Классификация пакетов моделирования технических систем

 

Структура современных инструментальных средств (пакетов) для моделирования технических систем представлена на рис. 5.1.

Под специализированными пакетами понимаются программные средства, которые долгое время создавались и развивались на конкретных предприятиях и отраслях и были ориентированы на специфические понятия конкретной прикладной области (механики, теплотехники, электроники и т.д.). Написанные на языках Fortran, Си и т.п., эти пакеты уходят в прошлое, заменяясь предметно-ориентированными компонентными пакетами. Связано это с тем, что специализированные пакеты требуют тесного сотрудничества программиста и специалиста в предметной области, а лучше, хорошего владения специалистом искусством программирования. Переход к компонентным пакетам позволяет разорвать эту связь. Кроме того, специализированные пакеты с трудом поддаются модернизации, в них сложно использовать современные программы визуализации и обработки результатов экспериментов и т.п.

 

Рис. 5.1. Классификация пакетов моделирования мехатронных систем

Математические пакеты, такие как Mathcad, Maple, Mathematica, хорошо приспособлены к проведе­нию расчетов в есте­ственнонаучных дисциплинах, когда модель задана в аналитической форме. Удобство варьирования параметров в сочетании с заранее определенной процедурой обработки и визуализации результатов существенно облегчает исследования. В таких многовариантных рас­четах накладные расходы, связанные с напи­санием специальной программы на языке па­кета, управляющей экспери­ментом, окупаются той легкостью, с которой возможно повторить все вычисления заново при внесе­нии изменений в исходную модель. Программирование сводится к написанию относительно небольших по объему программ, состоя­щих в основном из макро­операторов.

С точки зрения моделирования мехатронных объектов основным и, пожалуй, единственным достоинством систем компьютерной математики является математическая прозрачность вычислений и легкость создания объектов, осуществляющих математические вычисления. К числу недостатков можно отнести отсутствие таких принципиально важных возможностей, как:

Ø автоматизация построения математической модели;

Ø компонентное моделирование с применением достаточно большого количества типовых блоков;

Ø быстрая модификация модели;

Ø создание предметно-ориентированной среды;

Ø оперативное изменение метода моделирования и т.д.

В результате, применение систем компьютерной математики ограничивается решением простых задач, или задач, где главное – прозрачность вычислений.

Пакеты компонентного моделирования в основном ориентированы на численные эксперименты и являются в настоящее время доминирующими в процессах проектирования технических объектов. Они позволяют пользователю не заботиться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и тем самым создают на компьютере некоторую удобную среду, в которой можно создавать виртуальные системы и проводить эксперименты с ними.

Пакеты компонентного моделирования, по способам их применения или технологии моделирования можно разделить на две группы.

Так называемые универсальные пакеты, ориентированы на определенный класс математических моделей и применимы для любой прикладной области, в которой эти модели справедливы. Основу универсального пакета составляют библиотеки компонентов общего назначения. В этих пакетах используются разнообразные коллекции численных методов, способные справиться с широ­ким спектром задач. Как правило, универсальные пакеты обладают развитыми средствами визуализации, обеспечивающими показ изучаемого явления с разных сторон, а не одним, принятым в конкретной области, способом.

Предметно-ориентированные пакеты предназначен­ы для решения промышленных и на­учно-исследовательских задач в конкретной предметной области. Библиотеки моделей компонентов таких пакетов содержат хорошо изученные и отлаженные мо­дели из довольно узкой предметной области, которые лишь накапливаются, модифицируются и при­спосабливаются для решения конкретных за­дач. В результате, накопленная база моделей со временем приобретает большую ценность. Спектр методов решения задач проектирования также ограничен известными и хорошо отработанными инструментами, возможно, ориенти­рованными на узкий класс задач, в эффективности и надежности которых у пользователей нет сомнений. Как правило, предметно-ориентированные пакеты требуют серьезных усилий для их освоения, а также знаний в конкретной предметной области. Стоимость этих пакетов достаточ­но высока, что обычно заставляет пользова­теля использоватькакой-либо один пакет в течение длительного времени, всячески расширяя его возможности.

Следует заметить, что между универсальными и предметно-ориентированными пакетами нет четкой границы. Часто разница лишь количественная. Добавление к универсальному пакету соответствующего набора специализированных модулей, прежде всего библиотек моделей компонентов, превращает этот пакет в предметно-ориентированную среду моделирования. Примером подобного подхода может служить появление предметных расширений пакета Simulink – SimPower, SimMechanic и т.п. Учитывая открытость системы, каждый пользователь может добавить к готовым моделям то, что ему нужно, создав собственную предметно-ориентированную среду.

По принципам представления исходной модели среди пакетов компонентного моделирования можно выделить две основные группы:

1) пакеты структурного (или блочного) моделирования;

2) пакеты физического мультидоменного моделирования.

Элементарные блоки пакетов структурного моделирования обладают направленным действием, последующий блок не влияет на предыдущий. К достоинствами этого подхода следует отнести, прежде всего, простоту создания не очень сложных моделей даже не слишком подготовленным пользователем. Другим достоинством является эффективность реализации элементарных блоков и простота построения эквивалентной системы. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы. Наиболее известными представителями пакетов визуального «структурного моделирования» являются: MATLAB/Simulink, EASY5, VisSim, AnyLogiс.

Пакеты физического мультидоменного моделирования позволяют использовать как ориентированные, так и неориентированные компоненты и связи. Подход очень удобен и естественен для описания типовых блоков физических систем. К пакетам "физического моделирования" можно отнести: Multisim, DYNAST, 20-SIM; Dymola.

Некоторые авторы выделяют в качестве третьей группы пакеты, предназначенные для моделирования гибридных систем [19]. Эти пакеты позволяют очень наглядно и естественно описывать мехатронные системы со сложной логикой переключений. К этому направлению относится пакет Shift, а также отечественный пакет Model Vision Studium [21].