Методы моделирования в технознании

2.1. Моделирование представляет собой метод замещения реального объекта (или процесса) естественной (или искусственной) системой, способной дать о нем адекватную информацию. Результаты моделирования интерпретируются применительно к реаль­ному объекту. Моделирование в технознании носит более конкретный (прикладной) характер по сравнению с приме­нением соответствующих методов в естествознании.

Моделирование технических систем – это упрощенное ото­бражение реального изделия и его опи­сания с целью оценки соответствия его какому-либо требованию или осуществления выбора наилучшего изделия из не­скольких альтернативных вариантов.

Обычно используют три способа моделирования технических систем: 1) мысленное моделирование технических систем, в ходе которого человек, изучая изделие, его проект или др. описание, интуитивно оценивает соответствие определенным требованиям или выбор наилучшего варианта; 2) математическое моделирование технических систем связано с разра­боткой способов расчета и компьютер­ных программ для получения необхо­димых оценок; 3) физическое моделирование технических систем связано с изготовлением и испытанием упро­щенных физических моделей реального изде­лия.

Мысленное моделирование техни­ческих систем основывается на знани­ях и, главное, на собственном опыте проектирования и эксплуатации данно­го класса тех. систем и представляет собой одно из средств моделирования технических систем. Точность мысленного моделирования зависит от личного опыта и природных способно­стей эксперта и для мало изученных технических систем может превосходить точ­ность математической модели. Основные преиму­щества мысленного моделирования: ма­лое время и низкая стоимость оценки. Умение осуществлять быстрое и точное мысленное моделирование является од­ним из необходимых качеств изобрета­телей и творческих личностей, которые должны его развивать и совершенствовать.

При математическом (информационном) моделировании ис­следуемый объект, характеризуемый определенными коли­чественными параметрами, изучается с помощью ЭВМ. Мате­матическое моделирование является основной процедурой системного анализа. В основе математического моделирования лежит решение проблемы «чёрного ящика», специфика которого при моделировании технических систем заключается в следующем: задаются данные на «входе» и на «выходе» системы, а задача исследователя состоит в выявле­нии оптимальных показателей системы, обеспечивающих за­данные характеристики объекта (процесса). Эта задача распадается на два этапа: создание исходного образца и его оптимиза­ция. Модель позволяет решить техническую проблему в соот­ветствии с первоначально сформулированными условиями. Из нескольких вариантов решения выбирается преимуществен­но тот, который наиболее экономичен или социально ориен­тирован. Физическое моделирование имеет более узкую область применения по сравнению с математическим (информацион­ным) моделированием, которое незаменимо в тех сферах, где другая форма моделирования просто невозможна.

При физическом моделировании решение принима­ется по измеряемым параметрам, дан­ным измерительных приборов и обору­дования, способу обработки получен­ных результатов. С целью снижения трудоёмкости и стоимости часто изго­тавливают уменьшённые (в несколько раз, на порядок и более) образцы технических систем, исключая из них малозначимые детали. При изменении масштаба технические системы выбирают и обосновывают си­стему критериев подобия, с помощью которых выполняют перерасчет значений параметров, полученных путем измере­ний на уменьшенных моделях, для на­туральных размеров. В различных прикладных областях (гидравлика, аэродинамика, строительная механика, электродинамика и т.д.) разработаны свои системы критериев подобия и на­коплен специфический опыт их исполь­зования. Физическое моделирование часто ис­пользуют для обоснования достоинств новых технических решений.

2.2. Метод синтеза оптимальных форм– это метод поиска оптимальных форм элементов технических систем с помощью компьютера. Метод синтеза оптимальных форм относится к классу мето­дов математического программирования. Основная идея метода заключается в моделировании эволюции форм живых организмов по закону Дарвина.

Суть данного метода состоит в том, что некоторая исходная форма (прототип) элемента тех. системы подвергается частичному случайному локальному изменению. Если это изме­нение недопустимо (нарушаются огра­ничения) или ухудшается критерий ка­чества, то порожденная форма уничто­жается. Если порожденная форма до­пустима и характеризуется лучшим критерием качества, то она закрепляет­ся и становится исходным прототипом для дальнейшего случайного или детер­минированного изменения.

В результа­те такой эволюции форма элемента мо­нотонно улучшается до определенного предела – локального или глобально­го экстремума. При этом найденная форма может представлять собой новое патентоспособное техническое реше­ние.

Этот метод проводится в два этапа: 1) выбирается такое универсальное пространство параметров, в котором для рассматриваемой задачи можно описать всё множество возможных форм, в том числе и новых; 2) реализуется алгоритм по­иска экстремума в случайно выбирае­мых подпространствах.

2.3. Методы поиска оптимальных пара­метров технической системы.

При постановке задачи определения оптимальных пара­метров выделяют и описывают один или несколько критериев эффектив­ности (качества) технической систе­мы, которые позволяют из нескольких альтернативных вариантов тех. систе­мы выбрать лучший; оптимизируемые параметры, которые можно изменять и от которых зависят критерии эффективно­сти; ограничения на параметры и их соотношения, которые должны быть вы­полнены. Задачи поиска оптимальных параметров чаще всего представляют собой сложные задачи математиче­ского программирования.

Методы поиска оптимальных параметров де­лятся на детерминированные, в которых используются строгие мат. подходы, и статистические, использующие элемен­ты случайного поиска.