| 单词 | 系统动力学和动态数字试验技术 |
| 释义 | 【系统动力学和动态数字试验技术】 拼译：system dynamics and dynamic digit test technique 系统动力学是综合性的科学，它以物理学、化学、生物学等基础科学作基础；以数学和应用软件为工具，致力于研究自然系统、工程系统(已建成的或尚在设计中的)中所发生的动态过程。它对自然灾害的防治和避免，对工程系统的安全运行、改进和故障诊断，都有重要的意义。 系统动力学采取的方法，就是为系统建立数学模型，把动态进程的研究变换为对数学模型的求解和分析，数学模型是“虚拟的系统”。从实系统过渡到虚系统以对动态过程进行研究，是系统动力学的根本思想。1788年拉格朗日发表了名著《分析力学》，从牛顿的力学理论出发，为多自由度机械系统拟订了数学模型的建立方法，把机械运动的研究归结为求解拉格朗日第1类或第2类运动微分方程，使物理学的分支科学－牛顿力学走向应用，可以认为拉格朗日是系统动力学奠基人。许多基础科学的研究，一当成熟，都表现为某种系统的数学模型的建立，并走向应用，走向系统动力学，弹性力学成熟的标志，是建立了弹性体振动或波动的数学模型；流体力学成熟的标志是建立了纳维－斯托克斯方程。电磁学成熟的标志，是为电路系统建立了基尔霍夫回路方程和结点方程，是为电磁场建立了麦克斯韦方程。可以说，对一个系统的动态进程的研究，在科学中是沿着两个方向进行的。一个方向就是将系统作尽可能的简化，建立最简单的数学模型，以便发现基本定律。这通常是基础科学采取的方向。另一个方向则是将系统一般化，拟订普适的数学模型，以便于应用，这就是系统动力学采取的方向。从方法论角度看，系统动力学与基础科学并没有区别。从数学的观点看，数学模型常分为两类：一类为离散型，表现为常微分方程组，其复杂性常用自由度数度量。另一类为连续型，表现为偏微分方程组，其复杂性依赖于定解条件。系统动力学的应用，长期以来，只在简单的数学模型(例如线性模型)中才取得成功。1948年维纳发表了名著《控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，指出有可能发展一种一般的方法去研究各式各样系统中的控制进程。这种方法需要概括应用全部科学分支，例如信息论、系统动力学、算法论、概率论等的成就。这本书常被认为是控制论诞生的标志；还指出各基础科学应该走向综合的必要性，系统动力学应研究广泛的系统，特别是耦合系统，以便支持更具综合性的控制论的发展。50年代，随着计算机技术的迅猛发展，一批有远见的结构动力学家拟订了有限单元法；在信号处理领域，则有FFT的发明。强有力的数字计算法，使复杂数学模型的求解不存在原则上的困难。此方法被普遍接受，成为研究一切系统动态的基本方法。对于一给定系统，系统动力学的研究方法是建模与求解，即：(1)为给定系统建立泛定的数学模型，泛定是指模型参数是可替换的；(2)建立数学模型参数库；(3)建立输入(或激励)信号库，所谓输入信号，是系统所受环境的影响的数学模拟；(4)编制系统动态数字试验软件，它对不同参数的数学模型是通用的；(5)数字试验结果的处理软件的编制。处理软件包括动态进程时域或频域特征的提取、灵敏度分析、优化、解析解的回归、动画显示等功能。这些工作最终都表现为软件，将它们装入计算机(例如如微机或工作站)就构成给定系统动态的专用数字试验装置。这样的装置，我们称为给定系统的动态数字试验系统(一种计算机试验系统)。一个实际系统(存在的或尚在设计中的)的动态数字试验系统建成后，关于动态进程的研究，就从实际系统过渡到“虚拟系统”的研究。系统动力学和动态数字试验技术，属于国外近来流行的所谓“视像计算技术”或“虚拟现实技术”。许多通用的大型应用软件，只要有建模的功能，无疑都应视为系统动力学的成果。