【正文】 1 第 1 章 系統(tǒng)仿真概論 概 述 系統(tǒng)、模型與仿真 系統(tǒng)一詞最早見著于古希臘原子論創(chuàng)始人得謨克里克特的著作《世界大系統(tǒng)》一書。該書論述了關于系統(tǒng)的含義，戈登在總結前人思想的基礎上，將系統(tǒng)定義為“按照某些規(guī)律結合起來，互相作用、互相依存的所有實體的集合或總和?，F代工程建立系統(tǒng)該尤為重要，通過為工程建立系統(tǒng)的模型使得該系統(tǒng)在具體實施之前有充分的、量化的依據，減少在工程在實施過程中的風險，防止重復建設，通過模型對系統(tǒng)的各項經濟指標和技術指標有充分的了解和認識，使資金的風險降低和有效利用，使工程不 受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性的限制，保證被研究系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)試驗的經濟性，可用于對未來系統(tǒng)的預測以及可持續(xù)發(fā)展以及合理利用方面都有積極的意義。 人們在長期的研究與應用中，創(chuàng)造了適于不同對象研究分析要求的模型描述形式，Oren 進行了總結，將模型形式加以分類如表 所示： 模型描述變量的軌跡 模型的時間集合 模型形式 變量范圍 連續(xù) 離散 空間連續(xù)變化模型 空間不連續(xù)變化模型 連續(xù)時間模型 偏微分方程 ? 常微分方程 ? 離散（變化）模型 離散時間模型 差分 方程 ? ? 有限狀態(tài)機 ? 馬爾可夫鏈 ? 連續(xù)時間模型 活動掃描 ? ? 時間調度 ? ? 進程交互 ? ? 表 模型分類 “建模 —— 試驗 —— 分析”的基礎上，提出了“仿真是一種基于模型的活動”的定義，被認為是現代仿真技術的一個重要概念。實際上，隨著科學技術的進步，特別是信息技術的迅速發(fā)展，“仿真”的技術含義不斷的得以發(fā)展和完善。無論哪種定義，仿真基于模型這 2 一基本觀點是共同的。 綜上所述，“系統(tǒng)、模型、仿真”這三者之間有著密切的聯系。系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng) 的抽象，仿真是通過對模型的試驗以達到研究系統(tǒng)的目的?，F代仿真技術均是在計算機支持下進行的，因此，系統(tǒng)仿真也稱為計算機仿真。系統(tǒng)仿真有三個基本活動，即系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實驗，聯系這三個活動的是系統(tǒng)仿真的三要素，即系統(tǒng)、模型、計算機（包括硬件和軟件）。關系如圖 所示。 圖 系統(tǒng)、模型、計算機的關系 現代仿真技術的一個重要進展是將仿真活動擴展到上述三個方面，并將其統(tǒng)一到同一個環(huán)境中。在系統(tǒng)建模方面，除了傳統(tǒng)的基于物理學、化學、生物學、社會學等基本定律及系統(tǒng)辨識方面等方法外，現代仿真技術提出 了用仿真方法確定系統(tǒng)的模型。仿真建模方面，除了適應計算機軟硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究和開發(fā)出許多新算法和新軟件外，現代仿真技術采用模型與試驗分離技術，即模型和數據驅動（ data driven）。任何一個仿真問題可分為兩部分：模型與實驗，這一點，現代仿真技術于傳統(tǒng)的仿真定義是相同的。在仿真實驗方面，現代仿真技術將實驗框架與仿真運行控制區(qū)分開來。一個實驗框架定義一組條件，包括：模型參數、輸入變量、觀測變量、初始條件、終止條件、輸出說明。 Oren 將上述思想加以總結，提出了現代仿真技術的概念框架，如圖 所示： 系統(tǒng)仿真的一般步驟如圖 所示： 系 統(tǒng) 計算機 模 型 系統(tǒng)建模 仿真實驗 仿真建模 3 現代仿真技術的概念框架 系統(tǒng)仿真的一般步驟 圖 與 現代仿真技術的概念框架與系統(tǒng)仿真的一般步驟 系統(tǒng)仿真類型 可以從不同的角度對系統(tǒng)仿真進行分類。比較典型的分類方法是：根據模型的種類分類；更具仿真所采用的計算機類型分類；根據仿真時鐘與實時時鐘的比例關系分類；根據系統(tǒng)模型的特性分類。 根據模型的種類分類 根據模型的種類不同，系統(tǒng)仿真可分為三種：物理仿真、數學仿真和半實物仿真。按照真實系統(tǒng)的物理性質構造系統(tǒng)的 物理模型，并在物理模型上進行試驗的過程稱為物理仿真。對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數學關系加以描述而得到的系統(tǒng)的數學模型，對數學模型進行試驗的過程稱為數學仿真。半實物仿真即將數學模型與物理模型甚至實物聯合起來進行試驗。仿真時將兩者連接起來完成整個系統(tǒng)的試驗。 仿真問題描述 特定模型 : 參數模型 參數值 實驗 : 實驗框架 仿真運行控制 行為產生 模型行為及處理 模型行為 (仿真數據 ) 軌跡行為 結構行為 行為處理：分析、顯示 實際系統(tǒng) 建模與形式化 形式建模 仿真建模 程序設計 仿真運行 仿真建模校驗 可信否 ? 正確否 ? 仿真結果分析 正確否 ? 