Компьютерные технологии в научных исследованиях Дисциплина для магистерской подготовки по направлению «Электроника и наноэлектроника» Автор: Исаев Владимир Александрович, к.т.н., профессор Великий Новгород, 2014

Занятие 6 Программный комплекс «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ») Федеральный закон от 23 августа 1996 г. N 127-ФЗ "О науке и государственной научно-технической политике"

ПОТРЕБИТЕЛЬ ТРЕБОВАНИЯ Постоянное улучшение СМК Модель СМК на основе процессного подхода Измерение, анализ, улучшение 7. Процессы ЖЦП Ответственность руководства ПОТРЕБИТЕЛЬ УДОВЛЕТВОРЕННОСТЬ (4.2,4.9,4.10) (4.3) (4.4) (4.6) (4.7,4.8,4.9,4.10, 4.12,4.15,4.19) (4.13) (4.2) (4.2,4.5) (4.2) (4.5) (4.16) (4.1) (4.1,4.18) (4.1,4.9) (4.9) (4.1,4.2) (4.3) (4.1) (4.1,4.2) (4.1) (4.2) (4.10,4.17,4.20) (4.9,4.10,4.17,4.20) (4.13) (4.14,4.20) (4.1,4.14) Продукция Выход Вход Деятельность, добавляющая ценность (стоимость) Информационный поток 6. Менеджмент ресурсов 4. СМК ISO 9001:2008 ISO 9001:1994

Программный комплекс «МВТУ» Программный комплекс «МВТУ» предназначен для исследования динамики и проектирования самых разнообразных систем и устройств. По своим возможностям он является альтернативой аналогичным зарубежным программным продуктам Simulink, VisSim и др. Удобный редактор структурных схем, обширная библиотека типовых блоков и встроенный язык программирования позволяют реализовывать модели практически любой степени сложности, обеспечивая при этом наглядность их представления. Широко используется в учебном процессе, позволяя моделировать различные явления в физике, электротехнике, в динамике машин и механизмов, в астрономии и т.д. Может функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в том числе и в режиме удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: МОДЕЛИРОВАНИЕ, обеспечивающий: –моделирование процессов в непрерывных, дискретных и гибридных динамических системах, в том числе и при наличии обмена данными с внешними программами и устройствами; –редактирование параметров модели в режиме «on-line»; –расчет в реальном времени или в режиме масштабирования модельного времени; –рестарт, архивацию и воспроизведение результатов моделирования; –статистическую обработку сигналов, основанную на быстром преобразовании Фурье.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: ОПТИМИЗАЦИЯ, позволяющий решать задачи: –минимизации (максимизации) заданных показателей качества; –нахождения оптимальных параметров проектируемой системы в многокритериальной постановке при наличии ограничений на показатели качества и оптимизируемые параметры. АНАЛИЗ, обеспечивающий: –расчет и построение частотных характеристик и годографов; –расчет передаточных функций, их полюсов и нулей; –реализацию метода D-разбиения на плоскости одного комплексного параметра.

ПК «МВТУ» реализует следующие режимы работы: СИНТЕЗ, позволяющий конструировать регуляторы: –по заданным желаемым частотным характеристикам; –по заданному расположению доминирующих полюсов. КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ, позволяющий создавать виртуальные аналоги: –пультов управления с измерительными приборами и управляющими устройствами; –мнемосхем с мультимедийными и анимационными эффектами.

К достоинствам ПК «МВТУ» относятся: открытость за счет встроенного языка и реализации нескольких механизмов обмена данными с внешними программами; простота построения сложных моделей благодаря использованию вложенных структур, векторизации сигналов и алгоритмов типовых блоков, удобным средствам задания параметров и уравнений; эффективные численные методы; большое число обучающих и демонстрационных примеров с подробными комментариями.

