng)，60年代是火箭（導(dǎo)彈）控制系統(tǒng)，70年代是航天能源和經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)，80年代是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）,而90年代最熱門(mén)的仿真領(lǐng)域是仿真技術(shù)本身的革命，即仿真理論

31、的發(fā)展和仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的革新。這主要是因?yàn)楦鞣N技術(shù)工程所面臨的系統(tǒng)愈來(lái)愈龐大和復(fù)雜。要對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行符合相似程度的仿真實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的仿真理論與仿真方法難以適應(yīng)，只有發(fā)展新型的仿真技術(shù)才能提高仿真效率，改善仿真環(huán)境。,9.4 一體化仿真技術(shù),一體化仿真技術(shù)起源于80年代中期，由于當(dāng)時(shí)仿真應(yīng)用在廣度及深度方面已達(dá)到一個(gè)相當(dāng)?shù)牡夭?；已有的各種仿真軟件常常不能方便而協(xié)調(diào)地支持仿真研究的全過(guò)程；而且不同的用戶(hù)或者不同的仿真任務(wù)對(duì)仿真環(huán)境均有不同的要求。此外更重要的是仿真工程師已經(jīng)意識(shí)到，仿真不是單純的對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)當(dāng)包括從建模到實(shí)驗(yàn)再到結(jié)果分析的全過(guò)程。換言之，仿真軟件不再只是由仿真程序組成的簡(jiǎn)單系統(tǒng)

32、，而是定義了一個(gè)建模分析和設(shè)計(jì)全過(guò)程仿真的環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，嵌入了一個(gè)仿真運(yùn)行系統(tǒng)。特別重要的是，這個(gè)環(huán)境支持仿真研究的全過(guò)程，包括模型描述實(shí)驗(yàn)框架描述實(shí)驗(yàn)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析輸出報(bào)告圖形顯示，以及對(duì)與各種仿真關(guān)聯(lián)的資源（如：模型參數(shù)集實(shí)驗(yàn)框架算法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果）的存儲(chǔ)和管理。,9.4 一體化仿真技術(shù),一體化仿真環(huán)境的定義是：一體化仿真環(huán)境是一個(gè)軟件工具的集合，它包括設(shè)計(jì)編制及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停痪帉?xiě)及證實(shí)仿真程序；準(zhǔn)備模型輸入數(shù)據(jù)；分析模型輸出數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)及執(zhí)行模型實(shí)驗(yàn)大綱。由此也可以認(rèn)為，所謂一體化仿真環(huán)境就是將若干個(gè)具有不同功能的軟件集成為一個(gè)包含有多種功能的軟件系統(tǒng)，使仿真模型能根據(jù)仿真任務(wù)的需求進(jìn)行分解和

33、拼合，并能對(duì)仿真資源一體化在集成的程度上可以不同。比如：可以?xún)H僅實(shí)現(xiàn)功能上的一體化，或僅僅實(shí)現(xiàn)資源管理上的一體化（線集成）；也可以實(shí)現(xiàn)功能與資源，或功能與模型的一體化（面集成）；還可以對(duì)功能模型處理及資源管理全面實(shí)現(xiàn)一體化（體集成），如圖9.4.1所示。,9.4 一體化仿真技術(shù),圖9.4.1 一體化仿真模型,,顯見(jiàn)，這樣的一體化仿 軟件必須以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，使操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)仿真語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析和圖形生成軟件形成一個(gè)整體。基本的一體化仿真環(huán)境如圖9.4.2所示，各部分的主要功能如下所述。,,9.4 一體化仿真技術(shù),圖9.4.2 一體化仿真環(huán)境,,9.4 一體化仿真技術(shù),一、一體化語(yǔ)

34、言 一體化語(yǔ)言部分的模塊主要由一體化語(yǔ)言命令集和一體化語(yǔ)言預(yù)編譯器所組成。命令集解釋系統(tǒng)并接受用戶(hù)的命令，對(duì)該命令進(jìn)行語(yǔ)法檢查。若命令合法，則調(diào)用完成該命令的有關(guān)模塊，將接收到的參數(shù)傳給相應(yīng)的模塊，并完成命令所要求完成的功能。若命令不合法，則打印錯(cuò)誤信息，并能給出正確的語(yǔ)法格式。一體化語(yǔ)言預(yù)編譯器則是處理用戶(hù)命令，并將命令翻譯成仿真語(yǔ)言的格式寫(xiě)入仿真語(yǔ)言程序。仿真工程師按一體化語(yǔ)言格式寫(xiě)成仿真程序。預(yù)編譯器的功能就是讀取用戶(hù)仿真程序，區(qū)別程序語(yǔ)句和命令語(yǔ)句，并完成命令語(yǔ)句功能。在一體化仿真語(yǔ)言的支持下，用戶(hù)可以用簡(jiǎn)練的命令集構(gòu)成的仿真程序，完成從建模運(yùn)行到優(yōu)化和結(jié)果分析一系列復(fù)雜的仿真過(guò)程。

