本科畢業論文中模擬實驗方法研究論文

時間：2022-10-08 06:57:09 本科畢業論文我要投稿

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本科畢業論文中模擬實驗方法研究論文

　　摘要：研究者越來越關注新模擬實驗方法的探討，旨在發現日益復雜的科學技術問題的新特性。本文在論述基本模擬類型的基礎上，以近年來航空航天技術領域的某些中文科技論文為案例，通過調研模擬實驗的最新進展，提出模擬實驗的屬性依賴法與現場依賴法。所提出的方法以提取屬性信息和現場信息為特征，解決動態、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實驗發展提供新思路。合理使用屬性依賴法與現場依賴法能有效地揭示研究對象的演變規律和研究成果的創新性。

本科畢業論文中模擬實驗方法研究論文

　　關鍵詞：科技論文；方法論；模擬實驗；模擬方法

　　中圖分類號：G304 中圖分類號：A 文獻標識碼：1672-8122（2016）05-0125-02

　　模擬實驗是一種重要的科學技術研究方法，已廣泛應用于許多領域[1-3]。社會發展與人類進步，迫切要求研究者日益關注新模擬實驗方法的探討，以發現越來越復雜的科學技術問題的未知特性，更好地揭示其內在運行機制。同時，研究者在科技論文中如何有效展示其模擬實驗方法產生的效果，對提升論文價值，突出研究成果的創新性有重要意義。為此，在論述基本模擬類型的基礎上，以近年來航空航天領域的某些中文科技論文為主要案例，探討模擬實驗方法的最新進展特征，提出屬性依賴法與現場依賴法，為解決更復雜的科學技術問題提供新思路。

　　一、模擬的類型

　　1.模擬的基本類型

　　模擬是以科學技術理論與實踐為基礎，在一定環境與條件下，將研究對象用其它手段進行模仿的一種實驗方法。該方法不直接涉及研究對象固有的現象與過程本身，而是設計一個和該現象與過程相似的模型，并通過該模型間接地呈現出該現象與過程。模擬實驗的目的主要是便于經濟地檢驗、驗證、再現、發現或揭示該現象與過程的特征、演變規律與內在機制。

　　模擬的基本類型有物理模擬與計算機模擬。

　　物理模擬是制作和某現象與過程相似的物理模型，并對該模型研究，獲取該現象與過程的特征。

　　計算機模擬是利用計算機對某現象與過程進行求解、分析、判斷以及圖像顯示等，得出該現象與過程的特征。計算機模擬有模型模擬和統計模擬兩種基本方法。

　　2.模擬實驗方法的進展特征

　　科學技術的發展，對許多航空航天系統有越來越嚴格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實時評估與預測性能退化軌跡，科學技術研究已經從靜態發展到動態、從線性發展到非線性、從確定性參數發展到不確定性參數、從不變性函數發展到多變性函數。面對這些新問題，現有研究所采用的模擬實驗方法取得了許多進展。

　　以近年來航空航天技術領域的某些中文科技論文為案例，經研究發現，模擬實驗方法的最新進展以依賴問題的屬性信息和現場信息為特征，旨在求解動態、非線性、不確定性與多變性等復雜問題，根據對問題信息的依賴特征，將現有的模擬實驗方法歸納為屬性依賴法與現場依賴法。

　　二、屬性依賴法

　　屬性依賴法是基于屬性、目標屬性與層次屬性等3個信息要素的模擬實驗方法。

　　屬性是問題的抽象刻畫，表示問題的性質與關系。性質表示問題的固有特征，關系表示不同問題之間的性質傳承與影響。

　　目標屬性是期望得到的對問題屬性的某種解答或認知。

　　層次屬性是目標屬性的分解，即將目標屬性分解為若干個子屬性。若子屬性彼此獨立，則稱為同層次子屬性；否則稱為非同層次子屬性。層次按從低到高的順序分為多層，目標屬性依賴于最高層子屬性，最高層子屬性依賴于次高層子屬性，依次類推，直到最低層子屬性。

　　根據目標屬性的不同，屬性依賴法又細分為同步進化法與層次進化法。

　　1.同步進化法

　　同步進化法是將問題分解成低一層次的多個彼此獨立的子問題，用基本模擬方法逐個解決各子問題，最后融合出結果。這是一種化整為零、逐個擊破、同步進化的方法。具體做法是，若目標屬性是由多個低一層次的獨立子屬性綜合構成，則可以根據各獨立子屬性的特征，進行子屬性模擬，然后推斷各子屬性的模擬結果，使各子屬性由低層次同步進化至高層次，獲得目標屬性特征。

　　例如，揭示航空發動機非線性動力學特征是相關領域的一個重要問題。為此，文獻[7]綜合現有方法的優點，提出一種振動耦合動力學模型，計算出系統非線性響應，并在兩個航空發動機轉子模擬裝置上進行模態實驗，發現計算結果與實驗結果有很好的吻合性。

　　在這個案例中，非線性響應特征問題被分解為2個同層次的子問題，即理論建模計算與模態實驗，2個子問題解答的融合是將計算結果與實驗結果進行對比分析。可以看出，解決這2個子問題的實驗模擬方法分別是物理模擬和計算機模型模擬，經過對2種模擬結果的對比檢驗，最終推斷出航空發動機非線性響應的某些特征，為探索航空發動機非線性動力學特征提供了新思路。

