1 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ

2 Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» направление – Автоматизация и управление специальность – Управление и информатика в технических системах МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ Лекция 20 Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы. Преподаватель: Трофимова Ольга Геннадиевна, доц., к.т.н.

3 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Цель изучения материала: овладеть навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, овладеть навыками работы с автоматизированной системой моделирования (АСМ), изучить структуру АСМ, овладеть навыками работы с диалоговой системой и банком данных моделирования, изучить характерные черты моделирующих комплексов

4 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Компетенций, формирующиеся в процессе знакомства с материалом: готовность учитывать современные тенденции развития информатики и вычислительной техники, компьютерных технологий в своей профессиональной деятельности; приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии; разрабатывать модели информационных систем, включая модели систем управления; использовать современные инструментальные средства и технологии имитационного моделирования;

5 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Содержание лекции 20 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы

6 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Структурно АСМ можно разбить на следующие комплексы программ: 1) формирования базы данных об объекте моделирования (БДО); 2) формирования базы данных о машинном эксперименте (БДЭ); 3) моделирования процесса функционирования объекта; 4) расширения возможностей ППМ; 5) организации различных режимов работы ППМ.

7 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Комплекс программ формирования БДО реализует все работы по созданию в АСМ сведений о моделируемом объекте. Информация об объекте может корректироваться. Для формирования БДО требуются следующие программы: ввода данных об объекте (сведения об элементах системы, типовых математических схемах и операторах их сопряжения); корректировки введенной информации; перевода в стандартную форму; диспетчеризации процедур ввода; формирования БДО (расположения информации во внешней памяти).

8 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Комплекс программ моделирования процесса реализует план ведения машинных экспериментов, их организацию на ЭВМ и обработку промежуточных данных и результатов эксперимента, взаимодействие с пользователем. Для решения задачи моделирования требуются следующие программы: управления машинным экспериментом; реализация стратегии эксперимента и его диспетчеризация; машинной имитации, включая организацию вычислений и взаимосвязь модулей модели; обработки и выдачи результатов моделирования системы в различных режимах взаимодействия с пользователем.

9 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Комплекс программ расширения возможностей ППМ обеспечивает пользователя средствами генерации новых программ моделирования при различных перестройках: - объекта моделирования, - машинного эксперимента, - обработки результатов и т.п.

10 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Комплекс программ организации различных режимов работы ППМ предназначен для: - диспетчеризации процесса функционирования ППМ, - организации режима диалога с пользователем на этапах ввода данных об объекте моделирования и эксперименте, корректировки БДО и БДЭ, машинного эксперимента с моделью - использования мультимедиа технологий, - обеспечения режима коллективного пользования пакетом.

11 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Одно из самых перспективных направлений в области машинного моделирования – оснащение существующих АСМ машин графикой и диалоговыми средствами. Системы моделирования с интерактивной графикой повышают эффективность исследования систем, формализуемых в виде непрерывных (детерминированных и стохастических) схем. Пользователю выдаются на дисплей выходные характеристики (переменные) модели системы и имеется возможность визуального сравнения с помощью буферизации на выходе старых и новых решений.

12 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Особенности диалоговых систем моделирования коллективного пользования: возможность одновременной работы многих пользователей, занятых разработкой одной системы; доступ пользователей к программно-техническим ресурсам системы моделирования, включая распределенные банки данных и пакеты прикладных программ моделирования; обеспечение диалогового режима работы с различными вычислительными машинами и устройствами, включая цифровые и аналоговые вычислительные машины, установки физического моделирования, элементы реальных систем и т.п.; диспетчирование работ в АСМ и оказание различных услуг пользователям, включая обучение работе с диалоговой системой моделирования; использование сетевых технологий.

13 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Рассмотрим организацию интерактивного процесса создания моделирующей программы. Схема построения машинной модели с помощью программного генератора приведена на рис. 5.5.

