Моделі вербальні, формальні, алгоритмічні, графічні, фізичні
Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Факультет комп’ютерних систем і автоматики
Кафедра комп’ютерних систем управління
Методичні вказівки
До виконання лабораторних робіт з дисципліни
"Комп’ютерне моделювання процесів і систем"
для студентів спеціальності 151
Розглянуто та схвалено
на засіданні кафедри КСУ
Протокол №___
від “___”_______20__ р.
Зав. кафедри КСУ
В.М.Дубовой
Укладач д.т.н., проф.
В.М.Дубовой
Вінниця 20__
ЗМІСТ
Вступ
Лабораторна робота № 1. Розробка вербальної моделі (опису) технологічного процесу
Лабораторна робота № 2 Розробка концептуальної моделі АСУ ТП
Лабораторна робота № 3. Розробка структурної моделі системи
Лабораторна робота № 4. Розробка функціональної моделі системи
Лабораторна робота № 5. Розробка інформаційної моделі системи
Лабораторна робота № 6 Розробка СУБД АСУТП з використанням SQL
Лабораторна робота № 7. Імітаційне моделювання системи
ВСТУП
Метою лабораторних робіт другої частини дисципліни «Комп’ютерне моделювання процесів і систем є отримання навичок практичного застосування теоретичних відомостей з моделювання до практичних задач.
При підготовці до лабораторних робіт студенти вивчають методичні вказівки до їх виконання, рекомендовану літературу, а також виконують підготовчу роботу у відповідності до теми завдання.
Лабораторні роботи виконуються бригадним способом. Бригада формується у складі:
1) Керівник бригади (Team leader)
2) Системний аналітик (System analyst)
3) Архітектор (Architect)
4) Розробник (Developer)
5) Тестувальник (Quality assurance engineer)
Керівник бригади вибирає для розробки моделей процес із списку:
1. Технологічний процес: виробництво хліба.
2. Технологічний процес: виробництво цукру.
3. Технологічний процес: виробництво сиру.
4. Технологічний процес: виробництво олії.
5. Технологічний процес: виробництво цукерок.
6. Технологічний процес: виробництво копченої ковбаси.
7. Технологічний процес: виробництво вареної ковбаси.
8. Технологічний процес: виробництво масла.
9. Технологічний процес: виробництво макаронів.
10. Технологічний процес: виробництво спирту.
11. Технологічний процес: виробництво соку.
12. Технологічний процес: виробництво цегли.
13. Технологічний процес: виробництво цементу.
14. Технологічний процес: виробництво фарби.
15. Технологічний процес: виробництво паперу.
16. Технологічний процес: виробництво фанери.
17. Технологічний процес: виробництво азотних добрив.
18. Технологічний процес: виробництво керамічної плитки.
19. Технологічний процес: виробництво гранітної плитки.
20. Технологічний процес: виробництво пластмасового посуду.
21. Технологічний процес: виробництво кольорового скла.
22. Технологічний процес: виробництво синтетичної тканини.
23. Технологічний процес: захисне покриття труб.
24. Технологічний процес: виробництво кабельної продукції.
25. Технологічний процес: виробництво ламінату.
Звіт про виконані роботи готується один на бригаду в кінці виконання курсу.
Лабораторна робота № 1
Тема: Розробка вербальної моделі (опису) технологічного процесу
Короткі теоретичні відомості.
В залежності від задач, для розв’язання яких вони призначені, використовуються дуже різноманітні моделі.
Моделі вербальні, формальні, алгоритмічні, графічні, фізичні
В залежності від способу опису об’єкта-оригінала моделі розділяються на такі:
§ вербальні;
§ формальні;
§ алгоритмічні;
§ графічні;
§ фізичні.
Вербальні моделі (verbal model) використовують словесний опис об’єкта. Такі моделі часто використовують в нетехнічних галузях, а також на початковому етапі моделювання в техніці.
Формальні моделі (formal model) використовують опис об’єкта моделювання у вигляді формул і подаються системою математичних співвідношень.
