CC BY
24
УДК 681.518:658.512.22
А. Т. КОГУТ В. А. СПИРИДОНОВ Н. А. ТИХОНОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВНИЯ
В работе описывается опыт применения пакетов имитационного моделирования для решения задач автоматизации функционального и системного проектирования при исследовании непрерывных систем автоматического, автоматизированного управления и информационно-управляющих систем в Омском государственном университете путей сообщения при подготовке студентов по специальности «Управление и информатика в технических системах».
В середине 80-х годов при очередной смене учебных планов (в настоящее время государственных образовательных стандартов) в подготовке студентов специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» появилась дисциплина «Автоматизация проектирования средств и систем автоматического управления». В Омском институте инженеров железнодорожного транспорта (ныне ОмГУПС) выпускающей являлась кафедра «Автоматика и системы управления» и перед ее сотрудниками встал вопрос об использовании в учебном процессе программных средств имитационного моделирования для решения задач автоматизации функционального, системного, схемотехнического и конструкторского проектирования. В настоящей работе описывается только опыт применения различных средств функционального и системного моделирования, и в первую очередь, имитационного.
Исторически первым в учебном процессе использовался пакет моделирования непрерывных процессов ПМНП, реализованный средствами алгоритмического языка Фортран и установленный вначале на ЭВМ ЕС-1022, а затем ЕС-1036, которыми располагал в то время институт. Входной язык являлся символьным, поэтому для моделирования необходимо было описывать анализируемую непрерывную систему автоматического управления программной моделью, которая состояла из сегментов инициализации, динамики и тер-минации. Внутренний язык ПМНП ориентировался на Фортран и включал операторы данных и структуры. Операторы данных служили для присвоения числовых значений параметрам, константам и начальным условиям, а операторы структуры описывали связи между переменными модели. Язык управления обеспечивал выбор тех или иных возможностей пакета на этапах трансляции и исполнения. В качестве примера приведем фрагмент программы получения переходной характеристики апериодического звена:
INITIAL
CONSTANTT = 0.5
DYINAMIC
X = STEP(0.0) Y=REALPL(0.0,T,X)
TIMER DELT=0.01,FINTIM= 10., OUTDEL=0.2
PRTPLOTY.
Студенты составляли программу моделирования и записывали на специальном бланке, который передавался в ВЦ института, где операторы набирали текст и осуществляли первый прогон программы на ЭВМ. Распечатка результатов трансляции и перфокарты передавались студентам для исправления возможных ошибок. Естественно, что такая процедура занимала достаточно большое время, поэтому в течение аудиторных занятий, как правило, можно было каждому студенту промоделировать работу одной системы. С появлением ЭВМ ЕС-1036 и терминального класса со свободным доступом ситуация изменилась и появилась возможность во время выполнения лабораторных работ исследовать уже несколько систем управления, познакомиться с методами автоматизации проектирования при синтезе и особенно оптимизации. В помощь студентам для их самостоятельной работы были подготовлены и изданы методические указания [1].
Следующим программным средством в учебном процессе применялся пакет машинного анализа и синтеза систем МАСС, разработанный в Московском энергетическом институте вначале для управляющих мини-ЭВМ М-6000, СМ-1, а затем адаптированный и для ЕС ЭВМ, последняя версия описана в [2]. Как и в ПМНП, входной язык является символьным, но все директивы указывались на русском языке, а в качестве внутреннего языка — Фортран. В некоторых моментах МАСС уступал возможностям ПМНП, так в последнем было реализовано семь методов численного интегрирования дифференциальных уравнений, а в МАСС только четыре. В МАСС как и ПМНП моделирование систем проводилось с использованием библиотеки стандартных блоков (линейных статических, динамических, нелинейных, логических), их количество в МАСС было больше, но в операторах структуры надо было указывать номера блоков, что приводило к необходимости перед составлением программы проводить подготовку схемы моделирования с помощью функциональных блоков, для которых в пакете была разработана своя графическая символика, близкая к
современным графическим языкам. Другим достоинством пакета явилось наличие в МАСС встроенных средств параметрической оптимизации систем и оценки чувствительности. Критерий оптимизации формировался с помощью функциональных блоков и описывался в секции структуры, а в операторе ОПТИМИЗАЦИЯ указывался один из пяти методов одно- и многомерного поиска.
В 1989 г. вышла книга по автоматизации проектирования систем управления под редакцией М. Джам-шиди и Ч.Дж. Хергена [3], в которой содержалось краткое описание 37 пакетов прикладных программ, применяемых в США и странах Западной Европы при решении практических задач теории управления и вычислительной математики. Наиболее привлекательным оказался пакет MATRIX, использующий как классический, так и современные методы проектирования и идентификации, а также численно устойчивые робастные алгоритмы, что особенно необходимо при исследовании сложных систем. Этот пакет был единственным из рассмотренных в [3], обладающий функциями SYSTEM BUILD, и позволяющий осуществлять графическое моделирование систем, описанных структурными схемами. К сожалению, найти и использовать MATRIX в учебном процессе не удалось, но в [3] указывалось, что MATRIX унаследовал большинство возможностей от своего предшественника — пакета MatLAB.