Принципы моделирования в ПК "МВТУ" Моделирование в ПК "МВТУ" состоит в создании и исследовании виртуального аналога реальной системы – модели. Модель функционирует в соответствии с теми же уравнениями, что и моделируемая система. При моделировании не обязательно записывать эти уравнения в явном виде, об этом позаботится программа. Модель составляется исследователем в специальном окне программы вынесением на него и соединением отдельных виртуальных блоков, соответствующих элементам реальной системы. Виртуальные блоки внешне условно представляются на рабочем пространстве окна модели прямоугольниками, т.е. они видимы исследователю, имеют входы и (или) выходы и функционируют в соответствии с определенными уравнениями, алгоритм решения которых реализуется в цифровом виде.

Основная панель ПК "МВТУ" Главное Окно программного комплекса «МВТУ» содержит в верхней части -ленточное Командное меню, в центральной части - Панель инструментов (командных кнопок), а ниже - «Линейка» типовых блоков с соответствующими пиктограммами и закладками названий отдельных библиотек, сформированных по функциональному принципу.

Основная панель ПК "МВТУ" Выделены кнопка Пуск (Продолжить расчет) и три важных вкладки Палитры с наборами элементов (виртуальных блоков), которые будут использоваться при моделировании: Источники сигналов (генераторы) – вкладка открыта, Данные (индикаторы и регистраторы) Динамические блоки (элементы линейных систем и систем в целом).

Генераторы сигналов Генераторы сигналов размещены на вкладке Источники основной панели. Важными источниками сигналов являются генераторы ступенчатого и синусоидального сигналов. Кнопка со стрелкой Вправо позволяет посмотреть и другие источники сигналов.

Элементы линейных систем Блоки, моделирующие элементы линейных систем и объектов различной сложности помещены на вкладке Динамические На вкладке Динамические блоки помещены образцы моделей элементов линейных систем. Важными элементами линейных систем являются: интегратор, апериодическое и колебательное звенья.

Индикаторы и регистраторы Важный регистратор – виртуальный осциллограф (блок Временной график). Примечание: программа позволяет создавать и собственные варианты индикаторов с помощью инструментов, расположенных на вкладке Анимация (в правой части Палитры).

Формирование моделей из типовых блоков Для построения математических моделей в ПК «МВТУ» используются типовые элементы – блоки. Каждый типовой блок реализует математическую модель того или иного явления, процесса или устройства. Связи блока с другими блоками структурной схемы задаются через его входы и выходы. Параметры блока определяют коэффициенты в уравнениях математической модели. Библиотека типовых блоков состоит из Общетехнической и ряда специализированных библиотек, доступ к которым осуществляется из «линейки» типовых блоков выбором закладки с соответствующим названием. Библиотека Общетехническая содержит 165 типовых блоков, сгруппированных в 11 каталогов (Источники, Данные, Операции математические, Векторные операции, Субструктуры, Динамические звенья, Нелинейные звенья, Логические звенья, Функции математические, Ключи, Дискретные звенья).

Формирование моделей из типовых блоков Построение моделей из типовых блоков обеспечивается графическим редактором структурных схем. Графический редактор позволяет формировать многоуровневые структурные схемы, при этом подструктуры следующего уровня представлены на схеме в виде блоков, называемых макро блоками. Каждый такой макро блок представляет собой структурную схему, которую также можно редактировать. Принцип вложенности позволяет представить структурную схему сложной динамической системы в удобном виде, при этом уровень вложенности может быть практически неограниченным.

Формирование моделей из типовых блоков Формирование математической модели предполагает задание параметров каждого блока структурной схемы. Часто параметры функционально зависят друг от друга и от некоторых общих для всей модели параметров. Для удобства задания параметров в ПК «МВТУ» они подразделяются по области действия на локальные и глобальные. Локальные параметры являются численными характеристиками элементарного блока. Сфера их действия ограничена математической моделью этого блока Глобальные параметры являются именованными параметрами макро блока либо всей модели. Область действия именованного параметра строго определена – параметр «виден» только в блоках, внутренних по отношению к макро блоку, где он задан.

«Линейка» типовых блоков В ПК «МВТУ» Библиотека типовых блоков состоит (условно) из Общетехнической и ряда Специализированных библиотек, доступ к которым осуществляется из «Линейки» типовых блоков, расположенной на экране монитора под Панелью инструментов («линейкой» командных кнопок). «Линейка» типовых блоков состоит из отдельных библиотек, переключение которых осуществляется однократным щелчком левой клавиши «мыши» в поле «закладки» с соответствующим названием.

