第四章.电子教案教学课件.ppt
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1、第四章 系统建模方法教学要求:教学要求:熟悉系统模型的定义和系统模型的特征;熟知系统模型的分类,并了解系统模型对于解决系统工程问题的作用;了解系统建模的要求和原则,掌握系统建模的工作程序和系统建模的主要方法;了解并体会系统建模者应具备的素质。通过对系统工程典型模型的学习,掌握静态和动态、连续和离散等典型模型,并能运用这些典型模型解决相关问题;掌握投入产出模型,了解投入产出模型的应用。4.1、系统模型概述 4.1.1、系统模型的定义4.1.2、系统建模的重要性4.1.3、系统模型与原型4.1.4、系统模型与数学模型4.1.5、系统模型与计算机模型4.1.6、系统模型的分类4.1.1、系统模型的定
2、义系统模型是一个系统某一方面本质属性的描述,它以某种确定的形式(例如文字、符号、图表、实物、数学公式等)提供关于该系统的知识。系统模型一般不是系统对象本身,而是现实系统的描述、模仿或抽象。系统是复杂的,系统的属性也是多方面的。系统模型只是系统某一方面本质属性的描述,本质属性的选取完全取决系统工程研究的目的 模型示范:耐用消费品模型4.1.1、系统模型的定义根据不同的研究目的,同一个系统可以建立不同的系统模根据不同的研究目的,同一个系统可以建立不同的系统模型型。如上海市经济模型,变量可以用一、二、三产业表示,也可以用各个行政管理部门来表示。同一种模型可以代表多个系统同一种模型可以代表多个系统。例
3、如,y=kx(k是为常量),几何上:代表一条通过原点的直线;代数上:表示比例关系;设k,x代表直径,则y表示圆周长;设k表示弹簧刚度,x表示伸长量,则y表示弹簧力大小;当ka表示加速度,xm表示质量,则y表示物体所受外力大小等等。4.1.24.1.2、系统建模的重要性、系统建模的重要性现实生活中的系统都是复杂的,其内部结构和外部联系都非常繁复。要完全地将其本来面貌进行描述大部分情况下难以做到。也没有必要将现实系统的情况完全描述出来。系统建模能够让我们摆脱对现实系统的一个浮浅和表面的理解,因为我们用眼睛去观察实物时,容易停留在表面现象上,没有去挖掘实物的本质。这往往容易得到较大偏差的推断或结果,
4、有时甚至是相反的结论。案例讲解:罗马俱乐部与社会经济发展罗马俱乐部与社会经济发展 4.1.3、系统模型与原型系统模型反映实际系统的主要特征,但它又高于实际系统而具有同类问题的共性。因此一个适用的系统模型应该具有如下三个特征:(1)它是现实系统的抽象或模仿;(2)它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的;(3)它集中体现了这些主要因素之间的关系。案例讲解:地球模型4.1.44.1.4、系统模型与数学模型、系统模型与数学模型所谓的数学模型是指通过抽象和简化,使用数学语言对研究对象的一个近似的刻画,以便于人们更深刻地认识所研究的对象。数学模型是抽象模型,必须以正确认识系统的定性性质为前提。不能要求它
5、直接反映系统原型的结构,但必定与原型结构有内在联系,原型中的结构问题在模型中用数学语言描述,能用数学方法分析和解决。简化对象原型必须先做出某些假设,这些假设只能是定性分析的结果。案例:地区国民经济系统与地区投入产出模型 4.1.44.1.4、系统模型与数学模型、系统模型与数学模型数学模型具有如下的优点 1)它它是是定定量量分分析析的的基基础础。在自然科学和工程技术领域,数量不准确将招致质量低劣,在社会科学领域里,没有定量分析会使人心中无数,造成决策失误,引起不必要的混乱。2)它它是是系系统统预预测测和和决决策策的的工工具具。可以利用系统已有的数据建立预测模型,用来预测系统的未来状态,为正确决策
