Современные программные средства по моделированию систем различных классов поддерживают принцип визуального моделирования.

Пакеты визуального моделирования позволяют пользователю вводить описание моделируемой системы в естественной для прикладной области и преимущественно графической форме (например, ввод функциональной схемы), а также представлять результаты моделирования в наглядной форме, например, в виде диаграмм или анимационных картинок.

Рис. 2.3 Визуальное моделирование в среде Matlab

Одним из главных достоинств систем визуального моделирования является то, что они позволяют пользователю не заботиться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и тем самым создают на компьютере некоторую чрезвычайно удобную среду, в которой можно создавать виртуальные, "квазиаппаратные" параллельно функционирующие системы и проводить эксперименты с ними.

Еще одной важной особенностью современного пакета автоматизации моделирования является использование технологии объектно-ориентированного моделирования, что позволяет резко расширить границы применимости и повторного использования уже созданных и подтвердивших свою работоспособность моделей. Использование технологии ООМ при создании системы моделирования будет подробнее рассмотрено в главе 3.

Успех новой технологии резко расширил круг пользователей визуальных пакетов моделирования, что обострило вечную проблему достоверности получаемых решений. Графическая оболочка скрывает от пользователя сложную процедуру получения численного решения. В то же время, автоматический выбор нужного для решения конкретной задачи численного метода и настройка его параметров часто являются далеко не тривиальной задачей. В результате появляется опасность быстрого получения красиво оформленных, но неправильных результатов.

Обзор пакетов моделирования

В настоящее время существует великое множество визуальных средств моделирования. Для формирования требований к разрабатываемой системе моделирования, определения набора необходимых функций системы, а также анализа эффективности разработанной системы необходимо провести обзор существующих пакетов моделирования динамических систем.

В данной работе не рассматриваются пакеты, ориентированные на узкие прикладные области (электроника, электромеханика и т.д.), поскольку элементы сложных систем относятся, как правило, к различным прикладным областям. Среди оставшихся универсальных пакетов (ориентированных на определенную математическую модель), также не рассматриваются пакеты, ориентированные на математические модели, отличные от простой динамической системы (уравнения в частных производных, статистические модели), а также на чисто дискретные. Таким образом, предметом рассмотрения будут универсальные пакеты, позволяющие моделировать структурно-сложные гибридные системы.

Их можно условно разделить на три группы:

1) пакеты "блочного моделирования";

2) пакеты "физического моделирования";

3) пакеты, ориентированные на схему гибридного автомата.

Это деление является условным прежде всего потому, что все эти пакеты имеют много общего: позволяют строить многоуровневые иерархические функциональные схемы, поддерживают в той или иной степени технологию ООМ, предоставляют сходные возможности визуализации и анимации. Отличия обусловлены тем, какой из аспектов сложной динамической системы сочтен наиболее важным.

Пакеты "блочного моделирования" ориентированы на графический язык иерархических блок схем. Элементарные блоки являются либо предопределенными, либо могут конструироваться с помощью некоторого специального вспомогательного языка более низкого уровня. Новый блок можно собрать из имеющихся блоков с использованием ориентированных связей и параметрической настройки. В число предопределенных элементарных блоков входят чисто непрерывные, чисто дискретные и гибридные блоки.

К достоинствам этого подхода следует отнести, прежде всего, чрезвычайную простоту создания не очень сложных моделей даже не слишком подготовленным пользователем. Другим достоинством является эффективность реализации элементарных блоков и простота построения эквивалентной системы. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы.

Наиболее известными представителями пакетами "блочного моделирования" являются:

· подсистема Simulink пакета Matlab;

· Easy5 (Boeing);

· подсистема SystemBuild пакета Matrixx;

· VisSim.

Пакеты "физического моделирования" позволяют использовать неориентированные и потоковые связи. Непрерывная составляющая поведения элементарного блока задается системой алгебро-дифференциальных уравнений и формул. Дискретная составляющая задается описанием дискретных событий (события задаются логическим условием или являются периодическими), при возникновении которых могут выполняться мгновенные присваивания переменным новых значений. Дискретные события могут распространяться по специальным связям. Изменение структуры уравнений возможно только косвенно через коэффициенты в правых частях (это обусловлено необходимостью символьных преобразований при переходе к эквивалентной системе).

Подход очень удобен и естественен для описания типовых блоков физических систем. Недостатками являются необходимость символьных преобразований, что резко сужает возможности описания гибридного поведения, а также необходимость численного решения большого числа алгебраических уравнений, что значительно усложняет задачу автоматического получения достоверного решения.

К пакетам "физического моделирования" следует отнести:

· 20-SIM;

· Dymola;

· Omola, OmSim;

Как обобщение опыта развития систем этого направления международной группой ученых разработан язык Modelica предлагаемый в качестве стандарта при обмене описаниями моделей между различными пакетами.

Пакеты, основанные на использовании схемы гибридного автомата, позволяют очень наглядно и естественно описывать гибридные системы со сложной логикой переключений. Необходимость определения эквивалентной системы при каждом переключении заставляет использовать только ориентированные связи. Пользователь может сам определять новые классы блоков. Непрерывная составляющая поведения элементарного блока задается системой алгебро-дифференциальных уравнений и формул. К недостаткам следует также отнести избыточность описания при моделировании чисто непрерывных систем.

К этому направлению относится пакет Shift, а также отечественный пакет Model Vision Studium . Пакет Shift в большей стпени ориентирован на описание сложных динамических структур, а пакет MVS – на описание сложных поведений.

Также следует отметить, что системы моделирования отличаются по стоимости приобретения: существуют коммерческие и свободно распространяемые системы.

Цели создания разрабатываемой системы моделирования и ее практическая направленность на моделирование структурно-сложных динамических систем позволяют отнести ее к классу пакетов «блочного моделирования».

Исходя из этого, для более тщательного исследования были выбраны 2 пакета визуального моделирования – подсистема Simulink пакета Matlab и программный комплекс «МВТУ» – как наиболее яркие представители коммерческих и бесплатных систем. Выбор данных систем также обусловлен легкой возможностью получения демонстрационных версий систем для изучения.

 Данные системы будут являться аналогами разрабатываемой системы моделирования и подробно рассматриваются в следующих разделах главы.