35、,9.4 一體化仿真技術(shù),二 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)RDB實(shí)現(xiàn)，常用的有ORACLE,FOXPRO,DBASE等關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù) 語(yǔ)言。各種仿真關(guān)聯(lián)資源：模型參數(shù)集實(shí)驗(yàn)框架和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等都存儲(chǔ)在這里。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)這些資源的存儲(chǔ)和管理，以實(shí)現(xiàn)不同的仿真目的。 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的存在是一體化仿真環(huán)境與傳統(tǒng)仿真工具之間最大差別的原因之一，也正是由于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)能夠在仿真全過(guò)程中對(duì)仿真資源實(shí)行同一管理，因此也有學(xué)者認(rèn)為：一體化仿真環(huán)境是以仿真數(shù)據(jù)庫(kù)為核心的軟件系統(tǒng)。,9.4 一體化仿真技術(shù),三、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)包括辨識(shí)仿真優(yōu)化和分析等支撐服務(wù)軟件，其主要功能應(yīng)包括： 辨

36、識(shí)軟件的主要功能是根據(jù)用戶(hù)要求和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成仿真模型的建立，參數(shù)辨識(shí)和模型驗(yàn)證，采用的算法有最小二乘法極大似然法和隨機(jī)尋優(yōu)法等。 仿真部分應(yīng)包括各種數(shù)值積分算法，如亞當(dāng)斯多步法龍格庫(kù)塔法，以及解剛性系統(tǒng)的雷納爾法，半隱式龍格庫(kù)塔法等。 優(yōu)化包括參數(shù)尋優(yōu)和函數(shù)尋優(yōu)等功能，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制設(shè)計(jì)，其算法應(yīng)包括梯度法單純形法隨機(jī)搜索尋優(yōu)等方法。 分析軟件至少應(yīng)有數(shù)據(jù)輸出和存放，圖形和曲線生成功能，對(duì)于較強(qiáng)的軟件還應(yīng)有對(duì)仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析列表等功能，甚至能達(dá)到將仿真實(shí)驗(yàn)階段的分析結(jié)果反饋到建模階段，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)仿真。,9.4 一體化仿真技術(shù),目前一體化仿真軟件的實(shí)現(xiàn)，公認(rèn)最好的是由美國(guó)學(xué)者研

37、制成的TESS（The Extended Simulation System）。TESS由七部分構(gòu)成： TESS語(yǔ)言； 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)； 圖形產(chǎn)生器； 形式處理器； 圖形網(wǎng)絡(luò)建立器； FORTRAN子程序庫(kù)； 與仿真語(yǔ)言的接口。,9.4 一體化仿真技術(shù),整個(gè)系統(tǒng)以一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)TESS語(yǔ)言關(guān)系，存儲(chǔ)檢查數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，如圖9.4.3所示。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理的數(shù)據(jù)包括：描述模型的數(shù)據(jù)仿真模型的輸入數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入/輸出顯示的參數(shù)。 用戶(hù)使用TESS可以做到建模仿真分析結(jié)果處理的一體化以及數(shù)據(jù)和參數(shù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。,圖9.4.3,,9.5 人工智能與仿真技術(shù) 9.5.1 概述,在過(guò)去的

38、幾十年時(shí)間里，作為研究智能本質(zhì)，并試圖建立實(shí)用系統(tǒng)的人工智能學(xué)科，在知識(shí)獲取知識(shí)表示問(wèn)題解答定理證明程序自動(dòng)設(shè)計(jì)自然語(yǔ)言理解計(jì)算機(jī)視覺(jué)多媒體技術(shù)機(jī)器人學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)和專(zhuān)家系統(tǒng)等方面，已取得了令人鼓舞的成果與廣泛的應(yīng)用。各種用途的專(zhuān)家系統(tǒng)正在不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)地理論和關(guān)鍵技術(shù)也已取得突破，并日益發(fā)展和完善。由于人工智能（AI）不僅在人類(lèi)探索智能本質(zhì)方面具有重大的科學(xué)價(jià)值，而且在幫助人們解決某些專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域中的問(wèn)題時(shí)具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，眾多的學(xué)科和技術(shù)正在不斷地受著人工智能的影響。 將人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)嵌入到仿真環(huán)境是減少仿真中的人力消耗，提高仿真自動(dòng)化程度和仿真精度，拓寬一體化仿真規(guī)模的不可缺少的技術(shù)，

39、也是仿真技術(shù)本身變革的外在動(dòng)力之一。仿真工程師們普遍關(guān)注人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)仿真建模的能力，其主要表現(xiàn)在：,9.5.1 概述,引入知識(shí)表達(dá)及處理技術(shù)以擴(kuò)大仿真模型的知識(shí)描述能力； 在建模仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果分析等階段中，引入專(zhuān)家知識(shí)自動(dòng)推理和解釋機(jī)制，以輔助領(lǐng)域工程師做各種決策； 輔助模型的修正和維護(hù)； 實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面（可視化技術(shù)自然語(yǔ)言理解多媒體技術(shù)）； 建立智能化數(shù)據(jù)庫(kù)以及輔助數(shù)據(jù)的管理維護(hù)。 AI技術(shù)在仿真中的應(yīng)用，最近幾年已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，許多理論問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)已獲得突破。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，具有智能化的仿真環(huán)境已成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。限于

