Некоторые сведения о пакете MATLAB

ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ MATLAB

Имитационное моделирование – наиболее мощный и универсальный метод исследования и оценки эффективности систем, поведение которых зависит от воздействия случайных факторов.

В основе имитационного моделирования, как уже было отмечено, лежит статистический эксперимент (метод Монте-Карло), реализация которого практически невозможна без применения средств вычислительной техники. Поэтому любая имитационная модель представляет собой, в конечном счете, более или менее сложный программный продукт.

Конечно, как и любая другая программа, имитационная модель может быть разработана на любом универсальном языке программирования. Однако на пути разработчика в этом случае возникают следующие проблем:

· требуется знание не только той предметной области, к которой относится исследуемая система, но и языка программирования;

· на разработку специфических процедур обеспечения статистического эксперимента (генерация случайных воздействий, обработка результатов) может уйти времени и сил не меньше, чем на разработку собственно модели системы.

И наконец, еще одна не менее важная проблема. Во многих практических задачах интерес представляет не только количественная оценка эффективности системы, но и ее поведение в той или иной ситуации. Для такого наблюдения исследователь должен располагать соответствующими «смотровыми окнами», которые можно было бы при необходимости закрыть, перенести на другое место, изменить масштаб и форму представления наблюдаемых характеристик и т.д., причем, не дожидаясь окончания текущего модельного эксперимента.

Реализация таких возможностей на универсальном языке программирования – дело очень не простое.

В настоящее время на российском рынке компьютерных технологий есть продукт, позволяющий весьма эффективно решать указанные проблемы – пакет MATLAB, содержащий в своем составе инструмент визуального моделирования SIMULINK с расширением STATEFLOW для реализации событийного моделирования.

История существования пакета MATLAB, название которого происходит от словосочетания Matrix Laboratory (Матричная лаборатория) насчитывает уже более двух десятков лет. К настоящему времени MATLAB представляет собой весьма удачное сочетание возможностей математики с последними достижениями в области вычислительной техники.

Одно из основных достоинств пакета состоит в том, что для работы пользователю достаточно знать о нем ровно столько, сколько требует решаемая задача. Так, в простейшем случае MATLAB может сыграть роль обыкновенного калькулятора. Если же решаемая задача требует создания каких-либо специальных инструментов, MATLAB предоставляет в распоряжение пользователя практически универсальный язык объектно-ориентированного программирования в сочетании с интерактивными средствами отладки создаваемых программ.

И все-таки в первую очередь MATLAB – это средство математического моделирования, обеспечивающее проведение исследований практически во всех известных областях науки и техники. При этом структура пакета позволяет эффективно сочетать оба основных подхода к созданию модели: аналитический и имитационный.

Именно в сфере математического моделирования MATLAB позволяет наиболее полно использовать все современные достижения компьютерных технологий, в том числе средства визуализации и аудификации (озвучивания) данных, а также возможности обмена данными по сети Internet. Кроме того, пользователь имеет возможность создавать средствами MATLAB собственный графический интерфейс.

Как следует из названия пакета, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Это позволило его разработчикам существенно повысить эффективность процедур, работающих с указанными типами данных, по сравнению с языками программирования «общего назначения».

4.2 Краткая характеристика расширения MATLAB – SIMULINK.

Одной из самых сложных проблем в реализации математического моделирования в среде системы MATLAB стала подготовка модели моделируемой системы или таблично-топологического описания. При этом необходимо предусмотреть организацию связей между компонентами и установку их, подчас многих, параметров. После этого надо запустить созданную модель на исполнение, т.е. задать решение автоматически составленной системы уравнений состояния и вывод результатов решения.

Все это проблемы блестяще решены введением в MATLAB важной части системы – расширения SIMULINK.

Пакет SIMULINK является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой S-моделью или просто моделью.

Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств SIMULINK имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем.

Разработка моделей средствами SIMULINK основана на использовании технологии Drag-and-Drop (Перетащи и Оставь). Для создания модели необходимо при помощи мыши перетащить нужные блоки из палитры компонентов на рабочий стол пакета SIMULINK и соединить линиями входы и выходы блоков.

SIMULINK хорош тем, что, с одной стороны, обеспечивает пользователю доступ ко всем основным возможностям пакета MATLAB, а с другой – является достаточно самостоятельной его компонентой, в том смысле, что при работе с ним не обязательно иметь навыки в использовании других инструментов, входящих в состав пакета.

