本书首先讲述系统仿真技术相关定义、应用及分类、系统仿真基础知识、名词术语和仿真中常用的计算机操作系统、编程语言、开发环境及数据库。在较系统地讲述系统仿真技术基本概念、一般原理、方法的基础上，重点讲述工程领域中连续系统的建模方法，突出工程系统实时仿真的建模/仿真原理、方法，并结合国防科研中的应用实例，理论联系实际，促进学生创新意识和科研实践能力的培养。

本书可作为系统仿真科学与技术及其相关学科的本科生教材，还可供相关专业研究生和工程技术人员参考。

本书介绍系统仿真定义、应用及分类，系统仿真基础知识、名词术语和仿真计算机系统常用的操作系统、编程语言、开发环境及与仿真应用有关的数据库知识。在较系统地讲述系统仿真技术基本概念、一般原理及方法的基础上，重点讲述工程领域中连续系统的建模/仿真方法，包括连续系统数学模型、连续系统仿真数值积分方法、连续系统离散化仿真、随机控制系统仿真；突出实时仿真系统的建模/仿真，包括半实物仿真和人在回路仿真的原理、方法、系统组成与典型系统分析。同时讲述了近年来迅速发展的分布式仿真技术的原理、规范、平台级分布交互仿真系统及其应用。本书对虚拟现实（VR）技术的定义、组成、特点，三维实时图像的建模、显示原理，虚拟空间声音的建模、显示方法，动感、力感反馈原理及实现方法进行了讲述，使读者初步了解虚拟现实技术如何在系统仿真中应用，以及如何去开发各种应用系统。由于仿真可信度是仿真应用的基础，本书就建模/仿真的VV&A（校核、验证与确认）技术进行了较系统的讲述。最后一章对常用的数学建模/仿真工具MATLAB软件包的主要功能、使用方法进行了简介，便于读者进一步学习和应用。

