计算机仿真概述

计算机仿真

概述

引言

仿真技术作为一门独立的科学已经有50多年的发展历史了，他不仅用于航天、航空、各种系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、交通运输、通信、化工、核能等各个领域。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已从传统的工程领域扩充到非工程领域，因而在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育系统也得到了广泛的应用。

在系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段，仿真技术都可以发挥重要作用。随着研究对象的规模日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈高的要求。基于现代计算机及其网络的仿真技术，不但能提高效率，缩短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制，而且对保证安全、节约开支、提高质量尤其具有突出的功效。

现在，仿真技术成已为各个国家重点发展的一门高新技术，从某种角度上，它代表着一个国家的科技实力的强弱，同时在某些方面也制约着一些国家的现代化建设和发展。

从理论上讲，我们日常生活中以及自然界中碰到的一切问题，都可以利用计算机进行模拟。因此，要跟上时代的发展要求，学习和了解一定的仿真技术是必要的。

一、系统、模型与仿真

在认识仿真之前，首先要了解与仿真相关的两个概念：系统与模型。

系统：一般来说，所谓“系统”就是指按照某些规律结合起来，相互作用、相互依赖、相互依存的所有实体的集合。描述系统的“三要素”――实体、属性、活动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，用来描述每一实体的特性；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的过程。举个例子说，我们可以把一个理发馆定义为一个系统。该系统的“实体”包括服务员和顾客，顾客到达模式和服务质量分别是顾客和服务员两个实体的“属性”，而整个服务过程就是“活动”。

模型：所谓“模型”就是系统某种特定功能的一种描述，它集合了系统必要的信息，通过模型可以描述系统的本质和内在的关系。它一般分为物理模型和数学模型两大类。物理模型与实际系统有相似的物理性质，它们与实际系统外貌相似，只不过按比例改变尺寸，如各种飞机、轮船的模型等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部各个量之间的关系而建立的模型，这样的模型通常是一些数学方程。如带电粒子在电场中运动的数学模型，我们关心的是粒子的速度、位移随时间的变化。于是我们将系统的特征如电场强度，时间，粒子

的荷质比全部数量化，根据动力学列出它们之间的关系，也就是数学模型：

dv qE

=（1）

dt m

dx

v

=（2）

dt

一般的计算机模拟模型都是数学模型。

有了以上的知识，我们就可以得出仿真的定义：明确研究系统，建立系统模型，然后在模型上进行试验，这一过程称为仿真。

二、仿真的意义及目的

仿真的目的在于：在系统研制之前用于规划、评价和研究，通过系统仿真可以评价系统某一部分的性能，可以估价系统各个部分或各个分系统之间的相互影响，以及它们对整体性能的影响，可以比较各种设计方案，从中获得最佳设计；在系统研制中间用于设计和精密分析，可以对一些新建的理论、假设进行校验；在系统研制成功后则用于考核设计和训练系统的操作人员等。

可能有人会说，这些事情在真实系统上做不是更好吗？为什么要仿真呢？主要原因在于：

（1）系统还处在设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的实验来了解。

（2）在真实系统上进行实验可能会引起系统破坏或是发生故障，例如，对于一个真实的化工系统或是电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险。

（3）需要进行多次试验时，难以保证多次系统试验的条件都相同，因而无法准确判断试验结果的优劣；

（4）系统试验时间太长或费用昂贵；

早期的仿真主要是物理仿真（或称实物仿真），采用的模型是物理模型，物理仿真的优点是直观、形象化，如柴油机模型，建筑物模型等。但是要为系统构造一套物理模型，尤其是十分复杂的系统，将花费很大的投资，周期也很长。另外，在物理模型上做实验，很难修改其中的参数，改变系统结构也比较空难，而且它对实际的贡献并不大。至于社会、经济现象和生态系统就更无法用实物来做仿真实验了。故现在广泛采用的是数字仿真，为所研究的系统建立合适的数学模型，通过计算机求出相应的数值解并作出相应的二维或三维图象、动画。

在某些系统的研究中，还把数学模型与物理模型以及实物结合起来一起实验，这种仿真称为数学——物理仿真，或称为半实物仿真。

现在我们说的计算机仿真主要是数字仿真，或是半实物仿真。它主要包括三个要素：系统、系统模型与计算机。联系这些要素的三个基本活动是：模型的建立（抽象出数学关系式、仿真模型的建立（选择合适的算法）和仿真实验（运行程序并进行分析）。

计算机仿真主要研究数字仿真方法、仿真语言和仿真技术、仿真计算机及其应用。仿真方法是包括仿真算法、仿真模型的建立、仿真模型的误差计算以及仿真算法的选择等；仿真语言是指仿真的程序设计；仿真技术是研究系统最优化的问题；仿真计算机则是研究仿真专用计算机的结构和特点。

三、仿真的主要类型

1、根据被研究系统的特征可以分为两大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对系统状态变量随时间连续变化，其基本特点是能用一组方程来描述。离散事件系统仿真则是指系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统。在两个事件之间状态变量保持不变，也即是离散变化的，这类系统的数学模型一般很难用数学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。

2、按使用的计算机分类，则有：1）模拟计算机仿真。由于模拟计算机能快速解算常微分方程，所以当采用模拟计算机仿真时，应设法建立描述系统特性的连续时间模型。由于在模拟计算机上进行的计算是“并行的”，因此运算速度快。当参数变化时，容易掌握解的变化，这些是主要优点；主要缺点是：在处理多变t时或非线性较强的场合，对于偏微分方程难以求得高精度的解。2）数字计算机仿真。60年代后，由于数字计算机的发展，它已逐步取代早期采用的模拟计算机，而成为仿真技术的主要工具，它适用于把数学模型当作数字计算问题，用求解的方法进行处理，而且由于数值分析及软件的发展，使数字式仿真领域不断扩大，由于数字计算机不仅能解算常微分方程，而且还有较强的逻辑判断能力，所以数字式仿真可以应用于任何领城。如系统动力学问题，系统中的排队、管理决策问题。主要缺点是计算速度不如模拟式仿真。但近年来已开发了大量数字仿真的软件，因而提高了仿真工作的自动化程度。③混合计算机仿真。这是一种将模拟式仿真与数字式仿真的优点结合起来，通过一套混合接口(如A/D，D/A转换器)组合在一起的混合计算机系统。它兼有模拟计算机的快速性及数字计算机的灵活性，它不仅能解决系统的动力学间题，而且也能解决许多排队、管理决策等问题，并且还包括流程图形式的模型。这种仿真的结果是模拟模型和数字模型的最优系统，混合式仿真最近也应用于解偏微分方程和求最优值的问题。缺点是造价昂贵，难