計算機仿真技術及其應用

蘇鵬 袁明

摘要：隨著系統科學等學科的研究和計算機技術突飛猛進的發展，計算機仿真技術已經成為眾多領域研究和分析的重要方法和手段。著重介紹計算機仿真理論及其發展和應用，并對其伴隨著信息技術高速發展的前景進行簡單的分析和展望。

關鍵詞：計算機仿真技術;系統;步驟;仿真應用

計算機仿真技術是一門利用計算機軟件模擬實際環境進行科學實驗的技術。它具有經濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復使用的優點，已經成為對許多復雜系統（工程的、非工程的）進行分析、設計、試驗、評估的必不可少的手段。它是以數學理論為基礎，以計算機和各種物理設施為設備工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗仿真研究的一門綜合技術。

1、計算機仿真技術概述

（一）計算機仿真的基本概念

系統仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術和計算技術等理論基礎之上的，以計算機和其他專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行試驗，并借助專家經驗知識"統計數據和信息資料對試驗結果進行分析和研究，進而做出決策的一門綜合性的試驗性科學。計算機仿真就是以計算機為工具，用仿真理論來研究對象系統的技術。

（二）計算機仿真技術的發展

從歷史上看，計算機仿真大致經歷了四個發展階段：1.模型試驗。最原始的仿真思想，其模型試驗是基于物理模型進行的，缺乏柔性和精度。2.數字化仿真。采用計算機進行分析計算，但是計算結果表達局限于記錄文件和圖表上，缺乏直觀形象。3.圖像化仿真。采用豐富的圖形圖像技術來表達仿真結果。4.虛擬現實技術。不光采用三維圖形技術表達計算結果，而且采用特殊裝置，使人有身臨其境的感覺。

（三）計算機仿真技術的發展趨勢

未來的計算機仿真技術可能會向如下幾個方面發展：1.分布式的計算機仿真技術。這既是數據分布的需要，也是用分布式計算環境進行并行計算并達到實時顯示的手段。2.協同式的計算機仿真技術。隨著高速主干網的使用，可以達到高速協同工作的目的，方便地達到應用共享。3.沉浸式的計算機仿真技術。使用沉浸式的顯示設備，更有利于用戶對數據獲得直觀的感受，有助于結果的分析。4.基于網絡環境的計算機仿真技術。網絡技術的發展會讓計算機仿真技術更快捷和普及。

（四）計算機仿真的步驟

一般計算機仿真的步驟為：1.建立數學模型。 建立數據模型主要是通過各種分析方法建立一個特定對象的有限邊界的數學模型。這里通常要考慮到特定對象的預定目標和邊界、觀測數據、專家經驗等因素。2.數據模型的程序化。它包括兩個方面的內容，即設計仿真算法及編制仿真程序。目前對于某些特定領域，已能提供面向對象、可交互操作、具有自動編程能力和算法庫的軟件如CSSL、CSMP、ACSL、DYNAMO等。3.仿真實驗。仿真實驗是系統仿真另一個十分重要的活動，它主要是按照預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結果。

（五）計算機仿真的關鍵技術

目前，計算機仿真計算的關鍵技術主要包括：1.面向對象的仿真。其主要是通過整個系統的功能設計和實現歸屬為對象的操作及對象信息的彼此綜合利用來實現，對象間信息的傳送引起了系統的活動。2.分布交互仿真。主要是通過計算機網絡將分散在各地的仿真設備互連，構成時間與空間互相耦合的虛擬仿真環境。3.智能仿真。主要是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術，引入整個建模與仿真過程，構造各處基本知識的開發途徑。是人工智能與仿真技術的集成化。

