計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)緒論

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1、高等學(xué)校規(guī)劃教材計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)吳旭光楊惠珍王新民編著化學(xué)工業(yè)出版社第一章緒論這一章將介紹計(jì)算機(jī)仿真的基本概念、它所包括的內(nèi)容以及發(fā)展?fàn)顩r，即我們將從橫向和縱向來闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真的內(nèi)涵。所有這些內(nèi)容將為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和以后更進(jìn)一步的研究建立一個(gè)基礎(chǔ)。1.1系統(tǒng)仿真的基本概念一、系統(tǒng)與模型一個(gè)系統(tǒng)可能非常復(fù)雜，也可能很簡單，因此很難給“系統(tǒng)”下一個(gè)確切的定義。因?yàn)檫@個(gè)定義不但能夠足以概括系統(tǒng)的各種應(yīng)用，而且又能夠簡明地把這個(gè)定義應(yīng)用于實(shí)際。但無論什么系統(tǒng)一般均具有4個(gè)重要的性質(zhì)，即整體性、相關(guān)性、有序性和動態(tài)性。系統(tǒng)就是一些

2、具有特定功能的、相互間以一定規(guī)律聯(lián)系著的物體所組成的一個(gè)總體。顯然，系統(tǒng)是一個(gè)廣泛的概念，毫無疑問它在現(xiàn)代科學(xué)研究和工程實(shí)踐中扮演著重要的角色。不同領(lǐng)域的問題均可以用系統(tǒng)的框架來解決。但究竟一個(gè)系統(tǒng)是由什么構(gòu)成的，這取決于觀測者的觀點(diǎn)。例如，這個(gè)系統(tǒng)可以是一個(gè)由一些電子部件組成的放大器；或者是一個(gè)可能包括該放大器在內(nèi)的控制回路；或者是一個(gè)有許多這樣回路的化學(xué)處理裝置；或者是一些裝置組成的一個(gè)工廠；或者是一些工廠的聯(lián)合作業(yè)形成的系統(tǒng)，而世界經(jīng)濟(jì)就是這個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境。1.1系統(tǒng)仿真的基本概念首先，必須明確系統(tǒng)的整體性。也就是說，它作

3、為一個(gè)整體，各部分是不可分割的。就好像人體，它由頭、身軀、四肢等多個(gè)部分組成，如果把這些部分拆開，就不能構(gòu)成完整的人體。至于人們熟悉的自動控制系統(tǒng)，其基本組成部分(控制對象、測量元件、控制器等)同樣缺一不可。整體性是系統(tǒng)的第一特性。其次，要明確系統(tǒng)的相關(guān)性。相關(guān)性是指系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間相互以一定的規(guī)律聯(lián)系著，它們之間的特定關(guān)系形成了具有特定性能的系統(tǒng)。有時(shí)系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，而呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系。也正是由于這種非線性，才構(gòu)成了我們這個(gè)多彩的世界。對于復(fù)雜的非線性關(guān)系，必須研究其復(fù)雜性與整體性。再以人體

4、為例，人的雙眼視敏度是單眼視敏度的6～10倍。此外，雙眼有立體感，而單眼卻無此特點(diǎn)。這就是一種典型的非線性特征，因此相關(guān)性是系統(tǒng)的第二特性，也是目前系統(tǒng)研究的主要問題。1.1系統(tǒng)仿真的基本概念除整體性和相關(guān)性外，系統(tǒng)還具有有序性和動態(tài)性。比如，生命是一種高度有序的結(jié)構(gòu)，它所具有的復(fù)雜功能組織，與現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn)的“裝配線”非常相似，這是一種結(jié)構(gòu)上的有序性，對任何系統(tǒng)都是適用的。又如圖1.1.1所示，一個(gè)非平衡系統(tǒng)如果經(jīng)過分支點(diǎn)A、B到達(dá)C，那么對C態(tài)的解釋就必須暗含著對A態(tài)和B態(tài)的了解。這就是系統(tǒng)的動態(tài)性。圖1.1.1系統(tǒng)的動

5、態(tài)性1.1系統(tǒng)仿真的基本概念建立系統(tǒng)概念的目的在于深入認(rèn)識并掌握系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律。因此不僅要定性地了解系統(tǒng)，還要定量地分析、綜合系統(tǒng)，以便能更準(zhǔn)確地解決工程、自然界和現(xiàn)代社會中的種種復(fù)雜問題。定量地分析、綜合系統(tǒng)最有效的方法是建立系統(tǒng)的模型，并使用高效的數(shù)值計(jì)算工具和算法對系統(tǒng)的模型進(jìn)行解算。采用模型法分析系統(tǒng)的第一步是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所謂數(shù)學(xué)模型就是把關(guān)于系統(tǒng)的本質(zhì)部分信息，抽象成有用的描述形式，因此抽象是數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)在建模中扮演著十分重要的角色，馬克思說過：“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到完善的地步。”

6、例如集合的概念是建立在抽象的基礎(chǔ)上的，共同的基礎(chǔ)使集合論對于建模過程非常有用。這樣，數(shù)學(xué)模型可以看成是由一個(gè)集合構(gòu)造的。1.1系統(tǒng)仿真的基本概念數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用無論是在純科學(xué)領(lǐng)域還是在實(shí)際工程領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，但通常認(rèn)為一個(gè)數(shù)學(xué)模型有兩個(gè)主要的用途：首先，數(shù)學(xué)模型可以幫助人們不斷地加深對實(shí)際物理系統(tǒng)的認(rèn)識，并且啟發(fā)人們?nèi)ミM(jìn)行可以獲得滿意結(jié)果的實(shí)驗(yàn)；其次，數(shù)學(xué)模型有助于提高人們對實(shí)際系統(tǒng)的決策和干預(yù)能力。數(shù)學(xué)模型按建立方法的不同可分為機(jī)理模型，統(tǒng)計(jì)模型和混合模型。機(jī)理模型采用演繹方法，運(yùn)用已知定律，用推理方法建立數(shù)學(xué)模型；統(tǒng)

7、計(jì)模型采用歸納法，它根據(jù)大量實(shí)測或觀察的數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)的規(guī)律估計(jì)系統(tǒng)的模型；混合模型是理論上的邏輯推理和實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的模型。按所描述的系統(tǒng)運(yùn)動特性和運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具特征，數(shù)學(xué)模型可分類為線性、非線性、時(shí)變、定常、連續(xù)、離散、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定、隨機(jī)等系統(tǒng)模型。1.1系統(tǒng)仿真的基本概念二、仿真隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“仿真”的概念不斷得以發(fā)展和完善，因此給予仿真一個(gè)清晰和明了的定義是非常困難的。但一個(gè)通俗的系統(tǒng)仿真基本含義是指：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的模型，對它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便理解和評價(jià)系

8、統(tǒng)的各種運(yùn)行策略。而這里的模型是一個(gè)廣義的模型，包含數(shù)學(xué)模型、非數(shù)學(xué)模型、物理模型等等。顯見，根據(jù)模型的不同，有不同方式的仿真。從仿真實(shí)現(xiàn)的角度來看，模型特性可以分為連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)兩大類。由于這兩類系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律差異很大，描述其運(yùn)動規(guī)律的模型也有很大的不同，因此相應(yīng)的