ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 57
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
смысл, но их связь описывает общее для этих задач уравнение (2.1).
Приведенные примеры характеризуют свойство универсальности ММ. Благодаря этому свойству возникает „родство" между различными отраслями знаний, что ускоряет их совместное развитие. Такую общность и универсальность ММ можно объяснить тем, что в математике используют абстрактные основополагающие понятия, немногочисленные, но весьма емкие по содержанию. Это позволяет конкретные факты из самых различных областей знаний рассматривать как проявление этих понятий и отношений между ними. Совокупность таких понятий и отношений, выраженных при помощи системы математических символов и обозначений и отражающих некоторые свойства изучаемого объекта, и называют математической моделью этого объекта. В данном случае математика выступает, по существу, в роли универсального языка науки. Его универсальность французский математик Анри Пуанкаре (1854-1912) определил всего одной фразой: „Математика — это искусство называть разные вещи одним и тем же именем".
2.2. Структура математической модели
В достаточно общем случае изучаемый технический объект (ТО) количественно можно охарактеризовать векторами
внешних, внутренних и выходных параметров соответственно. Одни и те же физические, механические или информационные характеристики ТО в моделях различного уровня и содержания могут выполнять роль как внешних или внутренних, так и выходных параметров.
Например, для электронного усилителя выходными параметрами являются коэффициент усиления, полоса частот пропускаемых сигналов, входное сопротивление, рассеиваемая мощность, внешними — сопротивление и емкость нагрузки, напряжения источников питания, температура окружающей среды, а внутренними — сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, характеристики транзисторов*2. Но если в качестве ТО рассматривать отдельно взятый транзистор, то такие его характеристики, как отпирающее напряжение и коллекторный ток, следует уже отнести к его выходным параметрам, а в качестве внешних надо будет рассматривать токи и напряжения,
задаваемые коммутирующими с ним элементами усилителя.
При создании ТО значения выходных параметров или диапазоны их возможного изменения оговаривают в техническом задании на разработку ТО, тогда как внешние параметры характеризуют условия его функционирования.
В сравнительно простом случае математическая модель (ММ) ТО может представлять собой соотношение
где
— векторная функция векторного аргумента. Модель в виде (2.2) позволяет легко вычислять выходные параметры по задаваемым значениям внешних и внутренних параметров, т.е. решать так называемую прямую задачу. В инженерной практике решение прямой задачи часто называют поверочным расчетом. При создании ТО возникает необходимость решать более сложную так называемую обратную задачу: по обусловленным техническим заданием на проектирование ТО значениям внешних и выходных параметров находить его внутренние параметры. В инженерной практике решению обратной задачи соответствует так называемый проектировочный расчет, часто имеющий целью оптимизацию внутренних параметров по некоторому критерию оптимальности. Однако при построении ММ ТО функция в (2.2) обычно заранее не известна и ее предстоит установить. Это наиболее сложная так называемая задача идентификации ММ (от латинского слова identifico — отождествляю, которому в данном случае придают смысл „распознаю").
Задача идентификации может быть решена путем математической обработки информации о ряде таких состояний ТО, для каждого из которых известны (например, измерены экспериментально) значения выходных, внутренних и внешних параметров. Один из таких способов связан с применением регрессионного анализа [XVII]. Если информация о внутренних параметрах отсутствует или же внутреннее устройство ТО слишком сложно, то ММ такого ТО строят по принципу черного ящика — устанавливают соотношение между внешними и выходными параметрами путем исследования реакции ТО на
внешние воздействия.
Теоретический путь построения ММ состоит в установлении связи между у, х и gв виде операторного уравнения
L(u(z))=0,(2.3)
где L— некоторый оператор (в общем случае нелинейный), О — нулевой элемент пространства, в котором действует этот оператор, z—вектор независимых переменных, в общем случае включающий время и пространственные координаты, а и — вектор фазовых переменных, включающий те параметры ТО, которые характеризуют его состояние. Но даже если возможно получить решение (2.3) и найти зависимость u(z) от z, то далеко не всегда удается представить ММ ТО в явном относительно вектора у виде (2.2). Поэтому именно (2.3) определяет в общем случае структуру ММ ТО, а (2.2) является более простым частным случаем такой модели.
2.3. Свойства математических моделей
Из сказанного ранее следует, что при изучении реально существующего или мыслимого технического объекта (ТО) математические методы применяют к его математической модели (ММ). Это применение будет эффективным, если свойства ММ удовлетворяют определенным требованиям. Рассмотрим основные из этих свойств.
Полнота ММ позволяет отразить в достаточной мере именно те характеристики и особенности ТО, которые интересуют нас с точки зрения поставленной цели проведения вычислительного эксперимента. Например, модель может достаточно полно описывать протекающие в объекте процессы, но не отражать его габаритные, массовые или стоимостные показатели. Так, ММ резистора в виде хорошо известной формулы U = IR закона
Ома обладает свойством полноты лишь с точки зрения установления связи между падением электрического напряжения Uна резисторе, его сопротивлением Rи протекающим через него током силой I, но не дает никакой информации о размерах, массе, теплостойкости, стоимости и других характеристиках резистора, по отношению к которым она не является полной. Отметим попутно, что в рассматриваемой ММ сопротивление Rрезистора выступает в роли его внутреннего параметра, тогда как если задано U, то Iбудет выходным параметром, a U— внешним параметром, и наоборот.
