Разработка и исследование метода построения программного комплекса моделирования для распределенных систем с многоуровневым представлением сложных объектов

• Автор: Резников, Владимир Борисович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 237 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

1.1 Проблемы моделирования сложных технических систем

1.1.1 Задачи моделирования сложных систем

1.1.2 Виды моделирования.

1.1.3 Проблемы компьютерного моделирования сложных систем

1.2 Развитие систем моделирования

1.3 Анализ современных систем моделирования

1.3.1 Порядок проведения анализа.

1.3.2 Анализ характерных признаков наиболее распространенных систем моделирования.

1.3.3 Сравнительный анализ современных систем и предлагаемого решения. 1.4 Выводы.

2 МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ВЫСОКОЙ РАЗМЕРНОСТИ.
2.1 Выдвигаемая гипотеза решения поставленной задачи.
2.2 Разработка таксономии современных систем моделирования и классификация объекта исследования
2.3 Задачи и цели системы моделирования
2.4 Принципы представления моделируемых объектов.
2.5 Многоуровневый базис представления структурных моделей.
2.5.1 Иерархия уровней.
2.5.2 Математический базис представления структурных моделей.
2.5.3 Функциональный базис представления структурных моделей.
2.5.4 Алгоритмический базис представления структурных моделей
2.5.5 Вычислительный базис представления структурных моделей.
2.5.6 Описательный базис представления структурных моделей.
2.6 Разработка метода автоматизации построения математических
моделей сложных систем структурнофункциональным способом.
2.6.1 Предлагаемый способ решения задачи.
2.6.2 Разработка базиса структурных элементов
2.6.3 Метод автоматизации функционального описания сложных систем
2.6.4 Реализация построения структурного способа описания объектов
2.6.5 Разработка методики автоматической генерации общей математической модели.
2.7 Разработка метода автоматической генерации эффективных параллельных программ расчета структурных моделей
2.1 Л Цели и задачи метода.
2.7.2 Исследование способов распределения структурной модели.
2.7.3 Построение моделей распределенного вычислителя.
2.7.4 Оценка сложности структурной модели
2.7.5 Оценка эффективности вариантов распределения структурных моделей .
2.7.6 Разработка алгоритма автоматического распределения структурных моделей.
2.7.7 Разработка методики автоматизации программирования распределенного вычислителя.
2.8 Выводы
3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.
3.1 Исследование архитектуры и технологии моделирования структурно
функционального моделирующего комплекса
3.2 Построение интерфейса программирования системы
3.3 Разработка баз хранения структурных моделей.
3.5 Разработка модуля символьной обработки для системы структурного
моделирования
3.5.1 Структура модуля символьной обработки.
3.5.2 Разработка модуля лексического разбора
3.5.3 Разработка модуля синтаксического разбора.
3.6 Исследование эффективных методов численного решения моделей
3.6.1 Принципы численного решения структурных моделей.
3.6.2 Генерация программ численного интегрирования
3.6 Разработка распределенного вычислителя системы структурного
моделирования
3.6.1 Архитектура распределенного вычислителя.
3.7 Выводы
4 КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ССПМ.
4.1 Пример решения задачи синтеза систем управления в среде i
4.1.1 Постановка задачи.
4.1.2 Декомпозиция исследуемой системы
4.1.3 Составление библиотеки структурного базиса
4.1.4 Программирование структуры модели в среде моделирования.
4.1.5 Программирование алгоритма расчета многоуровневой модели
4.1.6 Программирование вычислительного уровня многоуровневой модели
4.1.7 Проведение моделирования структурной модели многозвенного маятника
4.2 Пример моделирования электромеханических систем в среде т0
4.2.1 Постановка задачи моделирования сильносвязанных объектов.
4.2.2 Исходная структурная модель энергоустановки
4.3 Решение задач подборки оптимальных параметров
4.3.1 Исходная модель гидроакустической антенны
4.4 Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А.
А.1 Язык структурного моделирования
АЛЛ Основные принципы построения языка
АЛ .2 Разработка лексики языка
А1.3 Разработка грамматики языка
АЛ .4 Примеры 8МЬ программ
А.2 Организация взаимодействия акселератора с ведущим компьютером
А.2Л Модуль связи акселератора с хосткомпьютером.
А.2.2 Протокол взаимодействия модуля связи акселератора с хост