6、提供依据。3)它它可可变变性性好好,适适应应性性强强,分分析析问问题题速速度度快快,省省时时省省钱钱,而且便于使用计算机而且便于使用计算机。4.1.54.1.5、系统模型与计算机模型、系统模型与计算机模型计算机模型是指用计算机程序定义的模型。有数学模型都可以转化为基于计算机的模型,通过计算来研究系统。许多无法建立数学模型的系统,如复杂的物理过程,特别是生物、社会和行为过程,也可能建立基于计算机的模型。案例:医院急诊室仿真模型 4.1.54.1.5、系统模型与计算机模型、系统模型与计算机模型计算机模型优点用计算机程序定义的模型,可以做到既严格,又可行,能够在计算机上研究和预测系统,通过计算实验来
7、检验结果。而用数学表达式定义的传统模型,求解和处理往往需用复杂艰深的理论和技巧,费时费力,可行性常常较差,所得结果有时无法用实验检验。对于那些无法用真实的实验来检验的复杂系统,计算实验是唯一可用的实验检验手段。计算实验是一种新兴的实验形式,有许多科学和哲学的问题尚未解决。但它为研究复杂巨系统提供了唯一普遍可用的实验手段。增加增加物理模型数学模型系统实体模型比例模型模拟模型概念模型解析模型逻辑模型网络模型图像与表格信息网络与数字化模型1.研究的速度2.修改的方便性3.抽象性4.现实感5.费用4.1.6、系统模型的分类物理模型物理模型 实体模型系统本身。例如标准件的生产检验、胶卷和药品的检验,是从
8、总体中抽取一定容量的样本来进行,样本就是实体模型。比例模型对于系统的放大或缩小,使之适合在桌面上研究。如海洋工程中的船舶实验室,航空工程中的风洞实验室,都是将设计研究中的船只和飞机按比例缩小,在同样比例缩小后的船池和风洞里进行实验。模拟模型根据相似系统原理,利用一种系统去替代另一种系统。这里说的相似系统,是指物理形式不同而有相同的数学表达式,特别是相同的微分方程的系统。在工程技术中,常常是用电学系统代替机械系统、热学系统进行研究。数学模型数学模型 解析模型用解析式子表示的模型。这类模型在现实生活中占主要部分,如本章的升学模型、传染病模型、商品广告模型、投入产出模型等等。逻辑模型表示逻辑关系的模
9、型,如方框图、计算机程序等。网络模型用网络图形来描述系统的组成元素以及元素之间的相互关系,如统筹法的统筹图。图像与表格一一这里说的图像是坐标系中的曲线、曲面和点等几何图形,以及甘特图、直方图、切饼图等,信息网络与数字化模型这是一类新的模型,如仿真模型。概念模型概念模型指任务书、明细表、说明书、技术报告、咨询报告等,以及表达概念的示意图。这种模型不如数学模型或物理模型来得好,在工程技术中很难直接使用。但是在系统工程的工作之初,问题尚不明晰,物理模型和数学模型都很难建立,则不得不采用这一模型。4.2、系统建模方法4.2.1、系统模型的要求4.2.2、建模的原则4.2.3、建模的主要方法4.2.4、
10、建模工作的注意点4.2.5、建模者素质4.2.5、建模的前提条件4.2.7、建模的步骤4.2.1、系统模型的要求 1)可行性。建立的模型并不是用来看的,建模的目的是要能够运用其对实际对象进行深入分析和研究的。这就要求建立的模型必须是可以有效使用的,即可以用现有的工具和方法来加以处理、分析和研究,并得到相应的结果。2)真实性。系统模型应有足够的精度,要能够较好地反映系统的客观实际。系统的主要特征和关系必须要反映到模型中去。精度要求不仅与研究对象有关,而且与所处的时间、状态和条件等环境因素有关。因此,为满足现实性要求,对同一对象在不同情况下可以提出不同的精度要求。4.2.1、系统模型的要求3)简明
11、性。在满足现实性要求和模型精度的基础上,系统模型应该尽量简单明了,以节约建模的费用、时间和其他资源。如果一个简单的模型已能使实际问题得到满意的解答,就没有必要去建一个复杂的模型。简单明了的模型更能够被大部分人接受,推广其使用的范围和广度。以上三条往往会相互抵触,容易顾此失彼。如精确性和简明性,如果模型复杂一些,虽然满足真实性要求,但建模和求解却相当困难,费时、费钱,其次理论与现实的矛盾。一般的处理原则是:力求达到真实性和可行性,在真实性和可行性的基础上达到简明性,然后是理论与现实的统一。案例案例讲解:讲解:马尔萨斯人口模型马尔萨斯人口模型4.2.2、建模的原则 1)抓住主要矛盾。建模都是针对某