　　2.層次進化法

　　層次進化法是將問題按屬性層次由低到高地分解成多個前后有聯系的子問題，用基本模擬方法逐步解決各子問題，最后直接得到結果。該方法的特點是化整為零、逐步擊破、依次進化。具體做法是，若目標屬性可以分解為多個彼此低一層次的關聯子屬性，則可以根據各子屬性的特征，按照設計好的步驟，依次進行子屬性模擬，逐步使屬性由低層次向高層次進化，逼近目標屬性特征。

　　例如，航空發動機的故障診斷技術對發動機性能的可靠性、維護性和保障性有重要影響。但是，現有研究主要關注故障診斷算法的有效性，尚未有效驗證故障檢測率、定位率與虛警率等指標，從而無法定量評價故障診斷系統性能。這里的問題是如何定量評價故障診斷系統性能？

　　為此，文獻[4]將問題分解為混合卡爾曼濾波器組故障診斷理論，發動機故障診斷系統和故障診斷實驗等3個不同層次的子問題。這3個層次的進化關系為：（1）用計算機模型模擬方法構建混合卡爾曼濾波器組，為發動機故障診斷系統奠定理論模型基礎；（2）基于理論模型，針對民用渦扇發動機常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發動機故障診斷系統，為故障診斷實驗奠定基礎；（3）基于故障診斷系統，用統計模擬法評價出發動機故障診斷系統性能的定量指標值。

　　在該案例中，依次解決3個子問題的實驗模擬方法分別是計算機模型模擬、物理模型模擬和統計模擬，最終目標是實現故障診斷系統性能的定量評價，為工程實踐提供了重要依據。

　　三、現場依賴法

　　現場依賴法是基于時間序列和參數序列的模擬實驗方法，時間序列和參數序列統稱為序列。時間序列是將某現象的某一個指標在不同時間上的各個數值按時間先后順序排列而形成的序列，序列中的信息與時間密切相關。參數序列是由某現象的某些特征值構成的序列，序列中的信息與時間沒有關系。

　　現場依賴法是指依賴于問題真實現場信息的一種模擬實驗方法，其特點是，在模擬實驗中有現場的實時信息輸入、輸出與交流，可以及時矯正評估與預測結果。按照現場實時信息特征，現場依賴法可以細分為時間序列依賴法與參數序列依賴法。

　　1.時間序列依賴法

　　時間序列依賴法是根據現場實時信息的輸入時間序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預測的一種模擬實驗方法。

　　不確定性的輸入時間序列干擾會導致輸出時間序列運行軌跡發生未知的非線性與多變性演化，通過將外界的真實或模擬真實的時序干擾輸入模擬實驗系統，獲取輸出時間序列的演化響應機制，及時預測與矯正其運行軌跡，可以為真實航空航天系統的可靠運行奠定基礎。

　　例如，為揭示大氣阻力導致衛星軌道衰減的機制，文獻[1]構建了模擬實驗系統，將地球扁率與大氣阻力攝動影響作為輸入時間序列，通過模型模擬輸出軌道根數變化，獲取衛星軌道高度衰減結果即輸出時間序列。其中，依賴的現場實時信息是經模擬改進的用某衛星高精度加速度儀測量得到的大氣密度數據。盡管熱層大氣密度數據呈現出明顯的動態、非線性、不確定性與多變性時序特征，模擬軌道序列與衛星實際軌道序列仍然保持一致，發現了衛星運行軌跡演變的新特性，研究成果具有創新性。

　　2.參數序列依賴法

　　參數序列依賴法是根據現場實時信息的輸入參數序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預測的一種模擬實驗方法。

　　常見參數有剛度、阻尼、固有頻率、壓力、流量與溫度等，多種參數的組合構成參數序列。模擬實驗系統的參數序列取值應該與真實系統的參數序列保持一致，才能可信賴地實施輸出序列運行軌跡評估與預測。

　　例如，文獻[8]的衛星在軌微振動環境模擬實驗，用物理模擬方法構建出低頻彈性支撐裝置，揭示出自由邊界條件對衛星動力學特征的影響機制，為提高衛星在軌微振動地面模擬實驗精度奠定了基礎。其中，依賴的現場實時信息是微振動擾振，輸入參數序列為激振力參數，輸出序列為模擬衛星彈性體的模態相應。

　　四、結語

　　基于科學技術問題的屬性信息和現場信息特征，提出模擬實驗的屬性依賴法與現場依賴法，可以解決動態、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實驗方法的發展提供新思路。

　　模擬實驗方法歸類為科學技術研究方法論，合理運用屬性依賴法與現場依賴法可以有效地驗證或再現研究對象的表現，揭示其演變規律，發現某些未知特性。

　　在科技論文中，將屬性依賴法與現場依賴法產生的效果充分展示出來，能更好地突出研究成果的創新性。

　　參考文獻：

　　[1]尹凡，馬淑英，李晶.大氣阻力引起衛星軌道衰減的數值模擬[J].地球物理學報，2013（12）.

　　[2]陳學文，晁建剛，安明.基于體態識別的航天員虛擬訓練仿真技術研究[J].載人航天，2015（3）.

　　[3]張鵬，張開敏，沈穎.舵機結構非線性力學特性研究[J].航空兵器，2015（3）.