автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Алгоритмы и программное обеспечение моделирования приборов и устройств для создания автоматизированных лабораторных комплексов

На правах рукописи

УДК 004.942

Коротина Татьяна Юрьевна

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.18 -Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 май 2012

ии<>015944

Томск-2012

005015944

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дмитриев Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сущенко Сергей Петрович (декан факультета информатики, Национальный исследовательский Томский государственный университет)

доктор технических наук, профессор Силич Виктор Алексеевич (профессор кафедры оптимизации систем управления,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет)

Ведущая организация: Новосибирский государственный техни-

ческий университет

Защита состоится «17» мая 2012 года в 15.15 на заседании диссертационного совета Д 212.268.02 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 40, ауд. 203.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «12» апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.268.02 к.т.н.

Р.В. Мещеряков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в процесс научно-технических исследований активно внедряются методы и средства компьютерного моделирования, на базе которых создаются автоматизированные лаборатории. Активно развиваются два направления в их построении. Первое - виртуальное, основанное на компьютерных моделях и поддерживающих их системах компьютерного моделирования позволяет строить виртуальные лаборатории. Второе — реально-виртуальное, предполагающее создание и использование программно-аппаратных комплексов с универсальными возможностями в области сбора, отображения и обработки информации на компьютере.

Таким образом, вопросы моделирования исследуемых объектов при проведении эксперимента с заменой реальных макетов и установок компьютерными моделями, созданными в универсальной среде моделирования, способной строить и проводить анализ модели объектов различной физической природы, остаются приоритетными направлениями развития науки. Кроме того, появляется возможность произвести замену дорогостоящих измерительных и задающих приборов и устройств, обеспечивающих физические лаборатории, компьютерными моделями виртуальных инструментов и приборов для проведения лабораторных экспериментов. Это позволит обеспечить экспериментатора редактором виртуальных инструментов и приборов для создания их моделей, что повысит эффективность лабораторных исследований за счёт автоматизации рутинных операций лабораторного эксперимент, а также решить проблему импортозамещения программных продуктов-аналогов.

В связи с вышесказанным актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки алгоритмов и создания программного обеспечения, позволяющего создавать виртуальные инструменты и приборы для их использования при проведении экспериментов учебного и научно-исследовательского характера над моделями технических объектов.

Основы построения виртуальных инструментов и приборов для исследования реальных объектов и систем были заложены Дж. Тручардом, Дж. Кодовски, Дж. Тревис. Для моделирования передачи сообщений между компонентами виртуальных инструментов и приборов был рассмотрен механизм передачи сообщений, основателями которого являются У. Гроупп и Э. Ласк. В области автоматизации процесса научных исследований и применения в нем виртуальных приборов достаточную известность приобрели работы A.B. Пеца, Н.В. Носова. Предложенный профессором В.М. Дмитриевым и Е.А. Арайсом метод компонентных цепей, базирующийся на системном анализе объектов и систем, в котором определенных успехов достигли

Н.П. Бусленко, Ф.И. Перегудов, В .П. Тарасенко и ВА. Силич, применен для компьютерного моделирования инструментов и приборов.

Цель работы: создание и исследование алгоритмов компьютерного моделирования инструментов и приборов для реализации автоматизированных лабораторных комплексов в научных исследованиях и разработках.

Задачи исследования:

1. Провести анализ современного состояния и функционирования научно-исследовательских лабораторий и средств выполнения эксперимента для построения автоматизированного лабораторного комплекса, предназначенного для обеспечения виртуальных лабораторий.

2. Разработать методику моделирования исследуемых объектов с разделением математической модели объекта на функциональную и измерительную части для использования виртуальных инструментов и приборов в вычислительном эксперименте.

3. Обосновать с использованием метода компонентных цепей способ многоуровневого представления виртуальных приборов и разработать алгоритмы их компьютерного моделирования.

4. Разработать алгоритмическое обеспечение для автоматизированного создания виртуальных приборов с функциями сбора, обработки и визуализации результатов вычислительных экспериментов и управления параметрами моделей объектов.

5. Синтезировать структуру комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов для построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются научно-исследовательские лаборатории технического профиля. Предметом исследования являются алгоритмы компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов, сопряженных с моделью исследуемого технического устройства, позволяющие приблизить вычислительный эксперимент к натурному.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы общей теории цепей и теории графов, теории математического моделирования и системного анализа. При практической реализации алгоритмов использовались методы теории алгоритмов и языков программирования, структурного и объектно-ориентированного программирования и моделирования, вычислительных методов и метрологии.

Достоверность результатов. Степень достоверности результатов обеспечивается строгостью применения математических и объектно-ориентированных подходов, результатами проведенных экспериментальных исследований, которые сопоставлены с данными, полученными другими авторами. Решение поставленных задач базируется на системном

подходе, методе компонентных цепей, сравнении полученных результатов с результатами других авторов, а также на создании и проверке компьютерных моделей приборов непосредственно в вычислительных экспериментах, проводимых для учебных и научно-исследовательских целей.

Научная новизна

1. Впервые разработана методика моделирования приборов с разделением процессов анализа их функционирования и численной обработки результатов вычислительного эксперимента, основанная на многоуровневом представлении моделей инструментов и приборов.

2. Предложено развитие численного метода расчета математических моделей инструментов и приборов, отличительным признаком которого является разделение визуальной, функциональной и интерфейсной частей виртуальных инструментов и приборов при обеспечении их взаимосвязанного функционирования.

3. Разработано оригинальное алгоритмическое обеспечение виртуальных инструментов и приборов с генератором блоков обработки результатов эксперимента, включающего новые алгоритмы передачи сообщений, обработки результатов моделирования на основе численных методов анализа сигналов и оценки ошибок измерений.

4. Предложена новая структура комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов, отличительным признаком которого является возможность построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.

Теоретнческая значимость. Впервые предложена и реализована на базе автоматизированного лабораторного комплекса унифицированная схема вычислительного эксперимента по исследованию характеристик различных технических объектов. Модифицирована схема компьютерного моделирования технических объектов с выделением функциональной и измерительной части модели объекта, и разработаны алгоритмы имитационного моделирования виртуальных инструментов и приборов, обслуживающих эксперимент.