40、篇幅，在此僅介紹人工智能在仿真技術(shù)中的應(yīng)用，以及討論某些相關(guān)的問(wèn)題，而不去研究具有智能化仿真環(huán)境在具體領(lǐng)域中的應(yīng)用問(wèn)題。有興趣的讀者可以參看相關(guān)的文獻(xiàn)。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,圖9.5.1是目前經(jīng)常用來(lái)描述人工智能與仿真技術(shù)在學(xué)科上的交叉圖，它涉及仿真領(lǐng)域的各方面，在此僅討論幾個(gè)主要方面。 圖9.5.1,,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,一 知識(shí)庫(kù)用于系統(tǒng)的建模與模型驗(yàn)證 人類(lèi)的科學(xué)知識(shí)從低級(jí)特殊到高級(jí)一般有層次地積累起來(lái)，用腦力來(lái)完成這些與科學(xué)理論構(gòu)造有關(guān)的知識(shí)的組織過(guò)程是困難的，

41、這需要付出巨大的代價(jià)。對(duì)物理系統(tǒng)的建模就屬于這樣的工作，它不僅需要一定的數(shù)學(xué)物理等知識(shí)，而且需要相當(dāng)?shù)膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，即領(lǐng)域知識(shí)，才能做好工作。但利用計(jì)算機(jī)適當(dāng)?shù)亟M織來(lái)自世界系統(tǒng)的信息，不僅對(duì)人機(jī)緊密結(jié)合的發(fā)展有所幫助，而且對(duì)建立一個(gè)能徹底支持建?；顒?dòng)的信息庫(kù)起了極大的作用。在這樣一個(gè)建?；顒?dòng)中，知識(shí)庫(kù)扮演著一個(gè)重要的角色。知識(shí)庫(kù)用于建模與模型驗(yàn)證的基本課題是：在仿真研究的各個(gè)不同階段上借助專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)輔助仿真工程師對(duì)仿真模型的建立驗(yàn)證和綜合進(jìn)行咨詢(xún)服務(wù)和決策。其主要應(yīng)用項(xiàng)目是建模顧問(wèn)專(zhuān)家系統(tǒng)。它用在建模過(guò)程中應(yīng)用模型庫(kù)選擇模型元素并合成適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，其中心?wèn)題是能夠根據(jù)人類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)用規(guī)范的形式來(lái)綜合描述

42、物理過(guò)程。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,二、仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合 在仿真與AI結(jié)合方面，一個(gè)重要的領(lǐng)域是AI對(duì)于大系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，特別是用于決策系統(tǒng)的仿真。這時(shí)，要在一個(gè)信息不充分不確定，甚至不正確的情況下去進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度和做出各種方案的假設(shè)。在這類(lèi)系統(tǒng)的仿真研究中，AI技術(shù)是十分適用的。由于這類(lèi)系統(tǒng)的某些子過(guò)程主要表現(xiàn)為啟發(fā)式或符號(hào)運(yùn)算式，因此用一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)建模是很合適的。對(duì)于另一些子過(guò)程，它們具有確定的和連續(xù)的性質(zhì)（如物理過(guò)程），因此可以按照一般動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模方法來(lái)建模。 另一方面，仿真可用于評(píng)估一個(gè)知識(shí)系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用是控制生產(chǎn)過(guò)程，類(lèi)似人在控制過(guò)程

43、中所起的分析和支持作用。為了測(cè)試這樣一個(gè)智能控制系統(tǒng)，有必要建立系統(tǒng)仿真模型。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,若將仿真技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，就可實(shí)現(xiàn)自尋最佳的結(jié)果。實(shí)現(xiàn)這種智能化仿真系統(tǒng)所存在的主要問(wèn)題是在目標(biāo)的合適形式算法及硬件能力等方面。 目前的仿真基本上都是屬于開(kāi)環(huán)仿真，領(lǐng)域工程師要花大量的時(shí)間和代價(jià)去面對(duì)一大堆表示仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表，在仿真環(huán)境中引入知識(shí)和專(zhuān)家系統(tǒng)可用于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和決策，并將結(jié)果反饋到建模型階段，再根據(jù)仿真結(jié)果和專(zhuān)家決策對(duì)仿真模型做綜合分析。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,三、仿真模型中知識(shí)的表達(dá) 在經(jīng)典的建模與仿真方法

44、中，主要存在的問(wèn)題是：表達(dá)式模型結(jié)構(gòu)的靈活性；擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)的能力；面向批處理的建模等。解決這些問(wèn)題的方法之一，是采用AI的知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)去表達(dá)仿真模型中的知識(shí)（知識(shí)庫(kù)仿真）。具體而言，首先是要建立面向?qū)ο蟮姆抡嬲Z(yǔ)言。這里的知識(shí)包括下述一些內(nèi)容。 系統(tǒng)中關(guān)于每個(gè)實(shí)體的不同事實(shí)； 實(shí)體與實(shí)體之間關(guān)系的知識(shí)； 實(shí)體與系統(tǒng)特性之間關(guān)系的知識(shí)。 此外，還包括作用在系統(tǒng)上的外部影響關(guān)系的表達(dá)?？偟奶匦灾T如：模型在建立與改變過(guò)程中的交互性（知識(shí)表達(dá)具有靈活性和擴(kuò)展性）；在建立模型過(guò)程中較少的程序設(shè)計(jì)工作量；相容性和完整性檢查。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),仿真專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)基于知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)制的仿真軟件系統(tǒng)。

