Введение к работе
Актуальность. Современное компьютерное моделирование - неотъемлемая часть процесса проектирования электротехнических систем. Оно позволяет, с одной стороны, сократить сроки и стоимость проектных работ, а с другой - повысить качество результатов проектирования.
Стремление повысить качество проектируемых электротехнических систем привело к утверждению взгляда на них как на сложные системы, характеризующиеся антиинтуитивным поведением и многоаспектностью проявления свойств. Для обеспечения многоаспектное рассмотрения сложной системы необходимо использовать многоязычную среду моделирования (среду полимоделирования). Для учета антиинтуитивности поведения сложной системы, предполагающей изменение представления о системе, требуется обеспечить оперативность создания и модификации среды полимоделирования вплоть до коренных изменений в ее математическом, лингвистическом и программном обеспечении.
Как правило, разработка сред моделирования осуществляется на основе технологий процедурного программирования. Эти технологии не поддерживают концептуальный уровень проектирования. Поэтому при разработке на их основе сред моделирования необходим этап «ручного» перевода неконструктивных (с точки зрения технологий процедурного программирования) концептуальных знаний о моделировании в конструктивную (вычислительно интерпретируемую) алгоритмическую форму. Программные представления знаний о моделировании сложных систем занимают большой объем, и процесс их создания - трудоемкий. Это приводит к значительным финансовым и временным затратам на разработку и модификацию сред полимоделирования, что является критичным при создании и развитии программных продуктов в условиях экономического кризиса. Очевидным выходом из такой ситуации является интуитивное (естественное с синтаксической и семантической точек зрения) программирование среды моделирования. Однако, распространенные технологии программирования не поддерживают этой возможности. Поэтому значительные результаты в интуитивной реализации сред моделирования сложных систем не достигнуты.
В связи с этим актуальным является конструктивное абстрагирование знаний о моделировании. То есть абстрагирование от излишне детальных знаний процедурной реализации, представление системы знаний о моделировании в форме интуитивных спецификаций, которые при этом могут быть вычислительно интерпретируемы средствами некоторой компьютерной технологии.
Целью диссертационной работы является конструктивное абстрагирование знаний о полимоделировании и интуитивная реализация автоматизированной среды полимоделирования сложных динамических систем.
Поставленная цель определила круг решаемых задач:
-
Анализ известных сред моделирования динамических систем и средств их разработки с позиции конструктивного абстрагирования знаний о моделировании сложных систем.
-
Выявление основных групп знаний о полимоделировании динамических систем и форм их интуитивного представления.
-
Обоснование выбора компьютерной технологии в качестве платформы для конструктивного абстрагирования знаний о полимоделировании.
-
Обоснование состава интуитивных языков входного описания проблемных знаний о сложных динамических системах и задачах их моделирования.
-
Разработку конструктивных спецификаций среды полимоделирования.
-
Апробацию разработанной среды и анализ ее эффективности на примере решения задач проектирования объектов электротехники.
-
Анализ эффективности разработанного способа конструктивного абстрагирования знаний о полимоделировании.
Методической основой работы являются теория формальных грамматик, теория графов, системология Дж.Клира, технология системного ме-тамоделирования, методы имитационного моделирования, методы интегрирования дифференциальных уравнений, принципы построения современных САПР.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Предложен способ конструктивного абстрагирования знаний о полимоделировании сложных динамических систем. Он предполагает разделение множества знаний о лолимоделировании на три класса: грамматики проблемных языков, схемы планирования вычислений, законы вычислительной интерпретации базовых элементов, - и проецирование этих знаний на обобщенные механизмы системного метамоделирования: супертрансляцию, трансформацию и интерпретацию. Особенностью данного способа является то, что полученные интуитивные спецификации знаний о полимоделировании являются исходными текстами среды полимоделирования.
2.Разработаны спецификации трансляторов языков полимоделирования в виде формальных грамматик со встроенной семантикой: обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), разностных уравнений (РУ), направленных структурных схем (НСС) в терминах теории автоматического управления (ТАУ), направленных структурных схем в терминах теории сис-
тем массового обслуживания (НСС СМО), диалектов языков Pascal, Forth, а также интегрирующего их языка DMC. В отличие от традиционных спецификаций языков и процедурных реализаций трансляторов разработанные спецификации трансляторов являются одновременно формальными и конструктивными описаниями грамматик данных языков.
3.Разработана схема планирования вычислений комбинированных моделей, описываемых на перечисленных языках; разработана конструктивная спецификация данной схемы.
На защиту выносятся:
-
Способ конструктивного абстрагирования знаний о полимоделировании сложных динамических систем.
-
Конструктивные спецификации формальных грамматик диалектов следующих языков: ОДУ, РУ, НСС ТАУ, НСС СМО, Pascal, Forth, интегрированного языка DMC.
-
Схема планирования вычислений комбинированных моделей в среде полимоделирования и ее конструктивная спецификация.
Практическая ценность диссертационной работы определяется:
снижением временных и финансовых затрат на разработку и модификацию среды полимоделирования за счет увеличения интуитивности и компактности ее исходных текстов;
расширением сферы эффективного применения методов компьютерного моделирования благодаря многоаспектное представления моделей сложных систем на интегрированном языке DMC и за счет его расширяемости;
снижением временных и финансовых затрат на проектирование объектов электротехники благодаря возможности интуитивного описания их моделей, а также моделей их исследования на языках среды полимоделирования.
Реализация и внедрение результатов исследований.
Разработанная среда испытана при выполнении НИР в области автоматизации проектирования и исследования цифровых САУ электроприводами, внедрена в учебный процесс (курсовое и дипломное проектирование) на кафедре «Электроника и микропроцессорные системы» ИГЭУ; апробирована в АО «ЗАРУБЕЖЭНЕРГОПРОЕКТ» для моделирования систем управления объектов теплоэнергетики и рекомендована к использованию в составе интегрированных САПР; внедрена в НИИ МВЭ при ИГЭУ и используется для исследования динамических свойств систем электроприводов и САУ; внедрена и используется в Ивановском филиале ВНИИэлектропривод при проектировании электрооборудования текстильных машин для решения задач исследования динамических режимов систем электроприводов. Практическая ценность работы подтверждена актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы развития Российской экономики» (Иваново, 1996); на международной научно-технической конференции «VIII Бенардосовские чтения» (Иваново, 1997); на III международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1998); на научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 1998); на V Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» (Иваново, 1998); на научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии-2» (Москва, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и приложений. Основная часть содержит 156 страниц машинописного текста, 33 рисунка и 2 таблицы.