Практическая ценность. На основе теоретических исследований диссертации разработаны редактор виртуальных инструментов и приборов и генератор блоков обработки результатов, основанный на интерактивной математической панели. Сформирована структура автоматизированного лабораторного комплекса и основанных на нем практикумов по техническим дисциплинам. Разработан автоматизированный лабораторный практикум по дисциплине «Теория автоматического управления», внедренный в учебный процесс ТУСУРа. Результаты работы также внедрены в Томском государственном педагогическом университете, в Орен-

бургском государственном университете, ОАО «НИИ полупроводниковых приборов» (г. Томск).

Основные защищаемые положения

1. Методика компьютерного моделирования с выделением функциональной и измерительной части модели исследуемого объекта для проведения вычислительного эксперимента, использующего виртуальные инструменты и приборы, которая позволяет сократить время построения моделей инструментов и приборов на 20-30 %.

2. Численный метод реализации математических моделей инструментов и приборов с разделением их визуальной, функциональной и интерфейсной частей и возможностью взаимосвязанного функционирования.

3. Алгоритмическое обеспечение виртуальных инструментов и приборов, включающее новые алгоритмы передачи сообщений, и генератор блоков обработки результатов эксперимента на основе численных методов анализа сигналов и оценки ошибок измерений.

4. Структура комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов, открывающая возможность построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», г. Одесса, Украина, 2009 г.; Региональной научно-методической конференции «Современное образование: инновации и конкурентоспособность», г. Томск (2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» г. Томск (2007, 2011 гг.); на семинаре кафедры моделирования и основ теории цепей ТУСУРа.

Публикации по теме работы

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, 2 публикации в сборниках научных статей, 1 монография.

Личный вклад автора

На основе анализа предметной области, литературного обзора выявлена проблема внедрения новых информационных технологий в лабораторный эксперимент научного и учебного характера, доведение разработок до конкретных алгоритмов, построение структуры автоматизированного лабораторного комплекса и унифицированного лабораторного практикума. Автор благодарит научного руководителя, профессора Дмитриева

В.М. за ряд ценных предложений, реализованных в рамках диссертации, а также доцента Ганджу Т.В.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 193 страницы основного текста с приложениями, 93 рисунка, 9 таблиц, 105 использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, обозначены основные пункты научной новизны и практической значимости результатов исследований, представлена структура диссертации.

В первой главе исследуются проблемы внедрения новых информационно-измерительных технологий в процесс построения системы виртуальных измерений в области электротехники, радиоэлектроники, информатики и систем управления. Для построения эффективных схем интеграции информационных и технических средств лабораторий исследуется процесс автоматизации моделирования исследуемых объектов при проведении лабораторного эксперимента.

Разрабатываемая архитектура автоматизированного лабораторного комплекса (AJIK) (рис. 1) должна позволять проводить эксперименты: в канале виртуального моделирования (V-эксперимент) для реализации виртуальных лабораторий, в которых исследуются модели техническом объектов, и в канале реально-виртуального моделирования (R-эксперимент), позволяющем исследовать реальные объекты. В обоих каналах используются единые виртуальные инструменты и приборы с включенными в них блоками обработки результатов моделирования и измерения.

Важную роль в реализации AJIK играют виртуальные инструменты и приборы, позволяющие проводить одновременное исследование реальных технических объектов и их виртуальных аналогов - компьютерных моделей. Автором проанализированы существующие модели и программы построения виртуальных приборов, среди которых модели компании National Instruments, реализованная в виде среды графического программирования виртуальных приборов LabView. Также рассмотрены программные системы MultiSim, Simulink, Trace Mode и другие.

Существенными недостатками рассматриваемых систем являются высокая стоимость и отсутствие возможности их сопряжения с системами моделирования как по каналу измерения, так и по каналу управления.

Для выполнения виртуальных лабораторных исследований предлагается использовать среду МАРС, предназначенную для лабораторных ис-

Рис.1. Обобщенная структура автоматизированного лабораторного комплекса

следований в области моделирования технических систем различной физической природы.

Среда МАРС имеет широкий набор режимов анализа. Адаптация к моделированию нового класса устройств осуществляется с использованием развитой библиотеки моделей компонентов (БМК) с возможностями ее автоматизированного пополнения.

Для приближения вычислительного эксперимента в среде МАРС к натурному в рамках АЛК (рис.1) автором:

- предложена и разработана методика моделирования алгоритмов;

- развита система визуализации и обработки результатов экспериментов;

- разработаны основанные на численных методах анализа сигналов блоки обработки результатов моделирования;

- предложена структура комплекса программ «Редактор виртуальных инструментов и приборов» (РВИП), позволяющих формировать виртуальные приборы, и использовать их при исследовании технических объектов и их компьютерных моделей.

Таким образом, в результате анализа методов и средств проведения вычислительного эксперимента предложена структура автоматизированного лабораторного комплекса, отличительным признаком которого является возможность построения виртуальных лабораторий по различным

техническим дисциплинам на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и виртуальных приборов.

Вторая глава посвящена вопросам исследования автоматизированных лабораторных комплексов, базирующихся на виртуальных инструментах и приборах. Создание инструментов и средств автоматизации лабораторного эксперимента производится обычно в рамках виртуальной лаборатории (ВЛ) и включает в себя разработку математического, информационного и программного обеспечения.

Автоматизированный лабораторный комплекс (АЛК) на базе ВЛ включает следующие блоки: лабораторная установка (макет); среда формализованного представления объекта (СФП) в формате метода компонентных цепей; среда МАРС, состоящая из системы компьютерного моделирования и системы автоматизации вычислений; библиотека моделей компонентов с генератором моделей компонентов на основе интерактивной математической панели (ИМП); система отображения результатов; панель управления и систему автоматизированного сопровождения эксперимента. Для приближения вычислительного эксперимента, реализуемого в АЛК, к натурному в структуру АЛК предлагается добавить редактор виртуальных инструментов и приборов, стандартные блоки обработки результатов экспериментов и генератор их моделей, основанный на стандартный численных методах обработки сигналов.

Предложенная структура АЛК на базе ВЛ позволяет автоматизировать большинство этапов проведения виртуальных лабораторных работ учебного характера и выполнения научных исследований компьютерных моделей технических объектов.

