91 仿真語言及其發(fā)展

1、實(shí)際應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)時(shí)，還有許多問題需要考慮，本章將向讀者介紹部分仿真應(yīng)用技術(shù)， 包括：仿真語言、一體化仿真技術(shù)、人工智能和專家系統(tǒng)在仿真技術(shù)中的應(yīng)用、仿真建模方 法學(xué)，以及仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃指定和實(shí)施。如果要有效地進(jìn)行仿真研究，最大限度地避免工作中的盲目性，減少研究費(fèi)用，縮短研 究周期，必須對(duì)整個(gè)仿真研究工作進(jìn)行科學(xué)而周密的組織與設(shè)計(jì)。對(duì)于從事實(shí)際應(yīng)用的人員 來說，仿真應(yīng)用技術(shù)或仿真研究的組織方法是非常必要的知識(shí)。組織與設(shè)計(jì)工作的好壞，直 接關(guān)系到仿真應(yīng)用的成效。本章的最后向讀者介紹這一方面的基本知識(shí)，使讀者尤其是初學(xué) 者重視仿真實(shí)驗(yàn)的組織、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作，了解有關(guān)基本知識(shí)，并能應(yīng)用到實(shí)際工作

2、中去?？紤]到重點(diǎn)突出、篇幅限制等原因，對(duì)有些問題僅僅提出，而不做深入討論。顯然，在 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所要遇到的問題是極其復(fù)雜的，需要讀者在今后的工作中不斷探索，不斷總結(jié)。9.1仿真語言及其發(fā)展9.1.1連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真研究時(shí)，很重要的一個(gè)步驟是將研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槟?在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的仿真模型，并編制仿真程序。仿真程序的一般組成如圖3.5.1所示。傳統(tǒng)地編寫仿真程序所采用的語言是高級(jí)算法語言，如FORTRAN語言，BASIC語言，C語言 等。除非有時(shí)需要高質(zhì)量的程序以節(jié)省使用機(jī)器內(nèi)存和縮短程序執(zhí)行時(shí)間，才用匯編語言編 寫。在采用高級(jí)語言編寫仿真程序時(shí)，用戶發(fā)現(xiàn)，雖然基本

3、語言不難學(xué)習(xí)，并且便于移植， 不受機(jī)型限制，但如需要充分利用語言的能力與精微之處，則需要很高的熟練程度。尤其是 對(duì)一些模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模型狀態(tài)變量和參數(shù)多的系統(tǒng)，用戶不得不將許多精力和時(shí)間花費(fèi)在 模型參數(shù)處理、仿真算法和程序的實(shí)現(xiàn)，以及輸出數(shù)據(jù)的分析等輔助性工作上，而不能將精 力集中于對(duì)系統(tǒng)本身的研究。因而需要一種面向問題的非順序的計(jì)算機(jī)語言。這種語言應(yīng)該 是足夠簡(jiǎn)單，而且易于學(xué)習(xí)和使用。用戶只需寫入被仿真系統(tǒng)的模型，定義變量和必要的數(shù) 據(jù)和命令，就可以進(jìn)行仿真。這使得用戶能擺脫程序編寫中的許多細(xì)節(jié)問題，將精力集中于 研究所要仿真的問題本身。這樣的一種用于仿真研究的專用計(jì)算機(jī)語言，便是仿真語言。

4、仿真程序、具有一定通用性的仿真程序包和仿真語言是處理不同問題常用的三種仿真 工具。表9.1.1對(duì)它們進(jìn)行了比較。讀者可以根據(jù)問題的需求，以及軟、硬件的可能性進(jìn)行 選擇使用。表9.1.1三種仿真工具的區(qū)別比較工具性能仿真程序仿真程序包仿真語言1.通用性差較好好2.編程難易程序困難較方便方便3.功能弱較弱強(qiáng)4.程序靈活性差較好好5.對(duì)存儲(chǔ)容易的要求低較低較高6.程序執(zhí)行時(shí)間短短較長(zhǎng)9.1.2仿真語言的功能數(shù)字仿真語言是一種直接面向仿真問題的專用語言，是進(jìn)行數(shù)字仿真的重要工具。其主 要功能表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：有一套完整的規(guī)定描述模型的符號(hào)、語句、句法及語法，并有檢測(cè)用該語言所編寫的源程序中錯(cuò)誤的能力，最

