Холмская экзамен / Моделювання систем

їх за допомогою моделей, що ігнорують вплив несуттєвих з погляду досягнення мети дослідження чинників.

По-друге, у багатьох випадках дослідження реальних систем виявляється або дуже коштовним, або занадто тривалим, або завдає неприпустимої шкоди навколишньому середовищу чи дослідникам. Типовими прикладами таких си­ туацій є дослідження парникового ефекту, кліматичних наслідків ядерної війни,

розповсюдження епідемій і т. п.

По-третє, у багатьох випадках метою дослідження є прогнозування пове­ дінки об'єкта дослідження. У більшості випадків це неможливо без побудови їх моделей.

По-четверте, до необхідності розробки моделей часто веде неможливість безпосереднього вивчення реальних об'єктів через їх розмір (елементарні час­ тинки, галактики), час протікання досліджуваних процесів або руйнування чи істотне спотворення під час проведення експериментальних досліджень.

1.3. Основні види та етапи моделювання

Відповідно до класифікації моделей, вирізняють такі види моделювання.

Концептуальне моделювання за допомогою природних або штучних мов визначає принципові аспекти побудови або функціонування об'єкта дослі­ дження. Прикладами завдань концептуального моделювання є: побудова сцена­ ріїв розвитку організації з метою прийняття стратегічних рішень; вибір інерціа-

льної або неінерціальної системи відліку при записі рівнянь руху у механіці;

врахування або неврахування динаміки системи при її вивченні тощо. Відомим з курсу фізики прикладом концептуальної моделі є модель ідеального газу. Згі­ дно з нею ідеальним газом є сукупність молекул, що є матеріальними точками,

які не взаємодіють одна з одною інакше, ніж через пружні зіткнення. Як бачи­ мо, ця модель не містить жодних математичних елементів, але враховуючі ві­ домі поняття й закони фізики її можна достатньо легко перетворити у матема­ тичну модель. Зазвичай, якщо це можливо, слід будувати концептуальну мо­ дель так, щоб її можна було формалізувати за допомогою тих чи інших матема­

13

тичних методів. Це дає змогу у подальшому використовувати комп'ютерні тех­ нології її дослідження.

Інтуїтивне моделювання передбачає прогнозування поведінки дослі­ джуваної системи на основі уявних експериментів і врахування практичного досвіду дослідника. Класичним прикладом інтуїтивного моделювання через здійснення уявних експериментів є дискусія А. Ейнштейна і Н. Бора стосовно філософських засад квантової механіки. Завдання моделювання на основі прак­ тичного досвіду зазвичай вирішують фахівці-практики: інженери, лікарі, агро­ номи, кваліфіковані робітники тощо. Наприклад досвідчений сталевар часто може точніше спрогнозувати хід плавки та її результати, ніж це можна зробити на основі певних фізико-хімічних або математичних моделей. Але це стосуєть­ ся лише плавок добре відомих йому марок сталі у стандартних печах.

Фізичне моделювання здійснюють шляхом дослідження як моделі реа­ льного фізичного об'єкта, між яким і об'єктом-оригіналом встановлені відно­ шення подібності, що ґрунтуються на подібності фізичних процесів, що відбу­ ваються в них. Зокрема при проектуванні гідротехнічних споруд здійснюють попереднє дослідження моделей, що є їх зменшеними аналогами. Іншим прик­ ладом фізичного моделювання є апробація нових лікарських засобів на піддос­ лідних тваринах.

Структурно-функціональне моделювання передбачає побудову і вико­ ристання як моделей графіків, таблиць, блок-схем тощо, для яких встановлено певні правила їх об'єднання й перетворення. Прикладами структурно-

функціонального моделювання є: розробка блок-схем алгоритмів роботи ком­ п'ютерних програм; побудова й перетворення електричних схем; створення класифікаційних схем; розробка розкладів занять у навчальних закладах і т. ін.

Математичне (логіко-математичне) моделювання передбачає побудо­ ву й дослідження моделей математичними та логічними засобами. Прикладами математичних моделей є: рівняння коливань як модель циклічного процесу; ло­ гістична крива як модель кривої зростання; рівняння рівномірного та рівнопри-

скореного руху тощо.

14

делі чорного ящика є визначення обмеженої кількості тих входів і виходів, сут­ тєвих з погляду реалізації цілей моделювання. Крім того, завжди є невідомі до­ слідникові й тому невраховані ним впливи навколишнього середовища на дос­ ліджувану систему і навпаки - системи на навколишнє середовище.

У багатьох випадках модель чорного ящика є єдиною можливою модел­ лю системи. Зокрема, така ситуація виникає у випадках, коли внутрішня будова системи є невідомою (наприклад, при дослідженні елементарних частинок), а

також якщо необхідно мінімізувати вплив дослідження на систему (наприклад,

коли вивчається психіка людини). Подальше дослідження таких систем може відбуватися шляхом побудови регресійних моделей, які у математичній формі відображають зв’язок між їх вхідними та вихідними змінними. У деяких випад­ ках такі моделі можуть потім стати математичним відображенням певних кон­ цептуальних моделей. Відомо, наприклад, що рівняння, які описують вільне па­ діння тіл у механіці, спочатку були отримані Галілео Галілеєм саме як регре-

сійні моделі певного "чорного ящика", і лише значно пізніше теоретично виве­ дені на основі законів класичної механіки.