14 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Рис Схема построения машинной модели с помощью программного генератора

15 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования После построения на основе концептуальной модели математической схемы моделируемой системы S (блок 1) у пользователя имеется возможность ее дальнейшей модификации и исправлений, вносимых в структуру, алгоритмы поведения и параметры (блок 2). Затем с помощью средств ППМ проводятся формализация и алгоритмизация модели М (блок 3). Далее пользователь имеет возможность выбрать, исходя из особенностей модели и имеющихся в его распоряжении программно-технических средств, язык моделирования ЯОН или ЯИМ (блок 4).

16 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования В интерактивном режиме пользователь может проанализировать структуру входных данных моделирования и проверить совместимость логики модели системы и выбранного для моделирования языка (блок 5). В зависимости от этого решается вопрос о реализуемости модели на ЭВМ (блок 6): если модель требует внесения изменений, связанных с возможностью ее машинной реализации, то проводится ее модификация и доработка схемы (блок 2). Если модель реализуют на ЭВМ, то конструируют программу моделирования системы (блок 7).

17 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Если такая программа по своим свойствам удовлетворяет пользователя (блок 8), то в режиме диалога реализуется окончательное построение рабочей программы машинной модели с помощью имеющихся средств редактирования (блок 9). Когда, по мнению пользователя, конструкция программы не является удовлетворительной, имеется возможность дальнейших модификаций и исправления схемы модели системы (блок 2).

18 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Банк данных моделирования БДМ – организационно-программно-техническая система, представляющая собой совокупность БДО и БДЭ, программных и технических средств формирования и ведения этих баз и коллектива специалистов, обеспечивающих функционирование банка. Структура банка данных АСМ показана на рис. 5.6.

19 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Рис Структура банка данных автоматизированной системы моделирования

20 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Банк данных моделирования включает в себя следующие структурные элементы: информационный фонд – организованную совокупность данных моделирования, т.е. базы данных объекта и эксперимента; специализированное математическое обеспечение для управления банком данных; информационные языки для описания и манипулирования с данными об объекте моделирования и машинном эксперименте; администратор банка данных; справочные и служебные данные, необходимые для нормального функционирования банка данных; технические средства банка данных.

21 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования База данных моделирования представляет собой массив связей сложной структуры, характеризующий взаимосвязи между данными, относящимися к разным совокупностям. Для хранения данных простой структуры используют обычные массивы описания свойств, в числе которых могут быть и библиотеки программ процедур моделирования.

22 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Математическое обеспечение банка данных представляет собой систему управления базой данных (СУБД), содержащую компиляторы и интерпретаторы языков заданий, манипулятор, а также набор сервисных программ манипулятора и администратора банка данных.

23 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Функции манипулятора (ядра СУБД): управление компонентами системы; организация их взаимодействия; осуществление связи с операционной системой и администратором банка; выполнение основных операций над данными; контроль и защита целостности данных; редактирование вывода; кодирование (декодирование) и сжатие (расширение) данных; сбор статистики; ведение протокола в процессе моделирования.

24 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Пользователи взаимодействуют с базой данных моделирования в диалоговом режиме с помощью набора специальных языков. Для обращения пользователей к базе данных необходим информационный язык запросов. Для записи схем баз данных применяется язык описания данных. Общее управление работой банка данных осуществляется либо с помощью языка управления заданиями операционной системы, либо с помощью специально для этой цели создаваемого языка управления.

25 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Администратор банка данных осуществляет внешнюю координацию всей работы банка и выполняет операции, не поддающиеся формализации. В его функции входят: - создание баз данных, - согласование требований пользователей, - управление восстановлением при сбоях, - анализ статистики, - оценка и обеспечение эффективности работы с базой данных, - управление загрузкой баз данных, - реорганизация банка (изменение схем и баз данных), - генерация и развитие СУБД.

26 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Сервисные программы осуществляют основные операции над базами данных, в частности: - сортировки, - выборки данных, - слияние, - дополнение и изменение баз данных, - редактирование ответов.

