41271

Методологическая основа моделирования

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

На этапах разработки АСОИУ различных уровней отраслевые АСУ АСУ объединениями и предприятиями автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний системы автоматизации проектирования АСУ технологическими процессами а также интегрированные АСУ необходимо учитывать следующие особенности: сложность структуры стохастичность связей между элементами неоднозначность алгоритмов поведения при различных условиях большое количество параметров и переменных неполноту и недетерминированность исходной информации...

Русский

2013-10-23

127 KB

35 чел.

Лекция 1. Введение. Современное состояние проблемы МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ Методологическая основа моделирования. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ. Принципы системного подхода в моделировании систем. Подходы к исследованию систем

Введение. Современное состояние проблемы МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

Методологическая основа моделирования

Моделирование – это замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели путем проведения эксперимента с моделью.

Объект (лат. objectum – предмет) – все то, на что направлена человеческая деятельность. Технический объект – машина, механизм, технический комплекс, технологический процесс, а также любой их компонент, выделяемый в процессе моделирования путем деления структуры целостного объекта на отдельные блоки, части, элементы.

Гипотеза – определенные предсказания, предположения, основанные на небольшом количестве опытных данных, наблюдений, догадок.

Аналогия – суждение о каком-либо частном сходстве двух объектов.

Эксперимент – процедура организации наблюдений каких-то явлений, которые осуществляют в условиях, близких к естественным, либо имитируют их. Различают пассивный эксперимент, когда исследователь наблюдает протекающий процесс, и активный, когда наблюдатель вмешивается и организует протекание процесса.

В общем процесс моделирования представлен следующим образом: используя априорные (ранее известные) данные об объекте, выдвигается гипотеза, по которой на основе аналогии строится наглядная упрощенная логическая схема (модель) и с ней проводится эксперимент для изучения свойств объекта.

Модель (лат. modulus – мера) – объект-заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала.

Модель считается адекватной, если с приемлемой точностью выходные параметры модели (свойства, характеристики) совпадают с истинными их значениями объекта. Адекватность зависит от цели моделирования и принятых критериев.

Моделирование состоит из двух стадий: анализа и синтеза.

При анализе задана модель, необходимо определить и исследовать неизвестные ее характеристики. Этапы анализа:

  1.  составление модели объекта, наиболее подходящей с позиции получения требуемых функций;
  2.  написание программ оценки характеристик модели;
  3.  определение характеристик объекта по модели с помощью программ оценки.

При синтезе задаются требуемые характеристики объекта, необходимо получить некоторую модель, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Если определяют в некотором смысле наилучшие структуру и параметры, то синтез называется оптимизацией, соответственно структурной или параметрической. Этапы синтеза:

  1.  создание исследовательской модели;
  2.  анализ этой модели и определение ее функций;
  3.  сравнение полученных результатов с заданными требованиями.

Если результаты и требования не совпадают, то необходимо синтезировать сначала, т.е. процесс итерационный.

Например, проектирование АСОИУ делится на внешнее (макропроектирование) и внутреннее (микропроектирование). При использовании методов моделирования на каждой стадии осуществляется и анализ, и синтез.

На стадии макропроектирования АСОИУ при анализе
изучают объект управления и строят обобщенную модель объекта
управления для оценки его характеристик, модель воздействий
внешней среды, определяют критерии оценки эффективности,
имеющиеся ресурсы, необходимые ограничения. При синтезе
на основе модели объекта выбирают эффективную
стратегию управления.

На стадии микропроектирования АСОИУ в процессе анализа разрабатывают модели информационного, математического, технического обеспечения подсистем АСОИУ, при синтезе – по характеристикам моделей подсистем выбирают наиболее эффективные по управлению с учетом заданных требований.

На этапах разработки АСОИУ различных уровней (отраслевые АСУ, АСУ объединениями и предприятиями, автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний, системы автоматизации проектирования, АСУ технологическими процессами, а также интегрированные АСУ) необходимо учитывать следующие особенности:

  •  сложность структуры,
  •  стохастичность связей между элементами,
  •  неоднозначность алгоритмов поведения при различных условиях,
  •  большое количество параметров и переменных,
  •  неполноту и недетерминированность исходной информации,
  •  разнообразие и вероятностный характер воздействий внешней среды и т.д.

Различают два основных метода моделирования с использованием ЭВМ:

аналитический применяется для анализа характеристик модели, полученной по упрощенным аналитическим зависимостям. ЭВМ используется только как вычислитель этих зависимостей;

имитационный (машинный) – позволяет не только анализировать характеристики модели, но и проводить структурный, алгоритмический и параметрический синтез модели на ЭВМ при заданных критериях оценки эффективности и ограничениях.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

1.1. Принципы системного подхода в моделировании систем

Подходы к исследованию систем

Система S  целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы.

Внешняя среда Е  множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием.

Структура системы – совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существует два подхода моделирования системы: классический и системный.

Классический – синтез системы осуществляется путем суммирования отдельных компонент в единую модель, причем каждая из компонент разработана раздельно, решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Процесс моделирования осуществляется от частного к общему. Процесс синтеза модели М на основе классического (индуктивного) подхода представлен на рис.1.1, а. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т.е. выбираются исходные данные Д для моделирования и ставятся цели Ц, отображающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных Д ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента К будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель М. Классический подход может быть использован для реализации сравнительно простых моделей, в которых возможно разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта.