Из пакетов автоматизации математических вычислений и научных расчетов на кафедре применяется Derive, который был получен в качестве члена Ассоциации «Математика и кибернетика на персональном компьютере для студентов и учащихся». Сравнительный анализ показал, что MatLAB является более универсальным и приспособленным для исследования систем управления, поэтому в дальнейшем на кафедре развивались два направления. Одно было связано с исследованием возможностей пакета MatLAB и применением его для описания систем аппаратом переменных состояний [4], а второе — с адаптацией пакетов имитационного моделирования отечественных разработок [5].
В дисциплине «Автоматизация проектирования средств и систем управления» применялись пакеты CSSE (Московский государственный университет), СИМТЕХ (НПО «Автоматика», г. Омск) и «Экспресс-радиус» (Институт проблем управления, г. Москва). Все пакеты используют похожие входные графические языки в виде структурных схем. Моделирование систем осуществляется с помощью функциональных модулей или блоков, которые сведены в библиотеку, при этом в СИМТЕХе используются только фиксированные блоки, в CSSE помимо типовых можно создавать и свою собственную библиотеку, в «Экспресс-радиус» необходимо для каждого блока описывать модель в виде программы. Пакеты используют разные внутренние языка: CSSE и СИМТЕХ — алгоритмический язык Паскаль, а «Экспресс-радиус» — Си, поэтому на разных языках и пишутся программы для имитации отдельных блоков. Во всех пакетах путем имитационного моделирования можно получить различные временные характеристики, при этом в пакетах СИМТЕХ и «Экспресс-радиус» используется для численного решения дифференциальных уравнений только один метод а в CSSE — несколько, в том числе и неявный метод Адамса, что позволяет исследовать и «жесткие» динамические системы управления. Пакет «Экспресс-радиус» позволяет получать частотные характеристики линейных систем и проводить параметрическую оптимизацию, в СИМТЕХе реализована
возможность обработки внешних сигналов от реального объекта управления. Наличие пакетов имитационного моделирования с разными возможностями позволяет студентам не только изучать возможности отдельных программных средств, но и проводить их сравнительный анализ.
При переходе к персональным компьютерам в 1989-90 гг. удалось продлить «жизнь» пакету МАСС, по аналогии с которым на алгоритмическом языке Бейсик [6] была разработана программа имитационного моделирования всех блоков библиотеки МАСС, но с реализацией только одного метода численного интегрирования дифференциальных уравнений и без сегмента оптимизации. Программное средство оказалось достаточно простым и надежным в эксплуатации и использовалось при проведении лабораторных работ по дисциплине «Теория автоматического управления». В дальнейшем с появлением на кафедре первых IBM-совместимых компьютеров ЕС-1841 для этих целей адаптировали пакет TAY, разработанный в академии нефти и газа им. И.М. Губкина (г. Москва), очередная версия которого уже под операционной системой Windows используется и в настоящее время.
Одновременно с применением пакетов имитационного моделирования проводилась работа по использованию в учебном процессе пакета MatLAB вначале в дисциплине «Моделирование систем» как наиболее адекватного средства автоматизации математических вычислений для исследования систем с помощью аппарата переменных состояния. Пакет программ математического моделирования MatLAB (MATrix LABörato-гу — матричная лаборатория) был разработан в 70-х годах для проведения математических вычислений на больших ЭВМ. В начале 80-х специалистами фирмы Math Works,Inc. создана версия системы PC-MatLAB применительно к персональным ЭВМ, в частности к компьютерам класса IBM-PC, VAX, Macintosh, атакже для рабочих станций SUN, DECstation и других. Система MatLAB ориентирована в основном на матричные и векторные вычисления, но наличие такого мощного инструментария как стандартные внешние расширения, которые представляют собой файлы, содержащие служебные программы, демонстрационные примеры, определения новых операторов, команд и функций, позволяет применять пакет в различных прикладных областях: обработки данных, анализа сигналов и фильтрации. Только с появлением пакета расширения Simulink [7], в котором реализован графический интерфейс пользователя, позволило применить MatLAB и для автоматизированного проектирования, т.к. он использует аналогичное представление системы в виде структурной схемы и в тоже время предоставляет мощные вычислительные возможности.
Достойное место среди программных средств системного проектирования, внедренных в учебный процесс, занял пакет моделирования дискретных систем ПМДС, полученный сотрудниками кафедры в Институте кибернетики АН Эстонской ССР и вошедший в программное обеспечение в ЕС ЭВМ.
Основой ПМДС являлась общецелевая система имитационного моделирования GPSS (General Purpose Simulation System), разработанная в 60-е годы фирмой IBM. GPSS могла успешно применяться для моделирования объектов, формализуемых в виде схем массового обслуживания, с помощью которых описываются многие технические системы.