Сформулированы основные требования к программно-инструментальному аппарату ВЛ: возможность графического отображения структур схем или систем, а также редактирования вводимой информации; быстрый расчет характеристик схем и систем с визуализацией результатов в привычном для экспериментатора виде; удобства исследования влияния вариаций параметров компонентов на характеристики системы в целом, дополненной возможностью параметрической оптимизации; наличие развитого блока обработки выходных и промежуточных данных.

Данная разработка обеспечивает возможность проведения лабораторных работ с применением виртуального аналога технического объекта, а также выполнять математические расчеты, предшествующие непосредственному проведению эксперимента или являющиеся обработкой его результатов.

В структуру среды МАРС (рис. 2), кроме подсистем моделирования и автоматизированных вычислений, входят: пакет основных схем лабораторных работ по различным курсам; банк методик к лабораторным рабо-

Рис.2. Структура среды МАРС

там, которые предписывают программу проведения компьютерного исследования в рамках лабораторной работы.

Метод компонентных цепей (МКЦ), который лежит в основе среды МАРС, относится к методам с полным координатным базисом без ограничений на физический характер входящих в него переменных цепи. Компонентными цепями может быть представлен широкий класс объектов - от радиоэлектронных схем до многомерных механических систем. Главной отличительной особенностью данного подхода является естественный для пользователя язык отображений исходного объекта в структуру компонентной цепи без использования методов электрических аналогий. Данное обстоятельство является важным для создания виртуальных лабораторий по различным техническим дисциплинам.

В диссертации рассмотрен алгоритм применения МКЦ для построения моделей различных типов цепей, адаптированный для целей виртуальных лабораторий, а также алгоритм проведения компьютерного эксперимента в рамках выполнения виртуальных лабораторных работ.

Для построения в среде МАРС вычислительных экспериментов над техническими объектами различной физической природы требуется наличие базового набора компонентов каждой из рассматриваемых областей.

-Ц, МР1

1>1(|1>

1)2(12) W

т -иг-юоо -л

11-12=О Ш=(1Л-Ц2)-11

Рис.3. Интерактивная математическая па-

нель на схеме

В рамках БМК среды МАРС, помимо базового набора, разработаны модели компонентов из различных физических областей. Они, в основном, не могут пополняться пользователями. Для оперативного пополнения библиотеки моделей компонентов новыми моделями используется генератор моделей компонентов, основанный на интерактивной математической панели (ИМП) (рис. 3). Она представляет собой компонент с переменных числом узлов (1 и 2 на рис.3), математическая модель которого (3 на рис. 3) формируется пользователем в редакторе математических выражений относительно переменных связей (4 на рис. 3) формируемого компонента.

Приведенный алгоритм работы генератора моделей компонентов на основе ИМП используется далее для построения блоков обработки результатов экспериментов.

Таким образом, интерактивная математическая панель представляет собой структурный компонент среды МАРС, в котором пользователем формируется его компьютерная модель на основе топологической информации, введенных свойств и связывающих переменные связей уравнений, записанных в редакторе математических выражений.

Для эффективного встраивания измерительных приборов в общую модель исследуемого объекта автором предложен новый алгоритм разделения процессов функционирования и измерений при анализе модели цепи с целью выделения явно заданных моделей приборов из общей неявно заданной модели цепи и понижения порядка системы уравнений, рассчитываемой универсальным вычислительным ядром.

Модель исследуемой цепи со встроенными в нее моделями измерительных компонентов и приборов представляет собой совокупность множеств:

((

Мг =

М

Ш

J

(

М

Ю

v 1

М

■т

где: Мс - математическая модель цепи, получаемая из ее компьютерной модели в универсальном вычислительном ядре; Мщ — множество математических моделей измерительных компонентов и приборов, имеющих сложную нелинейную и алгоритмическую структуру; Мщ — множество математических моделей компонентов - источников и преобразователей,

входящих в рассматриваемую модель цепи; - множество математических моделей узлов, образованных при соединении связей компонентов.

С целью повышения эффективности вычислительного эксперимента, выполняемого в универсальном вычислительном ядре среды МАРС, следует перейти к модели этой цепи с выраженным подмножеством измерительных компонентов и приборов:

гг -ч (

М^ =

М

'И

V 1

М

Щ

\ J

J)

м,

lNk

4k

Множество измерителей и приборов Мщ включает в себя три подмножества

1ш

М

1ПВ

М

1ПВЫ

где: Мддг - измерители потенциальных переменных, например вольтметр; Мдз - измерители потоковых переменных, например амперметр; Mrmtf - измерители функций от потенциальных и потоковых переменных одновременно, например ваттметр, омметр или фазометр. Такие измерители основаны на измерении потенциальных и потоковых переменных с их последующим математическим преобразованием.

В диссертации рассмотрена и обоснована методика разделения вычислительных и измерительных блоков моделей компонентов. Для этого существующая матрично-топологическая структура КЦ исследуемого объекта, представленная в виде структурно-блочной матрицы:

X Аш о

о д. 0

.0 0 4

где: Arm, Arb- субматрицы коэффициентов компонентных и топологических уравнений при потенциальных переменных; Ат - матрица коэффициентов топологических уравнений; Az - матрица компонентов измерительных уравнений; VN - вектор значений потенциальных переменных; VB -вектор значений потоковых переменных; Vz - вектор значений информационных переменных измерительных компонентов; WK - вектор правых частей компонентных уравнений; Wz - вектор правых частей измерительных уравнений.

Она была разделена на два независимых блока, первый из которых имеет матричный вид:

Acn Дев

о л

X" X"

vB = 0

Vz. X.

vN WK

l%j 0

и рассчитывается универсальным вычислительным ядром.

Показания измерительных компонентов и приборов вычисляются непосредственно в их моделях на этапе измерительного опроса после того, как рассчитан вектор решения

случае для измерителей потенциальных и потоковых переменных (рис. 4) в них реализуется измерительное

~ ^ (Ут > Ууу )

(1)

где Ущ, Уку — потенциальные переменные узлов N1 и 1Ч„, которыми в электрических цепях выражены напряжения этих узлов относительно базисного; Уш — потоковая переменная ветви В1

Согласно описанной методике, в алгоритм вычислительного эксперимента в среде МАРС, основанного на численных методах линеаризации нелинейных, алгебраизации дифференциальных уравнений и расчета систем линейных алгебраических уравнений, автором внесены следующие

Рис. 5. Алгоритм вычислительного эксперимента с разделением процессов функционирования и измерений

изменения (рис. 5): на этапе формирования компонентных уравнений компоненты-измерители потоковых переменных (рис. 4), устанавливае-

Рис. 4. Измеритель потенциальных и потоковых переменных

уравнение вида:

мые в какую-либо ветвь цепи, добавляют в общую модель компонентное уравнение вида:

^-у^ =0.