結束 4 根據仿真計算機類型分類 按所使用的仿真計算機類型也可將仿真分為三類：模擬計算機仿真、數字計算機仿真和數字模擬混合仿真。 本質上，模擬計算機仿真是一種并行仿真，即仿真時，代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。早 期的數字計算機仿真是一種串行仿真。數字模擬混合仿真，即將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機上執(zhí)行，另一部分在數字計算機上運行，兩個計算機之間利用模數和數模轉換裝置交換信息。隨著計算機技術的發(fā)展，今天的計算機仿真一般指的就是數字計算機仿真。 根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系分類 實際動態(tài)系統(tǒng)的時間基稱為實際時鐘，而系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘。根據仿真時鐘與實際時鐘的比例關系，系統(tǒng)仿真分為實時仿真、亞實時仿真和超實時仿真。 根據系統(tǒng)模型的特性分類 仿真基于模型，模型的特性直接影響著仿真的實 現。從仿真的角度來看，系統(tǒng)模型特性可分為兩大類，一類稱為連續(xù)系統(tǒng)，另一類稱為離散系統(tǒng)。由于這兩類系統(tǒng)固有運動規(guī)律的不同，因而描述其運動規(guī)律的模型形式就有很大的差別，相應的，系統(tǒng)仿真技術也分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)。 仿真技術的應用 仿真技術作為一門獨立學科已經有 50 多年的歷史，它不僅用于航天、航空、各種武器系統(tǒng)的研制部門，而且已經廣泛的應用于電力、交通運輸、通信、化工、核能等各個領域。 系統(tǒng)計算機仿真得以發(fā)展的重要原因在于它帶來的社會經濟效益。系統(tǒng)仿真用于電力系統(tǒng)就稱之為電力系統(tǒng)計算機仿 真。如對電力系統(tǒng)的性能測試、參數整定和設計方案的評估；對電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)的仿真、研究電磁暫態(tài)、電磁諧振、機電振蕩、機組軸系扭振和由斷路器切換、雷電流沖擊引起的暫態(tài)過程；它還包括潮流計算、超高壓直流輸電換流器、控制系統(tǒng)和統(tǒng)計分析等內容；電力系統(tǒng)中心調度所的在線計算機仿真，以輔助現場調度人員進行經濟調度、預測和分析電力系統(tǒng)的安全性，監(jiān)測電能管理軟件的性能，確定電能管理決策等。 電力系統(tǒng)計算機仿真有如下優(yōu)點： 不受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復雜性的限制。 保證被研究系統(tǒng)的安全。 5 系統(tǒng)試驗的經濟性。 可用 于對未來系統(tǒng)的預測。 第 2 章 MATLAB 與 Simulink 簡介 MATLAB 語言簡介 MATLAB 語言的發(fā)展狀況 MATLAB 語言的首創(chuàng)者 Cleve Moler 教授在數值分析，特別是數值線性代數的領域中很有影響。 1980 年前后構思并開發(fā)了 MATLAB（即矩陣實驗室），這一軟件利用了他研制的、在國際上頗有影響的 EISPACK（基于特征值計算的軟件包）和 LINPACK（線性代數軟件包）兩大軟包中可靠的子程序，用 Fortran 語言編寫了集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系 統(tǒng)。 現在使用的較多的版本是 Cleve Moler 和 John Little 等人成立的 The MathWorks 公司在 1999 年初推出的 版以及新版本的最優(yōu)化工具箱和 。 2021 年 10月， 問世，在操作街面上有了很大改觀、同時還給出了程序發(fā)布窗口、歷史信息窗口和變量管理窗口等，為用戶的使用提供了很大的方便；在計算機內核上拋棄了其一直使用的 LINPACK 和 EISPACK，而采用了更具優(yōu)勢的 LAPACK 軟件包和 FFTW 系統(tǒng)，速度變得更快，數值性能也更好；在用戶 圖形界面設計上也更趨合理；與 C 語言接口及轉換的兼容性也更強；與之配套的 版的新功能也特別引人注目。 2021 年六月推出的 版及 版本是目前的最新版，功能已經是十分強大，其新的虛擬現實工具箱更給仿真結果三維視景下顯示帶來了新的解決方案。 The MathWorks 公司目前正致力于新版本的開發(fā)、測試，已經于 2021 年 6 月推出MATLAB Release13，即 。 目前， MATLAB 已經成為國際上最流行的科學計算與工程 計算的軟件工具，現在的MATLAB 已經不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經成為了一種具有廣泛應用前景的、全新的計算機高級編程語言了，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內外高校和研究部門正扮演著重要的角色。 MATLAB 軟件系統(tǒng)的構成 MATLAB 軟件主要是由主包、 Simulink 和工具箱三大部分組成。 6 MATLAB