系統(tǒng)仿真導(dǎo)論

前言

仿真科學(xué)與技術(shù)是以建模與仿真理論為基礎(chǔ)，建立并利用模型，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及（／或）仿真器為工具，對研究對象進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評估的一門綜合性、交叉性學(xué)科。仿真科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并行的人類認(rèn)識(shí)世界的重要方法，在關(guān)系國家實(shí)力和安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，如航空航天、信息、生物、材料、能源、先進(jìn)制造、農(nóng)業(yè)、教育、軍事、交通、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)揮著不可或缺的作用。經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，“仿真科學(xué)與技術(shù)”已形成獨(dú)立的知識(shí)體系，包括：由仿真建模理論、仿真系統(tǒng)理論和仿真應(yīng)用理論構(gòu)成的理論體系；由自然科學(xué)的公共基礎(chǔ)知識(shí)，各應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)和仿真科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)綜合而構(gòu)成的知識(shí)基礎(chǔ)；由基于相似理論的仿真建模，基于整體論的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、協(xié)同化、普適化的仿真系統(tǒng)構(gòu)建和全系統(tǒng)、全壽命周期、全方位的仿真應(yīng)用思想綜合而成的方法論。在2000年第一版的基礎(chǔ)上，本書根據(jù)仿真科學(xué)與技術(shù)的最新發(fā)展和8年來的教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)行了內(nèi)容修改、擴(kuò)充以及結(jié)構(gòu)調(diào)整，力圖更全面、更新穎、更系統(tǒng)地向讀者介紹仿真科學(xué)與技術(shù)的知識(shí)。全書共12章，第1章是概論，其余11章分為三篇，即連續(xù)系統(tǒng)仿真篇5章（第2～第6章）、離散事件系統(tǒng)仿真篇4章（第7～10章）、現(xiàn)代仿真技術(shù)篇2章（第1l、第12章）。本書第1章概論，使初次接觸仿真的讀者對仿真科學(xué)與技術(shù)有一個(gè)概念性了解。新版除了保留原來的基本論述外，增加了對仿真科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)理論——相似理論的介紹，也對當(dāng)前仿真技術(shù)研究的熱點(diǎn)進(jìn)行了討論。連續(xù)系統(tǒng)仿真篇分為5章。第2章對連續(xù)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，新版增加了計(jì)算機(jī)輔助模型設(shè)計(jì)內(nèi)容，并以電路系統(tǒng)、多體系統(tǒng)為對象討論了模型設(shè)計(jì)方法；第3章介紹經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學(xué)，除了討論經(jīng)典的數(shù)值積分的單步法和多步法之外，還討論了病態(tài)系統(tǒng)仿真建模方法；第4章討論了現(xiàn)代的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模技術(shù)——離散相似法，分別按時(shí)域和頻域進(jìn)行論述。

內(nèi)容概要

仿真是研究、設(shè)計(jì)、分析各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，已經(jīng)成為與理論研究、實(shí)驗(yàn)研究并行的人類認(rèn)識(shí)世界的重要方法?！　∽鳛槠胀ǜ叩冉逃笆晃濉眹壹壱?guī)劃教材，本書根據(jù)8年來的教學(xué)實(shí)踐和仿真技術(shù)近年來的發(fā)展，在第一版（2000年）基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂與擴(kuò)展，其目的是為相關(guān)專業(yè)的本科高年級學(xué)生提供有關(guān)仿真學(xué)科與技術(shù)更全面、更系統(tǒng)、更新穎的教材?！　∪珪?2章，第1章是概論，其余11章分為三篇，即連續(xù)系統(tǒng)仿真篇5章（第2～第6章）、離散事件系統(tǒng)仿真篇4章（第7~第10章）、現(xiàn)代仿真技術(shù)篇2章（第11、第12章）。幾乎每章后面均附有習(xí)題，書后還附有實(shí)驗(yàn)指示書，包括進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的源程序?！　”緯勺鳛樽詣?dòng)化、機(jī)械工程、經(jīng)濟(jì)管理、系統(tǒng)工程、工業(yè)工程等專業(yè)大學(xué)本科高年級學(xué)生仿真課程的教材，其中帶“*”的章節(jié)是選修內(nèi)容； 也可作為研究生的參考教材。對于工程技術(shù)人員，本書可作為應(yīng)用仿真技術(shù)的參考書。