Вычисления показаний измерительных компонентов и приборов производятся по явным уравнениям вида (1) на этапе вывода и обработки результатов вычислительного эксперимент после того, как были рассчитаны значения всех потенциальных и потоковых переменных при текущем значении времени Т.

Во второй главе разработана методика моделирования объектов с разделением процессов анализа их функционирования и численной обработки результатов вычислительного эксперимента, а также сформулирована задача создания методики и алгоритмов компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов (ВИП) в составе среды МАРС.

В третьей главе рассматриваются вопросы создания структуры пакета прикладных программ, организации функциональных и информационных связей и потоков и реализации программного обеспечения для создания виртуальных инструментов и приборов, позволяющих на единой программно-алгоритмической основе реализовывать генерирующие и измерительные приборы для построения виртуальных лабораторий.

Под виртуальным прибором будем понимать оконный интерфейс и связанный с ним алгоритм, имитирующие на компьютере работу реального прибора, и предназначенный для компьютерного исследования технического объекта или его виртуального аналога. Для осуществления этих целей виртуальный прибор по аналогии с реальным прибором должен содержать: лицевую панель, схему-алгоритм функционирования прибора, интерфейс взаимодействия с объектом.

Автором предложен способ многоуровневого представления и обработки информации предусматривающий представление и функционирование виртуального прибора на трех уровнях:

- схемном, на котором реализуется интерфейс взаимодействия виртуального прибора с исследуемым объектом - реальным или представленным компьютерной моделью.

- визуальном, где располагаются средства визуализации результатов исследования и органы управления параметрами ВИП, с помощью которых исследователь может наблюдать различные параметры и переменные процессов и осуществлять управление прибором и исследуемым объектом;

- логическом, реализующем взаимодействие основных функциональных блоков ВИП между собой путем обмена информацией различных типов.

На основе предложенного автором способа многоуровневого представления и обработки информации экспериментов реализован редактор виртуальных инструментов и приборов (рис. б), рабочая область которого разделена на слои, соответствующие введенным выше уровням. Редактор предоставляет возможность сформировать лицевую панель прибора на визуальном слое, алгоритм функционирования - на логическом, а схему взаимодействия прибора с моделью исследуемого объекта — на схемном слое.

Основными функциями РВИП являются: отображение и функционирование визуальных инструментов; формирование виртуальных измерительных приборов и стендов; обработка и визуализация результирующей информации, принятой с реальных технических объектов и моделей изме-

Рис. 6. Функциональная схема редактора виртуальных инструментов и приборов

рительных компонентов схемного слоя редактора.

Такую архитектуру РВИП можно реализовать в рамках существующего редактора схем среды МАРС. Для этого необходимо представить ВИП в рамках МКЦ.

ВИП как сложный прибор можно представить КЦ вида:

с.^к^.ц,^),

где: К{ - множество компонентов ВИП, реализующих основную функциональность прибора;

Кя - множество компонентов, организующих интерфейс с исследуемым объектом и (или) компонентной цепью модели технического объекта;

В1 -множество связей компонентов - ветвей цепи;

N1 - множество узлов, объединяющих связи.

Множество компонентов ВИП К; = (К;У, К,0 состоит из двух подмножеств:

К^у - множество визуальных компонентов, из которых формируется лицевая панель ВИП; Кц, - множество логических компонентов, отражающих логические элементы функциональности прибора.

С помощью компонентов множества К,у реализуется визуальный уровень моделирования ВИП. Эти компоненты располагаются на визуальном слое редактора, на котором они имеют собственное графическое изображение. Оно включает средства визуализации результатов измерения и моделирования и органы управления параметрами прибора и исследуемого объекта.

Алгоритмы функционирования прибора, организующие логический уровень моделирования ВИП, располагаются на логическом слое, и состоят из компонентов множества Кц,. Компоненты множества К,у, имею-

Классификация компонентов виртуальных инструментов и приборов

Тип компонента Отображение на логическом слое Отображение на схемном слое Отображение на визуальном слое

Компоненты-источники

Источник внешних данных С ■=»N1 - -

Управляющие компоненты ■ Г 1мДИК810р11

Их! 0-5 а 5 1С

Измерители результатов моделирования А1 Шм А /-«N2

Компоненты-приемники

Компоненты-регистраторы N10- —

Компоненты-визуализаторы

4X1

Компоненты-атрибуты схемных компонентов Сопрот 5 деление, )« Ш 10 Ом що-1

Компоненты-п реобразователи

Математические компоненты Мс - ■

Алгоритмические компоненты «¡га - -

щие отображение на данном слое, в алгоритмах функционирования ВИП являются источниками или приемниками информации.

Интерфейс взаимодействия прибора с исследуемым объектом формируется на схемном слое редактора ВИП из компонентов множества К^.

Компоненты К, иК^), составляющие структуру ВИП, под-

разделяются на типы, представленные в таблице.

Во множество компонентов виртуальных инструментов и приборов входят компоненты-блоки обработки результатов (компоненты БОР) моделирования, позволяющие по временным, частотным и параметрическим характеристикам определить их параметры-функционалы, такие как максимальные, минимальные, средние, действующие значения периодических сигналов, их период и частоту колебаний. Большинство алгоритмов компонентов БОР реализуются на основе преобразования Фурье, которое позволяет на основе спектрального разложения определить большинство перечисленных характеристик (рис. 7).

Анализ переходных процессов в электрических цепях и системах автоматического управления основан на воздействии на исследуемые объекты единичных и 8-импульсов. По откликам цепей на такие воздействия автоматически определяются установившееся значение, постоянная времени и время переходного процесса, период свободных колебаний и перерегулирование.

Для включения нового блока обработки результатов моделирования в структуру ВИП, разработан генератор компонентов БОР на основе ИМП. В качестве примера в диссертации рассмотрена компонентная цепь, в которой с помощью описанного инструментария в среде МАРС вычисляется и исследуется коэффициент полезного действия линии электропередач.

