Имитационное моделирование в среде Xcos системе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ  ИМЕНИ М.Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико –математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

Реферат на тему:

Имитационное моделирование в среде Xcos системе 
Scilab

Выполнила: Краснова М.В

Студентка 2 курса группы МДМ-214

Проверила: кан. Физ-мат. Наук, доцент

Кормилицына Т.В.

Саранск 2016

Введение

     Основная задача моделирования состоит в том, чтобы дать разработчику технологию создания таких моделей которые достаточно полно и точно фиксируют свойства объектов оригиналов, поддаются исследованию и допускают возможность переноса результатов исследований на оригиналы.      Моделирование представляет собой метод исследования, который является формой отображения действительности и заключается в воспроизведении свойств реальных объектов при помощи виртуальных объектов.

      Все расчеты в компьютерной модели выполняются в так называемом системном времени, которое соответствует реальному времени функционирования объекта исследования или системы. Воспроизведение на компьютере развернутого во времени процесса функционирования системы с учетом ее взаимодействия с внешней средой называется имитационным моделированием.

       Имитационное моделирование наиболее мощный и универсальный метод исследования и оценки эффективности систем, поведение которых зависит от случайных факторов. Модели являются хорошим средством для обучения и подготовки специалистов, а также средством прогнозирования поведения объектов и систем. Моделирование позволяет проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, когда проведение экспериментов на реальных объектах является нецелесообразным, опасным, невозможным или достаточно дорогостоящим.

     Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройства. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием компьютерных программ.

     Xcos – это приложение, которое входит в состав системы математического моделирования Scilab, и предоставляет разработчикам возможности проектирования систем в области механики, гидравлики и электроники, а также систем массового обслуживания.

      Xcos представляет из себя графическую интерактивную среду, в основе которой лежит блочное моделирование. Приложение предназначено для решения задач динамического и ситуационного моделирования систем, процессов, устройств, а также тестирования и анализа этих систем. При этом моделируемый объект (система, устройство, процесс) представляется графически своей функциональной параметрической блок-схемой, включающей блоки элементов системы и связи между ними.

1.      Общие сведения о пакете Xcos

     В связи с повсеместным развитием современных компьютерных технологий существенно изменились подходы к решению проблем проектирования сложных технических систем. Как один из самых перспективных прикладных пакетов, в первую очередь, следует отметить систему математического моделирования Scilab, интеграция которой, с пакетом Xcos открывает новые возможности использования самых современных математических методов для решения задач динамического и ситуационного моделирования сложных систем, процессов, устройств начиная от структурного (математического) представления системы и заканчивая макетированием системы в реальном времени.

Пакет Xcos считается одним из лучших пакетов с открытым кодом для моделирования блочно заданных динамических систем и представляет из себя графическую интерактивную среду, с помощью которой можно производить моделирование имитацию и тестирование, анализ динамических систем при помощи блоков.

программная среда Xcos: пример Xcos-модели:

результаты ее работы:

    При помощи Xcos можно создавать системы управления, системы обработки сигналов, системы связи, модели любых динамических систем. Xcos создан разработчиками Scilab (хорошо известной и популярной программной среды) и является, как отдельным пакетом, так и платформой для модельно ориентированного проектирования.

    Xcos отличается от Scilab тем, что Scilab это высокоуровневый язык программирования, а Xcos – это система графического моделирования на основе блок-схем, которая состоит из предварительно скомпилированных библиотек. Для визуального представления сигналов в Xcos можно использовать различные блоки визуализации. Модели Xcos хранятся в файлах с расширением .zcos или .xcos. Модель можно открыть двойным щелчком мыши на файле модели в текущем каталоге или при помощи команды «Файл/Открыть» в Xcos.

     В Xcos моделируемый объект (система, устройство, процесс) представляется графически своей функциональной параметрической блок-схемой, включающей блоки элементов системы и связи между ними. Функциональные блоки элементов моделируемой системы могут, в свою очередь, представлять вложенные подсистемы со своей организацией, образуя иерархические структуры. Ценность Xcos заключается и в обширной, открытой для изучения и модификации библиотеке компонентов (блоков).

Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. Как программное средство Xcos - типичный представитель визуально-ориентированного языка программирования.

На всех этапах работы, особенно при подготовке моделей систем, пользователь практически не имеет дела с обычным программированием. Программа автоматически генерируется в процессе ввода выбранных блоков, их соединений и задания параметров. Для описания процессов, протекающих в технологических системах, могут использоваться различные типы объектов по характеру изменения во времени:

– дискретные (например, размер поверхности, качество в ходе технологического процесса);

– непрерывные, среди которых: апериодические (например, размерный износ инструмента), циклические (например, тепловые изменения оборудования за смену).

