Разработка методов и программных средств полунатурного моделирования систем управления динамическими объектами

Совершенствование вычислительной техники, разработка математического обеспечения и повышение эффективности систем управления относятся к важным народнохозяйственным задачам, связанным с необходимостью «расширения и автоматизации проектно-кон-структорских работ с применением электронно-вычислительной техники» '.

Одним из наиболее гибких и эффективных методов исследования свойств сложных динамических объектов является машинное (имитационное) моделирование (в ] приводятся данные, согласно которым имитационные методы составляют около 30% от общего объема исследований, проводимых фирмами, связанными с военными разработками).

Имитационный подход дает возможность исследовать динамические процессы, не поддающиеся точному аналитическому описанию и/или прямому экспериментальному исследованию. Использование же современной вычислительной техники и проблемно-ориентированных систем программирования позволяет переложить на ЭВМ большую часть нетворческой и рутинной работы по подготовке и проведению имитационных экспериментов. Последнее обстоятельство способствовало интенсивному развитию специализированных языков и систем моделирования (СМ) за последние 25 лет.

Работы ряда советских и зарубежных ученых: Н. П. Бусленко, В. М. Глушкова, И. М. Витенберга, В. В. Калашникова, Ю. Г. Поляка, Г. Е. Пухова, Э. Х. Тыугу, В. Б. Ушакова, Б. П. Зейглера, О.Дк.Дала, «Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.», М.: Политиздат, 1982.

У.Дж.Карплюса, Г. А. Корна, П.Дж.Кивиа, Т. Х. Нейлора, Т. И. Оре и др., а также научных коллективов во ВНИИСИ, ШШУ ДВЩ АН СССР, ИК АН УССР, ИНЭУМ, Институте проблем управления, ИЭ АН УССР, МАИ, МЭИ, НИИАА, НИИСчетмаш и т. д., не только выделили имитационные исследования в самостоятельное научное направление, но и послужили основой разработки эффективных СМ.

Актуальность проблемы. Разработка проблемно-ориентированного математического обеспечения для систем моделирования относится к важным народнохозяйственным задачам. Машинное (имитационное) моделирование является одним из наиболее гибких и широко используемых методов исследования сложных систем, во многом определяющим уровень автоматизации проектно-конструкторских работ. Поскольку разработка машинной модели, даже без учета специального программного обеспечения, требует около 40% общего времени подготовки имитационного эксперимента, развитие удобных и эффективных СМ высокого уровня представляет одну из важнейших задач системного программирования.

Значение СМ высокого уровня существенно возрастает при переходе к многомашинному моделированию полунатурного типа, необходимому при проектировании и исследовании систем управления сложными динамическими объектами, содержащими встроенные в контур управления микро-ЭВМ. В настоящее время ЭВМ в контуре управления широко используются в АСУ ТП, комплексных тренажерах, ро-бототехнических системах, гибких автоматизированных линиях и т. д. В большинстве таких систем в качестве вычислительной части подсистемы управления применяются распределенные микропроцессорные комплексы. Для создания полунатурных моделирующих стендов, позволяющих проектировать и исследовать подобные системы управления требуется разработка распределенных систем моделирования (РСМ).

В настоящее время существует достаточно много разнообразных методов и систем, обеспечивающих удобные и эффективные средства описания и исследования моделей динамических объектов различной сложности. Однако почти все они были разработаны для проведения имитационных экспериментов на одномашинных вычислительных средствах, использующих централизованное управление ди-нашкой моделирования с последовательной или квазипараллельной инициацией модулей, составляющих модель. Применимость традиционных методов моделирования в случае параллельного исполнения модулей, характерного для распределенного моделирования полунатурного типа, практически не исследовалась.

Возможность эффективного использования методов моделирования и средств программной поддержки СМ во многом зависит от структуры управляющей подсистемы («вцутреннее обеспечение») и входного языка («внешнее обеспечение») СМ. Для РСМ эти вопросы в настоящее время практически не проработаны.