Рис. 7. Анализ стационарных периодических колебаний

с помощью преобразования Фурье а) схемный слой, б) логический слой, в) визуальный слой

S<xirceMessaoe Kernel Rftr«ivBrMasseoe1

Паоаоача сообщения

Пеоеоача сообщения

Пеоаоача сообщения

Пеовоача сообшашя

Рис. 8. Диаграмма последовательности передачи сообщений

ВИП представляет собой набор компонентов визуального, логического и схемного типов, соединенных на логическом и схемном слоях в одну или несколько цепочек. Каждая цепочка - это алгоритм обработки входной информации в выходную или алгоритм обработки некоторого события. Под событием понимается изменение атрибута, воздействие мышью

на визуальный образ компонента во время работы ВИП и другие действия пользователя на лицевой панели прибора. В основе функционирования ВИП лежит механизм обмена сообщениями между компонентами и обработки содержащейся в них информации.

Для передачи сообщений между компонентами на логическом слое РВИП по аналогии с интерфейсом передачи сообщений MPI (Message Passing Interlace) автором реализован блок моделирования процесса обмена сообщениями, осуществляющий передачу от одного компонента-источника сообщений различного типа (SourceMessage) к нескольким компонентам-приемникам (Receiver-Message). Для этого в рамках менеджера эксперимента (Kernel) автором созданы специальные алгоритмы, реализующие диаграмму последовательности передачи сообщений (рис. 8). На рис. 9 продемонстрирован пример передачи сообщения между компонентами.

Виртуальный прибор как генераторного, так и измерительного типа формируется пользователем из визуальных компонентов, представляющих собой лицевую панель прибора на визуальном слое редактора ВИП, а также из логических компонентов, реализующих алгоритмы его функционирования на логическом слое редактора.

Source!

Received

ы

Receiverl

Рис. 9. Пример множественной передачи сообщений

Выявление задач ггоибооа

Выбоо визуалнзиоуюших

Расстановка компонентов

Выбоо логических

Соединение компонентов

Рис. 10. Последовательность действий пользователя при формировании виртуального прибора

На основании разработанной последовательности действий (рис. 10) любой пользователь имеет возможность сформировать виртуальный генератор или измерительный прибор и использовать его в дальнейшем для исследования реальных технических объектов и их виртуальных аналогов, представленных компонентными цепями на схемном слое редактора.

На основе данного алгоритма был сформирован виртуальный прибор «Функциональный генератор» (рис. 11), состоящий из лицевой панели, с которой взаимодействует пользователь, и компонентной цепи алгоритмов его функционирования.

Обобщенная погрешность измерений £, присущая вычислительному эксперименту, в котором используются виртуальные приборы, осуществляющие обработку и визуализацию принятых результатов моделирования объекта в виде статических значений, временных и частотных характеристик, состоит из частичных погрешностей следующего вида:

— Дс - погрешность первичных результатов моделирования, вызванная наличием инерционных и нелинейных компонентов, которые описываются дифференциальными и нелинейными уравнениями, шагом моделирования и точностью задания начальных условий. Данная погрешность порождается на схемном слое редактора при обработке модели исследуемого объекта в универсальном вычислительном ядре;

— Аь - погрешность, порожденная алгоритмами обработки результатов экспериментов, на основе которых реализуются блоки обработки первичных результатов моделирования;

— Ау- погрешность визуального отображения информации, порожденная переводом результатов моделирования и их обработки в экранные формы, представленные в виде текста, содержащего числовые данные,

или в виде графических зависимостей, для построения которых производится вычисление точек графика;

- Ду - погрешность задания параметров исследуемой модели объекта с помощью управляющих компонентов (табл.1) на визуальном слое редактора.

Обобщенная погрешность измерений Д представляет собой алгебраическую сумму перечисленных погрешностей:

Д = ±Дс ± Дь ± Ду ± Ду

На основе предложенного в данной главе способа многоуровневого представления моделей виртуальных инструментов и приборов разработано их алгоритмическое обеспечение, включающее новые алгоритмы передачи сообщений, и генератор блоков обработки результатов эксперимента, основанный на численных методах анализа сигналов и оценки ошибок измерений.

а) б)

Рис. 11. Виртуальный прибор «Функциональный генератор» а) лицевая панель

б) компонентная цепь алгоритмов функционирования

Четвертая глава посвящена вопросам построения автоматизированных лабораторных практикумов (АЛЛ) по различным техническим дисциплинам на базе разрабатываемого комплекса программ «Автоматизированный лабораторный комплекс». Для этого с позиций структурно-функционального подхода рассмотрена деятельность студента при выполнении лабораторных работ и построена диаграмма деятельности сту-

дента при выполнении лабораторной работы, которая предполагает использование среды МАРС для выполнения эксперимента и системы «Макрокалькулятор» для выполнения сопутствующих расчетов.

На основе выделенных дидактических единиц и диаграмм деятельности студента и преподавателя строится подсистема автоматизированной поддержки эксперимента (АПЭкс). Она позволяет преподавателю составлять лабораторные работы, наблюдать за процессом их выполне- Рис. 12. Структурно-функциональная схема АЛЛ ния и оценивать студен- на базе виртуальной лаборатории

тов, которые с помощью

АПЭкс проходят подготовку, получают допуск и составляют отчет по итогам выполнения работы.

На основе рассмотрения программных систем, с помощью которых в данное время проводятся автоматизированные лабораторные работы, вводится ряд требований к АЛЛ, среди которых требования к методическому обеспечению лабораторной работы (ЛР) и к моделирующей и расчетной средам. В диссертации в качестве примера рассматривается структурно-функциональная схема (рис. 12) АЛЛ по курсу «Теория автоматического управления» на основе виртуальной лаборатории. Для этого в рамках среды МАРС разработана библиотека моделей компонентов структурных схем САУ, которая включает типовые звенья САУ, источники воздействий и измерительные приборы: функциональный генератор, одно- и двухканальный осциллограф, построитель частотных характеристик.

Таким образом, в данной главе на базе автоматизированного лабораторного комплекса предложена и реализована унифицированная схема лабораторного практикума по различным техническим дисциплинам и рассмотрен пример ее практического применения.

Выбор ВЛ в Банк

дереве тем и лабораторных

задач заданий

*

Краткое Методические

ознакомление <4- указания

с теорией (теория)

а

Допусковый контроль Банк контрольных вопросов

: = — _____

Проведение Оформление

эксперимента отчета

*

Обработка результатов эксперимента - Визуализация результатов

Основные результаты исследований

В результате работы созданы и исследованы алгоритмы компьютерного моделирования инструментов и приборов для реализации автоматизированных лабораторных комплексов в научных исследованиях.

