Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время эффективной формой организации процесса проектирования являются САПР, в основу построения которых положена новая информационная технология. Она предполагает автоматизацию перевода задачи с предметного уровня на математический и с математического на программный. -
Развитие каждой стадии процесса проектирования происходит по триаде синтез-анализ-решение. Основным инструментом проведения анализа в САПР является моделирование и, в первую очередь, имитационное моделирование. Большинство систем моделирования были разработаны для проведения анализа проектируемых объектов в САПР на стадиях эскизного и технического проектирования.
В последнее время наметилась устойчивая тенденция смешения направленности работ по САПР на автоматизацию начальных этапов проектирования (стадии технического задания и технического предложения). На этих этапах принимаются проектные решения, в значительной степени определяющие качество н стоимость будущих изделий.
К особенностям начальных этапов относятся большое количество вариантов и необходимость их оперативного анализа. Соответственно реальную значимость приобретают языки имитационного моделирования вариантов решения задачи.
Одна из часто встречающихся задач анализа на ранних этапах проектирования — моделирование объектов сложной физической природы (совокупность физически неоднородных подсистем). Их анализ требует совместного исследования таких подсистем, как, механическая, электрическая, тепловая, информационная и т.п.
Имеющиеся языки имитационного моделирования ориентированы, в основном, на исследование отдельных физических явлений. -В ряде случаев допустим автономный анализ разных подсистем одной системы, однако чаще требуется учет взаимообусловленности процессов разной природы.
Для объектов неоднородной физической природы обычно составляется система уравнений и она исследуется. Это очень трудоемко и требует от проектировщиков специальных знаний.
Известен способ построения моделей неоднородных физических си-
стем с помощью эквивалентных схем на основе метода прямых аналогии. Данный метод построения хорош для потоковых подсистем. Для других подсистем (механических, тепловых) он не соответствует предметной области, сложно реализуются связи между подсистемами, существенно увеличивается размерность моделей, трудоемкость их построения и описания.
Таким образом, для решения задач анализа на начальных этапах проектирования необходим метод, позволяющий достаточно оперативно строить модели физически неоднородных объектов и автоматизировать процесс формирования их математических моделей.
Целью работы является решение задачи разработки и реализации интегрированного языка моделирования, предназначенного для построения и исследования моделей физически неоднородных объектов на начальных этапах проектирования.
Эта цель достигается решением следующих частных задач:
-
анализ предметной области и создание ее концептуальной модели,
-
исследование структуры языков описания подсистем различной физической природы и определение структуры разрабатываемого языка,
" 3) анализ способов и средств описания моделей на профессиональном уровне и определение их единого внутреннего представления,
4) исследование структуры задач и разработка входного языка системы,
.5) определение функций языка моделирования и представления математической модели, анализ методов и средств построения математических моделей, определение способа автоматизации получения математической модели, создание алгоритмов формирования математических и машинных моделей, реализация численных алгоритмов,
6) разработка соответствующего программного обеспечения.
Методы выполнения исследований. При выполнении работы использован математический аппарат теории систем, методы математического моделирования, элементы теории множеств, вычислительные основы линейной алгебры, численные методы интегрирования систем уравнений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что определена новая структура интегрированного языка моделирования и созданы теоретические основы ее реализации, включающие следующие научные результаты:
показано, что такие известные классы моделей, как электрические, механические, кинематические, эквивалентные, энергетические схемы можно обобщить и свести к двум классам моделей: потоковые и сигнальные схемы;
показано, что совокупность явлений различной физической природы может быть представлена единой математической стрз'ктурой. названной в работе формализованной схемой;
разработаны язык описания предметной области и входной язык ввода моделей, учитывающие особенности предметной области и обеспечивающие эффективность человеко - машинного взаимодействия, построена грамматика языка;
показано, что можно построить алгоритм преобразования формализованной схемы к системе дифференциально - алгебраических уравнений;
предложен метод, автоматизирующий формирование математической модели из фрагментов в виде потоковой, сигнальной и структурной схем;
определена структура машинной математической модели и аіго-ритмы, автоматизирующие ее исследование;
разработана технология исследования моделей с помощью языка ФС, обеспечивающая возможность специалистам использовать привычные для них способы декомпозиции и представления моделей объектов;
установлено, что использование разработанного языка моделирова
ния позволяет сократить количество элементов, уменьшить трудо
емкость и размерность моделей.
Достоверность разработанных теоретических положений подтверждена результатами экспериментов с использованием разработанного языка.
Практическая ценность работы.
Язык ФС обеспечивает решение задач моделирования в процессе
проектирования устройств и систем, для которых необходимо со
вместное исследование процессов различной физической природы.
позволяет оперативно строить и исследовать модели на начальных этапах проектирования;
обеспечивает возможность интеграции различных подходов, позволяет каждую физическую подсистему объекта представлять средствами, наиболее удобными для ее описания, и получать эффективные модели объектов с наименьшим количеством элементов и связей между ними;
дает возможность специалистам использовать привычные для них способы декомпозиции и представления моделей объектов.
Язык моделирования ФС удобен для решения задач учебного про
цесса в области системного моделирования: усвоение инвариантов
системного моделирования и углубление знаний по другим дисци
плинам, в частности, по физике и математике, связи физики с мате
матикой, так как проведение экспериментов с натурными объектами
представляется сложным и технически, и экономически.
Внедрение результатов работы. Работа выполнялась в соответствии с планами НИР лаборатории учебных программ и систем кафедры математической кибернетики и информатики Ульяновского государственного
университета. Научные результаты диссертационной работы использованы в учебных курсах "Моделирование и основы системного анализа" — на механико - математическом факультете, "Вычислительная техника, программирование и математическое моделирование" — на физико - техническом. Кроме того, применяется программное обеспечение при изучении перечисленных дисциплин да этих факультетах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции "Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии" (г.Волгоград, 1995), научно-технической конференции с международным участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" (г.Ульяновск, 1996), на ежегодных научно-практических конференциях профессорско - преподавательского состава филиала МГУ в г.Ульяновске.
На защиту выносятся: ' :
структура интегрированного языка моделирования, учитывающая взаимообусловленность процессов различной .физической природы объектов проектирования и обеспечивающая возможность специалистам использовать привычные для них способы декомпозиции и представления моделей объектов;
входной язык и его грамматика, учитывающий особенности предметной области н обеспечивающий эффективность человеко - машинного взаимодействия;
методы и алгоритмы формирования математической модели, учитывающие особенности предложенной структуры модели и позволяющие получать единую ММ из фрагментов в виде потоковой, сигнальной и структурной схем.
методики и алгоритмы, автоматизирующие исследование моделей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы из 126 наименований и четырех приложений, содержит 140 страниц машинописного текста, 3 таблицы и 40 рисунков.