45、它具有下述與常規(guī)仿真系統(tǒng)不同的特點(diǎn)： 具有建模專(zhuān)家系統(tǒng)； 在AI基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)庫(kù)及控制結(jié)構(gòu)； 數(shù)據(jù)庫(kù)中除數(shù)值數(shù)據(jù)外，還有大量的符號(hào)數(shù)據(jù)，它們用來(lái)描述有關(guān)事實(shí)判斷規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)； 仿真模型包括：數(shù)值/符號(hào)處理；算法/模式搜索，集成信息和控制/命令結(jié)構(gòu)分離； 具有智能化前端。 系統(tǒng)仿真的目的，就是用模型來(lái)產(chǎn)生用以擬合實(shí)際系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在建模方法學(xué)中，有演繹建模法，也有歸納建模法。演繹法是人們把建模方法的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為以后建模的依據(jù)。歸納法則是借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去分析數(shù)據(jù)抽取特征歸納概括成有指導(dǎo)意義的規(guī)則。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),不管哪種方法，要實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程的自動(dòng)

46、化，都必須有一個(gè)完備的專(zhuān)家系統(tǒng)支持。特別對(duì)于非工程系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，更需要一個(gè)龐大的仿真ES的支持。這是因?yàn)椋谶@些領(lǐng)域里，沒(méi)有完善的公式，甚至很多問(wèn)題不能用公式表達(dá)而只有對(duì)問(wèn)題的非形式化描述，仿真系統(tǒng)應(yīng)該能適應(yīng)這種描述，理解其意義，并根據(jù)它來(lái)建立模型。例如，對(duì)排隊(duì)系統(tǒng)的仿真，就應(yīng)該有關(guān)于排隊(duì)系統(tǒng)的基本常識(shí)和描述，這些描述很類(lèi)似于人們?nèi)粘５臅?huì)話(huà)語(yǔ)言，而不是一串代數(shù)方程或FORTRAN代碼。因此，計(jì)算機(jī)如何適應(yīng)人的這種思維習(xí)慣（即模型的非形式化描述），就成了仿真建模的一個(gè)重要問(wèn)題。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),計(jì)算機(jī)的功能應(yīng)盡可能適應(yīng)用戶(hù)描述仿真問(wèn)題的習(xí)慣，盡可能適應(yīng)系統(tǒng)仿真本質(zhì)的要求，作為人類(lèi)認(rèn)識(shí)

47、世界和改造世界的有力工具。為此，必須建立對(duì)計(jì)算機(jī)的高一級(jí)控制功能，給計(jì)算機(jī)賦予一個(gè)“被仿真”系統(tǒng)的“世界觀”，讓計(jì)算機(jī)能理解用戶(hù)描述的問(wèn)題，并把這種模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋬?nèi)部的仿真計(jì)算機(jī)模型，以用戶(hù)熟悉和易于理解的形式輸出仿真結(jié)果。這樣一個(gè)方便的人機(jī)友好的智能化仿真環(huán)境，能夠讓用戶(hù)以更多的精力去了解客觀世界的本身，而不陷于具體的仿真實(shí)現(xiàn)上。由此可見(jiàn)，這種達(dá)到智能化仿真水平的系統(tǒng)是很有意義的。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),目前，從事仿真技術(shù)的人們正在把更多的注意力轉(zhuǎn)移到社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境生態(tài)等對(duì)象和系統(tǒng)上。計(jì)算機(jī)仿真越來(lái)越多地用于這類(lèi)非工程系統(tǒng)的研究預(yù)測(cè)和決策。由于非工程系統(tǒng)多數(shù)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，具有“黑盒”的性質(zhì)

48、，故人們對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很難了解，只能根據(jù)其表現(xiàn)出來(lái)的行為實(shí)現(xiàn)建模和仿真。人們往往是根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)描述這些行為的，因此采用自然語(yǔ)言的交互形式，并且借助專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析，這對(duì)于建模和仿真是很有利的。所借助的專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)具有交互式的人機(jī)接口和用戶(hù)存取知識(shí)庫(kù)。此外，還應(yīng)具有一定的邏輯推理能力，這樣就可使計(jì)算機(jī)從單純的數(shù)據(jù)處理變?yōu)橛幸欢ㄖ悄艿耐评頇C(jī)。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出一些能實(shí)際應(yīng)用的仿真專(zhuān)家系統(tǒng)。仿真研究涉及許多方面的專(zhuān)家知識(shí)。一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程包括：建立模型；分析解的存在性；選擇仿真語(yǔ)言；編寫(xiě)仿真程序；實(shí)現(xiàn)仿真分析和優(yōu)化等。在建模和辨識(shí)方面，需要統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)；在仿真方面