При этом решены следующие задачи:

1. Проведенный анализ современного состояния и функционирования научно-исследовательских лабораторий позволил сформулировать требования к структуре автоматизированного лабораторного комплекса;

2. Разработанная методика моделирования исследуемых объектов, в которой разделены функциональная и измерительная части математических моделей объекта, позволила использовать виртуальные инструменты и приборы в вычислительном эксперименте;

3. Обоснован способ многоуровневого представления виртуальных инструментов и приборов, созданы алгоритмы компьютерного моделирования, приближающие вычислительный эксперимент к натурному;

4. Разработано алгоритмическое обеспечение для комплекса программ «Редактор виртуальных инструментов и приборов», позволяющее создавать виртуальные приборы с функциями сбора, обработки и визуализации результатов вычислительных экспериментов и управления параметрами моделей объектов;

5. Синтезирована структура автоматизированного лабораторного практикума с редактором виртуальных инструментов и приборов и системой автоматизированной поддержки эксперимента, предназначенная для проведения лабораторных экспериментов с моделями различных технических объектов.

Результаты работы внедрены в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Томском государственном педагогическом университете, Оренбургском государственном университете, ОАО «НИИ полупроводниковых приборов» (г.Томск).

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК

1.Коротина Т.Ю. Компьютерное моделирование механических систем в рамках виртуальных лабораторий // Вестник ТГУ. - 2007. - № 301. - С. 97-100.

2. Дмитриев В.М., Коротина Т.Ю. Принципы реализации автоматизированных лабораторных комплексов с локальным и удаленным доступом // Доклады Томского гос. ун-та силмуцтагашигародкпаорснни. - 2007. - № 2 (16). - С. 121-128.

3.Дмитриев В.М., Коротина Т.Ю. Автоматизация процесса группового проектного обучения. Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2008. - № 2 (18). - С.125-130.

4.Дмитриев В.М., Коротина Т.Ю., Ганджа Т.В. Редактор виртуальных инструментов и приборов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009. - № 6. - С. 19-24.

5.Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Коротина Т.Ю. Генератор моделей компонентов с энергетическими связями физически неоднородных цепей на базе интерактивной математической панели. Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. - 2009. - № 2 (20). - С. 94-99.

6.Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Коротина Т.Ю. Система визуализации и управления вычислительным экспериментом в среде многоуровневого моделирования МАРС // Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. -2010.-№ 1 (21), ч.2.-С. 149-155.

Прочие публикации

7.Дмитриев В.М., Шутенков A.B., Гусев Ю.В., Ганджа Т.В., Коротина Т.Ю. Опыт разработки и эксплуатации виртуальной лаборатории по курсам ОТЦ и ТОЭ // Современное образование: инновации и конкурентоспособность. Материалы региональной научно-методической конференции г. Томск, 2004 г. - Томск: Томск, гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. - С. 85-86.

8.Дмитриев В.М. , Кураколов А.Н., Мальцев Ю.И., Коротина Т.Ю. Автоматизированные лабораторные комплексы в учебном процессе. Монография. - Томск: В-спектр, 2007.- 182 с.

9.Коротина Т.Ю. Структура и принципы функционирования автоматизированных лабораторных комплексов (AJIK) в учебном процессе // Научная сессия ТУСУР-2007: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 3-7 мая 2007 г. - Томск: В-Спектр, 2007. - 4.5. - С. 241-243.

10. Дмитриев В.М., Коротина Т.Ю. Методика компьютерного моделирования в АЛК / Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов: сб. статей / Под редакцией Ю.А.Шурыгина. Томск, изд-во Том. ун-та. - 2006. - С. 270-277.

11. Дмитриев В.М., Зайченко Т.Н., Коротина Т.Ю. Моделирование элементов и блоков систем автоматического управления в составе виртуальных лабораторий по курсу САУ / Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов: сб. статей. / Под редакцией Ю.А.Шурыгина. Томск, изд-во Том. ун-та. - 2006. - С. 278-288.

12. Коротина Т.Ю. Моделирование виртуальных инструментов и приборов в среде МАРС. Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований'2009». Том 3. Технические науки. 16-27 марта 2009 г. - Одесса: Черноморье, 2009. - С. 24-27.

13. Коротина Т.Ю. Применение интерактивной математической панели для реализации блоков обработки результатов / Т.В. Ганджа, Т.Ю. Коротина // Информационные технологии в социально значимых отраслях экономики (ИТСОЭ -3). Межвузовский сборник научных трудов / Том 3. Информационные технологии в обеспечении качества персонифицированных услуг. Новосибирск: Редакционно-издательский центр 11сюэбираого государства я юга ji innepcnicra - 2009. - С. 50-57.

14. Окороков Е.М., Коротина Т.Ю. Состав компонентов для построения виртуальных инструментов и приборов // Научная сессия ТУСУР-2011: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-6 мая 2011 г. - Томск: В-Спектр, 2011: в 6 частях. - 4.6. - С. 206-209.

Тираж 100 экз. Заказ № 445. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.: 533018.

61 12-5/3253

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные

методы и комплексы программ

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Коротина Татьяна Юрьевна

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Дмитриев Вячеслав Михайлович

Томск-2012

Оглавление

Список принятых сокращений................................................................................6

Введение....................................................................................................................В

1 Структура автоматизированного лабораторного комплекса (AJIK) на основе компьютерных моделей объектов и приборов.......................................18

1.1 Проблемы внедрения новых информационно-измерительных технологий в процесс автоматизации научных исследований.....................18

1.2 Цели и задачи построения АЛЬС............................................................19

1.3 Функциональная структура АЛК.........................................................21

1.3.1 Реальная (физическая) лаборатория.................................................22

1.3.2 Виртуальная лаборатория..................................................................22

1.3.3 Реально-виртуальная лаборатория...................................................23

1.4 Технология компьютерного моделирования для создания виртуальных инструментов и приборов..........................................................26

1.4.1 Технология построения виртуальных приборов в системе

Lab View компании National Instruments......................................................26

1.4.2 Среда графического программирования Lab VIEW........................27

1.4.3 Системы моделирования для автоматизации эксперимента.........30

Выводы...............................................................................................................34

