Общие сведения о моделировании систем
Виды моделирования
Моделированием называют исследование объектов познания на их моделях. Единая классификация видов моделирования затруднительна в силу многозначности понятия «модель». Здесь мы будем рассматривать только предметное моделирование, которое воспроизводит основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики оригинала.
Моделирование называется физическим, если модель и оригинал имеют одинаковую физическую природу. В технике такое моделирование используется для определения на моделях тех или иных свойств как объекта в целом, так и отдельных его частей. К физическому моделированию прибегают не только по экономическим соображениям, но и потому, что натурные испытания очень трудно, а часто невозможно осуществить, когда слишком велики (или малы) размеры натурного объекта или значения других его характеристик (температуры, давления, скорости протекания процесса и т. п.). Необходимыми условиями физического моделирования при исследованиях конструкций является геометрическое и физическое подобие: геометрическая форма и размеры, а также физические характеристики оригинала и модели должны быть соответственно пропорциональны друг другу. Наличие такой пропорциональности позволяет производить пересчет полученных на модели экспериментальных данных на натуру путем их умножения на некоторый коэффициент подобия.
Аналоговое моделирование основано на аналогии явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемых одинаковыми математическими уравнениями. Так, для исследования процессов теплопроводности можно построить гидравлическую модель, в которой температура будет моделироваться уровнем воды в сосудах, теплоемкость - их площадью поперечного сечения, а тепловое сопротивление -гидравлическим сопротивлением трубок, соединяющих сосуды. Для исследования лучистого (радиационного) переноса теплоты часто применяют метод светового моделирования, при котором потоки теплового излучения заменяют подобными им потоками светового излучения. Наибольшее распространение получило электрическое моделирование механических и других систем, поскольку монтировать электрическую цепь и управлять параметрами ее элементов гораздо проще, чем в иных системах.
Поясним все сказанное на простейших примерах.
Допустим, что при исследовании движения тела с массой т требуется установить связь между силой F и скоростью тела, изменяющейся по некоторому закону v=f(t).Построив модель этой системы, можно с помощью приборов фиксировать величины , для каждого значения массы mi, при этом не обязательно знать, что данный процесс протекает в соответствии с законом Ньютона
(1.6)
Если физическое моделирование такого процесса затруднено, то можно организовать его электрическое моделирование, собрав электрическую цепь, напряжение и и сила тока I в которой связаны зависимостью
I=C(du/dt). (1.7)
Подбирая емкости конденсатора С, соответствующие в некотором масштабе массам т механической системы, и задавая закон изменения напряжения в соответствии с функцией изменения скорости тела v=f(t), можно с помощью электроизмерительных приборов определять значения Ii, ui, соответствующие в заданном масштабе искомым значениям Fi, vi. Электрическое моделирование механической системы, не требующее изготовления макетов и использования сложных измерительных приборов, обычно значительно проще и дешевле физического моделирования.
Уравнения (1.6) или (1.7) могут быть исследованы непосредственно путем их интегрирования в аналитической форме, если функция v=f(t) имеет простой вид, или же численными методами. Это будет математическое моделирование механической (1.6) или электрической (1.7) системы.
Электрические модели могут быть включены в состав сложных математических моделей, если решение тех или иных задач трудно выполнить математически. В этом случае в алгоритме математической модели предусматривают обращение к аппаратным средствам, выполняющим электрическое моделирование.