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第1章 概论 1

1.1 系统、模型与仿真 1

1.1.1 系统 1

1.1.2 模型 2

1.1.3 仿真 4

1.1.4 仿真科学与技术的发展沿革 6

1.2 系统仿真的一般知识 7

1.2.1 相似理论 7

1.2.2 基于相似理论的系统仿真 8

1.2.3 系统仿真的类型 10

1.2.4 系统仿真的一般步骤 13

1.3 仿真科学与技术的应用 13

1.3.1 仿真在系统设计中的应用 14

1.3.2 仿真在系统分析中的应用 14

1.3.3 仿真在教育与训练中的应用 15

1.3.4 仿真在产品开发及制造过程中的应用 15

1.4 当前仿真科学与技术研究的热点 16

1.4.1 网络化仿真技术 16

1.4.2 复杂系统／开放复杂巨系统的建模与仿真 17

1.4.3 综合自然环境的建模与仿真 20

1.4.4 基于普适计算技术的普适仿真技术 21

1.4.5 基于高性能计算机的仿真 22

1.5 小结 22

习题 23

参考文献 23

第一篇 连续系统仿真篇 27

第2章 连续系统模型 27

2.1 连续系统模型描述 27

2.1.1 连续时间模型 27

2.1.2 离散时间模型 29

2.1.3 连续-离散混合模型 31

2.2 连续系统模型设计 32

2.2.1 外部模型到内部模型的变换 32

2.2.2 系统状态初始值变换 36

2.2.3 面向结构图的模型变换 38

2.3 计算机辅助模型设计 44

2.3.1 基于计算机的建模 44

2.3.2 解释结构建模 46

2.4 电路系统模型设计 49

2.4.1 电路系统模型 49

2.4.2 电路系统的拓扑 51

2.4.3 改进节点法 54

2.4.4 小结 56

2.5 多体系统模型设计 57

2.5.1 多体系统建模基本概念 57

2.5.2 多体系统拓扑构型 58

2.5.3 基于拉格朗日坐标的多刚体系统运动学模型描述 61

2.5.4 基于Haug笛卡尔方法的多刚体系统运动学模型描述 65

2.5.5 多刚体系统动力学模型描述 68

2.5.6 小结 70

习题 70

参考文献 73

第3章 经典的连续系统仿真建模方法学 74

3.1 连续系统离散化原理 74

3.2 龙格-库塔法 76

3.2.1 龙格-库塔法基本原理 76

3.2.2 龙格-库塔法的误差估计及步长控制 80

3.2.3 实时龙格-库塔法 84

3.3 线性多步法 85

3.3.1 线性多步法基本原理 86

3.3.2 线性多步法误差分析 90

3.3.3 关于变步长的讨论 92

3.4 稳定性分析 94

3.5 病态系统仿真 96

3.5.1 病态系统的定义 96

3.5.2 线性病态系统仿真 97

3.5.3 吉尔（Gear）法 99

3.5.4 单步多值法 101

3.5.5 病态探测与误差估计 105

3.5.6 半隐式龙格-库塔法 111

3.5.7 多帧速算法 112

3.6 间断特性的仿真建模 115

3.6.1 条件函数零点搜索法 116

3.6.2 平均值法 118

3.6.3 间断点估计法 122

3.7 小结 123

习题 124

参考文献 125

第4章 离散相似法 127

4.1 时域离散相似法 127

4.1.1 基本原理 127

4.1.2 状态转移矩阵的计算 131

4.1.3 增广矩阵法 134

4.2 面向结构图的非线性系统仿真 136

4.2.1 典型线性动态环节Ф（T），Фm（T），？（T）的计算 137

4.2.2 常用非线性环节计算子程序 139

4.2.3 非线性系统离散相似法仿真程序CSS02.C 140

4.3 频域离散相似法 144

4.3.1 替换法 144

4.3.2 根匹配法 148

4.3.3 可调整积分法 151

4.4 离散相似法应用举例 158

4.4.1 机械谐振分析 158

4.4.2 模型设计 160

