Требования к программным комплексам (ПК) для математического моделирования
К настоящему времени в РФ и за рубежом разработано немало разнообразных инструментальных средств для математического моделирования динамических режимов в технических системах. Сравнительный анализ существующих программных комплексов (ПК) – непростая задача, поскольку они созданы в разное время и для разных целей. Программные комплексы сильно отличаются по назначению, объему, качеству и цене. Они могут вполне удовлетворять одних Пользователей и не подходить другим.
Сформулируем ряд требований, которым должны удовлетворять современные программно-инструментальные средства для автоматизации динамических расчетов:
1) Образное представление. Процесс автоматизированной разработки сводится к «рисованию» математической модели исследуемого объекта в виде графического изображения (например, структурной схемы), причем «рисовать» можно не только технологические схемы, но и панели управления с соответствующими приборами. При этом Пользователь работает в терминах предметной области и может не владеть глубокими знаниями в математическом моделировании и программировании.
2) Модульность. Создаваемая математическая модель динамики исследуемого объекта набирается из отдельных модулей или блоков, разработка и отладка которых носит независимый характер. Модульность определяет открытость и адаптируемость программно-инструментальных средств для автоматизации динамических расчетов.
3) Гибкость, подразумевающая возможность легкого задания и изменения математической модели объекта исследования, ее численных параметров, сценариев развития переходных процессов в объекте и т.д.
4) Возможность создания собственного модуля с оригинальной математической моделью, что делает имеющиеся базы данных открытыми для расширения в интересах данного Пользователя.
5) Иерархичность, то есть возможность использования вложенных структур (макроблоков), что позволяет упростить изображаемые на экране сложные многосвязные технологические схемы и системы управления.
6) Открытость программных средств автоматизации динамических расчетов для динамического обмена данными с внешними расчетными или интерфейсными программами, с внешними устройствами.
7) Точность и скорость моделирования. Выполнение этих требований должно обеспечиваться наличием эффективных численных методов и алгоритмов.
8) Средства управления исследованием. Предоставление Пользователю возможности «вмешиваться» (на математической модели) в ход рабочих процессов в объекте исследования приближает данный численный эксперимент к управлению реальной установкой в реальном масштабе времени и позволяет оценивать последствия тех или иных воздействий на объект исследования.
9) Средства отображения информации. Программные средства должны обеспечивать возможность в режиме «on-line» подключения к различным параметрам исследуемого объекта (системы) и отображать их в виде графиков, показаний приборов и т.п.
10) Диагностика ошибок. Полнота и точность диагностических сообщений при аварийном прекращении расчета, сбое системы при обмене данными с внешними программами и устройствами, при выходе из области, предназначенной для решения той или иной задачи, имеет большое значение для оценки качества программного продукта.
Современные программные комплексы, предназначенные для исследования рабочих процессов в динамических системах методами математического моделирования, обязательно должны иметь следующие компоненты:
- интерактивные и графические средства формирования визуального образа исследуемого технического устройства и его математической модели;
- базы данных математических моделей (электронные библиотеки), описывающих рабочие процессы в элементах исследуемых технических систем;
- встроенные средства численного моделирования рабочего процесса в режиме реального времени или в режиме масштабирования модельного времени;
- развитые средства графического отображения текущих результатов расчета и последующего анализа полученных результатов;
- средства архивации расчетных данных, многократного воспроизведения процесса моделирования и т.п.;
- средства, обеспечивающие формирование виртуальных аналогов измерительно- управляющей аппаратуры.
Из перечисленных выше компонент роль баз данных математических моделей, описывающих рабочие процессы в элементах технических систем, является определяющей. Невозможно выполнить численное моделирование и анализ рабочего процесса в технической системе, если база данных математических моделей используемого программного комплекса не имеет «готовых» модулей для «сборки» структурной или имитационной схемы исследуемой системы.
В настоящее время из зарубежных программных комплексов наиболее удобным, хорошо зарекомендовавшим себя на практике является пакет MatLab с широко развитыми дополнениями (Toolboxes – библиотеки), из которых Toolbox Simulink (для структурного моделирования систем) и Toolbox SimPowerSystem (для имитационного моделирования) наиболее приспособлены для синтеза и анализа различных электромеханических систем.
Из отечественных программных продуктов, на базе которых можно создать современный программно-инструментальный комплекс для исследования рабочих процессов в технических системах, наиболее развитым является программный комплекс «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ», версия 3.7), созданный на кафедре «Ядерные реакторы и установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для установки ПК «МВТУ» на Ваш компьютер требуется инсталляционное программное обеспечение, поставляемое на CD-диске или скачанное по сети INTERNET со страницы закачки ПК «МВТУ» (http://mvtu.power.bmstu.ru).
Однако, этот ПК позволяет осуществлять только структурное моделирование электротехнических систем.