Перечисленные обстоятельства определяют актуальность и важность выполненной диссертационной работы.

Целью работы является разработка и теоретические исследование новых структурных и алгоритмических методов и программных средств, составляющих основу организации распределенных систем моделирования высокого уровня и ориентированных на практическую реализацию программного обеспечения системы полунатурного моделирования многомашинного комплекса, включающего мини-микро-ЭВМ типа СМ-4 и Электроника-60.

Методы исследования, использованные в работе, основаны на применении элементов теории моделирования, теории сложных систем, методов параллельного программирования, теории формальных языков и грамматик.

Научная новизна работы заключается в обосновании и теоретическом исследовании новых структурных и алгоритмических методов, а также программных средств организации систем моделирования, обеспечивающих повышение эффективности проектирования систем управления сложными динамическими объектами с ЭВМ в контуре управления и ориентированных на практическое использование при разработке структур и алгоритмов управления системы полунатурного моделирования высокого уровня.

Практическая ценность. Проведенные исследования и разработанные методы и средства построения РСМ высокого уровня позволили реализовать многомашинную СМ для комплекса, включающего мини-ЭВМ типа СМ-4 и микро-ЭВМ типа Электроника-60. Система включает подсистему моделирования непрерывных динамических объектов с проблемно-ориентированным языком высокого уровня для универсальной ЭВМ и ядро подсистемы полунатурного моделирования систем управления для микро-ЭВМ. Реализация позволила убедиться в эффективности предложенных методов и средств построения РСМ высокого уровня (входной язык, структура системы трансляции, организация подсистемы управления и т. д.).

Система непрерывного моделирования передана для сопровождения в специализированный фонд алгоритмов и программ (ПКБ АСУ СОФАП, г. Киев) и внедрена в ряде организаций г. Москвы. Экономический эффект от внедрения системы в одной организации составляет от 100 до 200 тыс. руб/год. Ядро системы полунатурного моделирования передано для эксплуатации на ряд предприятий г. Москвы.

Использование результатов диссертационной работы подтверждено актами о внедрении и справками.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Первой Международной конференции молодых ученых «Проблемы проектирования и применения дискретных систем в управлении», г. Минск, 1977 г.- на Всесоюзном семинаре «Автоматизация инженерных исследований и эксперимента», г. Москва, 1978гна УП Всесоюзном совещании «Теория и методы математического моделирования», г. Куйбышев, 1978 г.- на УШ Всесоюзном совещании по проблемам управления, г. Таллин, 1980 г.- на Всесоюзном совещании «Высокопроизводительные вычислительные системы», г. Тбилиси, 1981 г.- на конференциях молодых ученых Института проблем управления 1977, 1979, 1981 гг.- на общемосковском семинаре «Теория и методы машинного моделирования сложных систем», 1982 г.- на IX Всесоюзном совещании по проблемам управления, г. Ереван, 1983 г.- на Всесоюзном семинаре «Автоматизация разработки и моделирования вычислительных и микропроцессорных систем», г. Москва, 1983 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 13 печатных работ, в том числе 8 — в соавторстве, общим объемом печатных листов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 136 страницах и содержит 14 рисунков.

Список литературы

содержит 88 наименований. Приложения содержат 27 страниц. Всего 163 страницы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

1. Требования распределенной обработки информации при реализации РСМ не позволяют непосредственно использовать для этого традиционные языки моделирования, которые, однако, могут рассматриваться как базовые системы программирования на отдельных ЭВМ РВК.

2. Предложена структура языка моделирования высокого уровня, отражающая особенности введенной логической организации РСМ и упрощающая переход от формализованной (концептуальной) к алгоритмической (программной) модели исследуемого объекта.

3. Показано, что использование предложенной организации.

РСМ обеспечивает реализацию гибких механизмов перестройки программы моделирования как на этапе подготовки, так и в ходе эксперимента.

