1 ФГАОУ ВПО Уральский федеральный университет им. первого Президента Россиии Б.Н. Ельцина

2 Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» направление – Автоматизация и управление МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ Лекция 11 Программные средства ППМ. Структура АСМ. Банк данных моделирования. Моделирующие комплексы Преподаватель: Трофимова Ольга Геннадиевна, доц., к.т.н.

3 Цель изучения материала: ознакомиться с программными средствами ППМ, ознакомиться с работой автоматизированной системы моделирования (АСМ), изучить структуру АСМ, ознакомиться с работой банка данных моделирования, изучить характерные черты моделирующих комплексов

4 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 Содержание лекции 11 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем. Автоматизированная система моделирования (АСМ) и пакеты прикладных программ моделирования (ППМ). Программные средства ППМ. Структура АСМ. Банк данных моделирования. Моделирующие комплексы

6 Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ ППМ – комплекс программных средств и документов, предназначенных для реализации алгоритма моделирования процесса функционирования системы и обеспечивающих автоматизацию эксперимента с моделью на компьютере. ППМ не является набором готовых программ для проведения машинных экспериментов с моделью. ППМ – набор средств для разработки конкретных рабочих программ моделирования, позволяющих автоматизировать определенные функций: - построения модели, - машинного эксперимента, - обработки результатов моделирования системы.

7 Пакеты прикладных программ моделирования систем К программным средствам ППМ относятся: 1) набор программных модулей (тело пакета), из которых по заданному алгоритму набирается конкретная рабочая программа моделирования объекта; 2) управляющая программа; 3) средства генерации рабочих программ.

8 Пакеты прикладных программ моделирования систем Различают два вида генерации рабочих программ моделирования: статическую и динамическую. При статической генерации из отдельных модулей формируется рабочая программа моделирования. При этом определяются: - устройства ввода-вывода информации, - описываются на специальном языке генерации свойства разрабатываемой программы. Программа моделирования является одновариантной, и при внесения изменений в процесс моделирования системы проводится новая генерация.

9 Пакеты прикладных программ моделирования систем При динамической генерации рассматриваются все варианты рабочей программы. Перед каждым новым прогоном программы в ходе машинного эксперимента, вводится специальная параметрическая карта с указанием вариант прогона программы. Монитор пакета собирает необходимые модули и помещает их в оперативную память компьютера. Условия проведения машинного эксперимента при динамической генерации являются более гибкими, но увеличиваются затраты машинных ресурсов.

10 Пакеты прикладных программ моделирования систем В ППМ пользователь имеет возможность подключать свои собственные или заменять имеющиеся модули программы моделирования. Это расширяет возможности моделирования различных вариантов систем. ППМ содержит комплект документов: - проектная документация разработчиков пакета, - пользовательская документация, необходимая для эксплуатации пакета при решении конкретных задач моделирования.

11 Структура АСМ. Структурно АСМ делят 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.

12 Структура АСМ. Комплекс программ формирования БДО реализует все работы по созданию данных 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).

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

17 Банк данных моделирования Рис Структура банка данных автоматизированной системы моделирования

18 Банк данных моделирования Банк данных моделирования включает в себя: 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.

19 База данных моделирования – 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. Банк данных моделирования

20 Математическое обеспечение банка данных – система управления базой данных (СУБД), содержащая компиляторы и интерпретаторы языков заданий, манипулятор, а также набор сервисных программ манипулятора и администратора банка данных. Банк данных моделирования

21 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. Банк данных моделирования

22 Пользователи взаимодействуют с базой данных моделирования в диалоговом режиме с помощью набора специальных языков. Для обращения пользователей к базе данных используют 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. Банк данных моделирования

23 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. Банк данных моделирования

24 Сервисные программы осуществляют основные операции над базами данных, в частности: - сортировки, - выборки данных, - слияние, - дополнение и изменение баз данных, - редактирование ответов. Банк данных моделирования

25 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. При обнаружении ошибок запрос к обработке не принимается, выдается информация об ошибках. Банк данных моделирования

26 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. При поиске данных происходят обращение к рабочей области в памяти компьютера и выборка искомых данных по объекту и эксперименту или корректировка данных в базе. Найденные в базе данные контролируются и анализируются. Затем редактируются ответы пользователю. Банк данных моделирования

27 Таким образом, база данных моделирования, имеющаяся в банке данных, позволяет создать единое (интегрированное) информационное обеспечение АСМ. В БД хранится как информация, необходимая для построения моделей различных объектов, так и информация, необходимая для планирования и проведения машинного эксперимента. Банк данных моделирования

28 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.