为便于读者学习和掌握本书主要内容，每一章都配有习题。

本书可作为系统仿真科学与技术及其相关学科的本科生教材，还可供相关专业研究生和工程技术人员参考。

第1章 绪论

1.1 系统仿真技术及应用1

1.1.1 系统仿真技术定义1

1.1.2 系统仿真技术在复杂产品研制中的应用4

1.1.3 系统仿真技术在操作人员培训中的应用6

1.2 仿真分类及任务8

1.2.1 按被仿真对象性质分类——连续系统仿真和离散事件系统仿真8

1.2.2 按功能及用途分类——工程仿真和训练仿真9

1.2.3 按仿真系统体系结构分类——单平台仿真和多平台分布交互仿真9

1.2.4 按分布仿真中虚实结合程度分类——构造仿真、虚拟仿真、实况仿真9

1.2.5 按仿真时钟与墙钟时间（自然时间）的比例关系分类——实时仿真、欠实时仿真

和超实时仿真10

1.2.6 按系统数学模型描述方法分类——定量仿真和定性仿真10

1.3 工程领域连续系统仿真方法分类及任务11

1.3.1 数学仿真11

1.3.2 硬件在回路仿真11

1.3.3 软件在回路仿真11

1.3.4 人在回路仿真12

1.4 现代建模/仿真技术的应用及发展12

1.4.1 现代建模/仿真技术12

1.4.2 现代建模/仿真技术体系13

第2章 系统仿真基础知识

2.1 名词术语16

2.1.1 数学模型16

2.1.2 仿真模型16

2.1.3 实时仿真17

2.1.4 分布交互仿真17

2.1.5 高层体系结构17

2.1.6 建模/仿真的校核、验证与确认18

2.1.7 基于仿真的采办18

2.1.8 虚拟样机19

2.1.9 虚拟制造19

2.1.10 仿真网格19

2.1.11 虚拟现实技术20

2.2 操作系统、编程语言/开发环境的比较与选择20

2.2.1 操作系统20

2.2.2 编程语言及开发环境25

2.2.3 面向对象建模方法及统一建模语言（UML）28

2.3 数据库、模型库32

2.3.1 仿真系统中常用的数据库及特点32

2.3.2 仿真系统数据库、模型库的开发、管理及应用36

习题39

参考文献39

第3章 连续系统数学模型

3.1 引言40

3.2 常用确定性连续系统数学模型40

3.2.1 数学模型40

3.2.2 数学模型间的转换41

3.3 离散时间系统数学模型48

3.3.1 差分方程48

3.3.2 z传递函数48

3.3.3 离散状态空间表达式48

3.3.4 离散系统结构图48

3.3.5 关于采样系统49

3.4 随机系统数学模型50

3.4.1 连续随机系统描述方法50

3.4.2 离散随机系统描述方法50

3.4.3 随机系统建模/仿真中的专门问题51

习题51

参考文献52

第4章 连续系统仿真的数值积分法

4.1 数值积分法原理53

4.2 欧拉方法54

4.2.1 欧拉法54

4.2.2 改进欧拉法54

4.2.3 几个基本概念56

4.3 龙格库塔法58

4.3.1 龙格库塔法的基本原理58

4.3.2 固定步长的龙格库塔法59

4.3.3 龙格库塔法的稳定区61

4.3.4 实时龙格库塔法公式63

4.3.5 变步长龙格库塔法64

4.4 亚当姆斯法66

4.4.1 亚当姆斯显式公式66

4.4.2 亚当姆斯隐式公式67

4.4.3 预估校正公式68

4.4.4 亚当姆斯法的稳定区69

4.5 刚性方程的数字仿真70

4.5.1 刚性方程70

4.5.2 吉尔法71

4.5.3 单步多值法的误差估计75

4.5.4 单步多值法阶与步长的控制76

4.6 计算方法和计算步长的选择77

4.6.1 积分方法的选择77

4.6.2 计算步长的选择79

习题80

参考文献80

第5章 连续系统的离散化仿真

5.1 替换法81

5.1.1 简单替换法82

5.1.2 双线性变换法83

5.2 根匹配法87

5.2.1 根匹配法的步骤87

5.2.2 根匹配法的稳定性和精度90

5.3 离散相似法93

5.3.1 离散相似法的含义和特点93

5.3.2 离散相似法的精度和稳定性95

5.4 状态方程的离散化101

5.4.1 离散化模型的推导102

5.4.2 状态转移矩阵的近似计算103

5.5 增广矩阵法107

5.5.1 增广矩阵法的基本思想107

5.5.2 不同输入信号下的增广状态方程107

5.6 面向结构图的数字仿真112

5.6.1 连接矩阵法113

5.6.2 例题115

习题118

参考文献119

第6章 随机控制系统仿真

6.1 随机控制系统概述120

6.1.1 随机控制系统模型120

6.1.2 随机控制系统仿真的专门问题121

6.1.3 随机控制系统仿真方法130

6.1.4 仿真结果统计特性计算132

6.2 蒙特卡罗仿真法133

6.2.1 仿真原理及仿真算法133

6.2.2 仿真结果分析136

6.3 伴随系统仿真法136

6.3.1 仿真原理137

6.3.2 伴随系统在确定性控制系统仿真中的应用142

6.3.3 伴随系统在随机控制系统仿真中的应用146

习题149

参考文献149

第7章 实时仿真系统

7.1 实时仿真系统概述150

7.1.1 实时仿真系统分类150

7.1.2 实时仿真系统基本组成及特点151

7.2 硬件在回路仿真——半实物仿真系统153

7.2.1 半实物仿真概述153

7.2.2 半实物仿真主要物理效应设备154

7.2.3 飞行器半实物仿真系统157

7.2.4 制导武器半实物仿真系统158

7.3 人在回路仿真160

7.3.1 人在回路仿真概述160

7.3.2 人在回路仿真系统——飞行模拟器160

7.3.3 飞行模拟器结构、原理和仿真模型161

7.3.4 飞行模拟器环境仿真关键设备165

7.4 平台级分布交互仿真系统169

7.4.1 分布交互仿真标准、协议和通信机制170

7.4.2 应用实例——航空兵攻防对抗仿真系统和基于网络的飞行仿真器181

习题186

参考文献186

第8章 虚拟现实技术及其在系统仿真中的应用

8.1 概述188

8.1.1 虚拟现实（VR）技术的产生、定义、特点及系统组成188

8.1.2 人机多维信息交互原理及显示方式193

8.1.3 VR系统人机接口198

8.2 视觉反馈原理及三维图像生成206

8.2.1 计算机实时三维图像生成基本过程206

8.2.2 三维图像数字化建模206

8.2.3 坐标变换207

8.2.4 剪裁与消隐209

8.2.5 纹理与光照效果209

8.2.6 立体成像210

8.2.7 视觉环境的构造方式214

8.3 三维虚拟声的生成原理与显示方法214

8.3.1 三维虚拟声的生成与显示214

8.3.2 声音的距离仿真216

8.3.3 声音的运动仿真216

8.3.4 三维虚拟声音的合成与定位217

8.3.5 三维音响的显示219

8.4 触觉/力感反馈系统220

8.4.1 触觉/力感反馈原理220

8.4.2 触觉/力反馈仿真设备221

8.4.3 虚拟操作及力反馈系统举例222

8.5 虚拟现实（VR）技术及在仿真系统中的应用224

8.5.1 VR技术在训练仿真器中的应用224

8.5.2 VR技术在虚拟样机及虚拟制造中的应用225

8.5.3 VR技术在虚拟战场中的应用227

8.5.4 VR技术在科普及娱乐中的应用229

8.5.5 虚拟人230

习题230

参考文献231

第9章 建模与仿真的VV&A技术

9.1 引言232

9.2 建模与仿真的VV&A232

9.2.1 VV&A概念232

9.2.2 VV&A的基本原则234

9.2.3 VV&A的工作过程236

9.2.4 V&V的主要技术方法238

9.3 M&S、VV&A与T&E的关系242

9.3.1 M&S与T&E的关系242

9.3.2 VV&A与T&E的关系243

9.4 飞行模拟器的VV&A与T&E过程244

习题246

参考文献246

第10章 系统建模/仿真工具——MATLAB

10.1 MATLAB功能简介247

10.1.1 MATLAB的基本计算功能247

10.1.2 图形与可视化248

10.1.3 控制系统模型与分析251

10.2 图形建模/仿真环境——SIMULINK主要功能及应用实例257

10.2.1 SIMULINK模型库258

10.2.2 SIMULINK模型的建立及模型特点258

10.2.3 SIMULINK仿真运行259

10.2.4 SIMULINK应用实例261

10.3 SIMULINK实时代码生成方法及应用实例262

10.3.1 RTW代码自动生成和实时系统开发环境262

10.3.2 应用实例266

习题268

参考文献268