1.1.4. Модели системы

Моделирование, или метод моделей, является одним из наиболее распространенных способов изучения различных процессов, явлений и систем с помощью модели и лежит в основе теории ОиЛзЭС. Модели как заместители широко используются при описании ППС в ОиЛзЭС, однако часто они определяются односторонне или на интуитивном уровне. Это связано прежде всего с отсутствием четкого понимания того, что же является моделью, и особенно математической моделью ОиЛзЭС.

При исследовании технических преобразующих устройств под моделью каких-либо процессов, явлений и систем понимают их описание на языке научной теории или некоторый в широком смысле образ (реальный или воображаемый), обладающий существенными для цели моделирования свойствами. Этот гомоморфный образ или модельное представление в определенных условиях может быть использован в качестве их заместителя. Такую трактовку понятия модели используют для моделирования ППС. Она выражает идею имитации (описания) конкретной ОиЛзЭС, первичной по отношению к модели. От рассматриваемой трактовки следует отличать применение термина модель как прообраза некоторой системы, ее «представителя». В этом понимании модели проявляется принцип реального воплощения эталона, и здесь первичным понятием уже является сама модель, выступающая в качестве стандарта, образца, шаблона и т. д.

На практике использование того или иного представления модели фактически обусловлено целью моделирования. Если целью является выяснение свойств какого-либо объекта, процесса, явления с помощью другого объекта, процесса, явления (его модели), то говорят о модели-образе. При воспроизведении свойств эталона модель понимается как прообраз. При этом модель-образ обычно выступает как конструкция более высокого уровня абстракции по сравнению с оригиналом. Если из контекста всегда ясно, о каких моделях идет речь, то для краткости слова образ и прообраз обычно опускают.

В общем случае при исследовании преобразующих свойств любых систем с помощью моделей в зависимости от способа получения модели следует различать материальное (предметное или эмпирическое) и идеальное (теоретическое) моделирование. В ходе материального моделирования исследование ведется на реальной материальной (предметной) модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, структурные, функциональные и динамические характеристики ОиЛзЭС (оригинала) и по своим конкретным свойствам предназначенной некоторым образом конкретно заменять (реализовывать) ОиЛзЭС. Поэтому материальное моделирование трактуется еще как экспериментальное.

Материальное, или предметное, моделирование подразделяется на физическое моделирование, когда физическая модель и моделируемый объект имеет одну и ту же физическую природу, и предметно-математическое моделирование.

При физическом моделировании условия реализации системы или процесса-модели, вообще говоря, могут значительно отличаться от условий, свойственных системе или процессу-оригиналу, и выбираются, исходя из удобства и простоты исследования. Однако условия физического моделирования выбирают не абсолютно произвольно. Между оригиналом и физической моделью должны быть сохранены некоторые отношения подобия, вытекающие из закономерностей физической природы явлений и гарантирующие возможность использования информации, получаемой путем физического моделирования, для оценки свойств оригинала.

Частными случаями физического моделирования являются конструктивное натурное и полу натурное моделирование. В натурной модели (натурном эксперименте) макетный образец или сам ОиЛзЭП выступают как физическая предметная модель ОиЛзЭС, функциклирующая в реальных условиях Отличие полунатурной модели состоит в использовании различных имитаторов входных сигналов или макета системы управления.

В случае предметно-математического моделирования система или процесс исследуются путем опытного изучения какой-либо системы (процесса) иной физической природы, но такой, что ее поведение описывается теми же математическими соотношениями (той же математической моделью), что и моделируемая система. Частным случаем предметно-математической модели является аналоговая модель. Она основана на аналогии (строго говоря, на изоморфизме) систем, имеющих различную физическую природу, но описываемых одинаковыми алгебраическими, дифференциальными или какими-либо другими уравнениями. До создания цифровых вычислительных машин аналоговая модель была основным средством предметно-математического моделирования. В настоящее время основной предметно-математической моделью является компьютерная модель или моделирующий алгоритм.

При осуществлении идеального моделирования ППС в ОиЛзЭС описывается формализовано, так что осуществляется его идеальная (воображаемая) имитация, или с помощью идеальной модели можно изготовить материальную модель. В этом смысле идеальная модель рассматривается как теоретическая модель.

Формализации описания ППС в ОиЛзЭС предшествует изучение структуры составляющих его явлений. Поэтому вначале идеальное моделирование выполняется на уровне самых общих, иногда даже не до конца осознанных и фиксированных модельных представлений. Это так называемое мысленное или интуитивное моделирование. В результате появляется концептуальная (мысленная) модель, или содержательное описание, ОиЛзЭС в виде некоторого обобщенного представления о ППС при заданных условиях и ограничениях на уровне эвристической концепции. Концептуальная модель — первая попытка четко рассмотреть структурные и функционально-преобразующие связи, характерные для исследуемого ППС в рамках эвристической гипотезы, и постановку прикладной задачи анализа и синтеза ОиЛзЭС, определяющую цели моделирования. Именно связность является сущностью концептуальной модели ОиЛзЭС, так как система, элементы которой не взаимосвязаны, вряд ли может описывать ППС, не говоря уже о том, что ее анализ представляет собой тривиальную задачу.

