18608

Требования к математическим моделям и их классификация

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Требования к математическим моделям и их классификация Под математической моделью ММ конструкции технологического процесса и его элементов понимают систему математических соотношений описывающих с требуемой точностью изучаемый объект и его поведение в производст...

Русский

2013-07-08

48 KB

70 чел.

Требования к математическим моделям и их классификация

Под математической моделью (ММ) конструкции, технологического процесса и его элементов понимают систему математических соотношений, описывающих с требуемой точностью изучаемый объект и его поведение в производственных условиях. При построении математических моделей используют различные математические средства описания объекта — теорию множеств, теорию графов, теорию вероятностей, математическую логику, математическое программирование, дифференциальные или интегральные уравнения и т. д.

Выполнение проектных операций и процедур в САПР основано на оперировании математическими моделями (ММ). С их помощью прогнозируются характеристики и оцениваются возможности предложенных вариантов схем и конструкций, проверяется их соответствие предъявляемым требованиям, проводится оптимизация параметров, разрабатывается техническая документация и т. п.

В САПР для каждого иерархического уровня сформулированы основные положения математического моделирования — выбран и развит соответствующий математический аппарат, получены типовые ММ элементов проектируемых объектов, формализованы методы получения и анализа математических моделей систем. Сложность задач проектирования и противоречивость требований высокой точности, полноты и малой трудоемкости анализа обусловливают целесообразность компромиссного удовлетворения этих требований с помощью соответствующего выбора моделей. Это обстоятельство приводит к расширению множества используемых моделей и развитию алгоритмов адаптивного моделирования.

К математическим моделям предъявляют требования высокой точности, экономичности и универсальности. Экономичность математических моделей определяется затратами машинного времени (работы ЭВМ). Степень универсальности математических моделей зависит от возможности их использования для анализа большого числа технологических процессов и их элементов. Требования к точности, экономичности и степени универсальности математических моделей противоречивы. Поэтому необходимо иметь удачное компромиссное решение.

Основными требованиями, предъявляемыми к математическим моделям, являются требования адекватности, универсальности и экономичности].

Адекватность. Модель считается адекватной, если отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Точность определяется как степень совпадения значений выходных параметров модели и объекта. Пусть  — относительная погрешность модели по j -му выходному параметру:

(1)

где   j -й выходной параметр, рассчитанный с помощью модели; yj — тот же выходной параметр, существующий в моделируемом объекте.

Погрешность модели  по совокупности учитываемых выходных параметров оценивается одной из норм вектора .

Точность модели различна в разных условиях функционирования объекта. Эти условия характеризуются внешними параметрами. Если задаться предельной допустимой погрешностью , то можно в пространстве внешних параметров выделить область, в которой выполняется условие

(2)

Эту область называют областью адекватности (ОА) модели. Возможно введение индивидуальных предельных значений  для каждого выходного параметра и определение ОА как области, в которой одновременно выполняются все m условий вида .

Определение областей адекватности для конкретных моделей — сложная процедура, требующая больших вычислительных затрат. Эти затраты и трудности представления ОА быстро растут с увеличением размерности пространства внешних параметров. Определение ОА —более трудная задача, чем, например, задача параметрической оптимизации. Для моделей унифицированных элементов расчет областей адекватности становится оправданным в связи с однократностью определения ОА и многократностью их использования при проектировании различных систем. Знание ОА позволяет правильно выбирать модели элементов из числа имеющихся и тем самым повышать достоверность результатов машинных расчетов.

В библиотеку моделей элементов наряду с алгоритмом, реализующим модель, и номинальными значениями параметров должны включаться граничные значения внешних параметров q'k и q''k, задающие область адекватности.

Универсальность. При определении ОА необходимо выбрать совокупность внешних параметров и совокупность выходных параметров уj, отражающих учитываемые в модели свойства. Типичными внешними параметрами при этом являются параметры нагрузки и внешних воздействий (электрических, механических, тепловых, радиационных и т. п.). Увеличение числа учитываемых внешних факторов расширяет применимость модели, но существенно удорожает работу по определению ОА. Выбор совокупности выходных параметров также неоднозначен, однако для большинства объектов число и перечень учитываемых свойств и соответствующих им выходных параметров сравнительно невелики, достаточно стабильны и составляют типовой набор выходных параметров. Например, для макромоделей логических элементов БИС такими выходными параметрами являются уровни выходного напряжения в состояниях логических "О" и "1", запасы помехоустойчивости, задержка распространения сигнала, рассеиваемая мощность.

