文档介绍：现代计算机仿真技术的研究与发展
院系:化工学院化工机械系
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现代计算机仿真技术的研究与发展
摘要: 讨论了基于模型活动的仿真概念, 现代仿真方法学所涉及的系统建模方法、仿真建模方法和仿真实验, 仿真建模中的常用算法和有关问题, 仿真可信度概念及其研究内容。文章最后探讨了现代仿真技术的研究热点: 面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。
关键词: 计算机; 系统; 建模; 仿真
putr Simulation) (或称系统仿真—System simulation) [ 1—2 ]作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。本文根据作者的研究体会, 试图从仿真的含义入手, 讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等, 为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。
1 仿真方法学研究
“仿真是一种基于模型的活动”[ 3 ] , 它涉及多学科、多领域的知识和经验。成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动[ 4 ]。这里的“各类活动”, 就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”, 而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中:系统是研究的对象, 模型是系统的抽象, 仿真是通过对模型的实验来达到研究的目的。要素与活动的关系如图1 所示。
图1 仿真的三要素和三项基本活动
传统上,“系统建模”这一活动属于系统辩识技术范畴,仿真技术则侧重“仿真建模”, 即针对不同形式的系统模型研究其求解算法, 使其在计算机上得以实现。至于“仿真实验”这一活动, 通常只注重其“仿真程序”的检验(verification) , 至于如何将仿真实验结果与实际系统的行为进行比较这一根本性问题(validation) 缺乏从方法学的高度进行研究。
现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面, 并将其统一到同环境中[ 5 ]。O ren[ 3 ]将上述思想加以总结, 提出了现代仿真方法的概念框架, 如图2 所示。
图2 现代仿真的概念示意图
比较图1, 概念框架图中的“仿真问题描述”对应于“仿真建模”;“行为产生”对应于“仿真实验”
, 只是将仿真输出独立于行为产生;“模型行为及其处理”相应于输出处理。现代仿真技术的重要进展主要体现在:
(1) 系统建模方面: 传统上, 多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等; 在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外, 近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法; 基于模型库的结构化建模方法: 面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。
(2) 仿真建模方面: 除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软件外, 现代仿真技术采用模型与实验分离技术, 即模型数据驱动(data driv