Первый практический опыт использования GPSS в учебном процессе был получен в курсовом проектировании систем телемеханики [8], где моделирование
определяло выбор значения периода опроса, исключающего потерю информации. В качестве инструментальной ЭВМ использовались машины серии ЕС ЭВМ. Главным недостатком ПМДС было отсутствие интерактивного режима, что существенно осложняло и удлиняло процедуру моделирования.
Следующий этап работы с GPSS связан с появлением на кафедре версии системы моделирования для персональных компьютеров GPSS/PC. Эта версия была разработана в 1984 году компьютерной компанией Minuteman Software (США) и обладала достаточно развитым пользовательским интерфейсом.
В то время лаборатории кафедры были оснащены отечественными персональными компьютерами ЕС-1841, аналогами IBM PC/XT. На этих ЭВМ и началась работа с GPSS/PC. Система обеспечивала интерактивный режим взаимодействия и имела динамичные средства графики. Это позволяло сформировать модель, провести моделирования и проанализировать результаты более быстро, чем было возможно ранее. Пришедшие на смену ЕС-1841 IBM PC позволили в полной мере использовать возможности GPSS/PC в курсовых работах по дисциплинам «Автоматизированное управление в технических системах» и «Моделирование информационных процессов и систем». Основным препятствием в успешном освоении системы GPSS/PC студентами в то время явился недостаток доступной литературы по данной проблеме, поэтому на кафедре было разработано учебное пособие по имитационному моделированию, рекомендованное учебно-методическим объединением по образованию в области автоматики, электроники, микроэлектроники и радиотехники в качестве учебного пособия для вузов МПС [9].
Современный этап применения системы имитационного моделирования связан с версией GPSS World для ОС Windows, которая имеет еще более широкие возможности, включая пользовательскую среду с интегрированными функциями работы с Интернет.
GPSS World имеет возможность визуального представления информации, что позволяет наблюдать и фиксировать внутренние функционирования моделей, делает модель прозрачной. Система позволяет одновременно исследовать и управлять процессами моделирования. С помощью встроенных средств анализа данных можно легко вычислить доверительные интервалы и провести дисперсионный анализ. Кроме того, можно автоматически планировать и выполнять сложные оптимизирующие эксперименты. GPSS World сочетает в себе функции дискретного и непрерывного моделирования с возможностью пере-
хода из одной функции в другую, а использование механизма виртуальной памяти позволяет модели реально достигать размера сотен миллионов байт.
Таким образом, использование в учебном процессе методов и программных средств имитационного моделирования позволило решить задачи функционального и системного проектирования при подготовке студентов по специальности «Управление и информатика в технических системах».
Библиографический список
1. Когут А.Т., Питаев И.М. Моделирование систем автоматического управления на ЕС ЭВМ; Методические указания. — Омск: Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта, 1986. —36 с.
2. Чхартишвили Г.С., Когут А.Т. Анализ и синтез систем управления на ЕС ЭВМ: Методические указания. - Омск: Омский ин-т инж, ж.-д. транспорта, 1988. — 34 с.
3. Автоматизированное проектирование систем управления / Под ред. М. Джамшиди, Ч. Дж. Хергета, - М.: Машиностроение, 1989. — 344 с.
4. Малютин А.Г. Система автоматизации расчетов PC-Mat-LAB: Методические указания. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 1998. — 32 с.
5. Тихонова Н. А. Имитационное моделирование информационно-управляющих систем: Методические указания. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщение, 1998, — 32 с.
6. Когут AT. Бейсик для персонального компьютера «Христа»: Методические указания. - Омск: Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта , 1989. - 32 с.
7. Кильдибеков А.Б., Тихонова H.A. Моделирование непрерывных линейных систем управления средствами пакета SIM-UL1NK: Методические указания. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2003. — 45 с.
8. Шахов В.Г., Спиридонов В.А. Моделирование систем телемеханики: Методические указания. — Омск: Омский ин-т инж. ж.-д. транспорта, 1988. — 28 с.
9. Спиридонов В.А. Имитационное моделирование информационных систем железнодорожного транспорта: Учебное пособие. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 1999. — 82 с.
КОГУТ Алексей Тарасович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и системы управления».
СПИРИДОНОВ Владимир Андреевич, доцент кафедры «Автоматика и системы управления». ТИХОНОВА Наталья Алексеевна, старший преподаватель кафедры «Автоматика и системы управления».
Книжная полка
Новые поступления в фонд Центральной научной библиотеки Омского научного центра Сибирского отделения РАН
Уваров А. А. Новые правила по присвоению ученых званий: Практическое пособие. - М.: ИКФ «ЭКМОС», 2003. - 160 с. ISBN 5-94687-046-7
В пособии приведен возможный к применению порядок оформления, рассмотрения и предъявления документов по присвоению ученых званий профессора и доцента. Содержатся требования, выдвигаемые к соискателям ученых званий; описание процедуры рассмотрения вопроса о присвоении ученого звания на заседании кафедры и ученого совета вуза, в Министерстве образования Российской Федерации и Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации; формы документов аттестационного дела, взаимосвязи их содержания, Материал изложен на основании вступивших в силу в 2002 г. требований нормативных документов, а также Порядка аттестации научно-педагогических работников.