Простая модель (Определение переходной функции апериодического звена)

Поясняющие надписи В "МВТУ" можно создавать пояснения двух видов: заметку, текст которой виден вместе с блоками модели; комментарий, текст которого открывается в отдельном окне, при двукратном щелчке по квадратному блоку со знаком вопроса. Блоки заметки (без обозначения) и комментария (квадрат со знаком вопроса) «затерялись» в правой части вкладки Субструктуры

Библиотека Источники входных воздействий Наименование блока Пиктограмма 13Нормальный шум 14Равномерный шум 13. Блок генерирует псевдослучайную последовательность (ПСП) вещественных чисел, нормально распределенных (по Гауссу). Для работы блока необходимо задать: – математическое ожидание M; – дисперсию D; – период квантования (в секундах). 14. Блок генерирует псевдослучайную последовательность вещественных чисел, равномерно распределенных в диапазоне от y_min до y_max.

Моделирование случайных величин с равномерным законом распределения в интервале (0,1)

Модель дискретного белого гауссовского шума Модель белого шума представляет собой математическую абстракцию в виде процесса, спектр которого на всех частотах равномерный и равен некоторой константе N0/2, а корреляционная функция представляет собой дельта- функцию с весом, который определяется указанной константой. Таким образом, белый шум имеет бесконечную дисперсию (мощность). Любой реальный процесс имеет конечную мощность, а, следовательно, его спектральная плотность мощности (СПМ) может быть только спадающей интегрируемой функцией частоты. Однако модель белого шума используется, если ширина спектра шума много больше, чем ширина полосы пропускания некоторого частотно-избирательного устройства.

Модель дискретного белого гауссовского шума (продолжение) Дискретный белый гауссовский шум (ДБГШ), в отличие от белого шума, имеет конечную мощность. Его корреляционная функция представляет собой единичную функцию с весом, равным дисперсии процесса. Любые два отсчета такого процесса не коррелированны. Такой процесс можно смоделировать при помощи средств вычислительной техники. Однако в реальности почти всегда отсчеты случайного процесса, полученного путем дискретизации непрерывного процесса, имеют конечный коэффициент взаимной корреляции, и только при использовании фильтров с частотной характеристикой специального вида и выборе частоты дискретизации в соответствии с параметрами этого фильтра соседние отсчеты процесса могут быть не коррелированны.

Приложение МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В СРЕДЕ ПК «МВТУ»

Математическое моделирование систем автоматического регулирования Содержит основные сведения по математическому моделированию автоматических систем на базе компьютера, краткое описание используемого программного обеспечения и методические указания к лабораторным работам, целевое назначение которых изучить и освоить некоторые методы моделирования, применяемые в автоматике. Для студентов вузов, обучающихся по агроинженерным специальностям.

Пример моделирования аналоговых систем Одним из способов представления аналоговой динамической системы является дифференциальное уравнение (или система уравнений), определяющее характер взаимосвязи текущего состояния системы, ее входных и выходных сигналов. Пакет SIMULINK представляет возможность производить имитационное моделирование таких систем. Пусть некоторая система с входом x(t) и выходом y(t) представляется дифференциальным уравнением где μ– некоторая константа.

Пример моделирования аналоговых систем (продолжение) Перепишем уравнение в виде и выразим вторую производную Последовательным интегрированием получим, а затем используя блоки Integrator (раздел Linear). Суммируя полученные величины с соответствующими коэффициентами и учетом знака, получим модель, показанную на рисунке.

Идентификация объекта исследования Изучение свойств и особенностей объектов с помощью современных методов обработки информации основывается на построении модели изучаемого объекта по наблюдаемым данным входным и выходным сигналам. Построение модели объекта по наблюдаемым данным называется идентификацией и включает определение его структуры и параметров. Объектом идентификации может быть устройство, явление или процесс.

