【文章內(nèi)容簡介】 是存儲器、運算器、控制器和外圍設(shè)備等。 由于數(shù)字計算機只能對數(shù)碼進行操作，所以任何系統(tǒng)在數(shù)字計算機上進行仿真都必須將原系統(tǒng)模型變換成能在數(shù)字計算機上進行計算的模型 即計算機程序 。故數(shù)字仿真需要研究各種仿真算法， 并用這些算法實 現(xiàn)仿真程序的編制。 這是數(shù)字計算機仿真與模擬計算機仿真的最基本的差別。 模擬計算機不需要編制程序。 數(shù)字仿真的特點是： 1） 數(shù)值計算的延遲。 任何數(shù)值計算都有計算時 間的延遲，其延遲的大小與計算機本身的 性能 所 研究 問題本身的復(fù)雜程度及使用的算法有關(guān)。 2） 仿真模型的數(shù)值化。 數(shù)字計算機對仿真問題進行計算是采用數(shù)值計算，仿真模型必須是離散模型，如果原始數(shù)學(xué)模型是連續(xù)模型，則必須轉(zhuǎn)換成適合數(shù)字計算機求解的仿真模型，因此需要研究各種仿真算法。 3） 計算精度高。 特別是在工作量很大時，與模擬機相比具有更大的優(yōu)越性。 4） 實現(xiàn)實時仿真比模擬仿真困難 。對復(fù)雜的快速動態(tài)系統(tǒng)進行實時仿真時，對數(shù)字計算機本身的計算速度、存取速度等要求高。 5） 利用數(shù)字計算機進行半實物仿真時需要有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換裝置與連續(xù)運 動的實物相連接。 （ 3） 混合計算機仿真 混合計算機系統(tǒng)是由模擬計算機、數(shù)字計算機通過一套混合接口（ A/D、 D/A）組成的數(shù)字、模擬混合計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模擬計算機的快速性和數(shù)字計算機的高精度和靈活性的優(yōu)點。 混合仿真系統(tǒng)的特點是： 1) 混合仿真系統(tǒng)可以充分發(fā)揮模擬仿真和數(shù)字仿真的特點。 2) 仿真任務(wù)同時在模擬計算機和數(shù)字計算機上執(zhí)行，這就存在按什么原則分配模擬計算機和數(shù)字計算機任務(wù)的問題，一般是使模擬計算機承擔(dān)精度要求不高的快速計算任務(wù)，數(shù)字計算機則承擔(dān)高精度、邏輯控制復(fù)雜的慢速變化任務(wù)。 3) 混合仿真 的誤差包括模擬機誤差、數(shù)字機誤差和接口誤差，這些誤差在仿真中均予以考慮。 4) 一般混合仿真需要專門的混合仿真語言來控制仿真任務(wù)的完成。 數(shù)字仿真語言是現(xiàn)代仿真工具，因其相對簡單而被廣泛采用。仿真語言最大的優(yōu)點是相對獨立于硬件和軟件裝置，其缺點是仿真速度不能滿足實時仿真的要求。 仿真軟件是一類面向仿真用途的專用軟件，它的特點是面向問題、面向用戶。它的功能可概括為： 1)模型描述的規(guī)范及處理； 2）仿真試驗的執(zhí)行與控制； 3）資料與結(jié)果的分析、顯示及文檔化； 4）對模型、試驗程序、資料 、圖形或知識的存儲、檢索與管理。根據(jù)上述功能的實現(xiàn)情況，仿真軟件分為仿真程序、仿真語言、仿真環(huán)境三個不同層次。 仿真軟件包括仿真程序和仿真語言，其中仿真程序是仿真軟件的初級形式，是仿真軟件的基本組成部分。仿真程序用于某些特定的問題的仿真，可提供許多算法；仿真語言則為用戶提供更強的仿真功能，適用于不同領(lǐng)域的多種系統(tǒng)的仿真。仿真程序主要是采用高級計算機語言開發(fā)出來的，早期使用 Basic 語言而現(xiàn)在一般使用 Fortran 語言和 Visual C 語言開發(fā)仿真程序，并且還發(fā)展到采用 Visual C++語言來開發(fā)面向?qū)ο?的計算機仿真程序。 仿真程序一般對計算機的硬件要求比較低，一般的計算機只要配置了相應(yīng)的算法語言程序就可以運行；仿真程序可以針對不同的問題作適當(dāng)?shù)男薷?