WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ - А. С. Карамайкин МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Текст лекций Санкт-Петербург 2005 УДК 681.32.06 ББК 32.973 К21 Карамайкин А. С.

К21 Моделирование процессов и систем: Текст лекций / СПбГУАП.

СПб., 2005. 108 с.

Рассматривается использование ряда интегрированных сред прикладных программ при моделировании и исследовании измерительно-вычислительноуправляющих систем и комплексов по учебным дисциплинам "Моделирование процессов и систем" и "Моделирование измерительно-вычислительных комплексов на ЭВМ".

Текст лекций предназначен для самостоятельной работы, а также как "шпаргалка" для выполнения лабораторного практикума студентами всех форм обучения специальностей "Аэрокосмические приборы и измерительно-вычислительные комплексы" и "Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов ", обучающихся как по основному учебному плану, так и по планам бакалаврской и магистерской подготовки направления "Приборостроение".

Рецензенты:

кафедра процессов управления Балтийского государственного технического университета (ВОЕНМЕХ);

доцент, кандидат технических наук В. И.Чуркин Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве текста лекций © ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», 2005 2 ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящее время проблемы построения и исследования математических моделей систем различного назначения и сигналов разнообразной природы занимают одно из видных мест современной науки. Проникновение математических методов в технику, естествознание и гуманитарные науки идет по пути математического проектирования и моделирования соответствующих объектов, а все более возрастающие возможности вычислительной техники обеспечивают большой успех этому научному направлению.

Важный аспект построения моделей заключается в том, что модель должна быть адекватным заменителем реального положения вещей, реальной системы. Следовательно, речь идет не только об уменьшающем избыточность запоминании информации, но и о такой семантике (величинах, соответствующих реальному объекту и характеризующих его, которые они должны согласовывать в модели, например в виде входных и выходных величин и состояний) и о таком синтаксисе модели (описании отношений между согласованными величинами в виде формул), при которых ее поведение оказывается сравнимым с поведением реального объекта.

Текст лекций "Моделирование процессов и систем", в основном, ориентирован на использование интегрированной среды проектирования и моделирования MATLAB, нашедшей широкое применение в последние годы в университетских и инженерно-технических кругах мира.

Для сотен тысяч специалистов, занятых инженерными и научными исследованиями, система MATLAB обеспечила интеллектуальную среду для организации вычислений.

Среда MATLAB была создана как язык программирования высокого уровня для технических вычислений. Она вобрала в себя не только передовой опыт развития и компьютерных реализаций численных методов, накопленный за последние четыре десятилетия, но и весь опыт становления математики за историю человечества.

Одним из важных достоинств среды является возможность ее расширения с целью решения новых научно-технических задач. Это достигается, прежде всего, созданием целого ряда пакетов расширений, охватывающих все новые и полезные практически направления компьютерных технологий.

Текст лекций предназначен для самостоятельной работы студентов, а также как "шпаргалка" для выполнения лабораторного практикума и весьма полезен студентам очно-заочной и заочной форм обучения.

Не следует обольщаться простотой прочитанного. Вопросам корректности постановки и решения ряда задач моделирования, использования того или иного математического аппарата, тех или иных численных методов решения будут посвящены отдельные лекции, не вошедшие в данный материал.

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ПЭВМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ В последние годы понятие "модель" используется широко в самых различных областях науки, техники, естествознания, в гуманитарных областях знания, в искусстве и художественной литературе.

Воспользуемся более ограниченным понятием математической модели – описанием изучаемого объекта на формальном языке, т. е. с помощью чисел, уравнений различного вида: конечных, дифференциальных, интегральных, интегродифференциальных, операторных, а также неравенств или логических соотношений.

Под термином "математическое моделирование" часто понимается некоторое упрощение и весьма приближенное математическое описание сложной системы. Слово "модель" в этом случае противопоставляется закону науки, относительно которого предполагается, что он описывает явление природы некоторым "безусловным" образом. Одна и та же сложная система может описываться различными моделями, каждая из которых отражает только какую-то сторону изучаемой системы. Это, если угодно, взгляд на сложную систему или комплекс в некотором определенном и заведомо узком ракурсе. В этом случае, естественно, не возникает задача дискриминации – различные модели могут иметь право на одновременное существование. Модель в этом понимании ведет себя в каком-то смысле так же, как и описываемая ею система, а в другом смысле – иначе, ибо модель не полностью идентична (адекватна) описываемой системе или комплексу. Пользуясь лингвистической терминологией, нужно сказать, что математическая модель есть просто метафора.

