系统工程-第4章-系统动力学-仿真课件.ppt
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1、进入进入系统工程系统工程(Systems Engineering SESystems Engineering SE)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1.系统仿真概述系统仿真概述2.系统动力学结构模型化原理系统动力学结构模型化原理3.基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMO仿真分析仿真分析教学内容教学内容1.系统仿真概述系统仿真概述2.系统动力学结构模型化原理系统动力学结构模型化原理3.DYNAMO仿真分析仿真分析教学要求教学要求1.1.熟悉系统仿真的相关概念熟悉系统仿真的相关概念2.2.掌握系统动力学建模的原理、方掌握系统动力学建模的原理、方法及步骤法及步骤3.3
2、.熟练应用熟练应用STELLASTELLA进行系统仿真进行系统仿真教学重点及难点教学重点及难点l因果关系图及流图的绘制因果关系图及流图的绘制lDYNAMO仿真仿真 一一.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 所所谓谓系系统统仿仿真真,就就是是根根据据系系统统分分析析的的目目的的,在在分分析析系系统统各各要要素素性性质质及及其其相相互互关关系系的的基基础础上上,建建立立能能描描述述系系统统结结构构或或行行为为过过程程的的、且且具具有有一一定定逻逻辑辑关关系系或或数数量量关关系系的的仿仿真真模模型型,据据此此进进行行试试验验或定量分
3、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。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计算技术。它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时尤其当系统无法通过建立数学模型求解时,仿真技术能有效地来处理。仿真技术能有效地来处理。(2)仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统 实验的差别在于,仿真实验不是依据实际环实验的差别在于,仿真实验不是依据实际环 境,而是作为实际系统映象的系统模型以及境,而是作为实际系统映象的系统模型以及 相相应应的的“人人造造”环环境境下下进进行行
4、的的。这这是是仿仿真真的的主主 要功能。要功能。(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变 及其发展过程。及其发展过程。3、系统仿真的作用、系统仿真的作用 (1)仿仿真真的的过过程程也也是是实实验验的的过过程程,而而且且还还是是系系统统地地收收集集和和积积累累信信息息的的过过程程。尤尤其其是是对对一一些些复复杂杂的的随随机机问问题题,应应用用仿仿真真技技术术是是提提供供所所需需信信息息的的唯唯一一令令人人满满意的方法。意的方法。(2)对对一一些些难难以以建建立立物物理理模模型型和和数数学学模模型型的的对对象象系系统统,可可通通过过仿仿真真模模型型来来顺顺
5、利利地地解解决决预预测测、分分析析和和评评价价等等系统问题。系统问题。(二)系统仿真方法(二)系统仿真方法 系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型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,并将其转换为适合在计算机上和量化分析模型,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。编程的仿真模型,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型有很大差别,所以系统仿真方法基本上分为两两大类大类,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。在以上两
6、类基本方法的基础上,还有一些在以上两类基本方法的基础上,还有一些用于系统用于系统(特别是社会经济和管理系统特别是社会经济和管理系统)仿真的仿真的特殊而有效的方法,如系统动力学方法、蒙特特殊而有效的方法,如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。卡洛法等。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(流图等流图等)、利用、利用DYNAMO仿真语言在计算机仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验,从而研究系统上实现对真实系统的仿真实验,从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。结构、功能和行为之间的动态关系。Forrester教授与王其藩20世纪70年代以来,SD经历的两次严
