Алгоритмы и программное обеспечение моделирования приборов и устройств для создания автоматизированных лабораторных комплексов

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 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.

Теоретическая 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 Оренбургском 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 результатов 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 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, 8 таблиц, 105 использованных источников.

Выводы

1. Сформирован набор общих требований к автоматизированным лабораторным практикумам с виртуальными лабораториями по различным техническим дисциплинам, и введена диаграмма деятельности студента при выполнении лабораторных работ.

2. На базе автоматизированного лабораторного комплекса, включающего комплекс программ «Редактор виртуальных инструментов и приборов», предложена и реализована унифицированная схема лабораторного практикума по различным техническим дисциплинам;

3. Спроектирована и реализована подсистема Автоматизированной Поддержки Эксперимента (АПЭкс), предназначенная для работы и взаимодействия преподавателей и студентов в процессе проведения лабораторных и практических занятий;

4. Выявлены требования и реализован автоматизированный лабораторный практикум по курсу «Теория автоматического управления» на основе виртуальной лаборатории, в которой исследованию в рамках среды МАРС подлежат компьютерные модели систем управления техническими объектами.

Заключение

Работа посвящена исследованию метода компонентных цепей и реализации на его основе автоматизированного лабораторного практикума по техническим дисциплинам, позволяющего производить компьютеризированные лабораторные эксперименты над техническими объектами любой физической природы и их компьютерных моделей. Исследование виртуального аналога производится на основе компьютерных моделей технических объектов, представленных в среде МАРС в формате метода компонентных цепей. Визуализация результатов исследования реальных объектов и моделирования их виртуальных аналогов производится с помощью единых виртуальных измерительных приборов, сформированных из виртуальных инструментов. Это стало возможным благодаря обоснованию способа многослойного представления и обработки данных и реализации на его основе редактора виртуальных инструментов и приборов, представляющего прибор в виде компонентной цепи, моделирование которой основано на имитационном моделировании.

При работе над диссертационным исследованием удалось успешно решить ряд задач, результатами которых являются:

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, 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.

Предложенные методики и алгоритмы развивают теорию моделирования физически неоднородных технических объектов и компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов. Реализованная структура автоматизированного лабораторного комплекса позволяет разрабатывать автоматизированные лабораторные комплексы по различным техническим дисциплинам, которые должны найти широкое применение в научно-исследовательском и образовательном процессе учебных заведений России.

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