Компьютерное моделирование – история и перспективы развития.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ – ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.

Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950х – 1960х годах.

Первый пример практического применения управляющей ЭВМ относится к 1959 го­ду; он связан с работой нефтехимического завода компании "Texaco" в городе Порт-Артур, штат Техас. Компания "Texaco" выполнила эту пионерскую работу совместно с производителем ЭВМ – компанией Thomson Ramo Woolridge..

Важный шаг был сделан в 1962 году, когда английская компания ICI (Imperial Chemical Industries) представила концепцию прямого цифрового управления (раз­дел 12.4.3).

Изобретение в 1960-х годах транзистора дало заметный толчок развитию ком­пьютерных приложений. Стоимость единицы вычислительной мощности мини-компьютера на транзисторной элементной базе была на порядок меньше, чем у больших ЭВМ (mainframe), хотя стоимость самого мини-компьютера все еще пре­вышала 100 000 долларов.

Согласованное влияние трех главных факторов – совершенствование технической базы компьютеров, экономи­ческая целесообразность их применения в управлении относительно простыми процессами и развитие теории управления – привело к широкому распростране­нию компьютерного управления.

Современные персональные компьютеры намного превосходят мини-компь­ютеры 1960-х и 1970-х годов – типичная конфигурация, как правило, включает 16-или 32-разрядный центральный процессор (ЦП), несколько мегабайт оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ), гигабайты дисковой памя­ти, – а стоят несравнимо дешевле первых моделей ЭВМ.

Необходимо иметь в виду, что чрезмерное и одностороннее увлечение компь­ютерными технологиями может заслонить собой фундаментальные проблемы. Сегодня, после сорока лет применения компьютеров, существует достаточный опыт, чтобы задаться вопросом о реальных преимуществах, которые они принес­ли в промышленность и административное управление. В западных странах в 1950-60-х годах, еще до широкого распространения ЭВМ, один работающий мог содержать целую семью, включая выплату кредита за дом. В типичной совре­менной семье, по крайней мере, уже двое должны работать, чтобы поддержать стиль жизни, удовлетворяющий средним запросам, уровень которых продолжает повышаться. То, что два десятилетия назад представлялось золотым веком, обус­ловленным повсеместным внедрением компьютеров и автоматизации, сильно по­тускнело сегодня благодаря новым проблемам – от безработицы до загрязнения окружающей среды. То же самое может произойти с сегодняшней чрезмерно вы­сокой оценкой Интернета и компаний, основной бизнес которых построен на интернет технологиях (виртуальные магазины и т. д.). Нисколько не принижая их достоинства и преимущества, следует отметить, что они не дают надежных и эф­фективных способов решения реальных проблем.

 

МОДЕЛИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ, КАКИМИ ОНИ БЫВАЮТ?

Слово МОДЕЛЬ происходит от латинского modulus – мера, образец.

1. Образец (эталон, стандарт) для массового изготовления какого-либо изделия или конструкции: а) тип, марку, наименование изделия или его номер в модельном ряду; б) изделие (иногда из легкообрабатываемого материала), с которого снимается форма для воспроизведения (например, посредством литья) в другом материале; разновидности таких моделей – лекала, шаблоны. В литье по выплавляемым моделям используется модель из воска ("восковка"). в) в конструировании, промышленном дизайне – изделие или деталь изделия которое воспроизводит форму и/или другие характеристики сложного изделия или детали.

2. Устройство, имитирующее строение и действие какого-либо другого (моделируемого) устройства в научных, образовательных, производственных (при испытаниях) или спортивных целях: а) в моделизме – выполненная в определённом (обычно уменьшенном) масштабе машина, сооружение или комплекс сооружений. Модели сооружений также называют макетами.

3. Любой образ, аналог (мысленный или условный: изображение, описание, схема, чертеж, график, карта и т. п.) какого-либо объекта, процесса или явления, "оригинала" данной модели: а)в науке – описание объекта (предмета, процесса или явления) на каком-либо формализованном языке, составленное с целью изучения его свойств. Такое описание особенно полезно в случаях, когда исследование самого объекта затруднено или физически невозможно; б) модель какой-либо системы аксиом – в математике и логике – любая совокупность (абстрактных) объектов, свойства которых и отношения между которыми удовлетворяют данным аксиомам, служащим тем самым совместным (неявным) определением такой совокупности; в) полигональная модель в компьютерной графике.

4. В индустрии моды – это человек, демонстрирующий модели одежды на показах: а) фотомодель в рекламном бизнесе; б) Позирующий художнику, скульптору, фотографу натурщик или изображаемые предметы ("натура").

