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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.C140

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