Точность ММ дает возможность обеспечить приемлемое совпадение реальных и найденных при помощи ММ значений выходных параметров ТО, составляющих вектор
Пусть
— найденное при помощи ММ и реальное значения i-го выходного параметра. Тогда относительная погрешность ММ по отношению к этому параметру будет равна
В качестве скалярной оценки вектора
можно принять какую-либо его норму, например
Поскольку выходные параметры ТО при помощи ММ связаны с его внешними и внутренними параметрами, то е, как количественная характеристика точности модели этого ТО, будет зависеть от координат векторов х иg.
Адекватность ММ— это способность ММ описывать выходные параметры ТО с относительной погрешностью не более некоторого заданного значения
. Пусть при некоторых ожидаемых номинальных значениях внешних параметров
ТО, составляющих вектор хном, из условия минимума
путей решения задачи конечномерной оптимизации [XIV] найдены значения внутренних параметров, составляющие вектор gномиобеспечивающие минимальное значение emin относительной погрешности ММ. Тогда при фиксированном векторе дНом можнс построить множество
называемое областью адекватности данной ММ. Ясно, что
при 
, а чем больше заданное значение 
, тем шире область адекватности ММ, т.е. эта ММ применима в более широком диапазоне возможного изменения внешних параметров ТО.
В более общем смысле под адекватностью ММ понимают правильное качественное и достаточно точное количественное описание именно тех характеристик ТО, которые важны в данном конкретном случае. Модель, адекватная при выборе одних характеристик, может быть неадекватной при выборе других характеристик того же ТО. В ряде прикладных областей, еще недостаточно подготовленных к применению количественных математических методов, ММ имеют главным образом качественный характер. Эта ситуация типична, например, для биологической и социальной сфер, в которых количественные закономерности не всегда поддаются строгой математической формализации. В таких случаях под адекватностью ММ естественно понимать лишь правильное качественное описание поведения изучаемых объектов или их систем. Экономичность ММ оценивают затратами на вычислительные ресурсы (машинное время и память), необходимые для реализации ММ на ЭВМ. Эти затраты зависят от числа арифметических операций при использовании модели, от размерности пространства фазовых переменных, от особенностей применяемой ЭВМ и других факторов. Очевидно, что требова
Приведенные примеры характеризуют свойство универсальности ММ. Благодаря этому свойству возникает „родство" между различными отраслями знаний, что ускоряет их совместное развитие. Такую общность и универсальность ММ можно объяснить тем, что в математике используют абстрактные основополагающие понятия, немногочисленные, но весьма емкие по содержанию. Это позволяет конкретные факты из самых различных областей знаний рассматривать как проявление этих понятий и отношений между ними. Совокупность таких понятий и отношений, выраженных при помощи системы математических символов и обозначений и отражающих некоторые свойства изучаемого объекта, и называют математической моделью этого объекта. В данном случае математика выступает, по существу, в роли универсального языка науки. Его универсальность французский математик Анри Пуанкаре (1854-1912) определил всего одной фразой: „Математика — это искусство называть разные вещи одним и тем же именем".
2.2. Структура математической модели
В достаточно общем случае изучаемый технический объект (ТО) количественно можно охарактеризовать векторами
внешних, внутренних и выходных параметров соответственно. Одни и те же физические, механические или информационные характеристики ТО в моделях различного уровня и содержания могут выполнять роль как внешних или внутренних, так и выходных параметров.Например, для электронного усилителя выходными параметрами являются коэффициент усиления, полоса частот пропускаемых сигналов, входное сопротивление, рассеиваемая мощность, внешними — сопротивление и емкость нагрузки, напряжения источников питания, температура окружающей среды, а внутренними — сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, характеристики транзисторов*2. Но если в качестве ТО рассматривать отдельно взятый транзистор, то такие его характеристики, как отпирающее напряжение и коллекторный ток, следует уже отнести к его выходным параметрам, а в качестве внешних надо будет рассматривать токи и напряжения,
задаваемые коммутирующими с ним элементами усилителя.
При создании ТО значения выходных параметров или диапазоны их возможного изменения оговаривают в техническом задании на разработку ТО, тогда как внешние параметры характеризуют условия его функционирования.