作者簡介

肖田元，1947年生，清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，獲國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼。現(xiàn)任清華大學(xué)自動(dòng)化系學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，國家CIMS工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任，中國系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)副理事長，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會(huì)主任委員，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》編委會(huì)常務(wù)副主任。主要研究領(lǐng)域是：系統(tǒng)仿真與虛擬制造、CIMS與網(wǎng)絡(luò)化制造。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和主要參加者，承擔(dān)863、國家自然科學(xué)基金、北京市科委以及企業(yè)的研究、攻關(guān)及工程應(yīng)用項(xiàng)目近30余項(xiàng)。發(fā)表論文200余篇，SCI檢索10余篇，EI檢索50余篇，出版著作9部。獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，部級一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。范文慧，1966年生，博士，副教授，清華大學(xué)自動(dòng)化系系統(tǒng)集成研究所副所長，中國系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會(huì)副秘書長，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》編委。近年來一直從事仿真與虛擬制造的研究、開發(fā)與應(yīng)用工作。在國內(nèi)外核心期刊和會(huì)議上發(fā)表論文60余篇，作為第一負(fù)責(zé)人完成和實(shí)施國家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、國家863重大項(xiàng)目3項(xiàng)、國家863基礎(chǔ)研究項(xiàng)目1項(xiàng)，企業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目5項(xiàng)，獲得北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)和教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

書籍目錄

第1章概論　1.1　系統(tǒng)、模型與仿真　　1.1.1　系統(tǒng)　　1.1.2　模型　　1.1.3　仿真　　1.1.4　仿真科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展沿革　1.2　系統(tǒng)仿真的一般知識(shí)　　1.2.1　相似理論　　1.2.2　基于相似理論的系統(tǒng)仿真　　1.2.3　系統(tǒng)仿真的類型　　1.2.4　系統(tǒng)仿真的一般步驟　1.3　仿真科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用　　1.3.1　仿真在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用　　1.3.2　仿真在系統(tǒng)分析中的應(yīng)用　　1.3.3　仿真在教育與訓(xùn)練中的應(yīng)用　　1.3.4　仿真在產(chǎn)品開發(fā)及制造過程中的應(yīng)用　1.4　當(dāng)前仿真科學(xué)與技術(shù)研究的熱點(diǎn)　　1.4.1　網(wǎng)絡(luò)化仿真技術(shù)　　1.4.2　復(fù)雜系統(tǒng)/開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的建模與仿真　　1.4.3　綜合自然環(huán)境的建模與仿真　　1.4.4　基于普適計(jì)算技術(shù)的普適仿真技術(shù)　　1.4.5　基于高性能計(jì)算機(jī)的仿真　1.5　小結(jié)　習(xí)題　參考文獻(xiàn)第一篇　連續(xù)系統(tǒng)仿真篇　第2章　連續(xù)系統(tǒng)模型　　2.1　連續(xù)系統(tǒng)模型描述　　　2.1.1　連續(xù)時(shí)間模型　　　2.1.2　離散時(shí)間模型　　　2.1.3　連續(xù)?離散混合模型　　2.2　連續(xù)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)　　　2.2.1　外部模型到內(nèi)部模型的變換　　　2.2.2　系統(tǒng)狀態(tài)初始值變換　　　2.2.3　面向結(jié)構(gòu)圖的模型變換　　2.3　計(jì)算機(jī)輔助模型設(shè)計(jì)　　　2.3.1　基于計(jì)算機(jī)的建?！　　?.3.2　解釋結(jié)構(gòu)建　　2.4　電路系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)　　　2.4.1　電路系統(tǒng)模型　　　2.4.2　電路系統(tǒng)的拓?fù)洹　　?.4.3　改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法　　　2.4.4　小結(jié)　　2.5　多體系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)　　　2.5.1　多體系統(tǒng)建模基本概念　　　2.5.2　多體系統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)型　　　2.5.3　基于拉格朗日坐標(biāo)的多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型描述　　　2.5.4　基于Haug笛卡爾方法的多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型描述　　　2.5.5　多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型描述　　　2.5.6　小結(jié)　　　習(xí)題　　　參考文獻(xiàn)　第3章　經(jīng)典的連續(xù)系統(tǒng)仿真建模方法學(xué)　　3.1　連續(xù)系統(tǒng)離散化原理　　3.2　龍格?庫塔法　　　3.2.1　龍格?庫塔法基本原理　　　3.2.2　龍格?庫塔法的誤差估計(jì)及步長控制　　　3.2.3　實(shí)時(shí)龍格?庫塔法　　3.3　線性多步法　　　3.3.1　線性多步法基本原理　　　3.3.2　線性多步法誤差分析　……　第4章　離散相似法　第5章　集中參數(shù)連續(xù)系統(tǒng)仿真語言　第6章　分布參數(shù)系統(tǒng)仿真建模*第二篇　離散事件系統(tǒng)仿真篇　第7章　離散事件系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)　第8章　隨機(jī)變量模型的確定與產(chǎn)生　第9章　離散事件系統(tǒng)仿真策略與仿真語言　第10章　離散事件系統(tǒng)仿真輸出分析第三篇　現(xiàn)代仿真篇　第11章　并行仿真與分布仿真*　第12章　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)*附錄1　實(shí)驗(yàn)指示書及仿真源程序附錄2　英文縮寫詞索引

