Предмет теории моделирования.

Предмет теории моделирования.

 

Моделирование - это замещение одного объекта (оригинала) другим (моделью) и фиксация и изучение свойств модели. Замещение производится с целью упрощения, удешевления, ускорения изучения свойств оригинала.

В общем случае объектом-оригиналом может быть естественная или искусственная, реальная или воображаемая система. Она имеет множество параметров S₀ и характеризуется определёнными свойствами. Количественной мерой свойств системы служит множество характеристик Y₀, система проявляет свои свойства под влиянием внешних воздействий Х.

Множество параметров S и их значений отражает её внутреннее содержание - структуру и принципы функционирования. Характеристики S - это в основном её внешние признаки, которые важны при взаимодействии с другими S.

Характеристики S находятся в функциональной зависимости от её параметров. Каждая характеристика системы y₀ÌY₀ определяется в основном ограниченным числом параметров {S_0k}ÌS₀. Остальные параметры не влияют на значение данной характеристики S. Исследователя интересуют, как правило, только некоторые характеристики S: {y}ÌY₀ при конкретных воздействиях на систему {x_mn}ÌX.

Модель — это тоже система со своими множествами параметров S_m и характеристик Y_m. Оригинал и модель сходны по одним параметрам и различны по другим. Замещение одного объекта другим правомерны если интересующие исследователя характеристики оригинала и модели определяются однотипными подмножествами параметров и связаны одинаковыми зависимостями с этими параметрами:

y_ok=f({S_oi},{x_on},T); (1.1)

y_mn=f({S_mi},{x_mn},T_m) (1.2)

где, y_mn - к-ая характеристика модели, y_mnÌY_m

x_mn - внешнее воздействие на модель, x_mnÌX

T_m - модельное время.

При этом s_oi=Y(S_mi); x_onw(x_mn), T=mT_m (где m - масштабный коэффициент) на всём интервале [0-T_m] или в отдельные периоды времени. Тогда с некоторым приближением можно сделать вывод о том, что характеристики О_р, связаны с характеристиками М зависимостями y_ok=j(y_mk). Множество характеристик модели Y_mk={y_mk} является отображением множества интересующих характеристик оригинала y_ok={ y_ok}, т.е. j: Y_ok®y_mk, т.е. j: Y_ok®Y_mk.

При исследовании сложных естественных S, у которых известны Y_ok, но мало изучен состав элементов и принципы их взаимодействия с помощью моделирования может решаться обратная задача. Строят предположительную модель, определяющая её характеристики Y_mk при эквивалентных внешних воздействиях {x_mn} (w: {x_on}® {x_mn}) и, если оказывается, что имеет место отображение j: Y­_ok ® Y_mk с некоторой известной функцией j, то считается, что система-оригинал имеет такие же параметры.

Моделирование целесообразно, когда у модели отсутствуют те признаки оригинала, которые препятствуют его исследованию.

Теория моделирования — взаимосвязанная совокупность положений, определений, методов и средств создания моделей. Сами модели являются предметом теории моделирования.

Теория моделирования является основной составляющей общей теории систем - системологии, где в качестве главного принципа постулируются осуществимые модели: система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определённую грань её сущности.

 

Классификация моделей.

 

Физические модели. В основу классификации положена степень абстрагирования модели от оригинала. Предварительно все модели можно подразделить на 2 группы — физические и абстрактные (математические).

Ф.М. обычно называют систему, эквивалентную или подобную оригиналу, но возможно имеющую другую физическую природу. Виды Ф.М.:

- натуральные;

- квазинатуральные;

- масштабные;

- аналоговые;

Натуральные модели — это реальные исследуемые системы (макеты, опытные образцы). Имеют полную адекватность (соответствия) с системой оригиналом, но дороги.

Квазинатуральные модели — совокупность натуральных и математических моделей. Этот вид используется тогда, когда модель части системы не может быть математической из-за сложности её описания (модель человека оператора) или когда часть системы должна быть исследована во взаимодействии с другими частями, но их ещё не существует или их включение очень дорого. (вычислительные полигоны, АСУ)

Масштабная модель — это система той же физической природы, что и оригинал, но отличается от него масштабами. Методологической основой масштабного моделирования является теория подобия. При проектировании ВС масштабные модели могут использоваться для анализа вариантов компоновочных решений.

Аналоговыми моделями называют системы, имеющие физическую природу, отличающуюся от оригинала, но сходные с оригиналом процессы функционирования. Для создания аналоговой модели требуется наличие математического описания изучаемой системы. В качестве аналоговых моделей используются механические, гидравлические, пневматические и электрические системы. Аналоговое моделирование использует при исследовании средства ВТ на уровне логических элементов и электрических цепей, а так же на системном уровне, когда функционирование системы описывается например, дифференциальными или алгебраическими уравнениями.