2 Методика моделирования объектов с численной обработкой результатов виртуальных измерений...................................................................35

2.1 Функциональные характеристики подсистем АЛК............................35

2.2 Требования к подсистемам АЛК..........................................................39

2.2.1 Структура и задачи среды МАРС для лабораторного эксперимента 39

2.2.2 Подсистема компьютерного моделирования.........................................42

2.2.3 Подсистема автоматизированных вычислений.....................................44

2.3 Метод компонентных цепей (МКЦ) для моделирования объектов, исследуемых в виртуальных лабораториях....................................................45

2.4 Методика применения МКЦ для построения моделей объектов......48

2.5 Алгоритм применения МКЦ для построения различных типов компонентных цепей.........................................................................................51

2.6 Базовый набор моделей элементарных компонентов........................54

2.7 Алгоритм построения генератора моделей компонентов на базе интерактивной математической панели (ИМП).............................................57

2.8 Пример использования генератора на основе ИМП

в лабораторных экспериментах........................................................................60

2.9 Методика и алгоритм разделения численного анализа процессов функционирования объекта и измерений его характеристик

в модели цепи.....................................................................................................62

Выводы...............................................................................................................68

3 Методика и алгоритмы компьютерного моделирования

виртуальных инструментов и приборов в среде МАРС....................................70

3.1 Структура многоуровневого представления компьютерных моделей виртуальных инструментов и приборов..........................................70

3.2 Функциональная схема редактора виртуальных инструментов

и приборов..........................................................................................................73

3.3 Формализм метода компонентных цепей для реализации виртуальных инструментов и приборов..........................................................77

3.4 Алгоритм передачи сообщений............................................................82

3.5 Классификация моделей основных типов компонентов виртуальных инструментов и приборов (ВИП)..............................................87

3.5.1 Типы компонентов ВИП........................................................................87

3.5.2 Модели визуальных компонентов........................................................87

3.5.3 Модели математических компонентов................................................91

3.5.4 Модели алгоритмических компонентов..............................................91

3.5.5 Модели компонентов-источников констант и сигналов.................... 94

3.5.6 Модель компонента-драйвера...............................................................94

3.5.7 Модели компонентов-измерителей......................................................96

3.5.8 Математические модели компонентов обработки результатов вычислительного эксперимента, построенные на численных методах.......96

3.5.9 Методика применения блоков обработки результатов экспериментов на основе интерактивной математической панели............103

3.6 Модели ВИП с атрибутными связями...............................................107

3.6.1 Формализованное представление компонента ВИП

с атрибутными связями...................................................................................107

3.6.2 Атрибутные пины для параметризации моделей визуальных компонентов.....................................................................................................109

3.7 Моделирование функциональных блоков виртуальных инструментов и приборов...............................................................................110

3.7.1 Моделирование функционального блока задания амплитуды........112

3.7.2 Моделирование функционального блока задания частоты.............113

3.8 Последовательность действий пользователя по формированию модели виртуального прибора.......................................................................114

3.9 Пример компьютерной модели виртуального прибора «Функциональный генератор».......................................................................115

3.10 Погрешности виртуальных измерительных приборов.....................120

Выводы.............................................................................................................127

4 Построение автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП) на базе АЖ..........................................................................................................129

4.1 Набор общих требований к АЛП по техническим дисциплинам... 129

4.2 Подсистема автоматизированной поддержки эксперимента..........131

4.2.1 Назначение............................................................................................131

4.2.2 АПЭкс-Преподаватель.........................................................................131

4.2.3 АПЭкс - Студент..................................................................................135

4.2.4 АПЭкс - Администратор.....................................................................136

4.3 АЛП на базе виртуальной учебной лаборатории..............................137

4.3.1 Требования к АЛП...............................................................................137

4.3.2 Структурно-функциональная схема АЛП.........................................139

4.3.3 Порядок проведения компьютерного эксперимента........................140

4.4 АЛЛ по курсу "Теория автоматического управления" на основе

виртуальной лаборатории...............................................................................143

Выводы.............................................................................................................149

Заключение...........................................................................................................150

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Анализ систем автоматизации лабораторного

эксперимента учебного и научно-исследовательского назначения................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Пример листинга компонента-блока обработки

результатов экспериментов.................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Исходный код функции OnMessage менеджера

эксперимента........................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Набор моделей визуальных компонентов и пример

исходного кода реализации визуального компонента.....................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Модели компонентов логического слоя

для реализации алгоритмов работы виртуальных приборов...........................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Эксплуатационно-технические характеристики

виртуальных приборов........................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Акты о внедрении................................................................186

Список принятых сокращений

АЛК - Автоматизированный лабораторный комплекс

АЛЛ - Автоматизированный лабораторный практикум

АП - Аналоговый прибор

АПЭкс - Автоматизированная поддержка эксперимента

АРМ - Автоматизированное рабочее место

БВ ЛК - Библиотека визуальных и логических компонентов

БМК - Библиотека моделей компонентов

БОД - Блок обработки данных

БОР - Блок обработки результатов

ВИЛ - Виртуальные инструменты и приборы

ВЛ - Виртуальная лаборатория

ВМК - Вычислительная модель компонента

ВП - Виртуальный прибор

ГКБ - Глобальный координатный базис

ИМП - Интерактивная математическая панель

КБ - Координатный базис

КВМ - Канал виртуального моделирования

КМ - Компьютерная модель

КПД - Коэффициент полезного действия

КРМ - Канал реального моделирования

КЦ - Компонентная цепь

ЛАРМ - Лабораторное автоматизированное рабочее место

ЛКБ - Локальный координатный базис

ЛР - Лабораторная работа

МКЦ - Метод компонентных цепей

НД - Набор датчиков

ПК - Персональный компьютер

РЭСУ - Радиоэлектроника, электромеханика и системы

управления

РВИП - Редактор виртуальных инструментов и приборов

РВМС - Реально-виртуальная моделирующая структура

РО - Реальный объект

САВ - Система автоматических вычислений

СКМ - Система компьютерного моделирования

СТУС - Сложные технические устройства и системы

СФП - Система формализованного представления

СУЭ - Система управления экспериментом

УСД - Устройства сбора данных

ФБ - Функциональный блок

ФВ - Физическая величина

ФКБ - Физический координатный базис

ФП - Физический прибор

ЦП - Цифровой (дискретный) прибор

Введение

В настоящее время в процесс научно-технических исследований активно внедряются методы и средства компьютерного моделирования, на базе которых создаются автоматизированные лаборатории. Активно развиваются два направления в их построении. Первое - виртуальное, основанное на компьютерных моделях и поддерживающих их системах компьютерного моделирования позволяет строить виртуальные лаборатории. Второе - реально-виртуальное, предполагающее создание и использование программно-аппаратных комплексов с универсальными возможностями в области сбора, отображения и обработки информации на компьютере.