Алгоритмічні моделі (algorithmic model) подають об’єкт у вигляді послідовності дій, які дозволяють отримати його необхідну характеристику.
Графічна модель (graphical model) зображує модель у наочному вигляді. До графічних моделей відносяться різноманітні схеми, які складають конструкторську документацію (електричні, гідравлічні, пневматичні, механічні, схеми програм і даних тощо), графіки, креслення форми об’єктів у різник проекціях, плани і карти тощо. З розвитком застосувань комп’ютерної графіки і її застосування для комп’ютерної анімації, симуляції і ігор графічні моделі за масштабом застосування вийшли на перші позиції і наразі поступово створюють віртуальний світ.
Фізична модель (physical model) представляє об’єкт-оригінал іншим об’єктом такої ж фізичної природи (масштабні моделі) або іншої (аналогові моделі). Основою фізичного моделювання є теорія подібності. Фізичне моделювання застосовують при дослідженні систем, для яких вихідні дані відомі з обмеженою точністю чи неможливо дати точний математичний опис їх функціонування, а отримання експериментальних характеристик пов’язано з надмірними труднощами та витратами.
В аналогових моделях (analog model) фізична природа моделі і об’єкта різні, а їх математичні описи подібні і, крім того, подібні рівняння, які описують їх окремі елементи. В моделі-аналозі реакції на збурення подібні реакціям на аналогічні збурення об’єкта. Моделі-аналоги складаються з окремих блоків, які моделюють фізичні елементи, а не з блоків, які виконують окремі математичні операції. Кожному фізичному параметру в об’єкті однозначно відповідає деякий елемент в моделі-аналозі. Найчастіше використовують електронні моделі при дослідженні поведінки систем, конструювання та безпосереднє вивчення яких пов’язано з надмірними труднощами та витратами.
Масштабна модель (scale model) – це аналогова модель, в якій між параметрами об’єкта і моделі однакової фізичної природи існує однозначна відповідність, а також відповідність між впливами та реакцією на них. В масштабній моделі кожен елемент в масштабі повторює відповідний елемент об’єкта.
В залежності від типу простору, в якому розглядається об’єкт виділяють моделі:
§ геометричні;
§ структурні;
§ функціональні;
§ інформаційні.
Геометричні моделі (geometric model) відображають форму та розташування об’єкта моделювання та його складових частин. Геометричними моделями є різноманітні креслення механізмів, будівель тощо.
Структурна модель (structural model) подає об’єкт моделювання з точки зору його складу та взаємозв’язку частин (елементів системи) між собою та з зовнішнім середовищем.
Зв’язки між елементами можуть бути: фізичні; логічні; інформаційні.
Сукупність елементів системи та зв’язків між ними утворюють структуру системи. Структурні моделі найчастіше існують у формі різноманітних структурних та принципових схем.
Функціональні моделі (functional model) описують процеси, що відбуваються в об’єкті моделювання.
Інформаційна модель (information model) – система даних про об’єкт та опис потоків даних в процесі його функціонування.
В залежності від наявності відображення змін стану об’єкта у часі моделі поділяються на:
§ моделі статики;
§ моделі динаміки.
Моделі статики (static model) відображують стан та функціонування об’єкта без врахування їх змін у часі. Як правило, вони подаються у вигляді функціональних залежностей, рівнянь та систем рівнянь.
Моделі динаміки (dynamic model) відображають поведінку об’єкта у часі. Моделі динаміки багатші за моделі статики, оскільки останні можуть розглядатися як окремий випадок для певного фіксованого моменту часу. Відповідно і форм подання моделей динаміки значно більше (диференціальні рівняння, операторні рівняння, спектральні подання тощо).
За степенем та характером невизначеності моделі поділяються на такі:
§ детерміновані;
§ стохастичні;
§ нечіткі;
§ узагальнені.
Детерміновані моделі (deterministic model) не враховують можливі випадкові відхилення характеристик об’єкта і вхідних впливів від номінальних значень.
