計算機仿真技術的發展

  計算機仿真就是建立系統數學模型, 并利用該模型在計算機上運行,進行系統科學實驗研究的全過程。 自50年代初, 美國人Aaron借助大型的電子管計算機, 并利用最小二乘法進行濾波器這樣的線性網絡設計以來, 仿真技術的發展已近半個世紀。 計算機仿真應用早期局限在國防科技和軍工部門(如航天,航空,核能等), 而如今深入到科學研究,工程設計,輔助決策,系統優化等各個方面, 使人們的許多傳統觀念和方法產生了重大變革。計算機仿真技術被稱為繼科學理論和實驗研究后的第三種認識和改造世界的工具,計算機技術的發展,計算數學的成熟, 使計算機仿真技術成為一種工程領域必不可少的重要設計手段,它的應用可以大大地縮短產品的開發周期和降低產品開發的成本, 從而提高產品的競爭力。

  傳統的設計方法往往是通過反復的試制樣品(物理成型)和實驗來分析該系統是否達到設計要求, 因此在設計過程中大量的人力和物力投入在樣品的試制和試驗上。 隨著計算機仿真技術的發展, 在工程系統的設計開發中, 大量地采用了數字成型的方法, 即通過建立系統的數字模型, 通過計算機仿真使得大量的產品設計的問題的發現和解決在物理成型之前就得到處理, 從而極大地減少反復物理成型的人力和物力的投入, 使我們可以在最短的時間以最低的成本將新產品投放到市場, 是我們在競爭日益激烈的市場上占的先機。 正是由于計算機仿真技術的這種優越性, 在國外, 計算機仿真技術已經充分地被各大公司應用到產品的設計, 開發和改進中。


  早期的計算機仿真技術需要仿真人員自己推導系統的數學模型, 應用編程語言將數學模型轉化成為計算機能夠直接運算的程序。 應用此法設計仿真程序, 不僅要求仿真人員須精通所采用的計算機語言, 還使他們將大量的時間和精力耗費在程序的編寫和調試上, 而不能致力于對系統模型和仿真方法的研究。 為了使仿真人員擺脫復雜的程序設計, 從20世紀60~70年代, 就有人發展了面向仿真問題的仿真專用語言。它采用簡單的方式(即仿真人員熟悉的描述問題的方式)來表達仿真中常用的算法或控制流程。早期的仿真語言有CSMP,CSSL,DSL,MIMC等, 應用十分廣泛。 20世紀80年代美國一家軟件公司推出一種面向科學和工程計算的語言。 它以矩陣運算為基礎, 把計算,可視化及程序設計融合到了一個交互的工作環境中, 可以實現工程計算,算法研究,建模和仿真,數據分析及可視化,科學和工程繪圖,應用程序開發等功能。這些通用的計算機仿真軟件系統的主要特點是:


  1. 提供了方便的數學模型建立工具,使用者可方便地在計算機上建立自己的數學模型。
  2. 定義了一些典型,通用和專用的非線性函數,加速數學模型的建立過程。
  3. 提供多種數值計算方法。
  4. 提供靈活,方便和直觀的多種輸出格式。
  5. 具有友好的窗口式人機界面等。


  然而這些仿真語言的還是基于提供給仿真人員一種更方便的數學模型在計算機中的表達方式, 通過仿真語言這個中介, 使得仿真人員可以跟方便地把數學模型轉化到計算機中去運算。 因此, 還是需要專門的仿真人員進行操作,因此數學模型的建立還是需要仿真人員來進行。



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