7、峻挑战第一次挑战第一次挑战第一次挑战第一次挑战(70(70(70(70年代中前期年代中前期年代中前期年代中前期):70707070年代初,来自年代初,来自年代初,来自年代初,来自26262626个个个个国家的国家的国家的国家的75757575名科学家的名科学家的名科学家的名科学家的罗马俱乐部罗马俱乐部罗马俱乐部罗马俱乐部困惑于世界面临人困惑于世界面临人困惑于世界面临人困惑于世界面临人口增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用口增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用口增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用口增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用的工具难以胜任对此复杂问题的研究,于是
8、他们寄的工具难以胜任对此复杂问题的研究,于是他们寄的工具难以胜任对此复杂问题的研究,于是他们寄的工具难以胜任对此复杂问题的研究,于是他们寄希望于刚刚兴起的系统动力学方法。其主要的标志希望于刚刚兴起的系统动力学方法。其主要的标志希望于刚刚兴起的系统动力学方法。其主要的标志希望于刚刚兴起的系统动力学方法。其主要的标志是两个世界模型是两个世界模型是两个世界模型是两个世界模型(WORLD(WORLD(WORLD(WORLD,)(WORLD(WORLD(WORLD(WORLD “World Dynamics,1971,Forester”;World Dynamics,1971,Forester”;Wor
9、ld Dynamics,1971,Forester”;World Dynamics,1971,Forester”;WORLD WORLD WORLD WORLD -“The Limits to The Limits to The Limits to The Limits to Growth,DGrowth,DGrowth,DGrowth,D.Meadows,1972”,.Meadows,1972”,.Meadows,1972”,.Meadows,1972”,和和和和“Toward Global Equilibrium Toward Global Equilibrium Toward Globa
10、l Equilibrium Toward Global Equilibrium D.Meadows,1974”D.Meadows,1974”D.Meadows,1974”D.Meadows,1974”走向全球平衡走向全球平衡走向全球平衡走向全球平衡)。这些成果引这些成果引这些成果引这些成果引起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力学起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力学起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力学起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力学正是在这一番论战中,加速壮大成熟起来。正是在这一番论战中,加速壮大成熟起来。正是在这一番论战中,加速壮大成熟起来。正是在这一番论战中
11、,加速壮大成熟起来。罗马俱乐部:罗马俱乐部:罗马俱乐部:罗马俱乐部:国际性的未来学研究团体。国际性的未来学研究团体。国际性的未来学研究团体。国际性的未来学研究团体。1968196819681968年年年年4 4 4 4月月月月在意大利经济学家在意大利经济学家在意大利经济学家在意大利经济学家A.A.A.A.佩切伊和英国科学家佩切伊和英国科学家佩切伊和英国科学家佩切伊和英国科学家A.A.A.A.金倡议金倡议金倡议金倡议下,于罗马成立。宗旨是研究未来的科学技术革命下,于罗马成立。宗旨是研究未来的科学技术革命下,于罗马成立。宗旨是研究未来的科学技术革命下,于罗马成立。宗旨是研究未来的科学技术革命对人类
12、发展的影响,阐明人类面临的主要困难以引对人类发展的影响,阐明人类面临的主要困难以引对人类发展的影响,阐明人类面临的主要困难以引对人类发展的影响,阐明人类面临的主要困难以引起政策制订者和舆论的注意。起政策制订者和舆论的注意。起政策制订者和舆论的注意。起政策制订者和舆论的注意。会员限会员限会员限会员限300300300300名。现有名。现有名。现有名。现有100100100100多名国际上著名的学者和社会活动家为个人会员。多名国际上著名的学者和社会活动家为个人会员。多名国际上著名的学者和社会活动家为个人会员。多名国际上著名的学者和社会活动家为个人会员。每年召开一次大会每年召开一次大会每年召开一次大
