Особенности имитационного моделирования

Пример1.

Модель 1-разработать внешний дизайн автомобиля.

Модель 2- установить предельные прочностные характеристики автомобиля при движении по пересеченной местности.

Модель 3- разработать оптимальный режим подачи топлива в двигатель автомобиля в зависимости от температурного режима окружающей среды и режима движения.

Несмотря на то что во всех трех случаях материальный объект (прототип) для моделирования и тот же, цели моделирования разные, соответственно, и вид модели определяется заданной целью.

Пример 2.

Модель 1- трехмерная геометрическая модель автомобиля, отображающая текстуру и цвет покрытия, а также учитывающая дизайн осветительной системы.

Модель 2- модель автомобиля, имитирующая прочностные характеристики его основных узлов при движении в различных режимах с учетом максимальных нагрузок.

Модель 3- модель топливной системы автомобиля с возможностью изменения параметров подачи топлива и режимов работы двигателя.

После определения цели моделирования следует этап тщательного исследования модели и описания полученных при исследовании результатов на формальном языке. На этом этапе формируется, возможно, более полное описание объекта: выделяются его элементы, устанавливаются связи между ними, вычленяются существенные для исследования характеристики, выявляются параметры, изменение которых влияет или может влиять на объект. На том же этапе формируются подлежащие последующей проверке гипотезы о закономерностях, присущих изучаемому объекту, о характере влияния на него изменения тех или иных параметров и связей между элементами.

 

Разработка модели

 

На основе анализа результатов, полученных во время постановки задачи, формируется информационная модель. На данном этапе исходные предположения переводятся на однозначный (обычно математический) язык количественных соотношениний и устраняются нечеткие, неоднозначные высказывания или определения. Завершается этап получением информационной модели объекта. Информационная модель может быть представлена в виде таблиц с данными, набора математических соотношений, диаграмм и графиков, логических высказываний и других формальных описаний. Для каждой из трех моделей автомобиля требуются следующие данные:

Пример.

Модель 1- геометрические размеры автомобиля, список: материалов и покрытий, требования к максимальным и минимальным размерам тех или иных узлов.

Модель 2- схема крепления механических узлов автомобиля, описание прочностных характеристик отдельных узлов и деталей в математической форме,, таблица прочностных характеристик различных материалов.

Модель 3- описание в математической форме характеристик движения топлива по топливопроводу, таблица эмпирических замеров зависимости скорости подачи топлива от режимов работы двигателя и температуры внешней среды.

После того как все необходимые исходные данные собраны и формализованы производится построение компьютерной модели.

Пример.

Модель 1-построение компьютерной модели трехмерного дизайна автомобиля с возможностью вращения модели в любой плоскости с изменением освещения. Возможно построение вариантов дизайна с целью экспертной оценки наиболее подходящей модели.

Модель 2- построение имитационной модели работы механической части автомобиля во время движения по пересеченной местности. В имитационной модели такого рода большое количество составляющих модель блоков может быть описано аналитическими функциями, т.к. методика расчета характеристик узлов и механизмов из разных материалов детально проработана. Случайный характер будет носить изменение нагрузки во времени, имитирующее движение по ухабам.

Модель 3- построение модели взаимодействия двигателя и топливной системы автомобиля. В этом случае в имитационной модели будет множество элементов со стохастическим и аппроксимированным характером моделирования. Это связано с тем, что вариации качества топлива, изменения вязкости масла, скорость прохождения горюче-смазочных материалов по топливной систем во время процесса сгорания горючего в двигателе можно оценить только приблизительно.

 

Проведение компьютерного эксперимента

 

В зависимости от того, какой тип моделирования был выбран в соответствии с целью моделирования, компьютерный эксперимент может носить как кратковременный, так и долговременный характер.Его результаты можно использовать непосредственно для разработки изделия, или же они послужат основой для уточнения и корректировки самой модели.

Пример.

Модель 1- ряд моделей, разработанных дизайнером, просматривается экспертной группой, выбирается лучшая модель или делаются замечания по их улучшению.

Модель 2- прочностная модель автомобиля «проигрывается» путем изменения входных параметров, имитирующих дорогу с разным рельефом.

