A modellezés folyamata felfogható a modellek egyik osztályából egy másikba történő átmenetként. Hagyományosan három nagy modellosztályt különböztetnek meg: kognitív, tartalmi és formális modelleket. Ezek a modellezés három egymással összefüggő szintjét alkotják, amelyek nem vizsgálhatók egymástól elszigetelten. A modellezési szintek közötti kölcsönös hatás a modellekben rejlő potencialitás tulajdonságával áll kapcsolatban. Bármely modell megalkotása új ismeretek megjelenését vonja maga után a vizsgált objektumról, ami a modellezett objektumra vonatkozó fogalmak és nézetek különböző szinteken történő újraértékeléséhez és pontosításához vezet. Ez a körülmény pedig a megfelelő tartalmi és kognitív modellek felülvizsgálatához vezet, biztosítva a vizsgált objektum modellezése valamennyi szintjének spirális fejlődését.
Az eredeti objektum megfigyelésekor a kutató tudatában kialakul az objektum mentális képe — annak ideális modellje. A tudományos szakirodalomban ezt kognitív (mentális) modellnek nevezik. Egy ilyen modell kialakításakor a kutató jellemzően konkrét kérdésekre keresi a választ, ezért az objektum végtelenül összetett szerkezetéből minden nem lényeges elemet kihagynak, hogy tömörebb, koncentráltabb leírást kapjanak. A kognitív modell természetes nyelven történő megjelenítését tartalmi modellnek nevezik.
A kognitív modellek eredendően szubjektívek, mivel a kutatók korábbi ismereteik és tapasztalataik alapján alkotják meg őket. Ezek a modellek csak szimbolikus leírás révén érthetők meg. A kognitív és a tartalmi modellek nem egyenértékűek, mivel az előbbi olyan elemeket is tartalmazhat, amelyeket a kutató nem képes vagy nem kíván megfogalmazni. Ugyanakkor, ha egy tartalmi modellt más alkotott meg, vagy közös munka eredménye, akkor annak értelmezése, megértésének szintje és a hozzá fűzött bizalom mértéke az egyes értelmezők között jelentősen eltérhet. A tartalmi modelleket gyakran technikai feladatmeghatározásnak is nevezik.
Funkcionális célja és feladatai szerint a tartalmi modellek leíró, magyarázó és előrejelző modellekre oszthatók:
- A leíró modell az objektum bármely leírása.
- A magyarázó modell arra a kérdésre ad választ, hogy valami miért történik.
- Az előrejelző modell az objektum jövőbeli viselkedését írja le. Figyelemre méltó, hogy az előrejelző modell nem feltétlenül tartalmaz magyarázó összetevőt.
A fogalmi modell olyan tartalmi modell, amelynek megfogalmazása a modellezett objektum vizsgálatával foglalkozó szakterületek fogalmait és képzeteit alkalmazza.
Tágabb értelemben a fogalmi modell egy meghatározott koncepción vagy nézőponton alapuló tartalmi modellként értendő. Három típusú fogalmi modellt különböztetnek meg: logikai-szemantikai, strukturális-funkcionális és kauzális modellt.
- A logikai-szemantikai modell az objektumot a vonatkozó szakterületek fogalmaival és definícióival írja le, magába foglalva az összes ismert, logikailag konzisztens állítást és tényt. Ezen modellek elemzése logikai következtetésen és az adott szakterületeken felhalmozott ismereteken alapul.
- A strukturális-funkcionális modell az objektumot egységes rendszerként kezeli, amelyet egyedi elemekre vagy alrendszerekre bontanak fel. Az összetevőket olyan strukturális kapcsolatok kötik össze, amelyek meghatározzák az alárendeltséget, a logikai sorrendet és a feladatok végrehajtásának időbeli sorrendjét. Ezen modellek ábrázolására általában diagramokat, sémákat és térképeket alkalmaznak.
- A kauzális modellt gyakran alkalmazzák egy objektum viselkedésének magyarázatára és előrejelzésére. Ezek a modellek elsősorban a következőkre irányulnak: (1) a vizsgált objektum alkotóelemei közötti legfontosabb összefüggések azonosítása; (2) annak meghatározása, hogy egyes tényezők változásai hogyan hatnak a modell összetevőinek állapotára; (3) annak megértése, hogy a modell egészében hogyan fog működni, és megfelelően le fogja-e írni a kutató számára érdekes paraméterek dinamikáját.
A formális modell egy fogalmi modellt egy vagy több formális nyelv — például matematikai elméletek, speciális modellezési nyelvek vagy programozási nyelvek — segítségével jelenít meg. A humán tudományokban a modellezés gyakran a fogalmi modell kidolgozásával zárul, míg a természettudományokban általában lehetséges formális modellt is felépíteni.
Bár a tartalmi és formális modellek jelentőségét a kutatásban széles körben elismerik, a kognitív modellek szerepét szubjektivitásuk és a gondolati folyamatok implicit jellege miatt gyakran alábecsülik. Mindazonáltal a kognitív modellek különösen jelentősek azokban az esetekben, amikor az operátorok vagy döntéshozók saját mentális képzeteikre támaszkodva irányítanak objektumokat vagy folyamatokat. Ez a modelltípus a társadalomtudományokban is jelentős szerepet játszik.
A matematikai modellezés a tudományos, szimbolikus és formális modellezés egy formája, amelyben az objektumokat matematikai nyelven írják le, és matematikai módszerekkel vizsgálják.
A tudományos kutatásra szánt matematikai modell lehetővé teszi a modellezett objektum vagy jelenség paraméterértékeinek meghatározását megadott bemeneti adatok alapján. Így egy ilyen modell magját a bemeneti paraméterértékek kimeneti paraméterértékekre történő leképezése alkotja. Ez a szemlélet lehetővé teszi, hogy a matematikai modellt matematikai operátorként tekintsük, amely tágabb értelemben definiálható függvényként, algebrai, differenciál-, integrodifferenciál- vagy integrálegyenletekkel megadott leképezésként, algoritmusként, szabályhalmazként vagy táblázatokként, amelyek segítségével a kimeneti paraméterek a bemeneti értékekből meghatározhatók.
A matematikai modell operátor fogalmán keresztüli meghatározása konstruktívabb az ilyen modellek osztályozásának felépítése szempontjából, mivel magába foglalja a napjainkban létező matematikai modellek teljes sokféleségét.
A matematikai modellezés előnyei a fizikai kísérlethez képest:
- gazdaságosság (különösen a valós rendszer erőforrásainak megtakarítása);
- hipotetikus objektumok — azaz a természetben nem megvalósult objektumok — modellezésének lehetősége;
- olyan üzemi körülmények szimulálásának lehetősége, amelyek veszélyesek vagy a valóságban nehezen reprodukálhatók;
- az időskála megváltoztatásának lehetősége;
- a sokoldalú elemzés egyszerűsége;
- nagyobb előrejelző erő, az általános törvényszerűségek felismerésének képessége miatt;
- az alkalmazott hardver és szoftver univerzalitása (programozási rendszerek és általános célú alkalmazásszoftver-csomagok).
Az információs modell egy objektum modellje, amely az adott elemzés szempontjából lényeges paraméterekre és változókra, azok közötti kapcsolatokra, valamint az objektum bemeneteire és kimeneteire vonatkozó információk formájában jelenik meg, és lehetővé teszi az objektum lehetséges állapotainak szimulálását a bemeneti értékek változásaira vonatkozó információk modellbe való bevitelével.