章節(jié)摘錄

插圖：1.2.1相似理論一般意義的相似理論是一種特定的科學(xué)觀點(diǎn)，或者說它是一種科學(xué)的思維方式與方法，可以將它納入認(rèn)識(shí)論與方法論的范疇。在一切同類事物中相似現(xiàn)象是普遍的，而絕對相同幾乎是不存在的，在一定條件下應(yīng)用相似原則處理問題是可取的。人們之所以能對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真，是基于客觀世界本身所固有的相似性以及人們對客觀世界認(rèn)識(shí)過程的相似性，這是系統(tǒng)仿真學(xué)科生存和發(fā)展的客觀基礎(chǔ)。相似理論的基本原理包括同序結(jié)構(gòu)原理、信息原理和支配原理等。這些原理反映了相似系統(tǒng)的形成和演變規(guī)律。系統(tǒng)仿真本質(zhì)上就是依據(jù)相似規(guī)律人為地建立某種形式的相似模型去模擬實(shí)際系統(tǒng)，因此在仿真過程中應(yīng)自覺地應(yīng)用這些相似理論的基本原理。（1）同序結(jié)構(gòu)原理相似理論的同序結(jié)構(gòu)原理認(rèn)為，任何系統(tǒng)都有一定的序結(jié)構(gòu)，序結(jié)構(gòu)的規(guī)律性形成有序結(jié)構(gòu)，其中包括空間有序、時(shí)間有序和功能有序。具體來說，空間有序表征系統(tǒng)組成要素的空間排列、組合和聯(lián)系方式的規(guī)律性。時(shí)間有序表征系統(tǒng)要素隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。功能有序表征系統(tǒng)要素在相互作用過程中所表現(xiàn)出的各種功能發(fā)揮秩序的規(guī)律性。系統(tǒng)的序結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的整體特性。當(dāng)系統(tǒng)序結(jié)構(gòu)存在共同性時(shí)，系統(tǒng)之間存在相似性，其相似程度的大小取決于系統(tǒng)序結(jié)構(gòu)的共同性程度的大小?；谙到y(tǒng)相似性的仿真模型應(yīng)以某種形式、在某種程度上反映實(shí)際系統(tǒng)的空間序結(jié)構(gòu)、時(shí)間序結(jié)構(gòu)和功能序結(jié)構(gòu)的規(guī)律性。例如，對于隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)，顧客、隊(duì)列和服務(wù)臺(tái)等系統(tǒng)要素及其相互關(guān)系形成了系統(tǒng)的空間序結(jié)構(gòu)，顧客到達(dá)時(shí)間、排隊(duì)等待時(shí)間和服務(wù)時(shí)間等形成了系統(tǒng)的時(shí)間序結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的功能，包括排隊(duì)、對顧客的選擇服務(wù)等，形成了系統(tǒng)的功能序結(jié)構(gòu)。仿真就是首先用數(shù)學(xué)語言，然后用計(jì)算機(jī)程序語言描述該系統(tǒng)的序結(jié)構(gòu)，由此形成的仿真模型與隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)具有相似的序結(jié)構(gòu)，仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)就具備了序結(jié)構(gòu)上的相似性。

編輯推薦

《系統(tǒng)仿真導(dǎo)論(第2版)》：普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，新編《信息、控制與系統(tǒng)》系列教材。

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