第四章-系统仿真及系统动力学方法课件.ppt
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1、第四章第四章 系统仿真及系统动力学方法系统仿真及系统动力学方法系统仿真概述系统仿真概述1系统动力学结构模型化原理系统动力学结构模型化原理2基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMO仿真分析仿真分析3DYNAMO函数函数4Vensim_PLE仿真软件仿真软件5系统仿真及系统动力学方法系统仿真及系统动力学方法1 教学内容1.系统仿真概述2.系统动力学结构模型化原理3.DYNAMO仿真分析教学要求1.熟悉系统仿真的相关概念2.掌握系统动力学建模的原理、方法及步骤3.熟练应用Vensim进行系统仿真教学重点及难点l因果关系图及流图的绘制lDYNAMO仿真 系统仿真及系统动力学方法系统仿真及系统动力学方法
2、2022-12-173凡是利用计算机在模型上而不是在真实系统凡是利用计算机在模型上而不是在真实系统上进行试验、运行的研究方法都可认为是仿真上进行试验、运行的研究方法都可认为是仿真系统仿真是设计系统的计算机模型,并利用系统仿真是设计系统的计算机模型,并利用它进行试验以了解系统的行为或评估系统运它进行试验以了解系统的行为或评估系统运用的各种策略的过程用的各种策略的过程系统仿真包括两个过程:建立模型和对模型系统仿真包括两个过程:建立模型和对模型进行实验、运行进行实验、运行第一节第一节 系统仿真及系统动力学概述系统仿真及系统动力学概述(一)概念及作用(一)概念及作用 1.基本概念基本概念 所谓系统仿真
3、,就是根据系统分析的所谓系统仿真,就是根据系统分析的目的目的,在分析系统在分析系统各要素各要素性质及其相互关系的基础上,性质及其相互关系的基础上,建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系逻辑关系或或数量关系数量关系的仿真模型,据此进行试验的仿真模型,据此进行试验或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息。或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息。实际系统计算机模型建模仿真2、系统仿真的实质、系统仿真的实质 (1)它是一种对系统问题求数值解的它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤计算技术。尤其其当系统无法通过建立数学模型求解当系统无法通过建立数
4、学模型求解时,仿真技术时,仿真技术能能有效地来处理。有效地来处理。(2)仿真是一种仿真是一种人为人为的试验手段的试验手段。这。这是仿真的是仿真的主要主要功能。功能。(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及演变及其其发展过程。发展过程。(4)(4)系统仿真主要是在计算机上实现的系统仿真主要是在计算机上实现的。3、系统仿真的作用、系统仿真的作用 (1)(1)仿真的过程也是仿真的过程也是实验实验的过程,而且还是系统地收的过程,而且还是系统地收集和积累信息的过程。集和积累信息的过程。(2)(2)对一些难以建立对一些难以建立物理模型物理模型和和数学模型数学模型的对
5、象系统,的对象系统,可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。问题。(3)(3)通过系统仿真,可以把一个复杂系统通过系统仿真,可以把一个复杂系统降阶降阶成若干成若干子系统以便于分析。子系统以便于分析。(4)(4)通过系统仿真,能通过系统仿真,能启发启发新的思想或产生新的策略,新的思想或产生新的策略,还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题,以便及时解决。还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题,以便及时解决。二、系统仿真二、系统仿真方法方法 系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型,并将其转换为