，以滿足不同的需要；仿真程序使用比較簡單，只需要輸入系統(tǒng)模型和系統(tǒng)參數(shù)即可，并可選擇多種積分算法。但仿真程序在功能上一般比較簡單，只適于解決某一特定領(lǐng)域的一些小型仿真問題。國外從20 世紀 60 年代開始開發(fā)適用于不同領(lǐng)域、不同對象的仿真語言，我國也在 70 年代的后期開始了這方面的研究，仿真語言多屬于面向?qū)ｉT問題的高級語言，它是在通用的高級語言的基礎(chǔ)上，針對專門問題研制 的，分為面向方程和面向框圖兩種類型的仿真語言。它不需要用戶掌握復(fù)雜的高級語言，而是由機器自動翻譯成高級語言或匯編語言，所以速度比較慢，并且研制周期較長，但它面向用戶，具有較強的仿真功能。目前，仿真語言的開發(fā)已經(jīng)取得了可喜的成果，開發(fā)出了許多的應(yīng)用仿真程序。如 可 以 處 理 一 般 的 數(shù) 學(xué) 、 物 理 問 題 的 通 用 仿 真 語 言ACSL,CSSL,TUTSIM,CSMP 等，這類語言可以被應(yīng)用于各個領(lǐng)域（技術(shù)的、非技術(shù)的、經(jīng)濟的、社會的），但是用戶必須對建模與仿真的方法有一個基本了解，另外一點需要強調(diào)是通用仿真語言之所以通用是因為它們只能 解決一般的問題，而不能解決所有的問題，只適合于解決一些不太復(fù)雜 的 問 題 ； 如 果 要 解 決 特 殊 的 問 題 就 需 要 專 用 的 仿 真 語 言MATLAB,SPICE， PSPICE 等，這些語言要求用戶能深入了解建模與仿真問題，但用它們?nèi)ソ鉀Q一般性的問題卻極不方便。 現(xiàn)代仿真使用的計算機根據(jù)仿真的對象的及仿真的目的的不同，可以使用個人計算機，工作站和大型的計算機。 仿真領(lǐng)域的特點主要表現(xiàn)為大量、復(fù)雜、高精度、費時的計算和數(shù) 據(jù)處理，要求使用的計算機具有高速的運算能力、高速的數(shù)據(jù)交換能力、大容量的數(shù)據(jù)處理能力以及高速度的圖形處理能力。以前這些工 作都由大型機和圖形工作站來支持完成，然而隨著個人計算機技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，微處理器、存儲介質(zhì)、圖形處理設(shè)備等都可以適應(yīng)仿真領(lǐng)域的要求，操作系統(tǒng)、高級語言、工具軟件和應(yīng)用軟件也日益成熟、豐富，個人計算機具有菜單式選擇功能和圖形用戶界面，所以個人計算機也可以滿足計算機仿真的要求，一般用于仿真教學(xué)，規(guī)模較小的系統(tǒng)的離線仿真分析。 工作站是以個人計算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境為基礎(chǔ)，性能高于微型計算機的一類多功能計算機。工作站具有高速運算功能，適應(yīng)多媒體應(yīng)用的功能和知識處理功能。中央處理器能夠進行高速定點、浮點運算 以及高速度圖形和處理。工作站由于低廉的價格，友好的人機界面及聯(lián)網(wǎng)能力，得到了十分廣泛的應(yīng)用。 SGI、 SUN 公司的工作站在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先的地位，得到了廣泛的使用。 大型計算機是由其所處時代的先進技術(shù)構(gòu)成的一類高性能、大容量通用計算機，能夠代表一個時期計算機技術(shù)的先進綜合水平。大型計算機的處理系統(tǒng)可以是單處理機、多處理機或多個子系統(tǒng)的復(fù)合體。處理機一般采用兩級高速緩沖存儲器、流水線技術(shù)和多級部件以提高性能。存儲器一般有高速緩沖存儲器、主存儲器、磁盤存儲器和海量存儲器組成，它們構(gòu)成多層次的存儲器系統(tǒng)。輸入輸出系統(tǒng)由通道和外圍設(shè)備組成。大型計算機有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在軍事、民用等重要應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大作用。