2、仿真技術在電子應用開發中的作用

（一）有助于虛擬測試電子產品電路的特性

仿真技術的發展可以與計算機的應用有效結合，通過計算機相關模擬軟件的操作，可以輕松實現各種電子產品在不同工作環境中的電路狀態，通過仿真技術下設備參數的修改進行模擬實驗，很容易就能得出相關電子電路在嚴苛條件下工作的參數結果，比如借助電子產品的仿真技術，再輔以計算機算法就能夠得出大電流、高壓、高溫環境中的電路運行參數。比如在現實工作中想要實現電路的高壓環境就有非常大的困難，通過仿真技術在電子產品設計的預先實驗，可以幫助設計者提前測試電子產品的電子電路性能與運行，它可以成為電路設計的重要參考依據，同時最大程度的減少實驗成本，充分提升企業在產品研發過程中的效益。

（二）可以加強對電子產品功能進行有效驗證

電子產品的電路系統在設計完成后，需要針對電路的設計進行不斷的驗證，通過電子產品的驗證能夠很好的保障電子電路滿足技術要求，使相關電子產品的電路設計更為標準，合理的利用仿真技術對電子產品的功能驗證，可以有效檢測出電子產品系統的誤差問題，提升電子產品電路系統的運行穩定性。因此，仿真技術對于電子產品設計完成后的功能檢驗有非常高效的作用，減少電子產品設計中的誤差問題。同時，對于電路的生產制造，仿真技術可以為電子產品的質量檢測提供高效率的檢測手段，為電子產品的質量提供很好的控制，為電子產品的后期維護提供更為便利的維修，縮短電子產品的研發時間以及提升企業的生產效益。

3、計算機仿真技術的應用

計算機仿真技術被廣泛應用在眾多的領域，包括聲學、航天、航海、農業、營養學、氣象學、天文學和天文物理學、自動裝置、動力系統、軍事應用、生物學、醫學、衛生系統、化工、采礦、機械制造業、通信、計算機網絡、計量學等?？梢源篌w將其概括為三大部分，即系統分析與設計、系統理論研究、專職人員培訓三個方面。

（一）在系統分析與設計中的應用

計算機仿真在系統分析與設計中的應用主要有以下幾個方面：1.對尚未建立起來的系統進行方案論證及可行性分析，為系統設計打下基礎。2.在系統的設計過程中利用計算機仿真技術可以幫助設計人員建立系統模型，進行模型簡化及驗證，并進行優化設計。3.在系統建成之后，可以利用計算機仿真技術來分析系統的運行狀況，尋求改進系統的最佳途徑，找出最優的控制策略。

（二）在系統理論研究中的應用

計算機仿真技術為系統理論研究提供了一個十分有利的工具，它不僅可以驗證理論本身的正確與否，而且還可以進一步暴露系統理論在實際應用中的矛盾與不足，為理論研究提供新的研究方向。目前，在最優控制、自適應控制和大系統的分解協調控制等理論問題的研究中都應用了計算機仿真技術。

（三）在專職人員訓練與教育方面的應用

計算機仿真在訓練和教育領域中，達到了提高效率、節約能源及保證安全等積極的效果。例如軍事領域中的虛擬戰場、作戰訓練等;航天領域中火箭發射、航天員訓練等仿真實驗;通過計算機網絡仿真和教學實驗仿真的仿真教學等。

4、總結

計算機仿真技術是研究分析體統的重要的方法和工具，隨著計算機技術的發展，它必定會得到突飛猛進的進步，因為：1.計算機科學技術與通信科學技術緊密融合、相互滲透，大大加速人類社會信息化進程。在這種大的背景下，作為計算機應用一個重要分支的計算機仿真技術必將得到快速的發展。2.新型元器件的發展，體系結構的發展，以及實現技術的發展，大大提高了計算機仿真系統的性能價格比，促進了計算機仿真技術的發展。3.新技術將大大提高計算機仿真軟件的功能與性能，解決計算機仿真系統開發中的軟件瓶頸問題。4.在全球經濟一體化的推動下，計算機仿真技術必將達到產業化，從而更大地促進其發展。因此，計算機仿真技術必將得到越來越廣泛的應用，成為計算機領域的一塊絢麗奪目的新天地。

參考文獻

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