計算機模擬技術

模擬是對現實系統的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然後幫助人們對現實世界的某一層次的問題做出決策。模擬是一個相對概念，任何逼真的模擬都只能是對真實系統某些屬性的逼近。模擬是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個模擬系統的優劣。

傳統的模擬方法是一個迭代過程，即針對實際系統某一層次的特性（過程），抽象出一個模型，然後假設態勢（輸入），進行試驗，由試驗者判讀輸出結果和驗證模型，根據判斷的情況來修改模型和有關的參數。如此迭代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統的某一層次的模擬目的為止。

模型對系統某一層次特性的抽象描述包括：系統的組成；各組成部分之間的靜態、動態、邏輯關係；在某些輸入條件下系統的輸出響應等。根據系統模型狀態變數變化的特徵，又可把系統模型分為：連續系統模型——狀態變數是連續變化的；離散（事件）系統模型——狀態變化在離散時間點（一般是不確定的）上發生變化；混合型——上述兩種的混合。

計算機模擬技術和用於模擬的計算機（簡稱模擬機）都應充分反映上述的模擬的特點及滿足模擬工作者的需求。

用於模擬的計算機。20世紀50年代的模擬機大部分是以電子模擬計算機為主機實現的，在部分特殊應用領域內也有以液壓機、氣壓機或阻抗網路作為主要模擬設備的。由於電子模擬計算機的精度較差等缺點，從70年代初開始，數字模擬混合模擬機得到發展。

從70年代末起，以數字機為主機的各種各樣專用和通用模擬機得到普及和推廣。由於高性能工作站、巨型機、小巨機、軟體技術和人工智慧技術取得引人矚目的進展，在80年代內人們對智能化的模擬機寄予希望，也在綜合集成數字模擬和模擬模擬的優勢的基礎上，設計出在更高層次上的數字模擬混合模擬機，在一些特定的模擬領域內，這種智能模擬機和高層次的數字模擬模擬機都取得令人鼓舞的結果。

隨計算機技術的飛速發展，在模擬機中也出現了一批很有特色的模擬工作站、小巨機式的模擬機、巨型機式的模擬機。80年代初推出的一些模擬機，SYSTEM10和SYSTEM100就是這類模擬機的代表。模擬系統 為了建立一個有效的模擬系統，一般都要經歷建立模型、模擬實驗、數據處理、分析驗證等步驟。為了構成一個實用的較大規模的模擬系統，除模擬機外，還需配有控制和顯示設備。

計算機模擬技術 computer simulation technology 利用計算機科學和技術的成果建立被模擬的系統的模型，並在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統（尤其是複雜系統）的重要工具。本書介紹了計算機模擬技術基礎，系統模型建立的方法論，連續系統數值積分，離散事件系統模擬，面向對象的模擬，高層體系結構，嵌入式模擬系統與冷連軋優化模擬，模擬模型的校核、驗證與認可，實時模擬系統的規劃與構建，欽液運輸模擬系統研究，伺服控制實時模擬系統應用，基於MATIAB/Simulink的建模與模擬。

本書可以配合各種工程、理論研究用的教材進行學習和科研，特別是當前普遍關心的模型化處理方法的研究，使用模擬技術的方法，將各個關鍵環節連接起來，提高生產和研究的層次。通過一些工業過程中的實際課題介紹了“系統模擬”領域的內涵和新成果，這些內容將對大學生、研究生與科研工作者從事研究工作提供重要的幫助。前面幾章內容用一些最簡單的例題引入模擬和建模相關的基本概念和方法，可以作為高等學校高年級學生的教學和畢業設計讀本；後面幾章內容是專門為研究生和高層次的研究者編寫的，對於研究理論及工程中實際問題具有重要的參考價值。

前言

本書閱讀導引

第1章 計算機模擬技術基礎

1.1 從現實問題開始

1.2 系統及系統的分類

1.2.1 系統的概念

1.2.2 系統環境的概念

1.2.3 系統中的隨機概念

1.2.4 連續系統與離散事件系統

1.3 系統模型的概念及其分類

1.3.1 系統模型的概念

1.3.2 系統模型的分類

1.4 計算機模擬中的系統建模

1.4.1 構築模塊的思想

1.4.2 相關信息的原則

1.4.3 準確數據的原則

1.4.4 實體聚合的原則

1.5 計算機模擬的定義

1.5.1 問題求解中的模擬方法和解析方法分析

1.5.2 計算機模擬的分類

1.5.3計算機系統模擬的基本步驟

1.6 計算機模擬技術發展概要

1.7 小結

思考題

第2章 系統模型建立的方法論

2.1 系統與建模

2.1.1 系統建模方法的形式化描述

2.1.2系統數學模型的分類

2.2 系統建模的方法論

2.2.1 系統數學模型的作用

2.2.2 建立系統模型的依據

2.2.3 系統模型的可信性

2.2.4 系統建模的途徑

2.3系統辨識

2.3.1 系統辨識概述

2.3.2 動力學系統辨識

2.4 系統建模的實踐

2.4.1機械系統的建模方法

2.4.2 電氣系統的建模方法

2.4.3 連鑄過程中的系統建模方法

2.4.4 機-電-磁實驗系統的曲線擬合與插值處理

2.4.5 實驗數據的曲線擬合與捅值處理

2.4.6 生態系統建模方法

2.4.7 辨識方法建模實例

2.5 小結

思考題

第3章 連續系統數值積分

3.1 連續系統數值積分法基本原理

3.1.1 Euler法

3.1.2 改進Euler法

3.1.3 數值積分法的幾個基本概念

3.2 Runge-Kutta積分法

3.2.1 Runge-Kutta數值積分公式的推導

3.2.2 四階Runge-Kutta法的向量公式

3.3 線性多步法

3.3.1 Adams顯式公式

3.3.2 Adams隱式公式

3.3.3 Adams預估一校正法

3.4 數值積分法穩定性分析

3.4.1 數值解法穩定性的含義

3.4.2 穩定性分析

3.5 數值積分法的選擇與計算步距的確定

3.5.1 積分方法的選擇

3.5.2 積分步長的確定

3.5.3 誤差估計與步長控制

3.6 小結

思考題

第4章 離散事件系統模擬

第5章 面向對象的模擬

第6章 高層體系結構

第7章 嵌入式模擬系統與冷連軋優化模擬系統實現

第8章 模擬模型的校核、驗證與認可

第10章 鐵水運輸模擬系統

第11章 伺服控制實時模擬系統應用

第12章 基於MATLAB/Simulink的建模與模擬

參考文獻