Методы моделирования.
Для исследования объектов и систем управления используются различные методы моделирования:
- физическое моделирование;
- математическое моделирование на ЭВМ;
- полунатурное моделирование.
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.
Применение того или иного метода определяется в каждом конкретном случае в зависимости от исследуемой системы и условий ее работы. При этом необходимо иметь набор правил и условий, выполнение которых обеспечивает требуемую точность изучения реального объекта по его модели. Эти правила и условия формулируются в теории подобия.
Физическое моделирование
При использовании физического моделирования процессы,протекающие в модели и в оригинале, имеют одинаковую иногда и различную физическую природу. Физическая модель может отличаться от оригинала размерами, скоростью протекания и физической природой процессов или материалами, из которых она изготовлена. Примерами такого моделирования может служить изучение аэродинамических свойств самолета при помощи его макета в аэродинамической трубе, изучение механических колебаний с помощью электрической схемы.
Рис. Аэродинамическая труба.
Физическая модель может наиболее полно воспроизводить такие свойства оригинала, которые при теоретическом изучении не могут быть учтены в полной мере. Теоретической базой физического моделирования является теория подобия.
Теория подобия позволяет пересчитать количественные характеристики, полученные при изучении модели, в количественные характеристики оригинала.
При физическом моделировании необходимо для каждого конкретного объекта создать свою модель. Так как изготовление сложных объектов обходится, как правило, очень дорого, требует больших материальных и трудовых затрат, то изменение параметров модели часто нецелесообразно. Поэтому, несмотря на определенные преимущества, физическое моделирование находит ограниченное применение при исследовании сложных объектов и систем управления. Для этой цели широко применяется математическое моделирование.
Математическое моделирование на ЭВМ
При математическом моделировании исследование объекта осуществляется посредством модели, сформулированной на языке математики и реализованной, как правило, на ЭВМ с использованием тех или иных математических методов.
При моделировании на ЭВМ в качестве объекта моделирования (оригинала) выступает исходные уравнения, представляющие математическую модель реального объекта, а в качестве модели — процессы, протекающие в соответствии с этими уравнениями и воспроизводимые на ЭВМ в виде “машинных решений” путем реализации программ.
Математическое моделирование объектов и систем управления осуществляется на АВМ и ЦВМ, поэтому часто такие способы называют аналоговым и цифровым моделированием.
В математическом моделировании выделяют имитационное моделирование, под которым понимается воспроизведение объектов с имитацией случайными величинами и случайными процессами элементов оригинала, которые не удается представить определенными математическими моделями. При этом процесс функционирования объекта (системы) представляется в виде определенного алгоритма, который реализуется на ЭВМ.
На некоторых тактах работы имитационной модели используются параметры, выбираемые исследователем, так называемые управляющие воздействия. Выбор управляющих воздействий осуществляется из некоторого множества и обычно имеет критерий качества этого выбора, т.е. функцию, которую следует оптимизировать. Тогда перед тем как вводить управляющие воздействия в имитационную модель, решается оптимизационная задача по их отысканию, и лишь после этого найденные оптимальные значения вводятся в имитационную модель. В этом случае имитация позволяет моделировать отклик системы на оптимальные управления ею. Если множество управляющих воздействий не слишком богато, то все они могут быть перепробованы в имитационной системе. Результаты имитационного моделирования в таком случае позволит провести оценку управляющих воздействий — отбросить заведомо плохие, упорядочить и т.п.
Таким образом, имитационное моделирование рассматривают так же, как управляемый эксперимент, производимый на ЭВМ. В таком эксперименте определенные математическими моделями части объекта моделирования взаимодействуют с имитирующим возмущающим воздействием. Это взаимодействие проводится по определенным в эксперименте правилам, а результаты моделирования подвергаются статистической обработке.
Результаты имитационных экспериментов могут влиять на вид модели после завершения серии прогонов ее на ЭВМ (исключение малозначимых параметров и входов и т.д.).
Полунатурное моделирование — это моделирование с реальной аппаратурой, при котором часть системы моделируется, а остальная часть является реальной.
Применение такого метода моделирования становится необходимым в тех случаях, когда не удается описать работу некоторых элементов системы математически. Например, при исследовании радиолокационных (РЛ) САУ летательных аппаратов в условиях помех процесс приема и передачи антенной отраженного сигнала трудно поддается математическому описанию. Поэтому приходится РЛ и другую аппаратуру, не поддающуюся математическому описанию, воспроизводить в натуре, а остальные звенья САУ — 
математически на ЭВМ. Естественно работа всей замкнутой схемы моделирования должна проходит в натуральном масштабе времени. Такое моделирование системы управления позволяет анализировать как всю систему в целом, так и отдельные её элементы, исследовать влияния кинематики и динамики элементов реальной аппаратуры на работу САУ, несмотря на то, что их математическое описание отсутствует.
В процессе полунатурного моделирования удачно сочетаются достоинства математического и натурногомоделирования и может быть достигнуто оптимальное взаимодействие между вычислительными и натурными экспериментами. В настоящее время методы полунатурного моделирования эффективно применяют при проектировании разнообразных автоматических управляющих систем.
