模擬

利用模型復現實際系統中發生的本質過程，並通過對系統模型的實驗來研究存在於設計中的系統，又稱模擬。這裡所指的模型包括物理的和數學的，靜態的和動態的，連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛，包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統，也包括社會、經濟、生態、管理等系統。當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的後果時，模擬是一種特別有效的研究手段。模擬的重要工具是計算機。模擬與數值計算、求解方法的區別在於它首先是一種實驗技術。模擬的過程包括建立模擬模型和進行模擬實驗兩個主要步驟。

20世紀初模擬技術已得到應用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技術的發展推動了模擬技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為模擬技術提供了先進的工具，加速了模擬技術的發展。

利用計算機實現對於系統的模擬研究不僅方便、靈活，而且也是經濟的。因此計算機模擬在模擬技術中佔有重要地位。50年代初，連續系統的模擬研究絕大多數是在模擬計算機上進行的。50年代中，人們開始利用數字計算機實現數字模擬。計算機模擬技術遂向模擬計算機模擬和數字計算機模擬兩個方向發展。在模擬計算機模擬中增加邏輯控制和模擬存儲功能之後，又出現了混合模擬計算機模擬，以及把混合模擬計算機和數字計算機聯合在一起的混合計算機模擬。在發展模擬技術的過程中已研製出大量模擬程序包和模擬語言。70年代後期，還研製成功專用的全數字并行模擬計算機（見全數字模擬計算機）。

1.物性資料庫。包括模塊運行時所需的基礎物性數據、物性計算等。

2.單元操作模型庫。囊括模擬所需的模塊，每個模塊用包括物料平衡、能量平衡、相平衡、反應速率等方程在內的數學模型構成。

3.模型求解演演算法庫。包括各種數值求解演演算法，線性、非線性方程組的求解、參數擬合、最優化演演算法等等各種演演算法。

4.模擬環境及其輸入輸出。模擬環境是模型模擬運行的管理機構，控制著模擬的進行程度。

模擬可以按不同原則分類：

按所用模型的類型（物理模型、數學模型、物理－數學模型）分為物理模擬、計算機模擬（數學模擬）、半實物模擬；

按所用計算機的類型（模擬計算機、數字計算機、混合計算機）分為模擬模擬、數字模擬和混合模擬；

按模擬對象中的信號流（連續的、離散的）分為連續系統模擬和離散系統模擬；

按模擬時間與實際時間的比例關係分為實時模擬（模擬時間標尺等於自然時間標尺）、超實時模擬（模擬時間標尺小於自然時間標尺）和亞實時模擬（模擬時間標尺大於自然時間標尺）；

按對象的性質分為宇宙飛船模擬、化工系統模擬、經濟系統模擬等。

模擬模型是被模擬對象的相似物或其結構形式。它可以是物理模型或數學模型。但並不是所有對象都能建立物理模型。例如為了研究飛行器的動力學特性，在地面上只能用計算機來模擬。為此首先要建立對象的數學模型，然後將它轉換成適合計算機處理的形式，即模擬模型。具體地說，對於模擬計算機應將數學模型轉換成模擬排題圖；對於數字計算機應轉換成源程序。

通過實驗可觀察系統模型各變數變化的全過程。為了尋求系統的最優結構和參數，常常要在模擬模型上進行多次實驗。在系統的設計階段，人們大多利用計算機進行數學模擬實驗，因為修改、變換模型比較方便和經濟。在部件研製階段，可用已研製的實際部件或子系統去代替部分計算機模擬模型進行半實物模擬實驗，以提高模擬實驗的可信度。在系統研製階段，大多進行半實物模擬實驗，以修改各部件或子系統的結構和參數。在個別情況下，可進行全物理的模擬實驗，這時計算機模擬模型全部被物理模型或實物所代替。全物理模擬具有更高的可信度，但價格昂貴。

主要指的是模擬硬體和模擬軟體。模擬硬體中最主要的是計算機。用於模擬的計算機有三種類型：模擬計算機、數字計算機和混合計算機。數字計算機還可分為通用數字計算機和專用的數字計算機。模擬計算機主要用於連續系統的模擬，稱為模擬模擬。在進行模擬模擬時，依據模擬模型(在這裡是排題圖)將各運算放大器按要求連接起來，並調整有關的係數器。改變運算放大器的連接形式和各係數的調定值，就可修改模型。模擬結果可連續輸出。因此，模擬計算機的人機交互性好，適合於實時模擬。改變時間比例尺還可實現超實時的模擬。60年代前的數字計算機由於運算速度低和人機交互性差，在模擬中應用受到限制。現代的數字計算機已具有很高的速度，某些專用的數字計算機的速度更高，已能滿足大部分系統的實時模擬的要求，由於軟體、介面和終端技術的發展，人機交互性也已有很大提高。因此數字計算機已成為現代模擬的主要工具。混合計算機把模擬計算機和數字計算機聯合在一起工作，充分發揮模擬計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點。但這種系統造價較高，只宜在一些要求嚴格的系統模擬中使用。除計算機外，模擬硬體還包括一些專用的物理模擬器，如運動模擬器、目標模擬器、負載模擬器、環境模擬器等。

