-
Требования к программно-техническим комплексам
Исходное математическое описание любой динамической системы представляет собой совокупность дифференциальных, алгебраических, логических уравнений с нелинейными непрерывно-дискретными правыми частями, описывающих физические процессы в отдельных функциональных элементах системы. Прямое использование указанного математического описания для построения моделей представляется весьма затруднительным. Т.е. требуется методология создания универсальных моделей и средств их автоматизированной реализации.
Для специалистов в области автоматизации (например, автоматизированного электропривода и электромеханических систем) наиболее предпочтительным является блочный принцип формирования моделей. Кроме того, эффективное решение задач моделирования современных электромеханических систем возможно при наличии специализированных программно-технических комплексов, построенных с учетом следующих основных требований:
-
диалог с вычислительной системой должен вестись на естественном профессиональном языке специалиста в конкретной технической области;
-
должна быть предоставлена возможность оперативной постановки экспериментов с моделями различных систем;
-
программное обеспечение указанных комплексов должно иметь в своем составе средства настройки на конкретных класс изучаемых объектов и конкретный коллектив пользователей.
-
Классификация пакетов моделирования
Прежде всего, уточним, какого типа инструментальные средства необходимы для моделирования систем. Инструментальные средства (пакеты) для моделирования можно разделить на две группы (рис. 1.1).
К первой относятся специализированные программные средства (пакеты), ориентированные на специфические понятия конкретной прикладной области (химической технологии, теплотехники, электротехники и т.д.).
Ко второй относятся так называемые универсальные пакеты, ориентированные на определенный класс математических моделей и применимые для любой прикладной области, в которой эти модели пригодны.
Универсальные пакеты далее обычно разделяют на «математические» пакеты и пакеты компонентного моделирования.
В математических пакетах (Mathematica, MathCAD, MATLAB, Maple) предполагается, что математическая модель всей моделируемой системы уже каким-либо образом построена и ее требуется исследовать. Такой подход характерен, в основном, для научных исследований. Как правило, математические пакеты сочетают численные эксперименты с символьными преобразованиями.
Рис. 1.1 Классификация инструментальных средств моделирования
Компонентное моделирование предполагает, что описание моделируемой системы строится из компонентов (в том числе и готовых библиотечных), а совокупная математическая модель формируется пакетом автоматически. Пакеты компонентного моделирования, в основном, ориентированы на численные эксперименты. Компонентное моделирование преобладает в процессе проектирования технических объектов.
Пакеты компонентного моделирования по способам их применения или технологии моделирования также можно разделить на две группы.
К первой отнесятся пакеты, предназначенные для решения сложных промышленных и научно-исследовательских задач большими производственными или научными коллективами. В таких проектах ведущую роль играет организация работ: хорошо налаженное взаимодействие между отдельными группами, быстрый доступ к многочисленным экспериментальным данным и библиотекам программ, тщательное документирование и тестирование, многовариантные расчеты. При этом обычно используются хорошо изученные готовые математические модели, которые лишь модифицируются и приспосабливаются для решения конкретных задач. Пользователи пакета подразделяются на две категории: разработчики библиотек готовых моделей и обычные пользователи, работа которых сводится к составлению схем из типовых блоков и параметрической настройке блоков. Пакеты первой группы носят условное название – «промышленные».
Совсем другая технология характерна для предварительных исследований, выполняемых отдельными учеными или проектировщиками. Библиотеки готовых моделей используются весьма ограничено. Исходным материалом служат плохо формализованные модели, то есть модели, чьи свойства еще не вполне осознаны. Это означает, что необходимо уметь организовывать и поддерживать непрерывную обратную связь между исследователем и исследуемой моделью. Несмотря на большие достижения в области автоматического синтеза систем с заданными показателями, на практике разработка новой технической системы – это прежде всего просмотр большого числа пробных вариантов. Назовем пакеты второй группы «исследовательскими», подчеркивая этим, что они уступают по количеству уникальных возможностей промышленным, зато более просты для освоения и доступны отдельному исследователю при решении относительно несложных задач из практически любой прикладной области. Под «несложными» будем понимать не простые задачи, а задачи посильные одному разработчику, не являющемуся специалистом в области программирования и вычислений.
С «исследовательскими» пакетами тесно связана концепция активного вычислительного эксперимента, предусматривающая:
-
визуализацию результатов моделирования не после эксперимента, а во время эксперимента;
-
возможность интерактивного вмешательства пользователя в ход вычислительного эксперимента;
-
возможность использования 2D и 3D-анимации, в том числе интерактивной.
Имеется еще один аспект применения инструментальных средств системно-аналитического моделирования – техническое образование. Проектирование современных сложных технических систем требует помимо фундаментального и технического образования еще и некоторой минимальной инженерной практики, которая традиционно приобретается в первые годы работы молодого специалиста на предприятии. Предприятие по существу получает «полуфабрикат» инженера-проектировщика и «доводит» его до профессионального уровня. Кроме того, опыт показывает, что далеко не все инженеры склонны и способны к комплексному проектированию сложных систем. Частично такая практика может приобретаться уже в ВУЗ’е, если студентам предоставляется возможность в ходе учебного проектирования создавать на персональном компьютере визуальные макеты сложной системы. Возможность сразу наблюдать поведение созданной системы замыкает обратную связь в учебном процессе и учит находить инженерные компромиссы. Таким образом, появляется возможность выявлять студентов, склонных к работе проектировщика [5, 6].