Стохастичні моделі (stochastic model) розглядають поведінку системи в умовах дії випадкових впливів та випадкової зміни параметрів системи. Інколи розглядають також випадкові зміни структури системи, зумовлені ненадійністю зв’язків між підсистемами та іншими причинами.
Нечіткі моделі (fuzzy model) використовують у випадках, коли окремі параметри системи задані експертом з кінцевим ступенем впевненості.
Узагальнені моделі (generalized model) використовуються при моделюванні систем, в яких частина параметрів задані достовірно, частина отримана в результаті статистичної обробки певних випадкових процесів, а частина задана експертним методом.
В залежності від способу отримання результатів моделювання розрізняють математичні моделі:
§ аналітичні;
§ імітаційні.
Аналітичне моделювання (analytical modeling) – знаходження характеристик об’єкта на основі формальної або алгоритмічної моделі шляхом виконання певних математичних перетворень: розв’язання рівнянь та систем рівнянь тощо.
Імітаційне моделювання (simulation) – проведення на ЕОМ чисельних експериментів з математичною моделлю, що описує поводження складної системи протягом певного періоду часу. Застосовується, як правило, в тих випадках, коли аналітичні способи дослідження моделі відсутні, а їх пошук потребує дуже великих витрат.
Порядок роботи:
Користуючись літературними джерелами та Інтернет знайти опис заданого технологічного процесу. Опис повинен бути достатньо детальним, щоб на його основі можна було побудувати решту моделей. Бажана наявність схеми процесу, опису його параметрів, обладнання та фізико-хімічних особливостей окремих технологічних операцій.
Склад звіту:
1. Титульний аркуш
2. Завдання на роботу
3. Опис технологічного процесу
Контрольні запитання:
1. Загальна характеристика моделей.
2. Класифікація моделей.
3. Загальні вимоги до математичних моделей.
4. Характеристики моделей
5. Адекватність моделі. Критерії адекватності.
6. Ізоморфні та гомеоморфні моделі
Лабораторна робота № 2
Тема: Розробка концептуальної моделі АСУ ТП
Мета:. Набуття навичок проектування структури АСУ ТП
Теоретичні відомості
Програмне забезпечення АСУ ТП - сукупність програм, що забезпечують функціонування всіх цифрових обчислювальних засобів АСУ ТП (контролери , сервери , робочі та інженерні станції , програматори , панелі оператора) , а також вирішальних всі функціональні завдання на етапах розробки , налагодження , тестування і експлуатації системи .
Програмне забезпечення АСУ ТП прийнято ділити на дві категорії:
• загальне програмне забезпечення, що включає операційні системи , SCADA -системи , пакети програм для програмування контролерів , компілятори , редактори і т.п. Загальне програмне забезпечення АСУ ТП не прив'язане до конкретного об'єкта автоматизації , закуповується і поставляється так само, як і технічні засоби.
• спеціальне програмне забезпечення - це програми , розроблені для конкретної АСУ ТП. До цієї категорії відносяться програми для контролерів , що реалізують певні функціональні задачі обробки інформації та управління ; програми , згенеровані в середовищі SCADA -системи для візуалізації , архівування даних конкретного технологічного процесу.
В ієрархічних системах управління функціональні задачі розрізняються в залежності від рівня управління. На нижньому рівні основними функціями є:
- сприйняття даних від сенсорів;
- обробка цих даних;
- отримання параметрів закону керування від вищого рівня АСУ ТП;
- розрахунок керуючих впливів відповідно до закону керування;
- передавання керуючих впливів на виконавчі пристрої;
- передавання результатів обробки даних на вищий рівень керування.
На вищому рівні основними функціями є:
- отримання даних від контролерів нижчого рівня;
- обробка цих даних;
- розрахунок параметрів законів керування нижчого рівня на основі критерія координації;
- отримання установчих даних від оператора;
- передавання параметрів законів управління на нижній рівень;
- виведення звітів про хід процесу.