компьютером.
АЗ Фрагмент программы моделирования маятника
АЛЛ Результаты моделирования системы многозвенного маятника.
А.5 Л Численное решение модели энергоустановки
А.6Л Проведение моделирования гидроакустической антенны.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Структурная сложность системы понижается путем использования иерархического описания, поэтому для представления системы используется структурное описание взаимодействия е компонент. Вследствие большой размерности сложных систем выполнение построения общей математической модели вручную невозможно. В этой связи проблему формирования математического описания необходимо решать при помощи компьютера. Решение этой проблемы с учетом указанного способа формализованного описания сложных систем обеспечивается путем использования метода графов и средств символьной обработки. Как уже было отмечено выше, основную трудность исследования сложных систем представляет собой трудоемкость процесса расчета модели системы. Поэтому проблема быстрого и точного расчета модели является очень важной. Решение данной проблемы состоит в реализации эффективных методов численного решения уравнений математической модели системы, и в проектировании высокопроизводительной вычислительной базы систем моделирования. Кроме проблем осуществления формирования и решения математической модели не менее важной является удобное и адекватное отображение результатов моделирования. Качественное решение этой проблемы существенным образом влияет на длительность и трудоемкость проведения исследований. Современные исследования в области разработки систем моделирования уделяют большое внимание соответствию систем высоким эргономическим требованиям. Решение поставленных проблем реализуется путем разработки соответствующих моделирующих средств, позволяющих осуществить исследование сложных систем. Таким образом, развитие современной науки и техники неразрывно связано и существенно зависит от развития моделирующих средств. Рассмотрим основные этапы развития компьютерных систем моделирования. Первые теоретические обобщения двух направлений материального моделирования а физического и б математического с помощью вычислительных устройств были сделаны В. А. Вениковым г. Л. И. Гутенмахером г. И. М. Тетельбаума г. А. М. Сучилина г. П. М. Алабужева г. В. А. Штоффом, И. Б. Новиковым, Н. А. Уемовым и др. Основные вопросы вычислительного эксперимента были развиты А. А. Самарским и А. Н. Тихоновым . Исторически первым методом решения задач компьютерного моделирования был аналитический метод. Этот метод характеризуется построением аналитических зависимостей развития процессов и дальнейшим расчетом этих зависимостей на ЭВМ. Первым толчком к применению ЭВМ для решения задач моделирования сложных систем стало развитие численных методов как средство решения дифференциальных аналитических моделей . Рост сложности моделируемых систем потребовал разработки прикладных программных систем, представляющих собой набор библиотек алгоритмов решений математических моделей тем или иным методом . Таким образом, был упрощен процесс составления вычислительных моделей. Решение данной проблемы осуществлялось при помощи разработки пакетов прикладных программ ПИП первых систем компьютерного моделирования. Исследователь создавал алгоритм функционирования модели в виде программы представленной на одном из универсальных языков программирования. Причем сам процесс решения осуществлялся путем вызова соответствующих библиотечных процедур из функциональной части. Основные недостатки таких систем моделирования узкая специализация пакета и необходимость иметь квалификацию программиста при работе с пакетом. Развиваясь и совершенствуясь при решении разнообразных задач, этот способ анализа технических систем трансформировался в новую современную технологию и методологию проведения исследований, которая получила название вычислительного эксперимента . Основа вычислительного эксперимента в кратком виде выражена знаменитой триадой модель алгоритм программа, сформулированной академиком Самарским, основоположником отечественного математического моделирования ,. Эта методология получила свое развитие в виде технологии вычислительного эксперимента, разработанной школой Самарского. Первоначально строиться физическая модель исследуемого объекта. Затем происходит выделение главных факторов поведения объекта. Второстепенные факторы отбрасываются.