為了研究、分析、設計和實現一個系統(tǒng)，必然需要進行對系統(tǒng)的試驗。試驗的方法可以分為兩大類：一種是直接在真實系統(tǒng)上進行試驗，一種則是根據系統(tǒng)的組成要素和要素間的相互作用，將系統(tǒng)抽象為模型，對模型進行試驗。系統(tǒng)模型通常分為物理模型、概念模型和數學模型。本文重點論述基于數學模型描述的系統(tǒng)。

通過對系統(tǒng)建模進行試驗和結果分析，就是所謂的“系統(tǒng)仿真”。直接在真實系統(tǒng)上進行試驗，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)實際運行情況，那么為什么要進行系統(tǒng)仿真呢？一言以蔽之，系統(tǒng)仿真為系統(tǒng)設計和系統(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)設計階段，真實的系統(tǒng)尚未建立，如何了解和驗證系統(tǒng)的性能？載人航天作為舉國體制下的重要工程，牽一發(fā)而動全身，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，但若為每一個方案都搭建一套真實的系統(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)設計提供了有力支持；其二，在真實系統(tǒng)上進行試驗可能引起系統(tǒng)破壞或故障，如果用真實的飛船搭載火箭進行發(fā)射試驗，過程中不可避免會對系統(tǒng)產生破壞，其成本必然是高昂的，通過系統(tǒng)仿真可以減少試驗成本；其三，在實際的發(fā)射過程會遇到各種復雜的隨機問題，如何在試驗階段對其進行預測和提出解決方案呢？另一方面，某些系統(tǒng)在多次實驗中要求相同的試驗條件，如此才能更好地評估性能和發(fā)現問題，這在實際環(huán)境下是不可能實現的，而系統(tǒng)仿真則可以對同一試驗條件的精準再現；其四，對于載人航天來說，每一次發(fā)射都要耗費漫長的時間和高昂的金錢成本，次次都在真實的系統(tǒng)上進行試驗成本過高，系統(tǒng)仿真既節(jié)省了試驗時間，又降低了試驗成本。

仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結構模型和量化分析模型，對模型進行仿真試驗。根據模型的不同，可以將系統(tǒng)仿真方法分為三類：物理仿真、數學仿真和半實物仿真。物理仿真是按照真實系統(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。物理仿真雖然直觀形象，但具有較多實驗限制，且成本較高。數學仿真是對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數學關系加以描述而得到系統(tǒng)的數學模型，將其轉換為適合計算機編程的仿真模型，進行仿真試驗?，F代計算機技術的發(fā)展為系統(tǒng)仿真提供了條件。數學仿真在通信、控制、電力等多個工程和科研領域具有廣泛應用。圖1、圖2是系統(tǒng)仿真的簡單示例。

圖1 雙質量-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)的數學模型具有很大差別，所以數學仿真可以分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。半實物仿真則是對物理仿真和數學仿真的綜合應用，即對系統(tǒng)中運行規(guī)律明確的部分且簡單的部分進行數學仿真，規(guī)律不明確或難以數學建模的部分進行物理建模，二者聯合起來完成仿真試驗。例如在通信領域，對一個通信設備的系統(tǒng)仿真，除了通過數學建模完成對其通信系統(tǒng)的仿真分析，還要通過對設備使用環(huán)境進行物理仿真，以確保設備在真實環(huán)境下的運轉情況。

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

[1] 福州大學《系統(tǒng)仿真技術》研究生課程

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