CSAR公司(Computerized Structural Analysis & Reseach)新近推出的应用软件系统CSA／Nastran具有结构热传导、气弹性、电磁场等多种建模功能，已在全世界的工程界广泛运用。1992年开始传入中国。我们认为这类研究仅是系统动力学发展的一个方面。对于专业研究机构，个人以及专业生产厂家，他们更关心专门动态数字试验系统的研制。因为他们需要对自己关心的系统作更深入细微的分析。过分的通用化，对他们来说是个负担。因此从70年代开始，专门的动态数字试验系统逐步涌现出来。C．A．Brebbia等人研究了英国索兰水域的环流与污染物的扩展；R．T．Cheng等人研究了伊利湖水的风致环流；J．J．Connor等人研究了马萨诸塞海湾的环流与采矿沉积物的弥散。这批研究开创了系统动力学在环境工程中应用的局面，林健和黄琳对大型空间结构的动力学建模与控制作了综述和研究。R．L．Huston给出了多体动力学模拟与分析方面近期进展的述评，应用多体动力学方法，徐铭陶等建成了摩托车行驶状态下的振动数字试验系统，洪嘉振等建成了跳水运动的计算机仿真系统。K．F．Jensen等人将系统动力学方法应用于化学工程，他们研究了化学蒸气沉积反应器中混合对流流动的仿真和输运现象。徐铭陶等人研究了脱硫塔中脱硫剂的雾化与废气的流动，王保国和卞荫贵研究了超声速和高超声速气道的数值模拟。P．Meakin(美国杜邦公司研究与开发中心)研究了材料破坏与变形的模型。Y．S．Garud(美国Slevy公司)研究了材料的环境助长开裂的建模问题。R．K．Jain以及吴望一等人用系统动力学方法研究了肿瘤对药物的生理屏障的机理。有远见的专业生产厂家，已预见到单纯采用测试手段以改进产品的质量是不够的，他们开始设立产品动态数字试验室，研制动态数字试验系统，例如东方电机厂正着手研制大电机机电耦合动态数字试验系统。这样的试验系统一旦建成，就为产品的改进提供了新手段，必将使越来越多工厂走上发展自己的动态数字试验技术的道路。70年代，系统动力学开始跨越线性界限，注目于非线性系统，一批先驱学者，如E． Lorenz、R．May、May、M．Henon、J．Hubbard、P．Marcus、D．Ruelle等，通过计算机试验，发现即使是十分简单的非线性微分方程，甚至迭代方程，都可能蕴含着极其复杂的动态行为，即走向混沌，走向奇异吸引子(strange Attractors)。B．Man-delbrot创立的分形几何学(Fractal Geometry)恰是奇异吸引子的几何理论。今天，来自不同科学的研究者，都试图在自己活动的领域中寻找奇异吸引子，并作出具体的解释。人体内节律的异常，可能是一种动力系统病；湍流的秘奥，可能是走向混沌的一种特殊途往的表现。非线性的研究为系统动力学的发展带来无限勃勃生机。【参考文献】：1 维纳．控制论(或关于在动物和机器中控制和通讯的科学)．北京：科学出版社，19612 Brebbia C A. Adey R. Proc Finite Eoement Seminar,3 Chilton,UK Atlas Computer Laboratory, 1975 May R. Nature, 1976,261:459～4674 Mandelbrot B. B The Fractal Geometry of Nature,Freenan, NewYork, 19775 Stewart H B, Thompson J M. Nonlinear Dynamics and Chaos. Wiley, Chichester, 19866 陈滨．分析动力学．北京：北京大学出版社，19877 林健，黄琳．力学进展，1991，21(3)8 徐铭陶，但斌，等．摩托车技术，1992，39 Meakin P．力学进展．1992，22(1)(重庆大学测试中心徐铭陶教授撰) |
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