Министерство образования Российской Федерации
ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ K ПРАКТИКУМУ
Факультет ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
Специальность 210100 - УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА
В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Вологда
2003
ББК 32.96
УДК 62.529
Моделирование систем. Методические указания к практикуму. - Вологда: ВоГТУ, 2003. – 42 с.
В методических указаниях излагаются вопросы организации имитационного моделирования систем на ЭВМ, даются рекомендации по методике, основным этапам и технологии машинного моделирования. Существенное место отведено практической реализации моделей систем на языке GPSS.. Приведены алгоритмы, тексты программ и примеры, а также варианты заданий для моделирования.
Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения, обучающихся по направлению 651900 - автоматизация и управление и специальности 210100 - управление и информатика в технических системах.
Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ
Составитель: В.Н. Тюкин, канд. техн. наук, доцент
Рецензент: В.Н. Бакаев, канд. техн. наук, доцент
кафедры УиВС ВоГТУ
Введение
Данный практикум ориентирован на исследование математических (имитационных) моделей и методов, применяемых при проектировании автоматизированных систем управления различных уровней, а также на освоение информационной технологии в автоматизации исследования сложных систем на базе методов моделирования на ЭВМ. Цель практикума – выработать у студентов умение самостоятельно применять для решения конкретных инженерных задач исследования систем знания по моделированию, полученные из лекционного курса.
Использование ЭВМ является мощным средством реализации моделей и исследования с их помощью характеристик процессов функционирования систем. Успех или неудача любого исследования системы на программно реализуемой модели прежде всего зависит от правильности схемы моделирующего алгоритма, совершенства программы и в меньшей степени зависит от технических характеристик ЭВМ. Большое значение при реализации модели на ЭВМ имеет вопрос правильного выбора языка моделирования. Основными моментами, характеризующими качество языков моделирования, являются: удобство описания процесса функционирования системы, удобство ввода исходных данных моделирования и варьирования структуры, алгоритмов и параметров модели, реализуемость статистического моделирования, эффективность анализа и вывода результатов моделирования, простота отладки и контроля работы моделирующей программы, доступность восприятия и использования языка.
Этим требованиям в полной мере удовлетворяет язык (система) GPSS (General Purpose Simulation System).
Научиться моделированию как рабочему инструменту инженера, освоить его широкие возможности можно только при овладении приемами и технологией практического решения задач моделирования процессов функционирования систем на ЭВМ. Эту цель и преследуют данные методические указания.
Краткие сведения из теории
В математических моделях (ММ) сложных объектов, представляемых в виде систем массового обслуживания (СМО), фигурируют средства обслуживания, называемые обслуживающими аппаратами (ОА), и обслуживаемые заявки, называемые транзактами. Так, в модели производственной линии ОА отображают рабочие места, а транзакты – поступающие на обработку детали, материалы, инструмент.
Состояние СМО характеризуется состояниями ОА, транзактов и очередей к ОА. Состояние ОА описывается двоичной переменной, которая может принимать значения «занят» или «свободен». Переменная, характеризующая состояние транзакта, может иметь значения «обслуживание» или «ожидание». Состояние очереди характеризуется количеством находящихся в ней транзактов.
Имитационная модель СМО представляет собой алгоритм, отражающий поведение СМО, т.е. отражающий изменения состояния СМО во времени при заданных потоках заявок, поступающих на входы системы. Параметры входных потоков заявок – внешние параметры СМО. Выходными параметрами являются величины, характеризующие свойства системы – качество ее функционирования. Примеры выходных параметров: производительность СМО – среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени; коэффициенты загрузки оборудования – отношения времен обслуживания к общему времени в каждом ОА: среднее время обслуживания одной заявки. Основное свойство ОА, учитываемое в модели СМО, – это затраты времени на обслуживание, поэтому внутренними параметрами в модели СМО являются величины, характеризующие это свойство ОА. Обычно время обслуживания рассматривается как случайная величина, и в качестве внутренних параметров фигурируют параметры закона распределения этой величины.
Имитационное моделирование позволяет исследовать СМО при различных типах входных потоков и интенсивностях поступления заявок на входы, при вариациях параметров ОА, при различных дисциплинах обслуживания заявок. Дисциплина обслуживания – правило, по которому заявки поступают из очередей на обслуживание. Величина, характеризующая право на первоочередное обслуживание, называется приоритетом. В моделях СМО заявки, приходящие на вход занятого ОА, образуют очереди, отдельные для заявок каждого приоритета. При освобождении ОА на обслуживание принимается заявка из непустой очереди с наиболее высоким приоритетом.
Основной тип ОА – устройства, именно в них происходит обработка транзактов с затратами времени. К ОА относятся также накопители, отображающие средства хранения обрабатываемых деталей в производственных линиях. Накопители характеризуются не временем обслуживания заявок, а емкостью – максимально возможным количеством одновременно находящихся в накопителе заявок.
К элементам имитационных моделей СМО, кроме ОА, относятся также узлы и источники заявок. Связи ОА между собой реализуют узлы, т.е. характеризуют правила, по которым заявки направляются к тому или иному ОА.
Для описания моделей СМО при их исследовании на ЭВМ разработаны специальные языки имитационного моделирования.