SE4系统仿真及系统动力学方法课件.pptx
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1、第四章 系统仿真及系统动力学方法,系统仿真概述,1,系统动力学结构模型化原理,2,基本反馈回路的DYNAMO仿真分析,3,DYNAMO函数,4,Vensim_PLE仿真软件,5,系统仿真及系统动力学方法,1,第四章 系统仿真及系统动力学方法系统仿真概述1系统动力学结构,教学重点及难点因果关系图及流图的绘制DYNAMO仿真,系统仿真及系统动力学方法,教学内容教学要求教学重点及难点系统仿真及系统动力学方法,第一节 系统仿真及系统动力学概述,(一)概念及作用 1.基本概念 所谓系统仿真,就是根据系统分析的目的,在分析系统各要素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、且具有一定逻辑关
2、系或数量关系的仿真模型,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。,第一节 系统仿真及系统动力学概述(一)概念及作用,实际系统计算机模型建模仿真,2、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。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。 (2)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境,而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。 (3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。,2、系统仿真的实质 (1)它是一种对系统问题求数值解的,3、系统仿真的作用,(1)仿
3、真的过程也是实验的过程,而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题,应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。 (2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统,可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。 (3)通过系统仿真,可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。 (4)通过系统仿真,能启发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。,3、系统仿真的作用 (1)仿真的过程也是实验的过程,,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
4、实验。 由于连续系统和离散(事件)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两大类,即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。,二、系统仿真方法 系统仿真的基本方法是建立系统的结构,在以上两类基本方法的基础上,还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法,如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。 系统动力学方法通过建立系统动力学模型(流图等)、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验,从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。,二、系统仿真方法,在以上两类基本方法的基础上,还有一些用于系统(特,1、由来与发展,系统动力学(System Dynamics,
5、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、系统动力学的发展及特点,1、由来与发展 系统动力学(System D
6、ynamics,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。”,三、系统动力学的发展及特点,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,SE4系统仿真及系统动力学方法课件,美彼得圣吉(Peter MSenge)著,第五项修炼学习型组织的艺术与实务,上海三联书店, 2019。作者简介:1970年从斯坦福大学获工学学士后进入MIT
7、攻读管理硕士学位,在此期间被Forrester教授的SD整体动态搭配的管理新理念所吸引。1978年获得博士学位后,一直和MIT的工作伙伴及企业界人士一道,孜孜不倦地致力于将SD与组织学习、创造原理、认知科学等融合,发展出一种人类梦寐以求的组织蓝图学习型组织。,美彼得圣吉(Peter MSenge)著,第五项修炼,2、研究对象及其结构特点,(1)研究对象社会系统(2)结构特点 抉择性具有决策环节(人、信息) 自律性具有反馈环节 非线性具有延迟环节(3)SD将社会系统当作非线性(多重)信息反馈系统来研究,三、系统动力学的发展及特点,2、研究对象及其结构特点(1)研究对象社会系统三、系统动,3、系统
8、动力学模型的特点,(1)多变量。这主要是由SD对象系统的动态特性和复杂性所决定的。SD模型有三种基本变量、五到六种变量。(2)定性分析与定量分析相结合。SD模型由结构模型(流图)和数学模型(DYNAMO方程)所组成。(3)以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。SD作为一种计算机仿真分析方法,是实际系统的“实验室”,可在PD-plus、VENSIM、STELLA等软件支持下来运行。(4)可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂系统问题。,3、系统动力学模型的特点(1)多变量。这主要是由SD对象系统,(流图)(DYNAMO方程),4、工作程序,认识界定要素及其因果关系分析建立结构模型建立数学模型仿真
9、比较,第四章 系统仿真及系统动力学方法,系统仿真概述,1,系统动力学结构模型化原理,2,基本反馈回路的DYNAMO仿真分析,3,DYNAMO函数,4,Vensim_PLE仿真软件,5,第四章 系统仿真及系统动力学方法系统仿真概述1系统动力学结构,1、基本原理,信息,流(行动),(决策函数),(系统状态),第二节 SD结构模型化原理,1、基本原理 决策信息行动系统速率变量水准变量信息,四个基本要素状态、信息、决策、行动两个基本变量水准变量(L)、速率变量(R)一个基本思想反馈控制,四个基本要素状态、信息、决策、行动,2、因果关系图和流图,(1)因果关系图 因果箭因果链因果(反馈)回路,利率,+,
10、+,(+),2、因果关系图和流图 (1)因果关系图利息银行利率+(+),因果关系 因果关系Causal Relationship是系统动力学建模的基础,对系统内部结构关系的一种定性描述。 A B:变量A表示原因,变量B表示结果,因果关系用一个箭头线表示,标为因果链,表示A到B的作用。,因果关系,正关系,若满足下列条件之一:A加到B中;A是B的乘积因子;A变到AA,有B变到BB,即A、B的变化方向相同。则称A到B具有正因果关系,简称正关系,用“”号标在因果链上。,正关系若满足下列条件之一:,人口出生率人口总数,负关系,负关系,人口死亡率人口总数,反馈,从控制论的观点看,任何一个具有使自身内部保持
11、稳定的系统,都具有某种反馈机制。反馈(Feedback): 构成系统的某一成分的输出与输入之间的关系,或者说是输出变成了决定系统未来功能的输入。,反馈从控制论的观点看,任何一个具有使自身内部保持稳定的系统,,生物群落的稳定性,生物群落的稳定性例1:例2:例3:天敌害虫种群系统天敌数量,(2)因果(反馈)回路 原因和结果的相互作用形成因果关系回路(因果反馈回路、环)。它是一种特殊的(即封闭的、首尾相接的)因果链。如图43(a)、(b)和(e)所示。社会系统中的因果反馈环是社会系统中各要素的因果关系本身所固有的。正反馈回路,起到自我强化的作用,负反馈回路具有“内部稳定器”的作用。多重因果(反馈)回
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