49、，需要數(shù)值分析和概率論的知識(shí)。在這些方面，可建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)和推理系統(tǒng)，從而給仿真研究提供一個(gè)決策咨詢(xún)系統(tǒng)仿真專(zhuān)家系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)仿真研究的自動(dòng)化。,9.5.3 仿真專(zhuān)家系統(tǒng),例如，1984年法國(guó)INRIA的C戈梅斯（C.Gomez）發(fā)表的關(guān)于隨機(jī)控制系統(tǒng)建模仿真和優(yōu)化的專(zhuān)家系統(tǒng)就是一種很有意義的探索。系統(tǒng)采用半自然語(yǔ)言對(duì)求解問(wèn)題進(jìn)行描述，然后自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)以下功能： 選擇和產(chǎn)生數(shù)學(xué)模型； 進(jìn)行理論分析； 選擇仿真算法； 生成FORTRAN程序； 編寫(xiě)和編輯報(bào)告。 這個(gè)用于輔助建模型仿真和優(yōu)化的專(zhuān)家系統(tǒng)，采用LISP語(yǔ)言編寫(xiě)程序，并將程序嵌入MACSYMA系統(tǒng)中。另一個(gè)例子是由美國(guó)NASA開(kāi)發(fā)的仿真

50、專(zhuān)家系統(tǒng)NESS，它能輔助用戶(hù)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，并能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行解釋和說(shuō)明。如果輸出不滿(mǎn)足性能要求，則NESS可自動(dòng)加入一個(gè)合適的補(bǔ)償器。NESS 由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：專(zhuān)家子系統(tǒng)及數(shù)值計(jì)算子系統(tǒng)。系統(tǒng)中的知識(shí)采用框架結(jié)構(gòu)來(lái)描述。,9.5.4 智能化仿真的研究與探索,隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與完善，人們?cè)O(shè)想了第五代智能化建模與仿真環(huán)境。它將把面向建模與仿真方法學(xué)的知識(shí)或面向某種應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)裝入環(huán)境，構(gòu)成各種專(zhuān)家系統(tǒng)；將機(jī)器學(xué)習(xí)能力及面向目標(biāo)的知識(shí)處理能力引入環(huán)境；將自然語(yǔ)言圖形及視像技術(shù)等用于人/機(jī)智能接口，從而構(gòu)成高度智能化的面向用戶(hù)面向問(wèn)題面向?qū)嶒?yàn)的建模與仿真環(huán)境。它將使經(jīng)典的仿真系統(tǒng)

51、轉(zhuǎn)變成新一代的專(zhuān)家仿真系統(tǒng)。 自80年代中期以來(lái)，人們已在專(zhuān)家系統(tǒng)及智能接口方面做了大量的探索工作，包括智能前端型咨詢(xún)式系統(tǒng)型緊密結(jié)合型等各種建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的專(zhuān)家系統(tǒng)，用以輔助確定模型框架結(jié)構(gòu)特征化參數(shù)估計(jì)模型評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)原系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等；仿真模型建立及檢驗(yàn)的專(zhuān)家系統(tǒng)；仿真算法選擇專(zhuān)家系統(tǒng)；輸出分析專(zhuān)家系統(tǒng)；建模/仿真全過(guò)程專(zhuān)家系統(tǒng)；智能接口（自然語(yǔ)言交與及動(dòng)畫(huà)視覺(jué)交與）。必須指出，國(guó)內(nèi)學(xué)者也在這方面開(kāi)展了不少工作。限于篇幅，在此不予贅述。,9.5.4 智能化仿真的研究與探索,新的研究課題有： 1.自然語(yǔ)言語(yǔ)音識(shí)別視像系統(tǒng)圖形技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用；2.新的建模仿真方法學(xué)；3.各種仿真專(zhuān)家系統(tǒng)；4

52、.仿真信息/知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)；5.將機(jī)器學(xué)習(xí)能力引進(jìn)環(huán)境；6.擴(kuò)展環(huán)境功能以適應(yīng)智能系統(tǒng)模型的建立與仿真；7.適合環(huán)境中各類(lèi)用戶(hù)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境與工具；8.認(rèn)識(shí)仿真過(guò)程中質(zhì)量的保證問(wèn)題。 可以預(yù)見(jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)軟件工程人工智能控制論系統(tǒng)論建模/仿真技術(shù)的發(fā)展，新一代智能化建模與仿真環(huán)境終將成為現(xiàn)實(shí)。,9.6 數(shù)學(xué)模型和建模方法學(xué),在眾多的仿真文獻(xiàn)中，對(duì)仿真的定義是基于同一觀點(diǎn)：為了分析與研究已經(jīng)存在的或尚未建成的系統(tǒng)，首先應(yīng)該建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并將其安裝在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這一過(guò)程就稱(chēng)為仿真。顯見(jiàn)“模型”和“實(shí)驗(yàn)”是仿真的兩個(gè)重點(diǎn)。但傳統(tǒng)的仿真著重于“實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)驗(yàn)方法”研究。近年來(lái)，隨著一體化仿

53、真技術(shù)的提出和發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到仿真應(yīng)該是“建模實(shí)驗(yàn)分析建模”這樣一個(gè)循環(huán)體系。限于篇幅，在此重點(diǎn)介紹數(shù)學(xué)模型的作用性質(zhì)和建模方法的一般性原理，而關(guān)于模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的具體算法，則是屬于系統(tǒng)辨識(shí)的范疇。,9.6.1 數(shù)學(xué)模型的作用和目標(biāo),數(shù)學(xué)模型，無(wú)論是在純科學(xué)領(lǐng)域還是在實(shí)際工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。首先，數(shù)學(xué)模型可以幫助人們不斷加深對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，并且啟發(fā)人們?nèi)ミM(jìn)行可以獲得滿(mǎn)意結(jié)果的實(shí)驗(yàn)。另一方面數(shù)學(xué)模型有助于提高人們的決策和對(duì)客觀世界的干預(yù)能力。針對(duì)這兩個(gè)目標(biāo)，又提出三級(jí)重要的標(biāo)準(zhǔn)，如圖9.6.1所示。 圖9.6.1 數(shù)學(xué)模型的作用,,9.6.1 數(shù)學(xué)模型的作用和目