В лингвистике – абстрактное понятие эталона или образца какой-либо системы (фонологической, грамматической и т.п.), представление самых общих характеристик какого-либо языкового явления; общая схема описания системы языка или какой-либо его подсистемы.

В общем случае, модель – это объект, в достаточной степени повторяющий свойства моделируемого объекта (прототипа), существенные для целей конкретного моделирования, и опускающий несущественные свойства, в которых он может отличаться от прототипа.

Моделирование – исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Можно выделить следующие виды моделирования: компьютерное моделирование; математическое моделирование; математико-картографическое моделирование; психологическое моделирование; статистическое моделирование; структурное моделирование; экономико-математическое моделирование; имитационное моделирование; схемотехническое моделирование.

Модель процесса – основа управления. Любая стратегия управления базируется на некотором понимании того, как физический процесс реагирует на входной сигнал. Поэтому умение анализировать и моделировать динамику системы является основ­ной предпосылкой для успешного управления.

 

 

ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ, УЧИТЫВАЮЩИХ БАЛАНС МАССЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ.

Для многих промышленных процессов существенным является моделирование баланса массы различных компонентов. В открытой системе, где происходит обмен с внешним миром, все уравнения баланса массы имеют одинаковую структуру

приращение массы = приход массы - расход массы

Такое уравнение можно сформулировать как для каждого отдельного компонента, так и для всей массы в целом. Приход (расход) массы может быть следствием как входного (выходного) потока, так и химических реакций или биологического роста.

Можно составлять уравнения баланса:

Общей массы и массы компонента.

Интуитивно ясно, что концентрация будет меняться медленнее, если рас­ход жидкости во входном потоке мал по сравнению с объемом V (это соответ­ствует большому значению Т). То есть баланс массы компоненты имеет такие же динамические свойства, что и низкочастотный фильтр.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ MATLAB, ЕЁ НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.

Система MatLab специально создана для проведения именно инженерных расчетов: математический аппарат, который используется в ней, предельно приближен к современному математическому аппарату инженера и учёного и опирается на вычисления, производимые с матрицами, векторами и комплексными числами; графическое представление функциональных зависимостей здесь организовано в форме, которую требует именно инженерная документация.

Язык программирования системы MatLab весьма прост, он содержит лишь несколько десятков операторов; незначительное количество операторов здесь компенсируется большим числом процедур и функций, содержание которых понятно пользователю, имеющему соответствующую математическую и инженерную подготовку.

В отличие от большинства математических систем, MatLab, является открытой системой: практически все процедуры и функции доступны не только для использования, но и для модификации. Почти все вычислительные возможности системы можно применять в режиме чрезвычайно мощного научного калькулятора, а также составлять собственные программы, предназначенные для многоразового применения; это делает MatLab незаменимым средством проведения научных исследований. По скорости выполнения задач MatLab опережает многие другие подобные системы.

Впервые система MatLab (Matrix Laboratory) начала использоваться в конце 1970-х годов, но широкое распространение она получила в конце 1980-х годов, в особенности после появления на рынке версии 4.0. Система MatLab поддерживает возможность обращения к программам, написанным на языках FORTRAN, C и С++.

Основной объект системы MatLab – прямоугольный числовой массив (матрица), в котором допускается применение комплексных элементов. Использование матриц не требует явного указания их размеров. [1]

MatLab может работать в двух основных режимах:

– научный калькулятор;

– программный режим.

После запуска программы MatLab 6.5 на экране появится окно MatLab, показанное на рисунке 8.1 (смотри след. стр.).

В нём могут отображаться несколько окон, главным из них является Окно команд (Command Window). Признаком того, что программа MatLab готова к восприятию и выполнению очередной команды, является наличие в последней строке командного окна знака ">>", справа от которого расположен мигающий курсор.

Для работы в режиме научного калькулятора используется Окно команд.

Программирование в системе MatLab осуществляется с помощью собственного языка программирования – т.н. М-язык. Программы, написанные на нём, пишутся в Редакторе М-файлов и оформляются в виде М-файлов с расширением *.m.

Важным понятием системы MatLab является понятие Рабочего пространства.

Рабочее пространство – это область памяти, в которой сохраняются все переменные, используемые программами MatLab в течение текущего сеанса работы. Благодаря этому может осуществляться обмен данными между различными компонентами системы MatLab.

 

11-12.

13-14.

15-16.

17-19.

20-24.

29-30

35-36.

Как выделить, или снять выделение элемента схемы? Как при этом изменяется внешний вид элемента, курсора? Как открыть окно настройки свойств выбранного элемента в программе Electronics Workbench 5.12с?

