現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究與發(fā)展結(jié)業(yè)論文

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究與發(fā)展結(jié)業(yè)論文

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1、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究與發(fā)展摘 要:討論了基于模型活動(dòng)的仿真概念,現(xiàn)代仿真方法學(xué)所涉及的系統(tǒng)建模方法、仿真建模方法和仿真實(shí)驗(yàn),仿真建模中的常用算法和有關(guān)問(wèn)題,仿真可信度概念及其研究?jī)?nèi)容。文章最后探討了現(xiàn)代仿真技術(shù)的研究熱點(diǎn):面向?qū)ο蠓抡?、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等。關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī);系統(tǒng);建模;仿真計(jì)算機(jī)仿真(ComputrSimulation)(或稱系統(tǒng)仿真—Systemsimulation)[1—2]作為分析和研究系統(tǒng)運(yùn)行行為、揭示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種重要手段和方法,隨著系統(tǒng)科學(xué)研究的深入、控制理論、計(jì)算技

2、術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。近年來(lái),隨著信息處理技術(shù)的突飛猛進(jìn),使仿真技術(shù)得到迅速發(fā)展。本文根據(jù)作者的研究體會(huì),試圖從仿真的含義入手,討論現(xiàn)代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等,為在系統(tǒng)仿真中合理、有效地運(yùn)行仿真新方法和新技術(shù)做一些探索。1 仿真方法學(xué)研究“仿真是一種基于模型的活動(dòng)”[3],它涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。成功進(jìn)行仿真研究的關(guān)鍵是有機(jī)、協(xié)調(diào)地組織實(shí)施仿真全生命周期的各類活動(dòng)[4]。這里的“各類活動(dòng)”,就是“系統(tǒng)建模”、“仿真建?!薄ⅰ胺抡鎸?shí)驗(yàn)”,而聯(lián)系這些活動(dòng)的要素是“系統(tǒng)”、“模型”、“計(jì)算機(jī)”。其中:系統(tǒng)是研究的對(duì)

3、象,模型是系統(tǒng)的抽象,仿真是通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)達(dá)到研究的目的。要素與活動(dòng)的關(guān)系如圖1所示。圖1 仿真的三要素和三項(xiàng)基本活動(dòng)傳統(tǒng)上,“系統(tǒng)建?!边@一活動(dòng)屬于系統(tǒng)辯識(shí)技術(shù)范疇,仿真技術(shù)則側(cè)重“仿真建模”,即針對(duì)不同形式的系統(tǒng)模型研究其求解算法,使其在計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)。至于“仿真實(shí)驗(yàn)”這一活動(dòng),通常只注重其“仿真程序”的檢驗(yàn)(verification),至于如何將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的行為進(jìn)行比較這一根本性問(wèn)題(validation)缺乏從方法學(xué)的高度進(jìn)行研究。現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重要進(jìn)展是將仿真活動(dòng)擴(kuò)展到上述三個(gè)方面,并將其統(tǒng)一到同環(huán)境中[5]。Oren[3]將上述思

4、想加以總結(jié),提出了現(xiàn)代仿真方法的概念框架,如圖2所示。圖2 現(xiàn)代仿真的概念示意圖比較圖1,概念框架圖中的“仿真問(wèn)題描述”對(duì)應(yīng)于“仿真建?!?“行為產(chǎn)生”對(duì)應(yīng)于“仿真實(shí)驗(yàn)”,只是將仿真輸出獨(dú)立于行為產(chǎn)生;“模型行為及其處理”相應(yīng)于輸出處理。現(xiàn)代仿真技術(shù)的重要進(jìn)展主要體現(xiàn)在:(1)系統(tǒng)建模方面:傳統(tǒng)上,多通過(guò)實(shí)驗(yàn)辯識(shí)來(lái)建立系統(tǒng)模型。近十幾年來(lái),系統(tǒng)辯識(shí)技術(shù)得到飛速發(fā)展。在辯識(shí)方法上有時(shí)域法、頻域法、相關(guān)分析法、最小二乘法等;在技術(shù)手段上有系統(tǒng)辯識(shí)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)辯識(shí)、系統(tǒng)模型參數(shù)辯識(shí)、系統(tǒng)模型檢驗(yàn)等。除此之外,近年來(lái)還提出了用仿真方法確定實(shí)際系統(tǒng)模型的方法;基于模型

5、庫(kù)的結(jié)構(gòu)化建模方法:面向?qū)ο蠼7椒ǖ取L貏e是對(duì)象建模,可在類庫(kù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型的拼合與重用。(2)仿真建模方面:除了適應(yīng)計(jì)算機(jī)軟、硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究新算法和開(kāi)發(fā)新軟件外,現(xiàn)代仿真技術(shù)采用模型與實(shí)驗(yàn)分離技術(shù),即模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(datadriven)。將模型分為參數(shù)模型和參數(shù)值,以便提高仿真的靈活性和運(yùn)行效率。(3)仿真實(shí)驗(yàn)方面:現(xiàn)代仿真技術(shù)將實(shí)驗(yàn)框架與仿真運(yùn)行控制區(qū)分開(kāi)。其中,實(shí)驗(yàn)架用來(lái)定義條件,包括模型參數(shù)、輸入變量、觀測(cè)變量、初始條件、輸出說(shuō)明。這樣,當(dāng)需要不同形式的輸出時(shí),不必重新修改仿真模型,甚至不必重新仿真運(yùn)行。正是由于現(xiàn)代仿真方法學(xué)的建立,特別是模擬

6、可重用性(Reusability)、面向?qū)ο蠓椒?ob2jectoriented)和應(yīng)用集成(ApplicationIntesration)等新技術(shù)的應(yīng)用,使得仿真、建模與實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一到一個(gè)集成環(huán)境這中,構(gòu)成一個(gè)和諧的人機(jī)交互界面。2 仿真算法研究仿真算法研究是計(jì)算機(jī)仿真中的重要內(nèi)容。仿真算法主要研究:算法的收斂性和數(shù)值的穩(wěn)定性、算法精度、算法速度、實(shí)時(shí)性等。目前,這些方面研究較為成熟的常用算法有:(1)基于微分方程的數(shù)值解的數(shù)值積分法。如RungeKutta法、AdameBashforth顯示式法、AdameMoutton隱式公式法、Hamming積分法和Adama

7、預(yù)測(cè)—校正公式法,等等。這類算法中影響積分精度的主要因素是積分方法和計(jì)算步長(zhǎng)。(2)基于狀態(tài)方程的(如離散相似法)求解算法,可歸結(jié)于求矩陣指數(shù)eAT。求矩陣指數(shù)的算法很多,較多使用的是級(jí)數(shù)展開(kāi)法。如泰勒級(jí)數(shù)[6]展開(kāi)法、派德(Pade)逼近法等。不過(guò),對(duì)于線__性病態(tài)系統(tǒng)的仿真[7],為了確保算法的有效性(即可靠性),通常不直接使用這兩種算法,而是先進(jìn)行一些特殊處理。例如,目前最常采用的縮方與乘方[8]、蛙跳[9]算法等。(3)非線性病態(tài)系統(tǒng)的仿真算法。在非線性病態(tài)仿真中涉及穩(wěn)定域的穩(wěn)定、病態(tài)性的判別和切換,目前常用的算法有吉爾(Gear)[10]法、特雷爾(Tr

8、eanor

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