在系統(tǒng)仿真中占主導(dǎo)地位。如：我國的銀河Ⅰ型計算機、銀河Ⅱ型計算機 及銀和實時仿真工作站已經(jīng)在我國的國民經(jīng)濟與國防建設(shè)中發(fā)揮了重大的作用。 早期的系統(tǒng)科學(xué)研究是單輸入單輸出的系統(tǒng)，由于系統(tǒng)比較簡單，所以常?？梢越柚诶碚摲治鰜斫鉀Q問題，后來發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)，問題就變得復(fù)雜了，再后來發(fā)展到大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)乃至超巨系統(tǒng)，還包括工程和非工程、宏觀與微觀、生物與非生物、系統(tǒng)與環(huán)境、思維與行為的綜合系統(tǒng)，當(dāng)然問題就變得更加復(fù)雜了。這時，單純依靠理論分析和科學(xué)實驗已經(jīng)不可能了。仿真模擬就成為科學(xué)研究的途徑之一了。事實上， 40 年代的仿真試驗就已經(jīng) 存在了，風(fēng)洞試驗就是空氣動力模擬的典型例證。 從 40 年代開始，隨著數(shù)字計算機的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)也得到了發(fā)展。計算機進行算術(shù)運算的速度，從每秒小于 10000 次，發(fā)展到現(xiàn)在的每秒可以進行上百億次，甚至上千億次。計算機仿真使用的語言從機器內(nèi)部使用的匯編語言，發(fā)展到可以使用高級的程序語言及專用的計算機仿真語言。計算機仿真應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛了。 進入 80 年代以后，超級計算機的仿真計算數(shù)據(jù)、衛(wèi)星發(fā)回的地球資源、軍事偵察數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、海洋和地殼板塊及地震監(jiān)測數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)掃描圖像數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與不能有效的解釋這 些數(shù)據(jù)的矛盾日益尖銳。首先，計算機仿真技術(shù)可以高效地處理科學(xué)數(shù)據(jù)和解釋這些科學(xué)數(shù)據(jù)。其次，計算機仿真技術(shù)豐富了信息交流手段，即科學(xué)家之間的信息交流不再局限于采用文字和語言，而是可直接采用圖形、圖像、動畫等可視信息。計算機仿真技術(shù)提供的參數(shù)最優(yōu)化技術(shù)使科學(xué)家能夠?qū)χ虚g計算結(jié)果進行解釋，及時發(fā)現(xiàn)非正?，F(xiàn)象與錯誤，達到動態(tài)調(diào)整計算過程的目的。 計算機仿真技術(shù)的形成也是推動工業(yè)的發(fā)展、提高工業(yè)界競爭能力的需要。歷史已經(jīng)證明，推動工業(yè)發(fā)展的原動力是基礎(chǔ)科學(xué)研究，科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)將促進示工業(yè)界新的革命，而促使基礎(chǔ)研究發(fā)展 的重要手段之一是提供先進的科學(xué)計算工具（硬件和軟件）。先進的科學(xué)計算工具同時也是促進當(dāng)代工業(yè)發(fā)展的新動力，例如無圖紙設(shè)計、虛擬樣機技術(shù)等對縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本具有十分重要的作用。國外有學(xué)者提出，應(yīng)用計算機仿真要解決六大問題：核反應(yīng)過程、宇宙起源、