54、標(biāo),從提高認(rèn)識(shí)能力這個(gè)方面考慮，為了提高對(duì)通信思考理解三個(gè)層次的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)這種影響作用，應(yīng)做到：首先，一個(gè)數(shù)學(xué)描述應(yīng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的易于理解的模式，即在信息傳遞時(shí)，這種描述模式可以減少引起誤解的幾率。其次，在研究系統(tǒng)的各種不同問(wèn)題或考慮各種選擇時(shí)，需要一個(gè)相當(dāng)規(guī)模的輔助思考過(guò)程。最后，一旦模型被綜合成為一組公理和定律時(shí)，這樣的模型將會(huì)使研究者更好地認(rèn)識(shí)客觀世界的現(xiàn)象。 同樣，為了加強(qiáng)決策能力，也分化出三個(gè)不同的層次，管理控制和設(shè)計(jì)。管理是一種十分有限的干預(yù)方式，通過(guò)管理這種方式可以確定目標(biāo)和決定行動(dòng)的大致過(guò)程。但是這些策略無(wú)法制定得十分詳細(xì)，其具體實(shí)施必須委托給下一個(gè)層次，并在下一個(gè)層次被翻譯和

55、理解。因此，在意圖與實(shí)現(xiàn)兩者之間的聯(lián)系就變得模糊不清，在控制這一層，動(dòng)作與策略之間的關(guān)系是確定的。但由于在控制層中動(dòng)作僅限于在某個(gè)固定范圍內(nèi)選擇，所以仍然限制了干預(yù)的范圍。與此相反，在實(shí)施決策的設(shè)計(jì)層，設(shè)計(jì)者能在較大程度上進(jìn)行選擇，擴(kuò)大或替換部分真實(shí)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的要求。相對(duì)其他兩層而言，實(shí)現(xiàn)一種設(shè)計(jì)所花費(fèi)的代價(jià)更高，而且也不常進(jìn)行。但是控制和管理這兩層是一種連續(xù)的“在線”活動(dòng)。,9.6.1 數(shù)學(xué)模型的作用和目標(biāo),根據(jù)這種目標(biāo)觀點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)世界的物理系統(tǒng)按兩種觀點(diǎn)可分別分為兩部分。即，按第一種觀點(diǎn)，物理系統(tǒng)由能觀測(cè)和不能觀測(cè)兩部分組成；按第二種觀點(diǎn)看，物理系統(tǒng)是由能控制和不能控制兩部分組成。能

56、觀測(cè)部分對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中所有能被辨識(shí)理解觀測(cè)的部分；而能控制部分對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中那些可用某種方法加以修改轉(zhuǎn)換影響的部分。余下的部分對(duì)應(yīng)不能觀測(cè)和不能控制的部分，在一個(gè)實(shí)際的物理系統(tǒng)中它們占的比例往往很大。而一個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)這種分解不是唯一的，它依賴(lài)于工程師的理解力對(duì)待事物的看法和客觀條件。當(dāng)然，觀測(cè)和控制相應(yīng)地限制在系統(tǒng)的能觀測(cè)和能控制部分。 由于不能觀測(cè)和不能控制部分的存在，因此，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)和控制的結(jié)果將是不確定的。而對(duì)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)得越深入，則對(duì)于觀測(cè)得理解和控制成功的把握性也就越大。,9.6.1 數(shù)學(xué)模型的作用和目標(biāo),到現(xiàn)在為止，已清楚地看出建模工作有兩個(gè)目的，一個(gè)數(shù)學(xué)描述具有目標(biāo)上的二元性這

57、一事實(shí)具有特殊的意義。雖然在一個(gè)給定的環(huán)境中，建?？赡苁菫榱思由顚?duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)程度，但同時(shí)也必將在同一水平上提供對(duì)系統(tǒng)控制的可能。換句話(huà)說(shuō)，為了控制而建立的模型將有助于對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，而為了提高認(rèn)識(shí)所建立的模型也有助于提高對(duì)系統(tǒng)控制的精度。建模的這種關(guān)系的主要優(yōu)點(diǎn)是能將互不關(guān)聯(lián)的關(guān)系結(jié)合成一個(gè)整體，否則這些關(guān)系之間的隱含點(diǎn)將難以刻畫(huà)。這一點(diǎn)對(duì)于預(yù)測(cè)現(xiàn)在已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)有著特殊的意義和用途。 雖然數(shù)學(xué)建?？蔀樵S多目的服務(wù)，但是，如果認(rèn)為一個(gè)特殊的描述對(duì)所有目標(biāo)都適用，那將是十分愚蠢和可笑的。對(duì)于這一點(diǎn)，過(guò)去一直沒(méi)有很好地加以強(qiáng)調(diào)。這種情況在定量分析過(guò)于繁瑣，數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格性過(guò)于精確時(shí)可能發(fā)生。