Вспомним, что в лингвистике под словом "метафора" понимают оборот речи, состоящий в употреблении слов и выражений в переносном смысле на основе какой-либо аналогии, сходства, сравнения, контраста. Зачем же нужно строить метафоры столь сложных систем, как измерительно-вычислительно-управляющие комплексы летательных аппаратов Тем более, что построение таких моделей даром не дается: приходится преодолевать трудности, подчас весьма значительные, и научного, и организационного, и психологического характера.



Просто так, в свое удовольствие, строить математические модели не стоит. В то же время основной, после изучения реальных явлений и объектов, способ познания – построение моделей, но не каких-либо, а содержательных, дающих возможность выпукло увидеть какие-то интересные или нужные исследователю стороны изучаемого явления, объекта, процесса, погрузив "в тень" другие стороны. С иных позиций они могут оказаться более важными, и тогда нужно строить другую модель.

В практике работы с ПЭВМ следует различать техническую процедуру решения поставленной задачи и существо дела. Нельзя сводить постановку задачи и получение решения лишь к программированным в том или ином виде процедурам: записи или представлению математической модели в форме, удобной для использования в интегрированном комплексе прикладных программ, ввода модели в ПЭВМ, выбора численного метода решения, исходя из соображений реально достижимой точности и длительности решения, регистрации решения и т. д. Между тем человек, следуя формальному подходу, часто считает, что его задача "должна решаться", и разочаровывается в вычислительной технике.

Где ошибка, как ее найти, корректно ли поставлена задача Ответ на эти вопросы лучше всего дает физический подход, при котором проектируемый комплекс или система представляется в виде совокупности заданных физических элементов, агрегатов, подсистем. Комплекс или система расчленяется на части, для которых известны точные решения или экспериментальные характеристики, а соединение этих частей в модели дает новые искомые зависимости. Модель анализируется и корректируется по частям, как бы с помощью постановки дополнительных экспериментов в частных системах, которые можно анализировать в отдельности.

Для получения достоверных результатов необходимо связать процесс моделирования с физическим смыслом задачи, чтобы быть убежденным в правильности полученных результатов, либо получить неопровержимые доказательства неправильной постановки задачи и знать, где искать ошибку.

Таким образом, моделирование на ПЭВМ – не формальная процедура, а экспериментальный поиск. Поэтому можно говорить об искусстве моделирования так же, как и об искусстве эксперимента.

Существенно упростить общение с компьютером позволяет использование универсальных пакетов прикладных программ и интегрированных сред. В последние годы в научно-технических кругах мира получила широкое распространение, известная еще с начала 80-х годов, интегрированная среда для проведения математических расчетов, проектирования и моделирования – MATLAB (версии 5.х и 6.х).

Формализация задач синтеза и анализа измерительно-вычислительноуправляющих систем и комплексов, а также применение численных методов решения задач позволяют использовать хорошо изученные приемы решения и стандартное (универсальное) математическое обеспечение ЭВМ. Применение ЭВМ повышает эффективность научных исследований, позволяет проводить моделирование сложных объектов и явлений.

Математическое моделирование включает следующие шаги (этапы моделирования):

выбор расчетной схемы и определение необходимой детализации;

математическое описание (составление системы уравнений);

выбор метода решения;

приведение модели (включающей уравнения, метод, исходные данные и начальные условия) к виду, удобному для решения на ЭВМ;

составление программы для ЭВМ;

проведение расчетов (моделирование);

при необходимости следует повторить шаги 3–6;

анализ полученных результатов;

при необходимости следует повторить шаги 1–8;

оформление отчета (описание, схемы, рисунки, графики, формулы и т. д);

при необходимости следует повторить шаги 1–10, 3–10, 8–10.

Развитие ПЭВМ и программного обеспечения приводит к ускорению и облегчению выполнения каждого шага моделирования.

До недавнего времени преобладал традиционный подход, отработанный на "больших" ЭВМ. При этом каждый этап был изолирован от других и рассчитан на работу специализированной группы. Так, постановкой задачи занимались "постановщики", разрабатывали методы решения и программировали – математики и программисты, работой на ЭВМ и построением графиков решения занимались операторы и т. д.

Большое количество времени (человеческого и машинного) требовалось на отладку программ. Решения на ЭВМ проводились в основном в пакетном режиме. При традиционном подходе решаются многовариантные задачи на хорошо отработанных моделях. Многомодельные системы широко используются в дорогих САПР.

Увеличение быстродействия ЭВМ и развитие графического интерфейса позволило получать и отображать результаты в графическом виде в темпе решения, что значительно сократило объем промежуточных распечаток и бумажных отчетов.