Практически для всех блоков существует возможность индивидуальной настройки: можно изменять как внутренние параметры блоков (количество входов) так и их внешний вид (размер).

Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом, как по информации, так и по управлению. По информационным соединениям передаются данные, а по управляющим – сигналы активации. Блоки также могут иметь информационные и управляющие входы и выходы. Как правило, информационные входы и выходы блоков располагаются слева и справа от изображения блока, а управляющие сверху и снизу. Тип связи зависит от блока и логики работы модели. Данные, которыми обмениваются блоки, могут быть скалярными величинами, векторами или матрицами произвольной размерности.

     Модельно-ориентированное проектирование обеспечивает раннее выявление ошибок. Xcos является основой для модельно-ориентированного проектирования, автоматической генерации кода, тестирования и верификации моделей, имеет открытую архитектуру для интеграции моделей из других инструментов. Необходимость разрабатывать модели устройств возникает по причине дороговизны и большого времени на изготовление прототипов. Если вы разрабатываете систему управления либо какой-либо узел, у вас не всегда есть возможность опробовать связь с реальными объектами или возможность подключиться к испытательным стендам для того, что бы проверить свою модель либо систему управления. Вторая основная проблема заключается в том, что состыковать модели систем из разных сфер применения механики, гидравлики и электроники зачастую бывает очень сложно, потому что не существует универсальных сред разработки, которые могли бы объединять в себе все возможные сферы применения.

2.     Технология моделирования в среде Xcos

Пакет Xcos является приложением к системе Scilab. При моделировании с использованием Xcosреализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым разработчик на экране из стандартных библиотечных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты.

При этом, в отличие от классических способов моделирования, разработчику не нужно досконально знать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает. При работе с Xcos есть возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании разработчик может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Xcos. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Создание моделей в пакете Xcos основывается на использовании технологии Drag-and-Drop (перетяни и оставь). В качестве «кирпичиков» при построении модели используются визуальные блоки (модули), которые хранятся в библиотеке Xcos. Xcos-модель может иметь иерархическую структуру, т. е. состоять из моделей более низкого уровня, причем количество уровней иерархии практически не ограничено. На протяжении моделирования есть возможность наблюдать за процессами, которые происходят в системе. Для этого используются специальные блоки («обзорные окна»), входящие в состав библиотек Xcos. Состав библиотек Xcos может быть пополнен пользователем за счет разработки собственных блоков.

Для каждого блока в Xcos разработчик может настраивать определенные параметры, переменные, установки моделирования. Эти параметры сохраняются вместе с файлом модели, поэтому даже в том случае, когда файл будет открыт на другом компьютере, установки будут использованы те же. Возможность настройки опций появляется после того, как блок размещен в рабочей области проекта и открыто окно его настроек, которое в зависимости от выбранного блока будет содержать разные поля ввода. Необходимо отметить, что открыть окно настроек блока можно путем двойного щелчка на блоке левой кнопкой мыши.

Для запуска Xcos необходимо предварительно запустить программную среду Scilab, а затем в основном меню «Инструменты» выбрать пункт «Визуальное моделирование Xcos». В результате чего будет открыто окно обозревателя разделов библиотеки Xcos (рис. 1) и новый файл модели (рис. 2). Запустить окно обозревателя разделов библиотеки Xcos из окна нового файла модели можно при помощи команды «Вид/Палитры блоков» основного меню.

Рис. 1. Окно обозревателя разделов библиотеки Xcos

Рис. 2. Новый файл Xcos-модели

Описание библиотеки Xcos

Для облегчения работы с пакетом специалистам различных областей науки и техники вся библиотека функций разбита на разделы. Те из них, которые носят общий характер, входят в состав ядра Scilab. Те же функции, которые являются специфическими для конкретной области, включены в состав пакетов расширения.

Список разделов библиотеки реализован в виде дерева в левой части окна «Палитры блоков». После выбора раздела, в правой части окна будет отображено его содержимое – набор блоков. Рисунок 3а демонстрирует набор блоков раздела «Общеупотребительные блоки» библиотеки Xcos. Блоки, которые входят в раздел «Источники сигналов и воздействий» (рис. 3б), предназначены для формирования сигналов, которые обеспечивают работу Xcos-модели в целом или отдельных ее частей при моделировании. Все блоки-источники имеют по одному информационному выходу и не имеют информационных входов.

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела: (а) «Общеупотребительные блоки»

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела: (б) «Источники сигналов и воздействий»

Блоки, собранные в разделе «Регистрирующие устройства» (рис. 3в), имеют только входы и не имеют выходов данных.

