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 3. Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах. Преподаватель: Трофимова Ольга Геннадиевна, доц., к.т.н.

3 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах Цель изучения материала: изучить классификацию видов моделирования систем, познакомится со средствами моделирования систем, обеспечением имитационного моделирования, достоинствами и недостатками имитационного моделирования, эффективностью машинного моделирования.

4 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах 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.

5 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах Содержание лекции 3 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем. Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах. Средства моделирования систем. Обеспечение имитационного моделирования. Достоинства и недостатки имитационного моделирования. Эффективность машинного моделирования.

6 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем Мысленное моделирование Математическое моделирование – процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторой математической модели и исследование этой модели для получения характеристик объекта. Математическое моделирование делится на - аналитическое, - имитационное, - комбинированное.

7 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем Мысленное математическое моделирование Пример. Математическая модель процесса как система соотношений вида: где m – подсистемы, – характеристики подсистем, – параметры подсистемы, – входные воздействия на подсистемы, – воздействия внешней среды на подсистемы.

8 Мысленное математическое моделирование При аналитическом моделировании свойства, процессы объекта описываются в виде функциональных соотношений: - алгебраических, - интегродифференциальных, - конечно-разностных и т.п.) или логических условий, которые решаются: - либо в общем виде, - либо при конкретных начальных данных (численными методами на ЭВМ), - либо качественно (например, оценка устойчивости решения). Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

9 Мысленное моделирование При имитационном моделировании с помощью ЭВМ осуществляется: - синтез структуры, алгоритмов и параметров модели, - анализ результатов модели, - поиск оптимального варианта системы по некоторым критериям оценки эффективности. Когда результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели функционирования системы, являются реализациями случайных величин и функций, тогда для нахождения характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение с последующей статистической обработкой информации. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

10 Мысленное моделирование Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование систем объединяет достоинства аналитического и имитационного моделирования. При построении комбинированных моделей проводится предварительная декомпозиция процесса функционирования объекта на составляющие подпроцессы. Для некоторых подпроцессов при анализе и синтезе используются аналитические модели, а для остальных подпроцессов строятся имитационные модели. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

11 Реальное моделирование При реальном моделировании исследуются различные характеристики на реальном объекте целиком либо на его части. Реальное моделирование делят на натурное и физическое. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

12 Реальное натурное моделирование При реальном натурном моделировании исследования проводят на реальном объекте с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. Натурное моделирование подразделяется на - научный эксперимент, - комплексные испытания, - производственный эксперимент Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

13 Реальное натурное моделирование Научный эксперимент характеризуется использованием средств автоматизации проведения активного эксперимента и обработки информации. При комплексных испытаниях вследствие повторения испытаний изделий выявляются общие закономерности о надежности этих изделий, о характеристиках качества и т.д., при этом в реально протекающий процесс вводятся критические ситуации и определяются границы устойчивости. Производственный эксперимент связан с обобщением опыта, накопленного в ходе производственного процесса. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

14 Реальное моделирование При реальном физическом моделировании исследования проводятся на установках, которые сохраняют природу явлений и обладают физическим подобием. Физическое моделирование может протекать в реальном и нереальном (псевдореальном) масштабах времени, а также может просматриваться без учета времени. Например, так называемые замороженные процессы, которые фиксируются в некоторый момент времени. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

15 Особое место в моделировании занимает кибернетическое моделирование. При таком моделировании отсутствует непосредственное подобие физических процессов, происходящих в моделях, реальным процессам. Реальный объект рассматривают как «черный ящик», имеющий ряд входов и выходов. Исследуемая функция реального объекта формализуется в виде некоторых операторов связи между входом и выходом. Математический аппарат может отличаться от от физической реализации процесса. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

16 Пример кибернетического моделирования. Системы автоматического регулирования (САР) являются разновидностью систем управления. Основная функция САР состоит в поддержании выходной величины системы вблизи заданного значения. Одноконтурная САР является простейшей из всех САР. Структурная схема простейшей одноконтурной САР представлена на рисунке. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем

17 Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем g U y f вн Рис. Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования (САР) обозначения: g – задающее воздействие (уставка); fвн – внутреннее возмущение по каналу регулирования; – сигнал ошибки; U – управляющее воздействие на объект управления (ОУ); y – выходной сигнал ОУ; R(s) – передаточная функция (ПФ) регулятора; Wоб(s) – ПФ объекта управления по управляющему воздействию. R(s)R(s)W об (s)

18 Средства моделирования систем При математическом моделировании используются три основных средства моделирования систем: - аналоговые вычислительные машины (АВМ), - электронные вычислительные машины (ЭВМ), - гибридные вычислительные комплексы (ГВК). АВМ используется при аналитическом моделировании для ускорения составления и расчета характеристик простой модели. Однако при использовании АВМ повышается погрешность, т.е. уменьшается точность результатов, которая дополнительно ограничена точностью приборов. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

19 Средства моделирования систем ЭВМ используется для расчета характеристик математической аналитической модели, а также и при имитационном моделировании. Современные ЭВМ можно разделить на две группы: - универсальные, предназначенные для выполнения расчетных работ, - управляющие, позволяющие проводить не только расчетные работы, но прежде всего приспособленные для управления объектами в реальном масштабе времени, а также и для имитационного моделирования. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

