Введение к работе
Актуальность темы. Имитационное моделирование на цифровых вычислительных машинах является одним из наиболее мощных способов исследования динамических систем, позволяющим проводить вычислительные эксперименты с еще только проектируемыми системами и изучать объекты, натурные эксперименты с которыми из соображений безопасности или дороговизны не целесообразны, и в тоже время, благодаря своей близости по форме к физическому моделированию, являющимся доступным широкому кругу пользователей. В настоящее время известно множество разнообразнейших средств моделирования, реализованных в форме пакетов или сред. Эти средства позволяют пользователю вводить описание моделируемой системы в естественной для прикладной области форме и не заботиться о программной реализации модели и построении вычислительных экспериментов как последовательности исполняемых операторов.
Проведенный обзор современных инструментальных средств показал, что существующие системы моделирования условно можно разделить на две группы. Первые из них (в основном зарубежные) предлагают пользователю развитый интерфейс для создания моделей сложных объектов и позволяют проводить большое число различных видов анализа и синтеза. Но универсальность этих систем приводит к потере эффективности их языка моделирования и повышенным требованиям к ресурсам ЭВМ, что во многих практических случаях не является оправданным. Отечественные же системы в основном имеют текстовые редакторы моделей и характеризуются ограниченными возможностями моделирования динамических систем средней размерности при детерминированных воздействиях. Поэтому задача создания эффективного средства моделирования при разнообразных воздействиях, включая случайные, по-прежнему остается актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка инструментального средства моделирования сложных динамических систем, отвечающего следующим требованиям:
предоставление интуитивно-понятного проблемно-ориентированного графического пользовательского интерфейса;
возможность создания моделей структурно-сложных объектов;
реализация эффективных алгоритмов моделирования как при детерминированных, так и при случайных воздействиях;
ориентация на типовые архитектуру и вычислительную мощность ЭВМ.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.
-
Разработана универсальная структурно-функциональная модель сложных динамических систем в виде совокупности иерархически заданных подсистем концептуально неограниченного уровня вложенности, использующая представление схем сопряжения подсистем в виде ациклического графа. Это позволяет существенно повысить наглядность разрабатываемой модели и упростить ее программную реализацию.
-
Разработана вычислительная модель динамической системы. За счет применения метода координат состояния к отдельным подсистемам обеспечивается прямая связь со структурно-функциональной моделью исследуемого объекта и, следовательно, упрощается процедура перехода от структурно-функционального уровня представления моделей к вычислительному. На основе предложенной вычислительной модели определена процедура имитации исследуемых динамических систем.
-
Разработан и реализован алгоритм автоматического перехода от структурно-функционального уровня представления моделей к вычислительному.
-
Разработан метод цифрового моделирования стационарного белого шума с заданным законом распределения, основанный на линейной аппроксимации интегрального закона распределения. Сочетание случайного выбора интервала, неслучайного выбора значения внутри интервала и контроля числа «попаданий» в интервал позволяет воспроизвести произвольный закон распределения при простоте реализации и малых вычислительных затратах, причем точность
5 реализации не зависит от числа дискрет формируемого сигнала, кроме того, генерируемый сигнал является непериодическим.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
1. Разработаны синтаксические и программные средства моделирования дина
мических систем в виде инструментального средства МДС (Моделирование
Динамических Систем), обеспечивающего:
проблемно-ориентированный интуитивно-понятный графический интерфейс пользователя с ЭВМ;
проведение исследований широкого класса систем, описываемых обыкновенными дифференциальными и разностными уравнениями как при детерминированных, так и при случайных воздействиях;
организацию и ведение библиотек моделей, настроенных на различные предметные области.
2. Разработано методическое руководство для пользователей инструменталь
ного средства МДС.
Использование результатов работы. Созданное инструментальное средство МДС внедрено в трех организациях. Система МДС применена для анализа реальной системы управления газотурбинным двигателем при наличии помех в информационно-измерительных каналах. Инструментальное средство использовано для проведения лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 1999), VIII международном научно - техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 1999), 6-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника, энергетика» (Москва, 2000), на XXV Гагарин-ских чтениях (Москва, 1999). Система МДС заняла 2-е место на конкурсе-
выставке «Компьютерный инжениринг» по разделу «Дидактические системы». 11о теме диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (92 наименования) и приложений. Основной текст изложен на 120 страницах машинописного текста. Работа включает 36 рисунков и 19 таблиц. Приложения составляют 26 страниц машинописного текста.