Для вивчення динаміки систем, моделлю яких є "чорний ящик", часто за­ стосовують методи аналізу часових рядів, рівні яких утворюють показники сис­ теми, що цікавлять дослідника.

Наступним етапом є побудова моделей складу та структури системи, а

також її структурної схеми. При цьому необхідно мати на увазі, що для кожної системи можна побудувати багато таких моделей. Проте існує певна оптималь­ на модель, яка залежить від мети дослідження і дає змогу досягти цієї мети з найменшими витратами ресурсів дослідника.

Моделлю складу є перелік основних компонентів (складових частин) до­ сліджуваної системи. При цьому вирізняють два типи компонентів - елементи,

які розглядають як неподільні складові, та підсистеми - складові, що з погляду досягнення цілей моделювання мають розглядатися як утворення, що склада­ ються з інших компонентів. При побудові моделі складу необхідно виявити всі підсистеми та елементи, які суттєво впливають на досліджувані характеристики

16

1.4. Приклади структур систем

Розглянемо приклади структур деяких систем більш докладно. На рис. 1.3

показано структурну схему найпростішої системи з управлінням. Об'єктом управління є система, над якою здійснюють управління. Вектор вихідних змінних Xout = {xoutl, xoutn ] характеризує стан об'єкта управління у певний момент часу. Вектор збурень F = , ..., fkj характеризує вплив зовнішнього середовища на об'єкт управління. Вектор вхідних змінних Хіп={хіп1, ..., xjnm]

характеризує управляючі впливи, що робляться для приведення системи до за­ даного стану.

Рис. 1.3. Схема системи з управлінням

Наступні моделі відображають структури зі зворотними зв'язками. На рис. 1.4 показано схему управління за розімкненим й замкненим циклами. У

першому випадку між вхідними та вихідними змінними немає безпосереднього зв'язку. Він здійснюється через регулятор (Р) і об'єкт управління (ОУ).

Як правило управління за розімкненим циклом реалізується за допомо­ гою людини - оператора (Оп), яка, спостерігаючи за значеннями вихідної вели­ чини, встановлює потрібні значення вхідних параметрів (рис. 1.4.а).

При управлінні за замкненим циклом (рис. 1.4.6) зміни вихідних вели­ чин передають на входи системи за допомогою сукупності пристроїв, які нази­ вають зворотним зв'язком (33). Вхідною величиною зворотного зв’язку є вихід­ на величина об’єкта управління Xout.

19

а б

Рис. 1.4. Схеми управління за розімкненим (а) й замкненим (б) циклами

Вихідну величину зворотного зв’язку будемо позначати Xf. Вона сумісно з вхідною величиною формує регулюючий вплив Хг на вході регулятора, який у свою чергу формує управляючий вплив Хос, що подається на вхід об’єкта управління.

Функціональну схему системи автоматичного управління у загальному випадку можна подати (рис. 1.5) як сукупність таких функціональних компоне­ нтів: управляючий пристрій (УП), підсумовуючий пристрій (ПП), пристрій пос­ лідовного корегування (ППК), підсилювач (П), виконавчий елемент (BE), міс­ цевий зворотний зв’язок (МЗЗ), об’єкт управління (ОУ) й головний зворотний зв’язок (ГЗЗ).

Рис. 1.5. Функціональна схема системи автоматичного управління

20

Загальна схема процесу автоматизованого управління показана на

рис. 1.6. Згідно з нею, автоматизоване управління можна визначити як управ­ ління з розімкненим зворотним зв’язком, контур якого містить ЕОМ і особу, що приймає рішення.

Як структури зі зворотним зв’язком зазвичай можна розглядати типові алгоритми математичного моделювання. Прикладом є відома з курсу чисельних методів блок-схема алгоритму розв’язування нелінійного алгебраїчного рівнян­

інформації й прийняття рішення

ЕОМ

Рис. 1.6. Загальна схема автоматизованого управління

Наступні дві моделі відображають деревоподібні структурні схеми.

На рис. 1.8 зображено дерево цілей при розробці автоматизованої систе­ ми пошуку дефектів в рентгенівських знімках зварних швів1. Побудова дерева цілей є одним з основних етапів дослідження або проектування систем. Вона передбачає визначення головної мети, а також декількох ієрархічних рівнів час­ ткових цілей, досягнення кожної з яких необхідно для досягнення пов'язаної з нею цілі вищого ієрархічного рівня.

1Методичні рекомендації щодо побудови дерева цілей та дерева проблем. - НУ "Львівська політехніка" [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://asu.we. 1viv.ua/?part=librarv.metod

21

( Кінець )

Рис. 1.7. Блок-схема алгоритму розв’язування нелінійного алгебраїчного рівняння методом ділення навпіл

Рис. 1.8. Дерево цілей

22