58、尤其是對(duì)于建模新手，更應(yīng)注意。 在實(shí)踐中，建模的目的應(yīng)該用較為準(zhǔn)確的和具體的形式描述。而建模目的對(duì)于建模過(guò)程和建模效果有著很大的影響，隨著建模工程師對(duì)建模認(rèn)識(shí)的深入，這一點(diǎn)將表現(xiàn)得更為明顯。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),在第一章中，已從功能的角度研究了系統(tǒng)的概念。這一部分將從建模的角度研究系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型。為此還是先研究系統(tǒng)的概念。 一、系統(tǒng) 目前，人們把真實(shí)世界的一部分理解為系統(tǒng)，并將它定義為幾個(gè)相互作用的分系統(tǒng)的 合成體。從這個(gè)定義中，可以看出系統(tǒng)的“遞歸”性。即一個(gè)系統(tǒng)將是若干分系統(tǒng)的合成，而分系統(tǒng)中的每一個(gè)又依次是另一些系統(tǒng)的合成體。由此而帶來(lái)下面的系統(tǒng)“可分性”。 由上述

59、定義的結(jié)果看出，一個(gè)系統(tǒng)可以是一個(gè)大系統(tǒng)的組成部分。因此任何一個(gè)系統(tǒng)均需提供一個(gè)界面，通過(guò)它可以和其他系統(tǒng)相互作用。界面代表了有可能發(fā)生在系統(tǒng)邊緣的潛在事件。在邊緣處發(fā)生的事件，一方面取決于處于邊緣內(nèi)部的系統(tǒng)，另一方面則取決于邊緣外的環(huán)境。系統(tǒng)的這個(gè)特點(diǎn)約束了系統(tǒng)對(duì)界面的作用，這個(gè)約束就是所謂系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。正是這個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，必須允許在希望停止分解時(shí)能停止抽象的描述過(guò)程，或者在希望繼續(xù)分解時(shí)能進(jìn)一步具體化。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),為了精確地使內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體化，必須具有將互相分離的約束因素結(jié)合起來(lái)重新構(gòu)造的能力。這里所指的約束是指組成系統(tǒng)的所有各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在它們相互界面上的約束，若上

60、述重構(gòu)對(duì)于某個(gè)分解是可行的，則系統(tǒng)將服從這個(gè)分解。 二、抽象 模型和真實(shí)世界的過(guò)程之間最重要的關(guān)系之一是抽象，它是建模過(guò)程的基礎(chǔ)。例如在研究物體的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，經(jīng)過(guò)抽象可以將物體僅僅處理成一定質(zhì)量的點(diǎn)。 在數(shù)學(xué)上，集合的概念是建立在抽象的基礎(chǔ)上的。共同的基礎(chǔ)使集合論對(duì)于建模過(guò)程非常有用。通常，數(shù)學(xué)模型可看成是由一個(gè)集合構(gòu)造的。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),在建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要建立幾個(gè)抽象概念，即定義幾個(gè)集合：輸入輸出和系統(tǒng)狀態(tài)變量。進(jìn)一步，在這些抽象的基礎(chǔ)上，可建立復(fù)合的集合結(jié)構(gòu)，特別是要定義的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)常稱(chēng)這個(gè)過(guò)程為理論建模。在此應(yīng)特別提醒讀者注意的是，基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析

61、和設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)代建模理論中越來(lái)越引起工程師們的注意。 再?gòu)哪Ｐ偷浆F(xiàn)實(shí)世界過(guò)程這方面看，這些集合最終要應(yīng)用到實(shí)際物理系統(tǒng)中。因此，抽象必須和真實(shí)目標(biāo)相聯(lián)系。由此可提出建模中的一個(gè)基本公理：存在一個(gè)十分復(fù)雜的抽象模型，它可以詳細(xì)而精確地描述真實(shí)地物理系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)公理，可不斷地把細(xì)節(jié)增加到原抽象中去，以達(dá)到抽象與真實(shí)目標(biāo)更接近的目的。這個(gè)過(guò)程成為具體化，也就是使抽象不斷地變得具體。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),在建模方法學(xué)中，還有一個(gè)基本假設(shè)：對(duì)于被研究的物理系統(tǒng)，當(dāng)它們用于某種特殊目的時(shí)，對(duì)于研究過(guò)程和建模的目標(biāo)，至少是“部分可理解”的?？煞纸獾南到y(tǒng)允許從系統(tǒng)中取出任何一部分，而不影響其

62、他部分。在現(xiàn)代科學(xué)中，往往假定每一個(gè)特定領(lǐng)域都是高度可分解的。例如，對(duì)大多數(shù)的航行器運(yùn)動(dòng)，均可在一定范圍內(nèi)將三維運(yùn)動(dòng)分解為水平和垂直運(yùn)動(dòng)。所以“部分可分解”的系統(tǒng)有著明顯的工程實(shí)際意義。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),三、建模的公式化 利用一個(gè)通用的公式可將一個(gè)物理系統(tǒng)定義為下面的集合結(jié)構(gòu)： S（t,x,w,q,y,,,） 式中 t 時(shí)間集 x 輸入集 w 輸入段集 q 內(nèi)部狀態(tài)集 y 輸出集 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù) 輸出函數(shù) 系統(tǒng)不確定性。 根據(jù)上面提出的形式化的定義，可以給出關(guān)于系統(tǒng)行為的概念。一個(gè)系統(tǒng)的行為是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外部表現(xiàn)形式。即在叉積（x,t）(y,t)上的