4. Обоснован выбор синтаксически-ориентированной системы трансляции иерархической структуры, использующей в качестве ядра схему LR (Jc) анализа. Такая структура позволяет учесть специфику предложенного языка и возможность его проблемной ориентации и развития.

5. Использование предложенной структуры языка в рамках конкретной системы программирования позволило реализовать простой и функционально полный язык высокого уровня МОНЕС для моделирования непрерывных динамических систем. Выделение в языке функциональных областей повышает наглядность программ и технологичность процесса моделирования в целом.

6. Использование предложенной схемы трансляции при реализации синтаксически-ориентированного претранслятора «МОНЕС.

ФОРТРАН" обеспечило эффективное проведение грамматического разбора входного текста и гибкую связь проблемно-ориентированного языка моделирования с универсальным алгоритмическим языком программирования.

7. Последовательное использование предложенных принципов построения РСМ позволило реализовать подсистему параллельного программирования, выполняющую функции операционной системы реального времени и ядра полунатурного моделирования систем управления сложными динамическими объектами на терминальных микро-ЭВМ распределенной вычислительной сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Развитие вычислительной техники и внедрение имитационных методов в различные области научной и практической деятельности приводят к постоянному совершенствованию автоматизированных систем динамического моделирования. В частности, необходимость активного использования распределенных вычислительных комплексов при проектировании и исследовании систем управления сложными динамическими объектами (содержащими микро-ЭВМ в контуре управления) потребовала разработки принципиально новых механизмов организации моделирования, а задача повышения эффективности таких исследований — развития удобных и гибких средств моделирования высокого уровня.

Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе рассмотрения задач моделирования систем управления сложными динамическими объектами со встроенными в контур управления микро-ЭВМ и критического анализа существующих средств моделирования установлена актуальность и сформулированы основные задачи построения распределенных систем моделирования высокого уровня.

2. Разработан метод организации распределенных программных средств для моделирования широкого класса динамических объектов, описываемых дифференциальными уравнениями и конечными автоматами, В отличие от известных подходов, предложенный метод обеспечивает разделение функциональной и информационно-управляющей компонент модели, что существенно упрощает перестройку модели на уровне программных модулей.

3. Сформулированы достаточные условия, выделяющие класс динамических объектов, для которых может быть найдена распределенная схема моделирования, отличающаяся тем, что в ней обеспечивается автоматическое согласование развития программных модулей., Предложен метод построения такой схемы, в основу которого положен алгоритм формирования для каждого программного модуля динамических историй взаимодействия с другими модулями.

4. Разработана методика выбора структуры программного обеспечения распределенных систем моделирования, использующая оценки временной сложности функций, выполняемых ее управляющей подсистемой. Показано, что при большом числе программных модулей и сбалансированных информационных связях между ними выбранный вариант организации подсистемы управления позволяет сократить время ее работы от 2 до 5 раз по сравнению с известными системами моделирования.

5. Предложена структура входного языка распределенных систем моделирования и обоснован выбор для нее синтаксически-ориентированной системы трансляции, использующей анализатор LR (k) типа. Показано, что конструкции входного языка обеспечивают реализацию предложенного метода организации систем моделирования и механизмов гибкой перестройки модели.

6. Реализованы система моделирования непрерывных динамических объектов с входным языком высокого уровня и ядро полунатурного моделирования подсистем управления. Реализация обеспечила проверку предложенных принципов построения распределенных систем моделирования высокого уровня и отработ^ механизмов взаимодействия программных процессов на многомашинном комплексе.

Система непрерывного моделирования передана для сопровождения в специализированный отраслевой фонд алгоритмов и программ.

СОФАД ПКБ АСУ, г. Киев) и внедрена в ряде организаций г. Москвы. Экономический эффект от внедрения системы моделирования в одной организации составляет от 100 до 200 тыс. руб/год.

Ядро системы полунатурного моделирования как автономная подсистема передано для эксплуатации в ряд организаций г. Москвы.