模擬軟體包括為模擬服務的模擬程序、模擬程序包、模擬語言和以資料庫為核心的模擬軟體系統。模擬軟體的種類很多，在工程領域，用於系統性能評估，如機構動力學分析、控制力學分析、結構分析、熱分析、加工模擬等的模擬軟體系統MSCSoftware在航空航天等高科技領域已有45年的應用歷史。

主要是指建立模擬模型和進行模擬實驗的方法，可分為兩大類：連續系統的模擬方法和離散事件系統的模擬方法（見模擬方法）。人們有時將建立數學模型的方法也列入模擬方法，這是因為對於連續系統雖已有一套理論建模和實驗建模的方法，但在進行系統模擬時，常常先用經過假設獲得的近似模型來檢驗假設是否正確，必要時修改模型，使它更接近於真實系統。對於離散事件系統建立它的數學模型就是模擬的一部分。

模擬技術得以發展的主要原因，是它所帶來的巨大社會經濟效益。50年代和60年代模擬主要應用於航空、航天、電力、化工以及其他工業過程式控制制等工程技術領域。在航空工業方面，採用模擬技術使大型客機的設計和研製周期縮短20%。利用飛行模擬器在地面訓練飛行員，不僅節省大量燃料和經費（其經費僅為空中飛行訓練的十分之一），而且不受氣象條件和場地的限制。此外，在飛行模擬器上可以設置一些在空中訓練時無法設置的故障，培養飛行員應付故障的能力。訓練模擬器所特有的安全性也是模擬技術的一個重要優點。在航天工業方面，採用模擬實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80%。在電力工業方面採用模擬系統對核電站進行調試、維護和排除故障，一年即可收回建造模擬系統的成本。現代模擬技術不僅應用於傳統的工程領域，而且日益廣泛地應用於社會、經濟、生物等領域，如交通控制、城市規劃、資源利用、環境污染防治、生產管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控制等。對於社會經濟等系統，很難在真實的系統上進行實驗。因此，利用模擬技術來研究這些系統就具有更為重要的意義。

在模擬硬體方面，從60年代起採用數字計算機逐漸多於模擬計算機。混合計算機系統在70年代一度停滯不前，80年代以來又有發展的趨勢，由於小型機和微處理機的發展，以及採用流水線原理和并行運算等措施，數字模擬運算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機VAX11-785和外圍處理器AD-10聯合工作可對大型複雜的飛行系統進行實時模擬。在模擬軟體方面，除進一步發展互動式模擬語言和功能更強的模擬軟體系統外，另一個重要的趨勢是將模擬技術和人工智慧結合起來，產生具有專家系統功能的模擬軟體。模擬模型、實驗系統的規模和複雜程度都在不斷地增長，對它們的有效性和置信度的研究將變得十分重要。同時建立適用的基準對系統進行評估的工作也日益受到重視。

隨著軍事和科學技術的迅猛發展，模擬已成為各種複雜系統研製工作的一種必不可少的手段，尤其是在航空航天領域，模擬技術已是飛行器和衛星運載工具研製必不可少的手段，可以取得很高的經濟效益。

在研製、鑒定和定型全過程都必須全面地應用先進的模擬技術。否則，任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研製都將是不可能的。

海灣戰爭期間“愛國者”導彈和“飛毛腿”導彈之間的較量，也反映出了模擬模擬的參與。現代戰略導彈的進攻威力很大，射程很遠，更要命的是常常裝有多個真真假假的彈頭，用來迷惑敵方，以便順利突破敵方強大的防空網。一般說來，最先進的反導彈系統的雷達預警時間只有短短的幾分鐘。為了不讓敵方的攻擊得逞，己方必須在這短短的幾分鐘里迅速而正確地作出反應，識別真假彈頭，算出飛行軌道，動員力量進行攔截，以確保敵彈在到達目標之前就被摧毀掉。要做到這一切，不得不發揮超大規模科學計算的能力，否則己方只能處於被動挨打的地位。在海灣戰爭期間，“愛國者”導彈智斗“飛毛腿”導彈，形成戰爭史上的奇觀。“飛毛腿”導彈的水平也不一般，它的飛行速度可達2638米/秒。