27 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Банк данных моделирования функционирует следующим образом (рис. 5.6). Поступивший в банк в процессе построения концептуальной модели или работы с машинной моделью запрос проходит этап предварительной обработки, состоящей из синтаксического и логического контроля запроса. При этом логический контроль включает в себя проверку пароля пользователей и отсутствия недопустимых сочетаний признаков в задачах моделирования.

28 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования При обнаружении ошибок запрос к дальнейшей обработке не принимается, а на печать выдается информация об ошибках. Следующий этап – интерпретация запроса – распознавание вида запроса: на выдачу информации об объекте моделирования, на формирование рабочих массивов, на изменение или пополнение БДО и БДЭ. На этом этапе запрос с языка заданий переводится на язык манипулирования данными.

29 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования При поиске данных происходят обращение к рабочей области в памяти ЭВМ и выборка искомых данных по объекту и эксперименту или корректировка данных в базе. Найденные в базе данные контролируются и анализируются, а затем редактируются ответы пользователю, выдаваемые на печать или устройство отображения.

30 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Диалоговая система и банк данных моделирования Таким образом, база данных моделирования, имеющаяся в банке данных, позволяет создать единое (интегрированное) информационное обеспечение АСМ, т.е. в ней хранится как информация, необходимая для построения моделей различных объектов, так и информация, необходимая для планирования и проведения машинного эксперимента.

31 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы В машинном моделировании систем используется вычислительная техника трех типов: - электронные вычислительные машины (ЭВМ), - аналоговые вычислительные машины (АВМ), - гибридные вычислительные комплексы (ГВК) или аналого-цифровые моделирующие комплексы (АЦМК). АВМ значительно уступают ЭВМ по точности и логическим возможностям, но по быстродействию, схемной простоте, сопрягаемости с датчиками внешней информации не уступают им.

32 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты для АВМ: зависимые переменные модели системы представляются в непрерывном виде; точность результатов моделирования определяется качеством компонентов электрических схем АВМ; возможность одновременного выполнения параллельных вычислительных операций; возможность выполнения операций в реальном или ускоренном масштабе времени;

33 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты для АВМ: операции сложения, вычитания, умножения, дифференцирования, интегрирования, генерирования непрерывных функций выполняются весьма эффективно, но имеются ограниченные возможности выполнения логических действий, накопления цифровых данных, обеспечения длительных задержек, обработки информации; технология программирования состоит в замещении элементами АВМ (операционные усилители, интеграторы и т. п.) соответствующих элементов моделируемой системы;

34 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты для АВМ: к АВМ можно подключить блоки реальной системы при комбинированном моделировании; пользователь имеет возможность в ходе машинного эксперимента на АВМ изменять значения установок, т.е. коэффициентов, устанавливаемых на АВМ, что обеспечивает более наглядное проведение эксперимента с моделью системы.

35 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты ЭВМ: вся обработка промежуточной и результирующей информации в процессе моделирования системы реализуется в дискретном виде; все операции по работе с машинной моделью выполняются последовательно; точность результатов моделирования системы определяется главным образом выбранными численными методами решения задачи и формой представления чисел;

36 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты ЭВМ: время решения определяется сложностью задачи моделирования системы т.е. числом операций, необходимых для получения результатов моделирования; наличие компромисса между временем решения и точностью результатов моделирования системы; применяется ограниченное число арифметических операций (сложение, вычитание, умножение и деление), но с помощью численных методов можно в модели на базе этих исходных операций реализовать и более сложные, например дифференцирование, интегрирование;

37 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Характерные черты ЭВМ: для выполнения логических операций и принятия решений в процессе моделирования используются как цифровые, так и нецифровые данные; предусматриваются операции с плавающей запятой, что устраняет трудности масштабирования модели; методы программирования базируются как на ЯОН, так и на ЯИМ.

38 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Современные ГВК представляют собой объединение лучшего, присущего цифровой и аналоговой технике. Аналоговая часть ГВК позволяет: увеличить скорость вычислений; распараллелить процессы. Цифровая часть ГВК дает возможность: управлять аналоговой частью машинной модели при высоком быстродействии; использовать устройства запоминания и хранения данных моделирования; обеспечивать более высокую точность вычислений и применения логических операций при моделировании системы.