12、一目的而言的,建模只有在一定目的的指引下才有方向。所以,建模时只应包括与研究目的有关的方面,抓住问题的主要方面,而不是去攘扩对象系统的所有方面。例如,对个空运指挥调度系统的研究,建模只需考虑飞机的飞行航向而无需考虑其飞行姿态。4.2.2、建模的原则2)力争清晰明了。在现实生活中,需要研究的对象往往是非常复杂的大系统,如社会经济系统、环境系统等。一个大型复杂系统是由许多联系密切的子系统组成的,而且子系统有时也包含自己的子系统,层层叠加,使得结构非常复杂,给研究带来了巨大的难度。这就要求我们在建模时,子模型与子模型之间,除了保留研究目的所必要的信息联系外,其它的耦合关系要尽可能减少,以保证模型结构
13、尽可能清晰明了。4.2.2、建模的原则3)精度要求适当。精度要求的模型是模型的一个重要方面,其要求的高低对系统模型有重要的影响。但是,并非精度越高越好。建立系统模型时,应该视研究目的和使用环境不同,选择适当的精度等级,以保证模型切题、实用,而又不致花费太多。例如,一个受外力F作用下的物体M,其动力学系统的数学模型,在不同使用环境下有不同精度等级,应该适当选择。选用怎样精度的模型,也是取决于目的,或者说是成本与收益比较的结果。4.2.2、建模的原则4)尽量使用标准模型。在建立一个实际系统的模型时,应该首先大量调阅模型库中的标准模型,如果其中某些可供借鉴,不妨先试用一下。如能满足要求,就应该使用标
14、准模型,或者尽可能向标准模型靠拢。这样有利于比较分析,有利于节省费用和时间。4.2.3、建模的主要方法 1)推理法。对于内部结构和特性已经清楚或者可以经过分析弄清楚的系统,即所谓的“白箱”系统(例如大多数的工程系统),可以利用已知的定律和定理,经过一定的分析和推理,得到系统模型。2)实验法。对于那些内部结构和特性不清楚或者难以弄清楚的系统,即所谓的“黑箱”或“灰箱”系统,如果允许进行实验性观察,则可以通过实验方法,选择各种典型的输入量,并测试其相应的输出量,然后按照一定的辨识方法,得到系统模型。4.2.3、建模的主要方法3)统计分析法。对于那些属于“黑箱”,但又不允许直接进行实验观察的系统(例
15、如非工程系统多数属于此类),可以采用数据收集和统计分析的方法来建造系统模型。4)混合法。大部分系统模型的建造往往是上述几种方法综合运用的结果。如一个复杂系统有多个子系统,则多个子系统可能就会用不同的方法进行分析,最终整合成一个总体模型。4.2.3、建模的主要方法5)类似法。即建造原系统的类似模型。有的系统,其结构和性质虽然已经清楚,但其模型的数量描述和求解却不好办,这时如果有另一种系统其结构和性质与之相同,因而建造出的模型也类似,但是该模型的建立及处理要简单得多,把后一种系统的模型看成是原系统的类似模型。利用类似模型,按对应关系就可以很方便地求得原系统的模型。例如很多机械系统、气动力学系统、水
16、力学系统、热力学系统与电路系统之间某些现象彼此类似,特别是通过微分方程描述的动力学方程基本一致,因此可以利用成熟的电路系统来构造上述系统的类似模型。4.2.44.2.4、系统建模步骤、系统建模步骤1)明确建模的目的,提出建立系统模型的要求。建模都是围绕一定的目的进行的,没有目标的行为没有任何的意义可言。所以,在系统建模前,要对系统建模的目的有一个清晰的了解。2)了解系统建模的背景和相关的知识。任何行为都是发生在一定的历史条件下的。只有对系统建模的背景有一个清晰的了解,才能明白建模所面临的约束和限制。这样才能构造出符合实际状况、可操作的模型,而不会建立脱离实际情况的模型。同时才能采用正确的方法去
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