Структура ПЗ та її взаємодія з технічними засобами АСУ ТП найчастіше проектується за допомогою UML.
Мова UML є досить строгим і потужним засобом моделювання, який може бути ефективно використаний для побудови концептуальних, логічних і графічних моделей складних систем різного цільового призначення.
Словник мови UML включає три види блоків:
· сутності;
· відношення;
· діаграми.
Сутності в UML – це абстракції, які є основними елементами моделі. Відношення пов’язують сутності; діаграми наочно зображають відношення і взаємодію сутностей.
В UML є чотири типи сутностей:
· структурні;
· поведінкові;
· групувальні;
· анотаційні.
Структурні сутності – показують складові частини моделі, які відповідають концептуальним або фізичним елементам системи. Існує 7 видів структурних сутностей: Клас, Інтерфейс, Кооперація, Прецедент, Активний класс, Компонент, Вузол.
Поведінкові сутності описують поведінку системи у часі і просторі. Існує 2 основних типи поведінкових сутностей: Взаємодія і Автомат.
Групувальні сутності є організуючими частинами моделі UML. Це блоки, на які можна розкласти модель. Є тільки 1 первинна групувальна сутність – пакет.
Анотаційні сутності – пояснювальні частини моделі UML. Це коментарі для додаткового опису, роз’яснення або примітки до елемента моделі. Є 1 базовий тип анотаційних елементів – примітка.
У мові UML визначені 4 типи відношень:
· залежність;
· асоціація;
· узагальнення;
· реалізація.
Діаграма (diagram) — графічне зображення сукупності елементів моделі у формі зв'язного графа, вершинам і ребрам (дугам) якого приписується певний зміст.
У мові UML визначені такі види канонічних діаграм:
· варіантів використання (use case diagram, діаграма сценаріїв, діаграма прецедентів) ;
· класів (class diagram) ;
· кооперації (collaboration diagram, діаграми співробітництва) ;
· послідовності (sequence diagram) ;
· станів (statechart diagram) ;
· діяльності (activity diagram) ;
· компонентів (component diagram) ;
· розгортання (deployment diagram) .
Кожна з цих діаграм деталізує і конкретизує різні уявлення про модель складної системи в термінах мови UML. При цьому діаграма варіантів використання є найбільш загальною концептуальною моделлю складної системи, яка є початковою для побудови решти діаграм. Приклад діаграми варіантів використання наведено на рис. 8.1.
Діаграма класів – основна логічна модель, що відображає структуру складної системи. Приклад діаграми класів підсистеми моделювання технологічного процесу (ТП) наведений на рис. 8.2.
Діаграми кооперації і послідовності (рис. 8.3) є різновидами логічної моделі, які відображають функціональні аспекти складної системи.
Діаграми станів і діяльності (рис. 8.4) призначені для моделювання поведінки системи.
 |
Порядок роботи
1. Визначити конкретний перелік функцій програмного забезпечення локальних СУ кожної операції ТП і верхнього рівня АСУ ТП.
2. Побудувати UML діаграми варіантів використання, класів, діяльності і розгортання для всіх підсистем.
Склад звіту
1. Титульний аркуш.
2. Короткі теоретичні відомості.
3. Постановку завдання роботи, варіант
4. Розроблені діаграми і їх описи.
5. Висновки.
Контрольні запитання
1. Які функції реалізує програмне забезпечення АСУ ТП?
2. Назвіть основні типи UML-діаграм.
3. Як пов’язана UML-діаграма прецедентів з діаграмою класів?
4. Як пов’язана UML-діаграма класів з діаграмами діяльності і послідовності?
5. На якій UML-діаграмі показують технічні засоби системи?
6. Яка UML-діаграма подає алгоритмічну модель системи?
7. Чим відрізняється UML-діаграма діяльності від графічної схеми алгоритму?
Лабораторна робота № 3
Тема: Розробка структурної моделі системи