63、關(guān)系。 這個(gè)關(guān)系可做如下計(jì)算：對(duì)于每一個(gè)狀態(tài)qQ和Q中的輸入段 w:t0,t1x,存在一個(gè)相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)軌跡： STRAJq,wt0,t1Q 使得 STRAJq,w（t0）=q 和對(duì)于tt0,t1有 STRAJq,w（t）=(q,wt),9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),上述的狀態(tài)軌跡是一個(gè)可檢測(cè)的結(jié)果，或者可在計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中被計(jì)算出來(lái)。這個(gè)軌跡的可觀測(cè)投影是和qQ，wQ相關(guān)的輸出軌跡 OTRAJqwt0,t1Y 例如，使用簡(jiǎn)單的輸出函數(shù)形式（q），則存在 OTRAJqw(t)= (STRAJq,w（t）)| 這時(shí)，系統(tǒng)的行

64、為就可通過(guò)輸入輸出關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)： Rs=(,|Q, = OTRAJqw ,Q對(duì)于某一個(gè)qQ) 我們稱(chēng)每一個(gè)(,)Rs的元素為輸入輸出段對(duì)，并用它來(lái)表示一個(gè)有關(guān)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或觀測(cè)結(jié)果。在該系統(tǒng)中，是對(duì)系統(tǒng)的輸入，是觀測(cè)到的輸出。由于一個(gè)系統(tǒng)在初始時(shí)可能處于任意一個(gè)狀態(tài)，因此對(duì)于同一個(gè)輸入段可對(duì)應(yīng)多個(gè)輸出段。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),四、描述水平 可以將一個(gè)實(shí)際過(guò)程看做一個(gè)系統(tǒng)，它能在某種水平上被分解。描述在某種所需要的水平上被分解的系統(tǒng)，可用一種數(shù)學(xué)上的程序，它對(duì)建模研究很有好處，特別是在可信性分析方面。圖9.6.2給出了系統(tǒng)描述的某些水平。 a b

65、 c 圖9.6.2 系統(tǒng)的描述水平 （a）在行為水平上的系統(tǒng) （ b）在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的系統(tǒng) （c）在分解結(jié)構(gòu)水平上的系統(tǒng),,,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),(1) 行為水平。 人們?cè)谶@個(gè)水平上描述系統(tǒng)，是將它看成一個(gè)黑盒，并且對(duì)它施加一個(gè)輸入信號(hào)，然后對(duì)它的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與記錄。為此，至少需要兩個(gè)“時(shí)間基”，它一般是一個(gè)實(shí)數(shù)的區(qū)間（連續(xù)時(shí)間）或者是一個(gè)整數(shù)的區(qū)間（離散時(shí)間）。一個(gè)基本描述單位是“軌跡”，它是從一個(gè)時(shí)間基的區(qū)間到表示可能的觀測(cè)結(jié)果的某個(gè)集合上的映射。一個(gè)“行為描述”是由這樣一組軌跡的集合所組成的，這種描述也可成為系統(tǒng)的“行為”。通常

66、，在仿真概念上，加到黑盒上的某個(gè)變量被看做是輸入，它不受盒子本身的控制；而另一個(gè)是輸出，它指向表示系統(tǒng)邊界以外的環(huán)境。 因?yàn)閷?duì)實(shí)際過(guò)程的實(shí)驗(yàn)是處于行為水平上，所以這個(gè)水平是十分重要的。在這個(gè)水平上的描述比起下面所要介紹的結(jié)構(gòu)描述要簡(jiǎn)單一些。,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)和假設(shè),(2) 狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平。 人們?cè)谶@個(gè)水平上描述系統(tǒng)是將它看成一個(gè)了解內(nèi)部工作情況的機(jī)構(gòu)。這樣一種描述通過(guò)在整個(gè)時(shí)間上的遞推中，產(chǎn)生一種軌跡，也即一個(gè)行為。能產(chǎn)生這種遞推的基本單位是“狀態(tài)集”以及“狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)”，前者表示在任意時(shí)刻所有可能的結(jié)果，而后者則提供從當(dāng)前給定狀態(tài)計(jì)算未來(lái)狀態(tài)的規(guī)則。另外，正如已經(jīng)看到的，為了映射狀態(tài)集，需要一個(gè)輸出函數(shù)，對(duì)能觀測(cè)的輸出集合來(lái)講，這些狀態(tài)集不一定能直接觀測(cè)。在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的描述比以前表示的行為水平更具有典型性。 (3) 分解結(jié)構(gòu)水平。 人們?cè)谶@個(gè)水平上描述系統(tǒng)，是將它看做由許多基本的黑盒互相連接起來(lái)而構(gòu)成的一個(gè)整體。這種描述也可稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)描述，其中的基本黑盒稱(chēng)為成分，它給出了一個(gè)系統(tǒng)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的描述。另外，每個(gè)成分必須表明“輸入變量”和“輸出變,9.6.2 數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)