计算机仿真技术及其应用

苏鹏 袁明

摘要：随着系统科学等学科的研究和计算机技术突飞猛进的发展，计算机仿真技术已经成为众多领域研究和分析的重要方法和手段。着重介绍计算机仿真理论及其发展和应用，并对其伴随着信息技术高速发展的前景进行简单的分析和展望。

关键词：计算机仿真技术;系统;步骤;仿真应用

计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。

1、计算机仿真技术概述

（一）计算机仿真的基本概念

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识"统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。计算机仿真就是以计算机为工具，用仿真理论来研究对象系统的技术。

（二）计算机仿真技术的发展

从历史上看，计算机仿真大致经历了四个发展阶段：1.模型试验。最原始的仿真思想，其模型试验是基于物理模型进行的，缺乏柔性和精度。2.数字化仿真。采用计算机进行分析计算，但是计算结果表达局限于记录文件和图表上，缺乏直观形象。3.图像化仿真。采用丰富的图形图像技术来表达仿真结果。4.虚拟现实技术。不光采用三维图形技术表达计算结果，而且采用特殊装置，使人有身临其境的感觉。

（三）计算机仿真技术的发展趋势

未来的计算机仿真技术可能会向如下幾个方面发展：1.分布式的计算机仿真技术。这既是数据分布的需要，也是用分布式计算环境进行并行计算并达到实时显示的手段。2.协同式的计算机仿真技术。随着高速主干网的使用，可以达到高速协同工作的目的，方便地达到应用共享。3.沉浸式的计算机仿真技术。使用沉浸式的显示设备，更有利于用户对数据获得直观的感受，有助于结果的分析。4.基于网络环境的计算机仿真技术。网络技术的发展会让计算机仿真技术更快捷和普及。

（四）计算机仿真的步骤

一般计算机仿真的步骤为：1.建立数学模型。 建立数据模型主要是通过各种分析方法建立一个特定对象的有限边界的数学模型。这里通常要考虑到特定对象的预定目标和边界、观测数据、专家经验等因素。2.数据模型的程序化。它包括两个方面的内容，即设计仿真算法及编制仿真程序。目前对于某些特定领域，已能提供面向对象、可交互操作、具有自动编程能力和算法库的软件如CSSL、CSMP、ACSL、DYNAMO等。3.仿真实验。仿真实验是系统仿真另一个十分重要的活动，它主要是按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果。

（五）计算机仿真的关键技术

目前，计算机仿真计算的关键技术主要包括：1.面向对象的仿真。其主要是通过整个系统的功能设计和实现归属为对象的操作及对象信息的彼此综合利用来实现，对象间信息的传送引起了系统的活动。2.分布交互仿真。主要是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连，构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。3.智能仿真。主要是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造各处基本知识的开发途径。是人工智能与仿真技术的集成化。

2、仿真技术在电子应用开发中的作用

（一）有助于虚拟测试电子产品电路的特性

仿真技术的发展可以与计算机的应用有效结合，通过计算机相关模拟软件的操作，可以轻松实现各种电子产品在不同工作环境中的电路状态，通过仿真技术下设备参数的修改进行模拟实验，很容易就能得出相关电子电路在严苛条件下工作的参数结果，比如借助电子产品的仿真技术，再辅以计算机算法就能够得出大电流、高压、高温环境中的电路运行参数。比如在现实工作中想要实现电路的高压环境就有非常大的困难，通过仿真技术在电子产品设计的预先实验，可以帮助设计者提前测试电子产品的电子电路性能与运行，它可以成为电路设计的重要参考依据，同时最大程度的减少实验成本，充分提升企业在产品研发过程中的效益。

（二）可以加强对电子产品功能进行有效验证

电子产品的电路系统在设计完成后，需要针对电路的设计进行不断的验证，通过电子产品的验证能够很好的保障电子电路满足技术要求，使相关电子产品的电路设计更为标准，合理的利用仿真技术对电子产品的功能验证，可以有效检测出电子产品系统的误差问题，提升电子产品电路系统的运行稳定性。因此，仿真技术对于电子产品设计完成后的功能检验有非常高效的作用，减少电子产品设计中的误差问题。同时，对于电路的生产制造，仿真技术可以为电子产品的质量检测提供高效率的检测手段，为电子产品的质量提供很好的控制，为电子产品的后期维护提供更为便利的维修，缩短电子产品的研发时间以及提升企业的生产效益。

3、计算机仿真技术的应用

计算机仿真技术被广泛应用在众多的领域，包括声学、航天、航海、农业、营养学、气象学、天文学和天文物理学、自动装置、动力系统、军事应用、生物学、医学、卫生系统、化工、采矿、机械制造业、通信、计算机网络、计量学等。可以大体将其概括为三大部分，即系统分析与设计、系统理论研究、专职人员培训三个方面。

（一）在系统分析与设计中的应用

计算机仿真在系统分析与设计中的应用主要有以下几个方面：1.对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础。2.在系统的设计过程中利用计算机仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型简化及验证，并进行优化设计。3.在系统建成之后，可以利用计算机仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。

（二）在系统理论研究中的应用

计算机仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具，它不仅可以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应用中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究方向。目前，在最优控制、自适应控制和大系统的分解协调控制等理论问题的研究中都应用了计算机仿真技术。

（三）在专职人员训练与教育方面的应用

计算机仿真在训练和教育领域中，达到了提高效率、节约能源及保证安全等积极的效果。例如军事领域中的虚拟战场、作战训练等;航天领域中火箭发射、航天员训练等仿真实验;通过计算机网络仿真和教学实验仿真的仿真教学等。

4、总结

计算机仿真技术是研究分析体统的重要的方法和工具，随着计算机技术的发展，它必定会得到突飞猛进的进步，因为：1.计算机科学技术与通信科学技术紧密融合、相互渗透，大大加速人类社会信息化进程。在这种大的背景下，作为计算机应用一个重要分支的计算机仿真技术必将得到快速的发展。2.新型元器件的发展，体系结构的发展，以及实现技术的发展，大大提高了计算机仿真系统的性能价格比，促进了计算机仿真技术的发展。3.新技术将大大提高计算机仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发中的软件瓶颈问题。4.在全球经济一体化的推动下，计算机仿真技术必将达到产业化，从而更大地促进其发展。因此，计算机仿真技术必将得到越来越广泛的应用，成为计算机领域的一块绚丽夺目的新天地。

参考文献

[1]刘瑞叶. 计算机仿真技术基础. 北京：电子工业出版社，2017.3.

[2]张锋. 计算机仿真技术. 电脑知识与技术，2017.9.

[3]黄柯棣等. 系统仿真技术. 长沙：国防科技大学出版社，2016.

[4]何江华. 计算机仿真导论. 北京：科学出版社，2014..