а

б

Рис. 1.1. Процесс синтеза модели на основе

а – классического и б – системного подходов

Системный – в основе синтеза лежит рассмотрение системы (объекта) как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного – формулировки цели функционирования. Процесс синтеза модели М на базе системного подхода условно представлен на рис.1.1, б. На основе исходных данных Д, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху, либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы S. На базе этих требований формируются определенные подсистемы П, элементы Э и осуществляется наиболее сложный этап синтеза – выбор В составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора КВ. Процесс моделирования осуществляется от общего к частному.

При системном подходе к моделированию систем структура системы может изучаться:

  •  извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений между ними (структурный подход);
  •  изнутри, когда анализируются отдельные свойства, позволяющие системе достигать заданную цель, т.е. когда изучаются функции системы (функциональный подход).

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы S и связи между ними. Структура системы в зависимости от цели исследования может быть описана на разных уровнях рассмотрения. Наиболее общее описание структуры – это топологическое описание с помощью теории графов.

Более детальным является функциональное описание, когда рассматриваются отдельные функции, т.е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов Sij и подсистем Si системы, либо системы S в целом.

Функционирование системы – проявление функций системы во времени S(t) означает переход системы из одного состояния в другое, т.е. движение в пространстве состояний Z.

Независимо от типа используемой модели М при ее построении необходимо руководствоваться принципом системного подхода:

1) иерархичности;

2) локальной оптимизации;

3) декомпозиции;

4) целостностью отдельных обособленных стадий построения модели.

Модель М должна отвечать заданной цели ее создания, поэтому отдельные части должны компоноваться взаимно, исходя из единой системной задачи. Цель может быть сформулирована качественно, тогда она будет обладать большей содержательностью и длительное время может отображать объективные возможности данной системы моделирования. При количественной формулировке цели возникает целевая функция, которая точно отображает наиболее существенные факторы, влияющие на достижение цели.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Советов Б.Я. Моделирование систем : учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. М. : Высш. шк., 2001. 343 с.

2. Советов Б.Я. Моделирование систем : учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1998. 319 с.

3. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: учеб. для вузов / В.П. Тарасик. М.: Наука, 1997. 600 с.

4. Введение в математическое моделирование: учеб. пособие для вузов/ под ред. П.В.Тарасова. М.: Интермет Инжиниринг, 2000. 200 с.

5. Ивченко Г.И. Математическая статистика: учебное пособие для втузов / Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев. М.: Высш. шк., 1984. 248 с.

6. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем / И.Н. Альянах. Л.: Машиностроение, 1988. 233 с.

7. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука / Р. Шеннон. М.: Мир, 1978. 308 с.

5

Д

Д

Д

Д

Д

Ц

Ц

К

.....

К

М

Д

Ц

Т

Т

Т

П

Э

В

Д

КВ

М


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59389. Cценарій заняття танцювального гуртка 32 KB
  Привітання музичний розмір 4 4. Розминка по колу: музичний розмір 4 4 марш; хід на пальцях на пятках; хід з високим підняттям колін; підскоки; полькахід галоп біг з викиданням ніг вперед. Розминка на середині залу музичний розмір 4 4.
59390. Сценарій літературної години. Білі плями Франкіани 46 KB
  Білі плями Франкіани І ведучий: Сьогодні Вашій увазі ми пропонуємо літературну годину Білі плями Франкіани. ІІ ведучий: У чьому році ми святкуємо річницю з дня народження Великого Каменяра.
59391. Сценарій літературно-музичної композиції за сторінками життя і творчості Лесі Українки Ні я жива! Я буду вічно жити! 62.5 KB
  Посвята Михайлові Драгоманову ДО Гімн 1 ведучий: Леся Українка. 2 ведучий: Росла і виховувалась Леся у середовищі демократично настроєної української інтелігенції рід вела свій від людей порядних не пустодухих не мізерних. 1 ведучий: Добрим словом годиться згадати сьогодні...
59392. Cценарій вечора-спогаду до дня народження Лесі Українки (1871-1913), видатної української поетеси Мрії зламане крило 55 KB
  Під час вступного слова ведучий представляє всіх учасників а далі вони ведуть невимушену розмову. Лісова пісня 1 ведучий: Ружею і барвінком заквітчують сліди дорогої людини в українських народних піснях. 2 ведучий: Лесю Українку славетну й улюблену письменницю нашого народу...
59393. Сценарій літературно-музичного вечора присвяченого Лесі Українці „Лесина пісня” 50.5 KB
  Леся тим часом сиділа і плела віночки з квіток та жита і співала вже трошки зі мною та мамою своїх українських пісень. Ніщо так сильно як пісні не нагадує про рідний край і не ворушить таким жалем по йому нашу душу От такто сидить маленька Леся держить віночок з волошок...
59394. Сценарій: Великий Каменяр - до дня народження Івана Яковича Франка 52 KB
  Завдання бібліотечних працівників - доносити до свідомості читачів дорогий скарб творчого доробку Великого Каменяра. Для широкої пропаганди творів та літератури про життя і творчість письменника необхідно використовувати різні форми бібліотечної роботи...
59395. Сценарій конкурсу за звання Юна українка. А я просто українка, україночка 28 KB
  Музика стихає на сцену виходить ведучий. Ведучий: Кожен народ має свої звичаї що виробилися протягом багатьох століть. Ведучий: На конкурсі учасницям надається можливість показати знання народних звичаїв окрім того. Ведучий знайомить глядачів з кожною із конкурсанток.