Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в процесс научно-технических исследований активно внедряются методы и средства компьютерного моделирования, на базе которых создаются автоматизированные лаборатории. Активно развиваются два направления в их построении. Первое - виртуальное, основанное на компьютерных моделях и поддерживающих их системах компьютерного моделирования позволяет строить виртуальные лаборатории. Второе - реально-виртуальное, предполагающее создание и использование программно-аппаратных комплексов с универсальными возможностями в области сбора, отображения и обработки информации на компьютере.
Таким образом, вопросы моделирования исследуемых объектов при проведении эксперимента с заменой реальных макетов и установок компьютерными моделями, созданными в универсальной среде моделирования, способной строить и проводить анализ модели объектов различной физической природы, остаются приоритетными направлениями развития науки. Кроме того, появляется возможность произвести замену дорогостоящих измерительных и задающих приборов и устройств, обеспечивающих физические лаборатории, компьютерными моделями виртуальных инструментов и приборов для проведения лабораторных экспериментов. Это позволит обеспечить экспериментатора редактором виртуальных инструментов и приборов для создания их моделей, что повысит эффективность лабораторных исследований за счёт автоматизации рутинных операций лабораторного эксперимент, а также решить проблему импортозамещения программных продуктов-аналогов.
В связи с вышесказанным актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки алгоритмов и создания программного обеспечения, позволяющего создавать виртуальные инструменты и приборы для их использования при проведении экспериментов учебного и научно-исследовательского характера над моделями технических объектов.
Основы построения виртуальных инструментов и приборов для исследования реальных объектов и систем были заложены Дж Тручардом, Дж Кодовски, Дж. Тревис. Для моделирования передачи сообщений между компонентами виртуальных инструментов и приборов был рассмотрен механизм передачи сообщений, основателями которого являются У. Гроупп и Э. Ласк. В области автоматизации процесса научных исследований и применения в нем виртуальных приборов достаточную известность приобрели работы А.В. Пеца, Н.В. Носова. Предложенный профессором В.М. Дмитриевым и Е.А. Арайсом метод компонентных цепей, базирующийся на системном анализе объектов и систем, в котором определенных успехов достигли
Н.П. Бусленко, Ф.И. Перегудов, В.П. Тарасенко и В.А. Силич, применен для компьютерного моделирования инструментов и приборов.
Цель работы: создание и исследование алгоритмов компьютерного моделирования инструментов и приборов для реализации автоматизированных лабораторных комплексов в научных исследованиях и разработках.
Задачи исследования:
Провести анализ современного состояния и функционирования научно-исследовательских лабораторий и средств выполнения эксперимента для построения автоматизированного лабораторного комплекса, предназначенного для обеспечения виртуальных лабораторий.
Разработать методику моделирования исследуемых объектов с разделением математической модели объекта на функциональную и измерительную части для использования виртуальных инструментов и приборов в вычислительном эксперименте.
Обосновать с использованием метода компонентных цепей способ многоуровневого представления виртуальных приборов и разработать алгоритмы их компьютерного моделирования.
Разработать алгоритмическое обеспечение для автоматизированного создания виртуальных приборов с функциями сбора, обработки и визуализации результатов вычислительных экспериментов и управления параметрами моделей объектов.
Синтезировать структуру комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов для построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются научно-исследовательские лаборатории технического профиля. Предметом исследования являются алгоритмы компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов, сопряженных с моделью исследуемого технического устройства, позволяющие приблизить вычислительный эксперимент к натурному.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы общей теории цепей и теории графов, теории математического моделирования и системного анализа. При практической реализации алгоритмов использовались методы теории алгоритмов и языков программирования, структурного и объектно-ориентированного программирования и моделирования, вычислительных методов и метрологии.
Достоверность результатов. Степень достоверности результатов обеспечивается строгостью применения математических и объектно-ориентированных подходов, результатами проведенных экспериментальных исследований, которые сопоставлены с данными, полученными другими авторами. Решение поставленных задач базируется на системном
подходе, методе компонентных цепей, сравнении полученных результатов с результатами других авторов, а также на создании и проверке компьютерных моделей приборов непосредственно в вычислительных экспериментах, проводимых для учебных и научно-исследовательских целей. Научная новизна
Впервые разработана методика моделирования приборов с разделением процессов анализа их функционирования и численной обработки результатов вьгаислительного эксперимента, основанная на многоуровневом представлении моделей инструментов и приборов.
Предложено развитие численного метода расчета математических моделей инструментов и приборов, отличительным признаком которого является разделение визуальной, функциональной и интерфейсной частей виртуальных инструментов и приборов при обеспечении их взаимосвязанного функционирования.
Разработано оригинальное алгоритмическое обеспечение виртуальных инструментов и приборов с генератором блоков обработки результатов эксперимента, включающего новые алгоритмы передачи сообщений, обработки результатов моделирования на основе численных методов анализа сигналов и оценки ошибок измерений.
Предложена новая структура комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов, отличительным признаком которого является возможность построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.
Теоретическая значимость. Впервые предложена и реализована на базе автоматизированного лабораторного комплекса унифицированная схема вьгаислительного эксперимента по исследованию характеристик различных технических объектов. Модифицирована схема компьютерного моделирования технических объектов с выделением функциональной и измерительной части модели объекта, и разработаны алгоритмы имитационного моделирования виртуальных инструментов и приборов, обслуживающих эксперимент.
Практическая ценность. На основе теоретических исследований диссертации разработаны редактор виртуальных инструментов и приборов и генератор блоков обработки результатов, основанный на интерактивной математической панели. Сформирована структура автоматизированного лабораторного комплекса и основанных на нем практикумов по техническим дисциплинам. Разработан автоматизированный лабораторный практикум по дисциплине «Теория автоматического управления», внедренный в учебный процесс ТУСУРа. Результаты работы также внедрены в Томском государственном педагогическом университете, в Орен-
бургском государственном университете, ОАО «НИИ полупроводниковых приборов» (г. Томск).
Основные защищаемые положения
Методика компьютерного моделирования с выделением функциональной и измерительной части модели исследуемого объекта для проведения вычислительного эксперимента, использующего виртуальные инструменты и приборы, которая позволяет сократить время построения моделей инструментов и приборов на 20-30 %.
Численный метод реализации математических моделей инструментов и приборов с разделением их визуальной, функциональной и интерфейсной частей и возможностью взаимосвязанного функционирования.
Алгоритмическое обеспечение виртуальных инструментов и приборов, включающее новые алгоритмы передачи сообщений, и генератор блоков обработки результатов эксперимента на основе численных методов анализа сигналов и оценки ошибок измерений.
Структура комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов, открывающая возможность построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», г. Одесса, Украина, 2009 г.; Региональной научно-методической конференции «Современное образование: инновации и конкурентоспособность», г. Томск (2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР» г. Томск (2007, 2011 гг.); на семинаре кафедры моделирования и основ теории цепей ТУСУРа.
Публикации по теме работы
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, 2 публикации в сборниках научных статей, 1 монография.
Личный вклад автора
На основе анализа предметной области, литературного обзора выявлена проблема внедрения новых информационных технологий в лабораторный эксперимент научного и учебного характера, доведение разработок до конкретных алгоритмов, построение структуры автоматизированного лабораторного комплекса и унифицированного лабораторного практикума. Автор благодарит научного руководителя, профессора Дмитриева
В.М. за ряд ценных предложений, реализованных в рамках диссертации, а также доцента Ганджу Т.В.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 193 страницы основного текста с приложениями, 93 рисунка, 9 таблиц, 105 использованных источников.