Для автоматизации научно-исследовательских и учебных лабораторий на рынке России предлагаются программные и программно-аппаратные продукты либо узконаправленного, либо очень широкого назначения, не очень надежные изделия фирмы «АКТАКОМ» (г. Москва) [1] и профессиональная дорогостоящая электронная аппаратура. На зарубежном рынке помимо дорогостоящей измерительной аппаратуры предлагаются система Lab View [2], а также комплекс приборов N1 ELVIS [3] компании National Instruments (США) [4]; изделия лаборатории «Электроника» фирмы ITE LTD (Израиль) [5]; приборы НПП «АУРИС» (г. Минск) [6]. Однако кроме высокой стоимости они требуют совершенно определенной квалификации пользователя.

Таким образом, вопросы моделирования исследуемых объектов при проведении эксперимента с заменой реальных макетов и установок компьютерными моделями, созданными в универсальной среде моделирования, способной строить и проводить анализ модели объектов различной физической природы, остаются приоритетными направлениями развития науки. Кроме того, появляется возможность произвести замену дорогостоящих измерительных и задающих приборов и устройств, обеспечивающих физические лаборатории, компьютерными моделями виртуальных инструментов и приборов для проведения лабораторных экспериментов. Это позволит обеспечить экспериментатора редактором виртуальных инструментов и приборов для

создания их моделей, что повысит эффективность лабораторных исследований за счёт автоматизации рутинных операций лабораторного эксперимент, а также решить проблему импортозамещения программных продуктов-аналогов.

В задачи данной работы входит преимущественное исследование виртуального направления и учет возможностей обеспечения теми же средствами реально-виртуального направления, применительно к задачам автоматизации лабораторного эксперимента.

Рассматриваемые и исследуемые в данной работе методики и алгоритмы автоматизации лабораторного эксперимента [7] должны позволить инженеру, исследователю и студенту: снизить стоимость лабораторного автоматизированного рабочего места за счёт замены целой совокупности дорогостоящих измерительных и задающих приборов и устройств либо виртуальным аналогом объекта исследования, создаваемым в среде МАРС [8] либо производить эксперименты с реальным объектом, применяя программно-аппаратные комплексы, типа ЛАРМ [9], содержащего виртуальные измерительные и задающие устройства, сопряжённые с лабораторным макетом или установкой и с компьютером.

В связи с вышесказанным актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки алгоритмов и создания программного обеспечения, позволяющего создавать виртуальные инструменты и приборы для их использования при проведении экспериментов учебного и научно-исследовательского характера над моделями технических объектов.

Основы построения виртуальных инструментов и приборов для исследования реальных объектов и систем были заложены Дж. Тручардом, Дж. Кодовски, Дж. Тревис. Для моделирования передачи сообщений между компонентами виртуальных инструментов и приборов был рассмотрен механизм передачи сообщений, основателями которого являются У. Гроупп и Э. Ласк. В области автоматизации процесса научных исследований и применения в нем виртуальных приборов достаточную известность

приобрели работы A.B. Пеца, Н.В. Носова. Предложенный профессором В.М. Дмитриевым и Е.А. Арайсом метод компонентных цепей, базирующийся на системном анализе объектов и систем, в котором определенных успехов достигли Н.П. Бусленко, Ф.И. Перегудов и В.А. Силич, применен для компьютерного моделирования инструментов и приборов.

Цель исследования: создание и исследование алгоритмов компьютерного моделирования инструментов и приборов для реализации автоматизированных лабораторных комплексов в научных исследованиях и разработках.

Задачи исследования:

1. Провести анализ современного состояния и функционирования научно-исследовательских лабораторий и средств выполнения эксперимента для построения автоматизированного лабораторного комплекса, предназначенного для обеспечения виртуальных лабораторий.

2. Разработать методику моделирования исследуемых объектов с разделением математической модели объекта на функциональную и измерительную части для использования виртуальных инструментов и приборов в вычислительном эксперименте.

3. Обосновать с использованием метода компонентных цепей способ многоуровневого представления виртуальных приборов и разработать алгоритмы их компьютерного моделирования.

4. Разработать алгоритмическое обеспечение для автоматизированного создания виртуальных приборов с функциями сбора, обработки и визуализации результатов вычислительных экспериментов и управления параметрами моделей объектов.

5. Синтезировать структуру комплекса программ создания виртуальных инструментов и приборов для построения виртуальных лабораторий на основе компьютерных моделей исследуемых объектов и приборов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются научно-исследовательские лаборатории технического профиля. Предметом исследования являются алгоритмы компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов, сопряженных с моделью исследуемого технического устройства, позволяющие приблизить вычислительный эксперимент к реальному.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы общей теории цепей и теории структурных графов, теории математического моделирования и системного анализа. При практической реализации алгоритмов использовались методы теории алгоритмов и языков программирования, структурного и объектно-ориентированного программирования и моделирования, вычислительных методов и метрологии.

Достоверность результатов. Степень достоверности результатов обеспечивается строгостью применения математических и объектно-ориентированных подходов, результатами проведенных экспериментальных исследований, которые сопоставлены с данными, полученными другими авторами. Решение поставленных задач базируется на системном подходе, методе компонентных цепей, сравнении полученных результатов с результатами других авторов, а также на создании и проверке компьютерных моделей приборов непосредственно в вычислительных экспериментах, проводимых для учебных и научно-исследовательских целей.

Научная новизна

1. Впервые разработана методика моделирования приборов с разделением процессов анализа их функционирования и численной обработки результатов вычислительного эксперимента, основанная на многоуровневом представлении моделей инструментов и приборов.

2. Предложено развитие численного метода расчета математических моделей инструментов и приборов, отличительным признаком которого является разделение визуальной, функциональной и интерфейсной частей

вирт