20 Средства моделирования систем ГВК сочетает высокую скорость функционирования аналоговых средств и высокую точность расчетов на базе цифровых средств вычислительной техники. Аналоговая часть ускоряет получение конечных результатов, сохраняя некоторую наглядность протекания реального процесса. Цифровая часть позволяет осуществить контроль за реализацией модели, создать программы по обработке и хранению результатов моделирования, обеспечивает эффективный диалог исследователя с моделью. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

21 Обеспечение имитационного моделирования Имитационная система реализуется на ЭВМ и позволяет исследовать имитационную модель М. Имитационная модель задается в виде определенной совокупности отдельных блочных моделей и связей между ними. Блочные модели взаимодействуют в пространстве и времени при реализации какого-либо процесса системы. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

22 Обеспечение имитационного моделирования В имитационной системе можно выделить три основные группы блоков: · блоки, характеризующие моделируемый процесс функционирования системы S; · блоки, отражающие внешнюю среду Е и ее воздействие на реализуемый процесс; · блоки, играющие служебную вспомогательную роль, обеспечивая взаимодействие первых двух, а также выполняющие дополнительные функции по получению и обработке результатов моделирования. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

23 Обеспечение имитационного моделирования Имитационная система характеризуется - набором переменных, с помощью которых удается управлять изучаемым процессом, - набором начальных условий, когда можно изменять условия (план) проведения машинного эксперимента. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

24 Обеспечение имитационного моделирования Математическое обеспечение имитационной системы: – совокупность математических соотношений, описывающих поведение реального объекта, – совокупность алгоритмов, обеспечивающих как подготовку (ввод исходных данных), так и работу с моделью (имитация, вывод, обработка результатов). Программное обеспечение имитационной системы: – совокупность программ: планирования эксперимента, имитационной модели, проведения эксперимента, обработки и интерпретации результатов, синхронизации процессов в модели (псевдопараллельное выполнение процессов в модели). Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

25 Обеспечение имитационного моделирования Информационное обеспечение имитационного моделирования: – средства и технология организации и реорганизации базы данных моделирования, – методы логической и физической организации массивов, – формы документов, описывающих процесс моделирования и его результаты. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

26 Обеспечение имитационного моделирования Техническое обеспечение имитационного моделирования: – средства вычислительной техники, – средства связи и обмена между оператором и сетью ЭВМ, – средства ввода и вывода информации, – средства управления проведением эксперимента. Эргономическое обеспечение имитационного моделирования: – совокупность научных и прикладных методик и методов, – нормативно-технических и организационно- методических документов, создающих оптимальные условия для высокопроизводительной деятельности человека во взаимодействии с моделирующим комплексом. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

27 Достоинства и недостатки имитационного моделирования Основные достоинства имитационного моделирования : возможность исследовать особенности процесса функционирования системы в любых условиях; за счет применения ЭВМ сокращается продолжительность испытаний по сравнению с натурным экспериментом; результаты натурных испытаний реальной системы или ее частей можно использовать для проведения имитационного моделирования; гибкость варьирования структуры, алгоритмов и параметров моделируемой системы при поиске оптимального варианта; для сложных систем – это единственный практически реализуемый метод исследования системы. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

28 Достоинства и недостатки имитационного моделирования Основные недостатки имитационного моделирования: для полного анализа характеристик процесса функционирования систем и поиска оптимального варианта требуется многократно воспроизводить имитационный эксперимент, варьируя исходные данные задачи; большие затраты машинного времени. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

29 Эффективность машинного моделирования При моделировании необходимо обеспечить максимальную эффективность модели системы. Эффективность обычно определяется как разность между какими-то показателями ценности результатов, полученных при эксплуатации модели, и теми затратами, которые были вложены в ее разработку и создание. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

30 Эффективность машинного моделирования Эффективность имитационного моделирования может оцениваться рядом критериев: точностью и достоверностью результатов моделирования, временем построения и работы с моделью, затратой машинных ресурсов (время и память), стоимостью разработки и эксплуатации модели. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

31 Эффективность машинного моделирования Наилучшей оценкой эффективности является сравнение полученных результатов с реальными исследованиями. С помощью статистического подхода с определенной степенью точности (в зависимости от числа реализаций эксперимента) получают усредненные характеристики поведения системы. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

32 Эффективность машинного моделирования Суммарные затраты машинного времени складываются из времени по вводу и выводу по каждому алгоритму моделирования, времени на проведение вычислительных операций, с учетом обращения к оперативной памяти и внешним устройствам, а также сложности каждого моделирующего алгоритма и планирования экспериментов. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

33 Выводы и заключение по лекции: продолжили изучение классификации видов моделирования систем, познакомились со средствами моделирования систем, обеспечением имитационного моделирования, достоинствами и недостатками имитационного моделирования, эффективностью машинного моделирования. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах

34 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. 3. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. П.В.Тарасова. М.: Интермет Инжиниринг, с. 4. Дружинина О.Г. Моделирование систем: учеб. пособие / О.Г. Дружинина. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, ч с. Список дополнительной литературы по теме: Дружинина О.Г. Преподавание дисциплины «Моделирование систем»: методическая разработка по дисциплине «Моделирование систем»/ О.Г. Дружинина. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, с. Раздел 1. Основные понятия теории моделирования систем Классификация видов моделирования систем (продолжение). Возможности и эффективность моделирования систем на вычислительных машинах