Математические модели. Математические модели представляют собой формализованное представление системы с помощью абстрактного языка, с помощью математических соотношений, отражающих процесс функционирования системы. Для составления математических моделей можно использовать любые математические средства — алгебраическое, дифференциальное, интегральное исчисления, теорию множеств, теорию алгоритмов и т.д. По существу вся математика создана для составления и исследования моделей объектов и процессов.

К средствам абстрактного описания систем относятся также языки химических формул, схем, чертежей, карт, диаграмм и т.п. Выбор вида модели определяется особенностями изучаемой системы и целями моделирования, т.к. исследование модели позволяет получить ответы на определённую группу вопросов. Для получения другой информации может потребоваться модель другого вида. Математическое модели можно классифицировать на детерминированные и вероятностные, аналитические, численные и имитационные.

Аналитической моделью называется такое формализованное описание системы, которое позволяет получить решение уравнения (1.2) в явном виде, используя известный математический аппарат.

Численная модель характеризуется зависимостью (1.2) такого вида, который допускает только частные решения для конкретных начальных условий и количественных параметров моделей.

Имитационная модель — это совокупность описания системы и внешних воздействий, алгоритмов функционирования системы или правил изменения состояния системы под влиянием внешних и внутренних возмущений. Эти алгоритмы и правила не дают возможности использования имеющихся математических методов аналитического и численного решения, но позволяют имитировать процесс функционирования системы и производить вычисления интересующих характеристик. Имитационные модели могут быть созданы для гораздо более широкого класса объектов и процессов, чем аналитические и численные. Поскольку для реализации имитационных моделей служат ВС, средствами формализованного описания ИМ служат универсальные и специальные алгоритмические языки. ИМ в наибольшей степени подходят для исследования ВС на системном уровне.

 

Предмет теории моделирования.

 

Моделирование - это замещение одного объекта (оригинала) другим (моделью) и фиксация и изучение свойств модели. Замещение производится с целью упрощения, удешевления, ускорения изучения свойств оригинала.

В общем случае объектом-оригиналом может быть естественная или искусственная, реальная или воображаемая система. Она имеет множество параметров S₀ и характеризуется определёнными свойствами. Количественной мерой свойств системы служит множество характеристик Y₀, система проявляет свои свойства под влиянием внешних воздействий Х.

Множество параметров S и их значений отражает её внутреннее содержание - структуру и принципы функционирования. Характеристики S - это в основном её внешние признаки, которые важны при взаимодействии с другими S.

Характеристики S находятся в функциональной зависимости от её параметров. Каждая характеристика системы y₀ÌY₀ определяется в основном ограниченным числом параметров {S_0k}ÌS₀. Остальные параметры не влияют на значение данной характеристики S. Исследователя интересуют, как правило, только некоторые характеристики S: {y}ÌY₀ при конкретных воздействиях на систему {x_mn}ÌX.

Модель — это тоже система со своими множествами параметров S_m и характеристик Y_m. Оригинал и модель сходны по одним параметрам и различны по другим. Замещение одного объекта другим правомерны если интересующие исследователя характеристики оригинала и модели определяются однотипными подмножествами параметров и связаны одинаковыми зависимостями с этими параметрами:

y_ok=f({S_oi},{x_on},T); (1.1)

y_mn=f({S_mi},{x_mn},T_m) (1.2)

где, y_mn - к-ая характеристика модели, y_mnÌY_m

x_mn - внешнее воздействие на модель, x_mnÌX

T_m - модельное время.

При этом s_oi=Y(S_mi); x_onw(x_mn), T=mT_m (где m - масштабный коэффициент) на всём интервале [0-T_m] или в отдельные периоды времени. Тогда с некоторым приближением можно сделать вывод о том, что характеристики О_р, связаны с характеристиками М зависимостями y_ok=j(y_mk). Множество характеристик модели Y_mk={y_mk} является отображением множества интересующих характеристик оригинала y_ok={ y_ok}, т.е. j: Y_ok®y_mk, т.е. j: Y_ok®Y_mk.

При исследовании сложных естественных S, у которых известны Y_ok, но мало изучен состав элементов и принципы их взаимодействия с помощью моделирования может решаться обратная задача. Строят предположительную модель, определяющая её характеристики Y_mk при эквивалентных внешних воздействиях {x_mn} (w: {x_on}® {x_mn}) и, если оказывается, что имеет место отображение j: Y­_ok ® Y_mk с некоторой известной функцией j, то считается, что система-оригинал имеет такие же параметры.

Моделирование целесообразно, когда у модели отсутствуют те признаки оригинала, которые препятствуют его исследованию.

Теория моделирования — взаимосвязанная совокупность положений, определений, методов и средств создания моделей. Сами модели являются предметом теории моделирования.

Теория моделирования является основной составляющей общей теории систем - системологии, где в качестве главного принципа постулируются осуществимые модели: система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определённую грань её сущности.