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела: (в) «Регистрирующие устройства»

Условно их можно разделить на 3 вида:

- блоки, которые используются как обзорные окна при моделировании;

- блоки, обеспечивающие сохранение промежуточных и исходных результатов моделирования;

- блок управления моделированием, который позволяет перерывать моделирование при выполнении тех или других условий (например, по истечении заданного времени симуляции).

Раздел «Системы с непрерывным временем» (рис. 3г) содержит блоки, которые можно условно поделить на три группы:

- блоки общего назначения (интеграторы, дифференциаторы);

- блоки задержки сигнала;

- блоки линейных стационарных звеньев.

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела: (г) «Системы с непрерывным временем»

В раздел «Системы с дискретным временем» (рис. 3д) входят блоки, с помощью которых в модели может быть описано поведение дискретных систем. Раздел «Математические операции» (рис. 3е) – один из наибольших по составу.

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела:(е) «Математические операции»

Рис. 3. Набор блоков библиотеки Xcos раздела: (ж) «Системы с разрывами»

Он содержит 25 блоков, которые можно разделить на несколько групп:

- блоки, реализующие элементарные математические операции (умножения, суммирования разных математических объектов);

- блоки, реализующие элементарные математические функции;

- блоки, обеспечивающие логическую обработку входных сигналов;

- блоки, которые преобразуют комплекснозначный сигнал в два действительных и наоборот тем или другим способом.

Раздел «Системы с разрывами» (рис. 3ж) содержит 7 элементов, которые реализуют разного вида кусочно-линейные зависимости выхода от входа или осуществляют разного вида переключения сигнала.

Построение моделей в среде Xcos

После запуска Xcos автоматически открываются два окна: окно построения модели и окно «Палитры блоков». Для создания модели необходимо выбрать нужные блоки из библиотеки Xcos и разместить их в рабочей области программы, настроить параметры для каждого отдельного блока модели, соединить блоки между собой, выполнить установку параметров расчета при помощи команды «Моделирование/Установка», после чего запустить моделирование нажатием кнопки «Запустить» на панели инструментов окна модели Xcos.

Общая схема разработки моделей в среде Xcos может быть следующей:

- описание логики поведения исследуемой системы;

- определение списка блоков, которые соответствуют основным компонентам системы, а также дополнительных блоков, необходимых для расчетов;

- размещение в окне блок-диаграммы нужных блоков и соединение их между собой в соответствии с логикой работы модели;

- установка необходимых значений параметров моделирования;

- дополнение блок-диаграммы модели необходимыми текстовыми комментариями;

- сохранение блок-диаграммы модели в файле на диске компьютера еще до первого запуска модели на выполнение;

- выполнение сеанса моделирования.

По окончании последнего этапа разработки модели может оказаться, что разработчик чего то не учел или сделал не совсем то, что хотел. В связи с этим уместно напомнить, что моделирование это процесс творческий. Для того, что бы модель удовлетворяла предъявленным к ней требованиям, как по формальным, так и по субъективным критериям, возможно, что окажется необходимым неоднократное повторное выполнение одного или даже нескольких шагов приведенной выше схемы разработки модели.

Заключение

      При создании моделей при помощи универсальных языков программирования аппаратный или программный датчик случайных чисел – единый инструмент разработчика для моделирования всех видов случайных факторов: случайных событий, случайных величин и процессов. У того, кто использует Xcos, арсенал значительно шире. Если же и этих средств Xcos окажется недостаточно, в модель могут быть включены инструменты, которые входят в состав ядра Scilab или других компонентов пакета.

      Первая версия системы Scilab была разработана более 25 лет назад. Развитие и совершенствование этой системы происходило достаточно быстро одновременно с развитием средств вычислительной техники. В результате к настоящему времени Scilab представляет собой богатейшую библиотеку функций, единственная проблема работы с которыми заключается в умении быстро отыскать те из них, которые нужны для решения поставленной задачи. В 2014 году была выпущена обновленная версия пакета.

    10 февраля 2014 года вышел новый релиз среды Scilab & Xcos (версия 5.5.1). Для установки Scilab & Xcos 5.5.1 рекомендуется следующая конфигурация компьютера:

- операционная система: Windows XP/Vista/7/8, Linux CentOS/Debian/Redhat/Fedora/Suse/Ubuntu – 32 и 64 bits;

- процессор c поддержкой SSE2;

- рекомендуемый объем оперативной памяти: 1 – 2 Gb;

- для полной инсталляции программы необходимый размер дискового пространства – 550 Mb.

Список использованной литературы

1. Бусленко В. Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем.-М,: Наука,1987.-238с. 
2. Соболь И.М. «Метод Монте-Карло», Москва «Наука»,1995г. 
3. Попов Е. П. теория автоматического регулирования и управления: Учеб. Пособие для втузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1993. – 304с.