29 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; операции сложения, вычитания, умножения, дифференцирования, интегрирования, генерирования непрерывных функций выполняются эффективно, но имеются ограниченные возможности выполнения логических действий, накопления цифровых данных, обеспечения длительных задержек, обработки информации;

30 Моделирующие комплексы Характерные черты для АВМ: возможность выполнения операций в реальном или ускоренном масштабе времени; технология программирования состоит в замещении элементами АВМ (операционные усилители, интеграторы и т. п.) соответствующих элементов моделируемой системы; к АВМ можно подключить блоки реальной системы при комбинированном моделировании; пользователь имеет возможность в ходе машинного эксперимента изменять значения уставок, (коэффициентов) для более наглядного проведения эксперимента с моделью системы.

31 Моделирующие комплексы Характерные черты ЭВМ: вся обработка промежуточной и результирующей информации 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; время решения определяется сложностью задачи т.е. числом операций, необходимых для получения результатов моделирования; наличие компромисса между временем решения и точностью результатов моделирования системы;

32 Моделирующие комплексы Характерные черты ЭВМ: применяется ограниченное число арифметических операций (сложение, вычитание, умножение и деление), но с помощью численных методов на базе этих операций реализуются и более сложные, например дифференцирование, интегрирование; для выполнения логических операций и принятия решений используются цифровые и нецифровые данные; предусматриваются операции с плавающей запятой, что устраняет трудности масштабирования модели; методы программирования базируются как на ЯОН, так и на ЯИМ.

33 Моделирующие комплексы Современные ГВК представляют собой объединение достоинств цифровой и аналоговой техники. Аналоговая часть ГВК : - увеличивает скорость вычислений; - распараллеливает процессы. Цифровая часть ГВК : - управляет аналоговой частью машинной модели при высоком быстродействии; - использует устройства запоминания и хранения данных моделирования; - обеспечивает более высокую точность вычислений; - использует логические операции.

34 Моделирующие комплексы Преимущества ГВК: - сочетает быстродействие АВМ и точность ЭВМ – это расширяет класс моделируемых объектов; - обеспечивает гибкость аналогового моделирования благодаря использованию логики и памяти ЭВМ; - увеличивает быстродействие ЭВМ за счет использования аналоговых подпрограмм; - обрабатывает входную информацию о модели, представленной в дискретной и непрерывной формах; - возможно использование реальных технических средств и части исследуемой конкретной системы; - возможно взаимодействие с датчиками реальных объектов.

35 Моделирующие комплексы Аналого-ориентированные комплексы Модель системы реализуется на аналоговом вычислителе (аналоговое моделирование). При исследовании системы цифровые средства АЦМК необходимы на этапе подготовки модели, для накопления и обработки результатов моделирования, в качестве периферийного оборудования. ЭВМ может управлять АВМ в процессе реализации модели. Цифровая логика позволяет получить более сложные модели по сравнению со стандартными АВМ. Используются, когда не требуется высокая точность результатов и моделируемая система реализуема аналоговыми средствами.

36 Моделирующие комплексы Цифро-ориентированные комплексы Модель реализуется цифровыми методами. Для отображения и регистрации результатов используются аналоговые средства – осциллографы, самописцы и т.д. Можно применять АЦМК для полунатурного моделирования, когда реальная аппаратура стыкуется с ЭВМ через аналоговый вычислитель. Распараллеливание отдельных вычислительных процедур в цифровой модели осуществляется аналоговыми средствами.

37 Моделирующие комплексы Сбалансированные (универсальные) комплексы – мощное средство для решения задач аналого-цифрового моделирования. Решаются и аналоговые задачи с цифровым управлением, и задачи цифрового моделирования. Реализован итеративный процесс исследования с использованием автоматизированных систем моделирования, при этом используется диалог «оператор – машинный эксперимент», т.е. результаты решений запоминаются, отображаются и регистрируются, оперативно вносятся изменения в модель и осуществляется ее перезапуск.

38 Выводы и заключение по лекции: ознакомились с программными средствами ППМ, ознакомились с работой автоматизированной системы моделирования (АСМ), изучили структуру АСМ, ознакомились с работой банка данных моделирования, изучили характерные черты моделирующих комплексов.

39 Перечень источников: 1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. 5-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.