6、适合在计算机上编量化分析模型,并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型,然后对模型进行仿真实验。程的仿真模型,然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散由于连续系统和离散(事件事件)系统的数学模型有系统的数学模型有很大差别,所以系统仿真方法基本上分为很大差别,所以系统仿真方法基本上分为两大类两大类,即即连续系统仿真方法连续系统仿真方法和和离散系统仿真方法离散系统仿真方法。9l系统中状态变量随时间连续地变化的系统,其系系统中状态变量随时间连续地变化的系统,其系统模型通常是由微分方程组成,当系统比较复杂统模型通常是由微分方程组成,当系统比较复杂引入非线性因素后,微分方程很难求解,需要采引入非线性因
7、素后,微分方程很难求解,需要采用仿真方法求解用仿真方法求解l基本思想:将用微分方程所描述的系统转变成将用微分方程所描述的系统转变成能在计算机上运行的模型,然后进行编程、运能在计算机上运行的模型,然后进行编程、运行或其他处理,以得到连续系统的仿真结果。行或其他处理,以得到连续系统的仿真结果。l方法:模拟仿真法、数字仿真法及混合仿真法。10l状态变量只在一些离散的时间点上发生变化,状态变量只在一些离散的时间点上发生变化,输入变量为随机变量,输出也为随机变量。输入变量为随机变量,输出也为随机变量。l该类系统一般用一幅表示数量关系和逻辑关系的流程图描述,分为三部分:“到达”模型(输入)、“服务”模型(
8、输出)和“排队”模型(系统活动)2022-12-1711排队系统是离散事件系统中一种典型系排队系统是离散事件系统中一种典型系统,如售票系统、电信服务系统统,如售票系统、电信服务系统排队系统描述排队系统描述 在以上两类基本方法的基础上,还有一些用于系在以上两类基本方法的基础上,还有一些用于系统统(特别是社会经济和管理系统特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效仿真的特殊而有效的方法,如的方法,如系统动力学方法系统动力学方法、蒙特卡洛法蒙特卡洛法等。等。系统动力学方法通过建立系统动力学模型系统动力学方法通过建立系统动力学模型(流图流图等等)、利用、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真仿真语
9、言在计算机上实现对真实系统的仿真实验,从而研究系统结构、功能和行实系统的仿真实验,从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。为之间的动态关系。二、系统仿真方法二、系统仿真方法13l第一步:定义问题l第二步:制订仿真模型,包括决定仿真目标决定状态变量选择模型的时间移动方法描述运动行为准备过程发生器l第三步:证实模型l第四步:设计仿真试验l第五步:模拟运行l第六步:根据试验设计,运行仿真模型,并分析结果14仿真语言仿真语言u编程的语言分为两类编程的语言分为两类:仿真专用语言和通用语言仿真专用语言和通用语言u仿真专用语言:仿真专用语言:GPSSGPSS、SIMSCRIPTSIMSCRIPT等等u通
10、用语言通用语言可以采用汇编语言或通用高级语言可以采用汇编语言或通用高级语言FORTRONFORTRON、BASICBASIC、C+C+、PASCALPASCAL15 因为许多仿真问题都包含了随机数应用因为许多仿真问题都包含了随机数应用的缘故,所以蒙特卡罗法是系统仿真的基本的缘故,所以蒙特卡罗法是系统仿真的基本方法。方法。1、蒙特卡罗蒙特卡罗(Montecarlo)法(产生随机数的方法法(产生随机数的方法)运用一连串随机数来表示一项随机事件的概率分运用一连串随机数来表示一项随机事件的概率分布,然后从任意抽取的随机数中获得服从随机事件布,然后从任意抽取的随机数中获得服从随机事件概率分布的随机数值。
11、概率分布的随机数值。162、蒙特卡罗法简介、蒙特卡罗法简介u举例:举例:PERTPERT网络计划仿真问题:网络计划仿真问题:n第一步:每一工作有一工作时间的概率分布(第一步:每一工作有一工作时间的概率分布(atb)atb)n第二步:产生随机数,即给每一工作产生一个随机的第二步:产生随机数,即给每一工作产生一个随机的工作时间工作时间n第三步:计算网络的工期及工作的时间参数第三步:计算网络的工期及工作的时间参数n第四步:返回第二步重新计算第四步:返回第二步重新计算u如果计算如果计算10001000次便可判断各工作可能的各种时间次便可判断各工作可能的各种时间参数参数1、由来与发展 系统动力学(Sys