5、后能將文法上正確的源程序翻譯成機(jī)器可執(zhí)行碼(一般是先 翻譯成某一種高級(jí)語言，比如FORTRAN語言，然后由計(jì)算機(jī)廠家所提供的編譯程序轉(zhuǎn)換成機(jī) 器代碼)。具有設(shè)定模型實(shí)驗(yàn)的初始條件、終止條件，以及控制并實(shí)現(xiàn)單次、多次或迭代 運(yùn)行的功能。具有對(duì)仿真結(jié)果的分析與顯示功能。由上面所介紹的仿真語言的三種功能可知：使用者使用這種語言不僅能更多地?cái)[脫掉 對(duì)程序的熟悉與了解，而且由于它具有更強(qiáng)的仿真功能，因此能用來仿真比較復(fù)雜的系統(tǒng)， 并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更全面的實(shí)驗(yàn)。9.1.3仿真語言的分類仿真語言可以按不同方式進(jìn)行分類。一、按被仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)分類按被仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)可將仿真語言分為三類：連續(xù)系統(tǒng)仿真語言；離散系統(tǒng)

6、仿真語言；通用仿真語言。連續(xù)系統(tǒng)仿真語言所采用的模型通常是微分方程，系統(tǒng)的響應(yīng)是按一個(gè)或幾個(gè)自變量的 變化而連續(xù)發(fā)生的。而離散系統(tǒng)仿真語言所采用的模型通常不包括微分方程，而包括部分代 數(shù)方程和邏輯關(guān)系，其系統(tǒng)的響應(yīng)是以在一個(gè)自變量的離散點(diǎn)上的事件序列的形式發(fā)生的。 對(duì)于兩類系統(tǒng)均適用的是通用仿真語言。本書僅介紹連續(xù)系統(tǒng)仿真語言。二、按數(shù)學(xué)模型的形式分類連續(xù)系統(tǒng)仿真語言按被仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型形式，可分為：面向方程的仿真語言；面向框圖的仿真語言。面向方程的仿真語言采用的模型描述方式是一階微分方程組和代數(shù)方程，即與現(xiàn)代控制 理論中的狀態(tài)空間相對(duì)應(yīng)。面向框圖的仿真語言中模型是通過框圖的形式描述的，框圖

7、中的 內(nèi)容可以是加、減、乘、除運(yùn)算，邏輯運(yùn)算和積分運(yùn)算等基本算符，也可以是基本傳遞函數(shù) 或其它特定函數(shù)。三、按運(yùn)行方式分類按仿真語言在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行方式可分為：交互式仿真語言，或會(huì)話式仿真語言；非交互式仿真語言，或批處理式仿真語言。交互式仿真語言在具有分時(shí)操作系統(tǒng)的大、中型計(jì)算機(jī)或小型、微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通 常采用圖形顯示終端，并以鍵盤或光筆作為輸入設(shè)備。該方式由于采用對(duì)話形式，故可及時(shí) 觀察分析仿真結(jié)果，修改模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)。非交互式仿真語言在大、中型機(jī)上通常采用讀卡 機(jī)來輸入問題，在微型機(jī)上通常采用宏定義方式來描述問題和實(shí)驗(yàn)方法。顯見這種方式只有 在取得一次運(yùn)行的結(jié)果后，才能分析仿真結(jié)果，并修

8、改模型參數(shù)和實(shí)驗(yàn)方法。9.1.4數(shù)字仿真語言的發(fā)展概況和性能評(píng)價(jià)從60年代開始，國外就已著手研制仿真語言。第一個(gè)獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)字仿真語言是 MIMIC，它是1965年研制成功的一種面向方程的仿真語言。該語言的主要部分是一個(gè)翻譯器， 它把用MIMIC語言書寫的仿真源程序翻譯成機(jī)器代碼。1966年美國又推出了另一個(gè)數(shù)字仿 真語言一DSL/90，它也是面向方程的一種仿真語言。但它的翻譯器是將仿真源程序翻譯成 FORTRAN語言，因此這種仿真語言可以和FORTRAN語言兼容。在這期間，美國相繼推出了許 多種數(shù)字仿真語言，為了促進(jìn)數(shù)字仿真語言規(guī)范化，進(jìn)一步普及推廣數(shù)字仿真的應(yīng)用，美國 計(jì)算機(jī)仿真協(xié)會(huì)（SCS）軟件委員會(huì)于1967年召集了許多仿真方面的專家進(jìn)行了討論，最后 發(fā)表了一個(gè)數(shù)字仿真語言的標(biāo)準(zhǔn)文本一CSSL。因?yàn)镾CS是美國仿真學(xué)術(shù)界的中心，因此CSSL 有相當(dāng)?shù)臋?quán)威性，在70年代初一直被廣泛應(yīng)用。與CSSL并列的還有一個(gè)被廣泛應(yīng)用的數(shù)字 仿真語言一CSMP，它是IBM公司推出的。由于IBM公司是美國最大的一家計(jì)算機(jī)公司，所以 CSMP也擁有眾多的用戶。在70年代以后，數(shù)字仿真語言在提高功能、提高速度等方面有了一些新的發(fā)展。