13、会每年召开一次大会,并经常召开国际性学术会议,并经常召开国际性学术会议,并经常召开国际性学术会议,并经常召开国际性学术会议。出版了出版了出版了出版了增长的极限增长的极限增长的极限增长的极限(即(即(即(即米都斯报告米都斯报告米都斯报告米都斯报告)、)、)、)、重建国际秩序重建国际秩序重建国际秩序重建国际秩序、走出浪费的时代走出浪费的时代走出浪费的时代走出浪费的时代、人类人类人类人类的目的的目的的目的的目的、学无止境学无止境学无止境学无止境、第三世界:世界的四第三世界:世界的四第三世界:世界的四第三世界:世界的四分之三分之三分之三分之三、关于财富和福利的对话关于财富和福利的对话关于财富和福利的对
14、话关于财富和福利的对话、走向未走向未走向未走向未来的道路图来的道路图来的道路图来的道路图等著作。等著作。等著作。等著作。The Limits to Growth简介简介简介简介:地球是人类目前唯一赖以身存的星球,但是,:地球是人类目前唯一赖以身存的星球,但是,:地球是人类目前唯一赖以身存的星球,但是,:地球是人类目前唯一赖以身存的星球,但是,人类的发展却总是给滋养哺育他的大地带来无尽的人类的发展却总是给滋养哺育他的大地带来无尽的人类的发展却总是给滋养哺育他的大地带来无尽的人类的发展却总是给滋养哺育他的大地带来无尽的折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、海平面上折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、
15、海平面上折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、海平面上折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、海平面上升、人口的暴涨、土地沙漠化升、人口的暴涨、土地沙漠化升、人口的暴涨、土地沙漠化升、人口的暴涨、土地沙漠化种种迹象表明,种种迹象表明,种种迹象表明,种种迹象表明,人类正在为自己的所作所为付出代价。人类正在为自己的所作所为付出代价。人类正在为自己的所作所为付出代价。人类正在为自己的所作所为付出代价。增长的极限增长的极限增长的极限增长的极限曾经是遥远的未来,但今天它们已经广泛存在。崩曾经是遥远的未来,但今天它们已经广泛存在。崩曾经是遥远的未来,但今天它们已经广泛存在。崩曾经是遥远的未来,但今天它们已经广泛
16、存在。崩溃的概念曾经被认为是不可思议的,但今天它已经溃的概念曾经被认为是不可思议的,但今天它已经溃的概念曾经被认为是不可思议的,但今天它已经溃的概念曾经被认为是不可思议的,但今天它已经进入公众的谈论话题进入公众的谈论话题进入公众的谈论话题进入公众的谈论话题本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限的星球上无止境地追求增长所带来的后果。这本震的星球上无止境地追求增长所带来的后果。这本震的星球上无止境地追求增长所带来的后果。这本震的星球上无止境地追求增长所带来的后果。这本震惊了世界
17、并畅销全球的书,在今天,带着惊了世界并畅销全球的书,在今天,带着惊了世界并畅销全球的书,在今天,带着惊了世界并畅销全球的书,在今天,带着30303030年来新年来新年来新年来新增的数据,再次就人类对气候、水质、鱼类、森林增的数据,再次就人类对气候、水质、鱼类、森林增的数据,再次就人类对气候、水质、鱼类、森林增的数据,再次就人类对气候、水质、鱼类、森林和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟。第二节 系统动力学系统动力学一种以反馈控制理论为基础,以计算机仿真技术为手段,通常用以研究复杂的社会经济系统的定量方法。适用于
18、处理长期性和周期性的问题。如自然界的生态平衡、社会问题中的经济危机等都呈现周期性规律并需通过较长的历史阶段来观察。DYNAMO语言的名字是由dynamic(动态)和model两词的词头合并而成,表明了其预期的用途:模拟真实世界系统,使得它们随时间变化的动态行为能用计算机来跟踪、模拟。系统动力学把现实生活中的复杂系统映射成系统动力学流图,DYNAMO语言则把系统流图模型送入计算机并计算出数字结果。1972年正式定名系统动力学:“系统动力学是研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法。它有效地把信息反馈的控制原理与因果关系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构入手,建立系统的仿真
19、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行为,寻求解决问题的正确途径。”美彼得圣吉(PeterMSenge)著,第五项修炼第五项修炼学习型组织的艺术与实务学习型组织的艺术与实务,上海三联书店,上海三联书店,1998。作者简介:作者简介:1970年从斯坦福大学获工学学年从斯坦福大学获工学学士后进入士后进入MIT攻读管理硕士学位,在此期间被攻读管理硕士学位,在此期间被Forrester教授的教授的SD整体动态搭配的管理新理念所整体动态搭配的管理新理念所吸引。吸引。1978年获得博士学位后,一直和年获得博士学位后,一直和MIT的工的工作伙伴及企业界人士一道,孜孜不倦地致力于
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