4.4.3 仿真设计 167

4.4.4 仿真结果分析 178

4.4.5 小结 180

4.5 采样控制系统仿真 181

4.5.1 采样控制系统 181

4.5.2 采样周期与仿真步距 182

4.5.3 纯延迟环节的仿真模型 186

4.5.4 采样控制系统仿真举例 187

4.6 小结 189

习题 190

参考文献 191

第5章 集中参数连续系统仿真语言 192

5.1 发展沿革 192

5.2 MATLAB简介 194

5.2.1 MATLAB发展历程 194

5.2.2 MATLAB系统构成 195

5.2.3 MATLAB工具箱 195

5.2.4 MATLAB 7.0/Simulink 6.0特点 196

5.3 MATLAB的模型设计 199

5.3.1 线性连续系统Simulink描述 199

5.3.2 线性离散时间系统Simulink描述 200

5.3.3 连续-离散时间混合系统Simulink描述 200

5.4 MATLAB仿真建模技术 203

5.4.1 连续系统仿真建模 203

5.4.2 离散时间系统与连续-离散时间混合系统仿真建模 206

5.4.3 间断点及代数环仿真建模 206

5.5 MATLAB模块化集成技术 207

5.5.1 数据驱动模型 207

5.5.2 子系统集成 208

5.5.3 MATLAB典型子系统 208

5.6 小结 211

习题 211

参考文献 212

第6章 分布参数系统仿真建模 213

6.1 概述 213

6.2 差分法原理 214

6.2.1 对流方程差分法 215

6.2.2 差分格式的相容性、收敛性及稳定性 216

6.3 典型分布参数系统的差分法 221

6.3.1 扩散方程的菱形法及跳点法 221

6.3.2 对流方程的耗散中心差公式 223

6.3.3 椭圆方程的差分法 224

6.4 线上求解法 226

6.5 有限元方法预备知识 228

6.5.1 微分方程的等效积分形式与加权余量法 228

6.5.2 弹性力学的基本方程 232

6.6 有限元方法原理 237

6.6.1 三角形单元的有限元格式 237

6.6.2 基于最小位能原理的有限元方程 240

6.6.3 广义坐标有限元法的一般格式 243

6.7 小结 246

习题 247

参考文献 248

第二篇 离散事件系统仿真篇 251

第7章 离散事件系统仿真基础 251

7.1 基本概念 251

7.2 仿真钟的推进 253

7.3 单服务台排队系统仿真 256

7.3.1 排队系统的基本概念 256

7.3.2 单服务台排队系统仿真举例 257

7.4 库存系统的仿真 261

7.4.1 库存系统的基本概念 261

7.4.2 确定性库存系统 262

7.4.3 随机库存系统 263

7.4.4 随机库存系统仿真举例 264

7.5 离散事件系统仿真研究的一般步骤 267

7.6 小结 269

习题 269

参考文献 270

第8章 随机变量模型的确定与产生 271

8.1 引言 271

8.2 随机变量模型的确定 271

8.2.1 分布参数的确定 272

8.2.2 分布类型的假设 276

8.2.3 实验分布 283

8.3 拟合优良度检验 284

8.3.1 x2检验 284

8.3.2 柯尔莫哥洛夫-斯米尔洛夫（K-S检验） 286

8.4 随机数发生器 288

8.4.1 线性同余发生器 288

8.4.2 组合发生器 290

8.5 随机数发生器的测试 291

8.5.1 均匀性检验 291

8.5.2 独立性检验 291

8.6 随机变量产生的原理 293

8.6.1 反变换法 294

8.6.2 组合法 296

8.6.3 卷积法 297

8.6.4 舍选法 298

8.7 典型随机变量的产生 300

8.7.1 连续随机变量的产生 300

8.7.2 离散随机变量的产生 304

8.8 小结 307

习题 307

参考文献 309

第9章 离散事件系统仿真策略与仿真语言 310

