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

29 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

74574. Метаморфизм 53 KB
  Преобразованию могут подвергаться любые горные породы осадочные магматические и ранее образовавшиеся метаморфические. В физикохимических условиях отличных от тех в которых образовались горные породы происходит изменение их минерального состава структуры и текстуры. без изменения химического состава метаморфизуемой породы и метасоматически т.
74575. Тектонические движения и деформации земной коры 1.08 MB
  Среди них различают следующие основные формы: моноклинали флексуры и складки. Складки это изгибы слоев горных пород без разрыва сплошности под действием давления. Складки являются основной формой пликативных дислокаций. Антиклинальными называются выпуклые складки в которых пласты падают в противоположные стороны а в центральных частях залегают более древние породы чем на периферии рис.
74576. Геологические науки и их задачи 74 KB
  Общим этот курс называется потому что рассматривает общие сведения о Земле начиная с положения Земли в мировом пространстве и кончая геологической деятельностью человека. Свое продолжение он находит в ряде последующих геологических дисциплин изучающих вопросы строения наружной оболочки Земли земной коры ее химический вещественный состав физические свойства геологическую историю. Каждая геологическая наука имея общую цель изучение Земли в то же время решает свои задачи. Историческая геология изучает историю и закономерности...
74577. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ 4.66 MB
  В твердом теле Земли выделяют три внутренние оболочки: центральную ядро промежуточную мантию наружную земную кору рис. Как внутренние так и внешние оболочки объединяют под общим названием геосфер Земли. История изучения внутреннего строения Земли насчитывает несколько столетий и тесно связана с развитием представлений о происхождении Солнечной системы.
74578. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ЛЕТОИСЧИСЛЕНИЕ (ГЕОХРОНОЛОГИЯ) 3.1 MB
  В первом случае определяют относительный возраст пород т. Во втором случае определяют абсолютный возраст пород который выражается в годах. Относительное летоисчисление При определении относительного возраста пород используют несколько методов.
74579. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ 974.5 KB
  К физическим свойствам относят цвет блеск цвет черты плотность твердость спайность магнитность и некоторые другие. Твердость степень сопротивления минералов царапанию резанию. В полевой практике пользуются шкалой заменителей...
74580. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МОРЯ 479 KB
  в океане заключено 86 общего количества воды гидросферы. Физические и химические свойства морской воды Температура морской воды. В поверхностном слое морей и океанов температура воды во многом зависит от климатических условий местности. Но начиная с некоторой глубины колебания температуры морской воды обусловленные климатическими условиями исчезают и далее с глубиной температура неуклонно понижается.
74581. Геологическая деятельность ветра 707 KB
  Во всех песчаных пустынях широко распространены продольногрядовые пески которые образуются при ветрах имеющих штопорообразный характер движения воздуха в горизонтальном направлении одного направления. Бугристые пески песчаные холмы высотой до 810 м неправильной формы закрепленные растительностью.
74582. Геологическая деятельность снега, льда 902.5 KB
  Общий объем льда содержащегося в ледниках оценивается в 30 млн. Для возникновения ледника необходимы низкая среднегодовая температура большое количество осадков выпадающих в виде снега а также наличие пологих склонов и впадин защищенных от солнца и ветра. Это и определяет неравномерность накопления снега и масштабов образования глетчерного льда основная его часть 995 сосредоточена в полярных областях и только 05 связано с высокогорными ледниками. Накапливается он в виде масс значительной мощности составляющих тело ледника.