Еще одно важное достоинство SIMULINK заключается в том, что он является открытой системой: состав библиотеки может быть пополнен пользователем за счет разработки собственных блоков.

Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом как по информации, так и по управлению. Тип связи зависит от типа блока и логики работы модели. Данные, которыми обмениваются блоки, могут быть скалярными величинами, векторами или матрицами произвольной размерности.

Любая S-модель может иметь иерархическую структуру, т.е. состоять из моделей более низкого уровня, причем число уровней в иерархии практически не ограниченно.

Наряду с другими параметрами моделирования пользователь может задавать способ изменения модельного времени (с постоянным или переменным шагом), а также условия окончания моделирования.

В ходе моделирования имеется возможность наблюдать за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные ”смотровые окна», входящие в состав библиотеки SIMULINK. Интересующие пользователя характеристики системы могут быть представлены как в числовой, так и в графической форме. Кроме того, существует возможность включения в состав моделей средств анимации.

S-модель представляет собой блок-диаграмму – набор блоков, соединенных между собой линиями связи. Направление движения информационных и управляющих сигналов на диаграмме обозначено стрелками. Любая линия связи может иметь произвольное число ответвлений, начало каждого из которых обозначается точкой.

Библиотека блоков SIMULINK представляет собой набор визуальных объектов, используя которые можно собирать произвольную конструкцию.

Базовые разделы SIMULINK (не могут изменяться пользователем, за исключением вешнего оформления):

· Sources (Источники),

· Sinks (Получатели),

· Discrete (Дискретные элементы),

· Linear (Линейные элементы),

· Nonlinear (Нелинейные элементы),

· Connections (Соединения).

Блоки, входящие в раздел Sources, предназначены для формирования сигналов, обеспечивающих управление работой S-модели в целом или отдельных ее частей. Все блоки имеют по одному выходу и не имеют входов. Набор блоков этого раздела содержит практически все часто используемые при моделировании источники воздействий с самыми разными функциональными и временными зависимостями.

В качестве источников сигналов могут использоваться такие блоки как

· Constant – формирует постоянную величину (скаляр, вектор или матрицу);

· Random Number – источник дискретного сигнала, амплитуда которого является случайной величиной, распределенной по нормальному закону;

· Sine Wave – генератор гармонических колебаний

и прочие блоки из этого раздела.

Блоки, входящие в раздел Sinks, условно можно разделить на три вида:

· Блоки, используемые при моделировании в качестве ”смотровых окон»:

- блок Scope обеспечивает наблюдение за динамикой изменения интересующих исследователя характеристик системы,

- блок XYGraph обеспечивает создание двухмерных графиков в прямоугольной системе координат,

- блок Display отображает численные значения величин.

· Блоки, обеспечивающие сохранение промежуточных и/ или выходных результатов моделирования (блоки To File и To Workspace);

· Блок управления моделированием – Stop Simulation, который позволяет прервать моделирование при выполнении тех или иных условий.

В раздел Discrete входят блоки, с помощью которых в модели может быть описано поведение дискретных систем: систем с дискретным временем и систем с дискретным состоянием (например, Discrete-Time Integrator дискретный счетчик времен).

Раздел Linear содержит блоки, непосредственно предназначенные для описания линейных непрерывных по времени перехода и состоянию систем и блоки общего назначения, которые могут быть использованы в модели любой системы.

К первой группе относятся такие блоки как Gain (линейный усилитель), State Space (блок формирования состояния системы), Derivative (блок вычисления производной входного сигнала по времени), Matrix Gain (матричный усилитель), ко второй – Integrator (блок интегрирования входных сигналов), Sum (блок суммирования входных сигналов).

По составу элементов раздел Nonlinear самый большой и наиболее полезный для имитационного моделирования раздел библиотеки SIMULINK. Блоки данного раздела условно можно разделить на несколько групп:

· блоки, реализующие элементарные математические функции;

· блоки, обеспечивающие логическую обработку входного сигнала;

· блоки, реализующие функцию задержки входного сигнала;

· блоки, управляющие направлением передачи сигнала (т.н. блоки-переключатели).

Большинство блоков раздела Connections предназначено для разработки S-моделей, содержащих модели более низкого уровня (подсистемы).

Дата добавления: 2014-12-27