Модель 3-модель топливной системы автомобиля «проигрывается» при разных режимах работы двигателя и различной температуре внешней среды.

 

Анализ результатов моделирования

 

Анализ результатов моделирования заключается в установлении адекватности модели объекту исследования, то есть в определении степени сходства модели с её оригиналом. Успешный результат сравнения исследуемого объекта с моделью свидетельствует о достаточной степени изученности объекта, о правильности принципов, положенных в основу моделирования, о правильности алгоритма, моделирующего объект, то есть о том, то созданная модель работоспособна. Такая модель может быть использована для дальнейших более глубоких исследований объекта в новых условиях, в которых реальный объект еще не изучался.

Чаще всего первые результаты моделирования не удовлетворяют предъявленным требованиям. Это означает, что в одной из перечисленных позиций (изученность объекта, исходные принципы, алгоритм) имеются ошибки и неточности. Это требует проведения дополнительных исследований и соответствующего изменения компьютерной программы моделирования.

 

Основы имитационного моделирования

 

Существует целый класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. Сложность процессов происходящих в неидеальных системах, часто делает невозможной их формализацию. В этом случае, когда необходимо провести исследования сложных систем и строится имитационная модель. Экспериментирование с такой моделью называют имитацией.

Пример.

Работа системы подачи топлива и смазки в автомобиле даже в идеальном случае (постоянная температура, постоянные свойства топлива и смазки) с трудом может быть описана при помощи аналитических методов. Если же речь идёт о реальной системе, где плотность и вязкость жидкостей неоднородны и меняются в зависимости от множества факторов, где есть изменения температуры, то построение аналитической модели системы становится невозможным.

Суть имитационного моделирования состоит в следующем:

1. Система разбивается на большое количество функциональных блоков (декомпозиция).

2. Каждый блок заменяется моделью «черного ящика» с набором входов и выходов и функцией зависимости выходных параметров от входных.

3. В качестве функции преобразования может выступать аналитическое выражение, вероятностная функция или аппроксимирующая функция на основе экспериментальных данных.

4. Модели функциональных блоков объединяются в модель системы, которая имитирует поведение реальной сложной системы.

Основой имитационного моделирования являются процессы декомпозиции, определения функции каждого блока, преобразующей входные в выходные, и последующего построения модели, основанного на синтезе системы из полученных моделей функциональных блоков.

 

Особенности имитационного моделирования

Все имитационные модели представляют собой модели типа «черного ящика».  Это означает, что они обеспечивают выдачу некоего выходного сигнала системы, если взаимодействующие подсистемы поступает входной сигнал. Поэтому для получения необходимой информации или результатов необходимо осуществить «прогон» имитационных моделей, а не «решать» их. Имитационные модели не способны формировать решение в том виде, в каком это имеет место в аналитических моделях, а могут служить лишь средством анализа поведения системы, которые определяются экспериментатором.

Поскольку необходимо приспосабливать средство или метод к решению задачи, а не наоборот, возникает вопрос: в каких случаях такое моделирование полезно?

Исследователь должен рассмотреть целесообразность применения имитационнного моделирования при наличии любого из приведенных ниже условий:

1.Формализация модели невозможна либо еще не разработаны методы решения сформулированной математической модели. К такой категории относятся многие модели массового обслуживания, связанные с рассмотрением очередей.

2. Аналитические методы имеются, но математические процедуры слишком сложны и трудоемки. В этом случае имитационное моделирование позволяет получить более простое решения задачи.

3. Аналитические решения существуют, но их реализация невозможна из-за недостаточной математической подготовки имеющегося персонала. Тогда следует сопоставить затраты на проектирование, испытание и работу на имитационной модели с затратами, связанными с приглашением специалистов со стороны.

 

Вопросы

1 На какие категории можно разделить решаемые задачи.

2. Из какой последовательности состоит решение любой задачи.

3.Что такое универсальность модели.

4.Чем отличаются динамические и статические модели.

5.Что такое модульность модели.

4. Какой тип воздействия используется в стохастической системе.

5.Основные этапы компьютерного моделирования.

6.В каких случаях применяется имитационное моделирование.