9.1 离散事件系统仿真策略 310

9.1.1 主要术语 310

9.1.2 事件调度法（event scheduling） 311

9.1.3 活动扫描法（activity scanning） 313

9.1.4 进程交互法（process interactive） 314

9.1.5 三阶段法 316

9.1.6 四种仿真策略的比较 319

9.2 离散事件系统仿真语言 320

9.2.1 离散事件系统仿真软件发展历程 320

9.2.2 典型仿真语言简介 322

9.3 小结 329

习题 330

参考文献 331

第10章 离散事件系统仿真输出分析 332

10.1 仿真输出分析方法的分类 332

10.2 终止型仿真输出分析 334

10.2.1 固定样本长度法 334

10.2.2 终止型序贯程序法 335

10.3 稳态型仿真输出分析 336

10.3.1 批均值法 336

10.3.2 稳态型序贯法 338

10.3.3 重新产生法 341

10.3.4 重复删除法 343

10.4 系统性能比较 346

10.4.1 两系统性能比较 346

10.4.2 多系统性能比较 347

10.5 仿真结果分析应用举例 349

10.6 方差减少技术 352

10.6.1 公共随机数法 353

10.6.2 对偶变量法 356

10.6.3 控制变量法 357

10.7 小结 358

习题 358

参考文献 359

第三篇 现代仿真篇 363

第11章 并行仿真与分布仿真 363

11.1 前言 363

11.2 并行仿真 363

11.2.1 并行仿真的基本概念 363

11.2.2 并行处理原理及并行仿真算法 367

11.2.3 面向微分方程的并行仿真 370

11.2.4 并行仿真任务划分 373

11.2.5 并行仿真的实现 375

11.3 分布交互式仿真 378

11.3.1 分布交互式仿真的发展 378

11.3.2 分布交互式仿真基本原理 380

11.4 基于高层体系结构的仿真 384

11.4.1 HLA体系结构 384

11.4.2 HLA标准 386

11.4.3 HLA运行支撑环境（RTI） 391

11.4.4 小结 394

11.5 并行仿真与分布仿真的进展 395

11.5.1 可扩展建模与仿真框架（XMSF） 395

11.5.2 面向服务框架（SOA） 396

11.5.3 仿真网格（SimGrid） 397

11.5.4 小结 401

参考文献 402

第12章 虚拟现实技术 403

12.1 虚拟现实的特征及基本构成 403

12.2 虚拟现实技术的发展概况 407

12.2.1 虚拟现实技术的发展历程 407

12.2.2 虚拟现实技术发展的瓶颈 408

12.2.3 当前流行的虚拟现实系统 409

12.3 位置跟踪通道 411

12.3.1 三维电磁传感器 411

12.3.2 三维超声波传感器 412

12.3.3 数据手套（data glove） 413

12.4 视觉通道 414

12.4.1 视景的生成过程 414

12.4.2 基于投影变换原理三维立体图的生成算法 414

12.4.3 典型的立体视觉设备 417

12.5 听觉通道 418

12.5.1 虚拟声音的产生 418

12.5.2 虚拟声音的定位 420

12.6 触觉、力反馈 421

12.6.1 人体触觉系统 422

12.6.2 触觉／力反馈技术 423

12.7 虚拟场景的生成 427

12.7.1 虚拟场景静态模型的建立 427

12.7.2 虚拟场景动态模型的建立 429

12.8 典型的虚拟现实系统软件 430

12.9 小结 434

参考文献 434

附录1 实验指示书及仿真源程序 436

实验一 面向方程的数值积分方法仿真 436

实验二 面向结构图的离散相似法仿真 442

实验三 随机数产生及均匀性与独立性测试 450

实验四 仿真输出数据分析 453

附录2 英文缩写词索引 459