12、tem Dynamics,简称SD)是美国麻省理工学院福雷斯特(JWForrester)教授提出来的研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。本世纪50年代中期,研究作为工业系统的企业的各种活动1959年工业动力学(industrial dynamics);1968年系统原理(Principles of Systems);1969年城市动力学模型(Urban Dynamics)1971年罗马俱乐部(The club of Rome)研究报告即增长的极限(The Limits to the Growth),世界动力学模型(World Dynamics)三、系统动力学三、系统动力学的发展及特点的发展及
13、特点19721972年正式定名系统动力学:年正式定名系统动力学:“系统动力学是系统动力学是研究研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法。它有效。它有效地把信息反馈的地把信息反馈的控制原理控制原理与与因果关系因果关系的逻辑分析结的逻辑分析结合起来,面对复杂实际问题,从研究系统的内部结合起来,面对复杂实际问题,从研究系统的内部结构入手,建立系统的仿真模型,并对模型实施各种构入手,建立系统的仿真模型,并对模型实施各种不同的政策方案,通过计算机仿真展示系统的宏观不同的政策方案,通过计算机仿真展示系统的宏观行为,寻求解决问题的正确途径。行为,寻求解决问题的正确途径。”
14、三、系统动力学三、系统动力学的发展及特点的发展及特点2、研究对象及其结构特点(1 1)研究对象)研究对象社会经济系统社会经济系统(2 2)结构特点)结构特点 抉择性抉择性具有决策环节(人、信息)具有决策环节(人、信息)自律性自律性具有反馈环节具有反馈环节 非线性非线性具有延迟环节具有延迟环节(3 3)SDSD将社会系统当作将社会系统当作非线性(多重)信息反非线性(多重)信息反馈系统馈系统来研究来研究三、系统动力学的发展及特点三、系统动力学的发展及特点3 3、系统动力学模型、系统动力学模型的特点的特点(1)多变量多变量。这主要是由。这主要是由SD对象系统的动态特性和复对象系统的动态特性和复杂性所
15、决定的。杂性所决定的。SD模型有三种基本变量、五到六模型有三种基本变量、五到六种变量。种变量。(2)定性分析与定量分析相结合。定性分析与定量分析相结合。SD模型由结构模型模型由结构模型(流图流图)和数学模型和数学模型(DYNAMO方程方程)所组成。所组成。(3)以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。SD作作为一种计算机仿真分析方法,是实际系统的为一种计算机仿真分析方法,是实际系统的“实实验室验室”,可在,可在PD-plus、VENSIM、STELLA等软等软件支持下来运行。件支持下来运行。(4)可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂系统可处理高阶次、多回路
16、、非线性的时变复杂系统问题。问题。认识认识问题问题界定界定系统系统要素及其因要素及其因果关系分析果关系分析建立结建立结构模型构模型建立数建立数学模型学模型仿真仿真分析分析比较与比较与评价评价政策政策分析分析(流图)(流图)(DYNAMO方程方程)4 4、工作程序、工作程序第四章第四章 系统仿真及系统动力学方法系统仿真及系统动力学方法系统仿真概述系统仿真概述1系统动力学结构模型化原理系统动力学结构模型化原理2基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMO仿真分析仿真分析3DYNAMO函数函数4Vensim_PLE仿真软件仿真软件51、基本原理 决策信息行动系统状态速率变量水准变量信息 流流(行动)(行
17、动)(决策函数)(系统状态)第二节第二节 SD结构模型化原理结构模型化原理信息是决策的基础,通过信息流形成反馈回路是构造SD模型的重要环节。四个基本要素状态或水准状态或水准、信息、信息、决策或速率决策或速率、行动或实物流行动或实物流 两个基本变量水准变量(水准变量(L L)、速率变量()、速率变量(R R)一个基本思想一个基本思想反馈控制反馈控制2、因果关系图和流图(1)因果关系图 因果箭因果箭因果链因果链因果(反馈)回路因果(反馈)回路利息利息(元元/年年)银行银行货币货币利率利率+(+)正关系正关系若满足下列条件之一:若满足下列条件之一:A加到加到B中;中;A是是B的乘积因子;的乘积因子;
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