Решение задачи идентификации Для решения задачи идентификации необходимо выбрать или сформировать: входные сигналы; структуру модели изучаемого объекта; критерий качества идентификации; алгоритм идентификации; критерии и методы верификации (подтверждения) модели. Критерий качества идентификации характеризует степень адекватности модели объекту в рамках согласованных допущений и ограничений. Оценивание параметров выполняется на основе алгоритма идентификации, определяющего правила поиска оценок

Учебное задание В ресурсах INTERNET выйти на образовательный математический сайт В разделе «Другие пакеты» выйти на подраздел «Моделирование», а затем на МВТУ - Программный комплекс "МВТУ" ("Моделирование в технических устройствах"), предназначенный для исследования и проектирования динамических систем. Является отечественным аналогом программных продуктов Simulink, VisSim и др. Загрузить МВТУ версии 3.7 на компьютер; Изучить возможности ПК «МВТУ», используя материалы Занятия 6. Примечание: учебные материалы размещены на портале НовГУ (Исаев Владимир Александрович > КТ в научных исследованиях > …)

Список литературы 1. Козлов О.С., Кондаков Д.Е., Скворцов Л.М. и др. Программный комплекс для исследования динамики и проектирования технических систем // Информационные технологии Карташов Б.А., Карташов А.Б., Козлов О.С. и др. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования. - М.: Колос, с. 3. Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: БХВ-Петербург, с. 4. Практикум по автоматике. Математическое моделирование систем автоматического регулирования : учеб. пособие для вузов / Под ред.Б.А.Карташова. - М. : КолосС, с.

Список литературы (продолжение) 5. Инструкция пользователя программным комплексом «Модели­ рование в технических устройствах» (ПК «МВТУ», версия 3.5) / О.С. Козлов, Д.Е. Кондаков, Л.М. Скворцов, К.А. Тимофеев, В.В. Холодовский. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, – 187 с. 6. Карташов Б.А. Практикум по структурному моделированию технических систем: учеб. пособие / Б.А. Карташов, А.Б. Карташов, О.С. Козлов, С.Н. Литвинов. – М.: Машиностроение, – 220 с. 7. Мякиньков А.В. Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем: Метод. указания к практическим занятиям для студентов, обучающихся по направлению всех форм обучения. - Н.Новгород, НГТУ, с.

ПРИЛОЖЕНИЕ ФЗ "О науке и государственной научно- технической политике"

ФЗ "О науке и государственной научно-технической политике" от 23 августа 1996 г. N 127-ФЗ Статья 2. Основные понятия, применяемые в настоящем Федеральном законе Научная (научно-исследовательская) деятельность (далее - научная деятельность) - деятельность, направленная на получение и применение новых знаний, в том числе: фундаментальные научные исследования - экспериментальная или теоретическая деятельность, направленная на получение новых знаний об основных закономерностях строения, функционирования и развития человека, общества, окружающей среды; прикладные научные исследования - исследования, направленные преимущественно на применение новых знаний для достижения практических целей и решения конкретных задач.

ФЗ "О науке и государственной научно-технической политике" от 23 августа 1996 г. N 127-ФЗ Научно-техническая деятельность - деятельность, направленная на получение, применение новых знаний для решения технологических, инженерных, экономических, социальных, гуманитарных и иных проблем, обеспечения функционирования науки, техники и производства как единой системы. Экспериментальные разработки - деятельность, которая основана на знаниях, приобретенных в результате проведения научных исследований или на основе практического опыта, и направлена на сохранение жизни и здоровья человека, создание новых материалов, продуктов, процессов, устройств, услуг, систем или методов и их дальнейшее совершенствование.

ФЗ "О науке и государственной научно-технической политике" от 23 августа 1996 г. N 127-ФЗ Государственная научно-техническая политика - составная часть социально-экономической политики, которая выражает отношение государства к научной и научно-технической деятельности, определяет цели, направления, формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации в области науки, техники и реализации достижений науки и техники. Научный и (или) научно-технический результат - продукт научной и (или) научно-технической деятельности, содержащий новые знания или решения и зафиксированный на любом информационном носителе. Научная и (или) научно-техническая продукция - научный и (или) научно-технический результат, в том числе результат интеллектуальной деятельности, предназначенный для реализации.

Спасибо за внимание!