39 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Преимущества ГВК: сочетает быстродействие АВМ и точность ЭВМ, что позволяет расширить класс моделируемых объектов; в процессе машинного моделирования позволяет использовать реальные технические средства и части исследуемой конкретной системы; обеспечивает гибкость аналогового моделирования благодаря использованию логики и памяти ЭВМ;

40 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Преимущества ГВК: увеличивает быстродействие ЭВМ за счет использования аналоговых подпрограмм; делает возможной обработку входной информации о модели системы, представленной частично в дискретной и непрерывной формах; возможно взаимодействие с датчиками, установленными на реальных объектах.

41 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Аналого-ориентированные комплексы Используются в тех случаях, когда не требуется высокая точность результатов и когда моделируемая система реализуема аналоговыми средствами. При исследовании системы цифровые средства АЦМК необходимы на этапе подготовки модели для автоматизации набора задачи, накопления и обработки результатов моделирования. Сама же модель системы реализуется исключительно на аналоговом вычислителе (аналоговое моделирование).

42 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Аналого-ориентированные комплексы Кроме того ЭВМ может выполнять задачи управления АВМ в процессе реализации модели. АЦМК с цифровым управлением и цифровой логикой способны воспроизводить более сложные модели по сравнению со стандартными АВМ. К аналого-ориентированным АЦМК относятся также комплексы, в которых ЦВМ применяются в качестве периферийного оборудования.

43 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Цифро-ориентированные комплексы Это универсальные ЭВМ, в которых для отображения и регистрации результатов используются аналоговые средства – осциллографы, самописцы и т.д. В таких АЦМК модель полностью реализуется цифровыми методами. Возможны варианты построения АЦМК для полунатурного моделирования, когда реальная аппаратура стыкуется с ЭВМ через аналоговый вычислитель. В цифро-ориентированных АЦМК может иметь место распараллеливание отдельных вычислительных процедур в процессе работы с цифровой моделью за счет реализации их аналоговыми средствами.

44 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Сбалансированные (универсальные) комплексы Являются самым мощным средством для решения задач аналого-цифрового моделирования. В их состав входят средства, с помощью которых могут эффективно решаться не только аналого-цифровые задачи, но и задачи аналоговые с цифровым управлением, а также задачи цифрового моделирования.

45 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Моделирующие комплексы Сбалансированные (универсальные) комплексы На комплексах такого типа широко используется диалог «оператор – машинный эксперимент», т.е. могут запоминаться, отображаться и регистрироваться результаты решений, оперативно вноситься изменения в модель и может осуществляться ее запуск. Другими словами, имеется возможность реализовать итеративный процесс исследования с использованием автоматизированных систем моделирования.

46 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Выводы и заключение по лекции: овладели навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, овладели навыками работы с автоматизированной системой моделирования (АСМ), изучили структуру АСМ, овладели навыками работы с диалоговой системой и банком данных моделирования, изучили характерные черты моделирующих комплексов.

47 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Структура АСМ. Диалоговая система и банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Перечень источников: 1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., с.: ил. 2. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: Учебник для вузов. М.: Наука, с. Список дополнительной литературы по теме: 3. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование систем массового обслуживания с помощью GPSS: методические указания к лабораторным работам/Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 4. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование автоматических систем с помощью пакета программ VISSIM: методические указания к лабораторным работам / Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 5 Дружинина О.Г. Имитационное моделирование систем управления с помощью пакета программ VISSIM: методические указания к лабораторным работам / : ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 6. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование D-схем с помощью пакета программ MATLAB: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Моделирование систем» / О.Г. Дружинина, Морозова В.А., Андреев Д.В. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, с. 7. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование непрерывно-детерминированных систем с помощью пакета программ MATLAB: Методические указания к лабораторным работам по курсу "Моделирование систем" / О.Г. Дружинина, Морозова В.А., Андреев Д.В. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, с.