В сравнительно простом случае математическая модель (ММ) ТО может представлять собой соотношение
где
— векторная функция векторного аргумента. Модель в виде (2.2) позволяет легко вычислять выходные параметры по задаваемым значениям внешних и внутренних параметров, т.е. решать так называемую прямую задачу. В инженерной практике решение прямой задачи часто называют поверочным расчетом. При создании ТО возникает необходимость решать более сложную так называемую обратную задачу: по обусловленным техническим заданием на проектирование ТО значениям внешних и выходных параметров находить его внутренние параметры. В инженерной практике решению обратной задачи соответствует так называемый проектировочный расчет, часто имеющий целью оптимизацию внутренних параметров по некоторому критерию оптимальности. Однако при построении ММ ТО функция в (2.2) обычно заранее не известна и ее предстоит установить. Это наиболее сложная так называемая задача идентификации ММ (от латинского слова identifico — отождествляю, которому в данном случае придают смысл „распознаю").Задача идентификации может быть решена путем математической обработки информации о ряде таких состояний ТО, для каждого из которых известны (например, измерены экспериментально) значения выходных, внутренних и внешних параметров. Один из таких способов связан с применением регрессионного анализа [XVII]. Если информация о внутренних параметрах отсутствует или же внутреннее устройство ТО слишком сложно, то ММ такого ТО строят по принципу черного ящика — устанавливают соотношение между внешними и выходными параметрами путем исследования реакции ТО на
внешние воздействия.
Теоретический путь построения ММ состоит в установлении связи между у, х и gв виде операторного уравнения
L(u(z))=0,(2.3)
где L— некоторый оператор (в общем случае нелинейный), О — нулевой элемент пространства, в котором действует этот оператор, z—вектор независимых переменных, в общем случае включающий время и пространственные координаты, а и — вектор фазовых переменных, включающий те параметры ТО, которые характеризуют его состояние. Но даже если возможно получить решение (2.3) и найти зависимость u(z) от z, то далеко не всегда удается представить ММ ТО в явном относительно вектора у виде (2.2). Поэтому именно (2.3) определяет в общем случае структуру ММ ТО, а (2.2) является более простым частным случаем такой модели.
2.3. Свойства математических моделей
Из сказанного ранее следует, что при изучении реально существующего или мыслимого технического объекта (ТО) математические методы применяют к его математической модели (ММ). Это применение будет эффективным, если свойства ММ удовлетворяют определенным требованиям. Рассмотрим основные из этих свойств.
Полнота ММ позволяет отразить в достаточной мере именно те характеристики и особенности ТО, которые интересуют нас с точки зрения поставленной цели проведения вычислительного эксперимента. Например, модель может достаточно полно описывать протекающие в объекте процессы, но не отражать его габаритные, массовые или стоимостные показатели. Так, ММ резистора в виде хорошо известной формулы U = IR закона
Ома обладает свойством полноты лишь с точки зрения установления связи между падением электрического напряжения Uна резисторе, его сопротивлением Rи протекающим через него током силой I, но не дает никакой информации о размерах, массе, теплостойкости, стоимости и других характеристиках резистора, по отношению к которым она не является полной. Отметим попутно, что в рассматриваемой ММ сопротивление Rрезистора выступает в роли его внутреннего параметра, тогда как если задано U, то Iбудет выходным параметром, a U— внешним параметром, и наоборот.
Точность ММ дает возможность обеспечить приемлемое совпадение реальных и найденных при помощи ММ значений выходных параметров ТО, составляющих вектор
Пусть
— найденное при помощи ММ и реальное значения i-го выходного параметра. Тогда относительная погрешность ММ по отношению к этому параметру будет равна В качестве скалярной оценки вектора
можно принять какую-либо его норму, например
Поскольку выходные параметры ТО при помощи ММ связаны с его внешними и внутренними параметрами, то е, как количественная характеристика точности модели этого ТО, будет зависеть от координат векторов х иg.
Адекватность ММ— это способность ММ описывать выходные параметры ТО с относительной погрешностью не более некоторого заданного значения
. Пусть при некоторых ожидаемых номинальных значениях внешних параметров
ТО, составляющих вектор хном, из условия минимума
путей решения задачи конечномерной оптимизации [XIV] найдены значения внутренних параметров, составляющие вектор gномиобеспечивающие минимальное значение emin относительной погрешности ММ. Тогда при фиксированном векторе дНом можнс построить множество называемое областью адекватности данной ММ. Ясно, что
при , а чем больше заданное значение , тем шире область адекватности ММ, т.е. эта ММ применима в более широком диапазоне возможного изменения внешних параметров ТО.В более общем смысле под адекватностью ММ понимают правильное качественное и достаточно точное количественное описание именно тех характеристик ТО, которые важны в данном конкретном случае. Модель, адекватная при выборе одних характеристик, может быть неадекватной при выборе других характеристик того же ТО. В ряде прикладных областей, еще недостаточно подготовленных к применению количественных математических методов, ММ имеют главным образом качественный характер. Эта ситуация типична, например, для биологической и социальной сфер, в которых количественные закономерности не всегда поддаются строгой математической формализации. В таких случаях под адекватностью ММ естественно понимать лишь правильное качественное описание поведения изучаемых объектов или их систем. Экономичность ММ оценивают затратами на вычислительные ресурсы (машинное время и память), необходимые для реализации ММ на ЭВМ. Эти затраты зависят от числа арифметических операций при использовании модели, от размерности пространства фазовых переменных, от особенностей применяемой ЭВМ и других факторов. Очевидно, что требова