Если адекватность характеризуется положением и размерами ОА, то универсальность модели определяется числом и составом учитываемых в модели внешних и выходных параметров.

Экономичность. Экономичность модели характеризуется затратами вычислительных ресурсов для ее реализации, а именно затратами машинного времени Тм и памяти Пм. Общие затраты Тм и Пм на выполнение в САПР какой-либо проектной процедуры зависят как от особенностей выбранных моделей, так и от методов решения.

В большинстве случаев при реализации численного метода происходят многократные обращения к модели элемента, входящего в состав моделируемого объекта. Тогда удобно экономичность модели элемента характеризовать затратами машинного времени при обращении к модели, а число обращений к модели должно учитываться при оценке экономичности метода решения.

Экономичность модели по затратам памяти оценивается объемом оперативной памяти, необходимой для реализации модели.

Требования широких областей адекватности, высокой степени универсальности, с одной стороны, и высокой экономичности — с другой, являются противоречивыми. Наилучшее компромиссное удовлетворение этих требований оказывается неодинаковым в различных применениях. Это обстоятельство обусловливает использование в САПР многих моделей для объектов одного и того же типа — различного рода макромоделей, многоуровневых, смешанных моделей и т. п.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6948. Шпаргалка по философии. Предмет и методы философского знания 837.5 KB
  Предмет философии. Предмет философии не соответствует обыденному пониманию этого слова. В обыденном смысле философия - рассуждения проводимые на досуге за чашкой чая, или стаканом (обязательно граненым) водки о предметах составляющих объе...
6949. Предмет философии и ее функции 28 KB
  Предмет философии и ее функции Философия - общая теория мира и человека в нем. Философия и мировоззрение органично связаны друг с другом. Мировоззрение - это система взглядов на объективный мир и место человека в нем. В формировании мировоззрения ос...
6950. Философия Платона: сущность объективного идеализма, учение о государстве 69 KB
  Философия Платона: сущность объективного идеализма, учение о государстве Платон - великое явление в истории мировой культуры. И хотя он жил в древнегреческом обществе, как деятель - философ, ученый, писатель - принадлежит всему челове...
6951. Учение Аристотеля 119.5 KB
  Аристотель понимал, что без изучения движения не может быть познания естественных процессов, не может быть понята природа в ее жизни и стремлении. Так как природа есть начало движения и изменения, - писал он, - а предметом нашего...
6952. Учение Блаженного Августина 51.5 KB
  Учение о бытии Августина близко к неоплатонизму. По Августину, все сущее, поскольку оно существует и именно потому, что оно существует, есть благо. Зло не субстанция, а недостаток, порча субстанции, порок и повреждение формы, небытие. Напротив, благ...
6953. Синтез богословия, философии и науки в трудах св. Августина и Фомы Аквинского 40.5 KB
  Синтез богословия, философии и науки в трудах св. Августина и Фомы Аквинского Для древних народов, как известно, было характерно единство двух путей познания окружающего мира - пути сердца и пути разума, которое исключало  расчлененность богосл...
6954. Бэкон и его индуктивный метод 113 KB
  Бэкон и его индуктивный метод Введение Имя Фрэнсиса Бэкона - из числа тех имен в истории человечества, которые не принадлежат безраздельно какой-то одной отрасли знания, культуры или политики, как не принадлежат они одной эпохе или одной стране. Он ...
6955. Рационалистическая философия Декарта. Учение о субстанции 96 KB
  Рационалистическая философия Декарта. Учение о субстанции Декарт - основоположник рационализма, значение его философии. Основоположником рационализма считается Рене Декарт (1596 – 1650) - видный французский философ и ученый математик....
6956. Спиноза: учение о субстанции 26 KB
  Б. Спиноза: учение о субстанции Слабым пунктом учения Декарта был неопределенный статус субстанций: с одной стороны, подлинным бытием обладала только бесконечная субстанция - Бог, а конечные, то есть сотворенные, субстанции находились в зависим...