Для выделения элемента необходимо навести на него курсор, и произвести однократный щелчок левой кнопкой мыши. Что бы снять выделение, необходимо щелкнуть по рабочему полю, либо на другой элемент схемы. При выделении элемент становится принимает красный цвет.

Что бы открыть окно настройки свойств элемента, возможны следующие способы:

· Навести курсор на интересующий вас элемент, и произвести двойной щелчок левой кнопкой мыши.

· Навести курсор на интересующий вас элемент, и произвести однократный щелчок правой кнопкой мыши. В открывшемся ниспадающем меню выбрать пункт "Component properties".

· Навести курсор на интересующий вас элемент, и произвести однократный щелчок левой кнопкой мыши (выделить элемент). Выбрать пункт "Component properties", расположенный в меню "Analysis", "панели Меню".

41-44

45-48

 

49-50.

 

53-54

Баланс массы.

Для многих промышленных процессов существенным является моделирование баланса массы различных компонентов. В открытой системе, где происходит обмен с внешним миром, все уравнения баланса массы имеют одинаковую структуру

приращение массы = приход массы - расход массы

Такое уравнение можно сформулировать как для каждого отдельного компонента, так и для всей массы в целом. Приход (расход) массы может быть следствием как входного (выходного) потока, так и химических реакций или биологического роста.

Можно составлять уравнения баланса:

55-57

55. Расскажите все, что знаете о функции "единичное ступенчатое воздействие".

Единичным ступенчатым воздействием называется воздействие, описываемое единичной ступенчатой функцией

Реакция представляет собой функцию времени, в соответствии с которой изменяется выходной сигнал. Ступенчатое единичное воздействие это функция времени, равная нулю при отрицательных значениях времени и единице при положительных.

В программе МВТУ эту функцию можно реализовать при помощи блока «Ступенька».

 

58-59

60-63

67-68

71-72.

73-77.

 

78-80.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ – ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.

Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950х – 1960х годах.

Первый пример практического применения управляющей ЭВМ относится к 1959 го­ду; он связан с работой нефтехимического завода компании "Texaco" в городе Порт-Артур, штат Техас. Компания "Texaco" выполнила эту пионерскую работу совместно с производителем ЭВМ – компанией Thomson Ramo Woolridge..

Важный шаг был сделан в 1962 году, когда английская компания ICI (Imperial Chemical Industries) представила концепцию прямого цифрового управления (раз­дел 12.4.3).

Изобретение в 1960-х годах транзистора дало заметный толчок развитию ком­пьютерных приложений. Стоимость единицы вычислительной мощности мини-компьютера на транзисторной элементной базе была на порядок меньше, чем у больших ЭВМ (mainframe), хотя стоимость самого мини-компьютера все еще пре­вышала 100 000 долларов.

Согласованное влияние трех главных факторов – совершенствование технической базы компьютеров, экономи­ческая целесообразность их применения в управлении относительно простыми процессами и развитие теории управления – привело к широкому распростране­нию компьютерного управления.

Современные персональные компьютеры намного превосходят мини-компь­ютеры 1960-х и 1970-х годов – типичная конфигурация, как правило, включает 16-или 32-разрядный центральный процессор (ЦП), несколько мегабайт оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство – ОЗУ), гигабайты дисковой памя­ти, – а стоят несравнимо дешевле первых моделей ЭВМ.

Необходимо иметь в виду, что чрезмерное и одностороннее увлечение компь­ютерными технологиями может заслонить собой фундаментальные проблемы. Сегодня, после сорока лет применения компьютеров, существует достаточный опыт, чтобы задаться вопросом о реальных преимуществах, которые они принес­ли в промышленность и административное управление. В западных странах в 1950-60-х годах, еще до широкого распространения ЭВМ, один работающий мог содержать целую семью, включая выплату кредита за дом. В типичной совре­менной семье, по крайней мере, уже двое должны работать, чтобы поддержать стиль жизни, удовлетворяющий средним запросам, уровень которых продолжает повышаться. То, что два десятилетия назад представлялось золотым веком, обус­ловленным повсеместным внедрением компьютеров и автоматизации, сильно по­тускнело сегодня благодаря новым проблемам – от безработицы до загрязнения окружающей среды. То же самое может произойти с сегодняшней чрезмерно вы­сокой оценкой Интернета и компаний, основной бизнес которых построен на интернет технологиях (виртуальные магазины и т. д.). Нисколько не принижая их достоинства и преимущества, следует отметить, что они не дают надежных и эф­фективных способов решения реальных проблем.