В результате содержательного описания концентрируются сведения о физической природе и количественных характеристиках ПЭ, о степени и характере взаимодействия между ними, о месте и значении каждого ПЭ во всей концептуальной модели ОиЛзЭС. Помимо сведений, непосредственно характеризующих ППС, в концептуальную модель ОиЛзЭС дополнительно включается описание множества входных и выходных сигналов, а также требуемый результат преобразования в виде определенных показателей эффективности (качества). Концептуальная модель ОиЛзЭС строится после достаточно обстоятельного изучения работы системы. Однако при создании новых приборов, которые существуют только в виде проектов или замыслов разработчика, для составления содержательного описания ППС в ОиЛзЭС используется накопленный опыт и результаты наблюдения за ППС в аналогичных системах с учетом особенностей разрабатываемого ОиЛзЭП.

Концептуальная модель ОиЛзЭС представляет собой гомоморфный образ, преследующий цель содержательного упрощения реальной ОиЛзЭС на первом этапе моделирования ППС. Упрощение достигается за счет того, что в отличие от изоморфизма это отображение однозначно лишь в одну сторону. Образы некоторых элементов оригинала в концептуальной модели отсутствуют или оказываются одинаковыми, подобно тому, как в изображении сливаются в одно пятно функции рассеяния двух неразрешаемых точечных источников. Практически это означает, что при построении концептуальной модели ОиЛзЭС некоторые структурные элементы не рассматриваются, а их влияние сводится к учету дополнительных возмущений структуры и поведения создаваемой в дальнейшем математической модели ОиЛзЭС.

Концептуальная модель ОиЛзЭС обычно самостоятельного значения не имеет, а служит лишь исходным материалом для последующих этапов формализации идеальной модели путем построения некоторого множества знаковых моделей в виде формализованных схем, графиков, чертежей и т. п. Особую роль играют те формализованные схемы, которые являются промежуточными звеньями между концептуальной и математической моделями ОиЛзЭС. К ним следует прежде всего отнести структурную, функциональную и принципиальную схемы, которые полностью подводят итог предварительного содержательного описания.

Структурная схема определяет основные функциональные части ОЭП или ОиЛзЭС, их назначение и взаимосвязи. Простота, удобство и наглядность описания структурной связности и основных свойств ОиЛзЭС с помощью структурных схем позволяет им стать хорошей методической базой для исследования сложных систем.

Функциональная схема разъясняет определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях ОЭП или ОиЛзЭС или в системе в целом, и наглядно отображает наличие функционально-преобразующей связности. На схеме выделяют функциональные части системы обычно в виде условных графических обозначений (реже в виде прямоугольников) и функционально-преобра зу­ющие связи между ними. Технические характеристики функциональных частей указывают рядом с графическими обозначениями или на свободном поле схемы. Там же помещают поясняющие подписи и диаграммы, описывающие протекание ППС в пространстве и во времени. В результате функциональная схема показывает не только пригодность элементов к выполнению определенной функциональной задачи, но и функциональные принципы построения ОиЛзЭС.

Принципиальная (полная) схема определяет полный состав элементов и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы системы. Такие схемы широко используют для описания работы электротехнических и радиоэлектронных систем. С этой целью разработан целый комплекс стандартных условных графических обозначений (резисторы, конденсаторы, приборы электровакуумные и полупроводниковые и т.д.). Однако для идентификации ППС в ОиЛзЭС метод принципиальных схем практически не проработан. Имеющиеся в настоящее время условные графические обозначения разработаны для решения неоптических задач и соответствуют начальным и конечным элементам схемы. К ним относятся источники излучения, включая лазеры, приёмники излучения (фотодиоды, фототриоды, фотоэлементы и т. п.), а также передающие и приемные телевизионные трубки.

Широко используемая на практике для описания процесса преобразования сигналов классическая оптическая схема, которую часто называют принципиальной оптической схемой, является, по сути, разновидностью функциональной схемы и фактически представляет собой оптическую монтажно-компоновочную функционально знаковую модель. Она разъясняет, в каком направлении и как распространяется оптическое излучение, и показывает места расположения и соединения составных частей ОиЛзЭС, а также на каком расстоянии относительно друг друга должны устанавливаться (монтироваться) оптические элементы и их размеры. Однако условные обозначения оптических элементов носят не принципиальный, а конструктивный характер.

Другие типы формализованных схем (подключения, общие, расположения) используют на завершающих этапах разработки оптико-электронного комплекса на месте эксплуатации и не играют существенной роли в разработке ОиЛзЭС.

Рассмотренные формализованные схемы и другие знаковые модели получаются из концептуально-когнитивной модели на соответствующем уровне детализации. Они служат хорошей основой для дальнейшего развития абстрактного описания ОиЛзЭС путем построения ее математической модели.