為了研究、分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)，必然需要進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)的方法可以分為兩大類：一種是直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，一種則是根據(jù)系統(tǒng)的組成要素和要素間的相互作用，將系統(tǒng)抽象為模型，對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)。系統(tǒng)模型通常分為物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型。本文重點(diǎn)論述基于數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)建模進(jìn)行試驗(yàn)和結(jié)果分析，就是所謂的“系統(tǒng)仿真”。直接在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，顯然更有助于系統(tǒng)的研究分析，而系統(tǒng)仿真不可能完全符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，那么為什么要進(jìn)行系統(tǒng)仿真呢？一言以蔽之，系統(tǒng)仿真為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析提供了成本較低的有力支持。

以載人航天工程為例，其一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，真實(shí)的系統(tǒng)尚未建立，如何了解和驗(yàn)證系統(tǒng)的性能？載人航天作為舉國(guó)體制下的重要工程，牽一發(fā)而動(dòng)全身，在給出最終系統(tǒng)方案之前，必然要先確定所采用方案中系統(tǒng)的性能，但若為每一個(gè)方案都搭建一套真實(shí)的系統(tǒng)，在資源和人力上顯然是不可承受的，系統(tǒng)仿真在這種情況下就為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力支持；其二，在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)可能引起系統(tǒng)破壞或故障，如果用真實(shí)的飛船搭載火箭進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)，過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，其成本必然是高昂的，通過(guò)系統(tǒng)仿真可以減少試驗(yàn)成本；其三，在實(shí)際的發(fā)射過(guò)程會(huì)遇到各種復(fù)雜的隨機(jī)問(wèn)題，如何在試驗(yàn)階段對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和提出解決方案呢？另一方面，某些系統(tǒng)在多次實(shí)驗(yàn)中要求相同的試驗(yàn)條件，如此才能更好地評(píng)估性能和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，這在實(shí)際環(huán)境下是不可能實(shí)現(xiàn)的，而系統(tǒng)仿真則可以對(duì)同一試驗(yàn)條件的精準(zhǔn)再現(xiàn)；其四，對(duì)于載人航天來(lái)說(shuō)，每一次發(fā)射都要耗費(fèi)漫長(zhǎng)的時(shí)間和高昂的金錢成本，次次都在真實(shí)的系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)成本過(guò)高，系統(tǒng)仿真既節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，又降低了試驗(yàn)成本。

仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，對(duì)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。根據(jù)模型的不同，可以將系統(tǒng)仿真方法分為三類：物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真。物理仿真是按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗(yàn)。物理仿真雖然直觀形象，但具有較多實(shí)驗(yàn)限制，且成本較高。數(shù)學(xué)仿真是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)換為適合計(jì)算機(jī)編程的仿真模型，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為系統(tǒng)仿真提供了條件。數(shù)學(xué)仿真在通信、控制、電力等多個(gè)工程和科研領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。圖1、圖2是系統(tǒng)仿真的簡(jiǎn)單示例。

圖1 雙質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)

圖2 低通RC濾波器

由于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型具有很大差別，所以數(shù)學(xué)仿真可以分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。半實(shí)物仿真則是對(duì)物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的綜合應(yīng)用，即對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行規(guī)律明確的部分且簡(jiǎn)單的部分進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，規(guī)律不明確或難以數(shù)學(xué)建模的部分進(jìn)行物理建模，二者聯(lián)合起來(lái)完成仿真試驗(yàn)。例如在通信領(lǐng)域，對(duì)一個(gè)通信設(shè)備的系統(tǒng)仿真，除了通過(guò)數(shù)學(xué)建模完成對(duì)其通信系統(tǒng)的仿真分析，還要通過(guò)對(duì)設(shè)備使用環(huán)境進(jìn)行物理仿真，以確保設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

系統(tǒng)仿真是科研和工程領(lǐng)域不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)工程技術(shù)和科學(xué)研究的發(fā)展具有重要意義。

[1] 福州大學(xué)《系統(tǒng)仿真技術(shù)》研究生課程

[2] http://www.bilibili.com/video/BV16E411A7zv?p=3&vd_source=f52c61024bca044c638d9c2fb92b3ede.