При выборе метода широко используются стандартные пакеты прикладных программ, для которых есть обоснование применения и контрольные примеры. Пользователи средств ЭВМ со стажем, наверняка, помнят знаменитый пакет прикладных научных программ SSPLIB для ЕС ЭВМ, значительно расширивший вычислительные возможности языка Фортран, пакет TUTSIM с возможностью моделирования любой нелинейности, пакет SIAM c удобной и наглядной графической оболочкой, а также пакеты СС 3.0 и СС 4.0, разработанные в Калифорнийском технологическом институте для промышленности и учебных целей. Модульный состав пакета соответствовал модульной структуре используемых подходов к программированию задач и широко применялся при наработке необходимых методов решения и ряда моделей для определенного класса задач.





При системном подходе к моделированию должен рассматриваться весь комплекс вопросов проектирования: планирования, проведения и обработки результатов вычислительного эксперимента.

Важной задачей является обработка результатов вычислений. На этом этапе используются методы, хорошо зарекомендовавшие себя при экспериментах с реальными объектами. Результаты, полученные на математических моделях, должны быть сопоставимы с результатами натурного эксперимента.

Первые персональные компьютеры в основном облегчали этап оформления результатов моделирования. Здесь использовались текстовые редакторы, графические редакторы, программы построения графиков.

Нет смысла перечислять все текстовые редакторы, которые в разное время использовались для оформления научно-технических отчетов.

Однако, на наш взгляд, особое (историческое) место занимает Лексикон, с использование которого можно было получить печатный текст, похожий на машинописный, как требовалось по ГОСТу.

Для построения графиков-результатов использовался известный многим пакет GRAPHER, первые версии которого работали еще под MS DOS.

Современные пакеты подготовки печатной продукции включают средства оформления текста, подготовки математических формул, графиков, схем, таблиц. Современные технологии позволяют подготовить документ, включающий как объекты-документы других типов или гиперссылки на другие документы, так и программы обработки.

В настоящее время наибольшее применение в задачах моделирования как этапа проектирования получили персональные компьютеры.

Изначально широкое их использование определялось не их быстродействием, а возможностью гармонично настроить рабочее место исследователя, организовать передачу данных между задачами, получить законченный отчет.

Современные программы численного моделирования систем и процессов становятся все более автоматизированными, облегчая пользователю процесс постановки и решения широкого класса сложных задач.

Еще больший эффект дают современные возможности качественного визуального представления результатов.

Среди таких программ, безусловно, одно из лидирующих мест занимает система MATLAB+Simulink компании MathWorks, на основе которой разработано большое количество профессиональных приложений (так называемых тулбоксов) для конкретных областей применения. Эти приложения, собравшие достижения численного моделирования определенного круга задач, являются не просто набором методов и команд, а, без преувеличения, последним словом в данном направлении исследований. Профессиональное овладение специализированным тулбоксом позволит разработчику подняться на уровень мировых достижений и на равных конкурировать с лидерами в этой области.

Для проектирования систем регулирования и управления, цифровой обработки сигналов, коммуникационных систем широко используется блок инструментов Simulink, позволяющий моделировать динамические системы, оценивать их работу, модифицировать проект с помощью графических блок-диаграмм. Simulink – интерактивная среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем.

Благодаря тесной интеграции с MATLAB Simulink имеет непосредственный доступ к широкому диапазону средств проектирования и анализа. Традиционный подход к проектированию систем обычно заключается в создании прототипа, за которым следует всестороннее тестирование и внесение соответствующих изменений. Этот подход требует больших временных и финансовых затрат. Эффективной и общепринятой альтернативой является имитационное моделирование.

Simulink – мощный инструмент для моделирования, обеспечивающий быстрое построение и тестирование виртуальных прототипов и дающий доступ к любому уровню детализации проекта с минимальными усилиями. Используя Simulink для итеративного исправления проекта до построения прототипа, инженер может разработать проект быстро и эффективно.

2. СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ Попробуем рассмотреть программное обеспечение персональных компьютеров, используемое на различных этапах математического моделирования. В последние годы в развитии программного обеспечения для персональных ЭВМ прослеживается тенденция применения интегрированных пакетов прикладных программ, включающих наряду со специализированными программами и программы подготовки отчетов, и многое др.

Пакет MATLAB Модульный подход к моделированию достаточно глубоко реализуется в современных интегрированных средах (пакетах прикладных программ).

Одним из них является интегрированная среда (в определенном смысле энциклопедия технических применений при проектировании и моделировании) MATLAB фирмы "The MathWorks Inc" (USA), которая, по существу, переместилась с "больших" машин на персональные компьютеры в конце 80-х годов, а широкое применение получила в 90-х годах в связи с существенным "улучшением" характеристик персональных компьютеров.

Система MATLAB предназначена для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной визуализации получаемых результатов. Эта система применяется в математике, вычислительном эксперименте, имитационном моделировании, финансовых расчетах и ряде других областей.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.