Структура современных инструментальных средств (пакетов) для моделирования технических систем представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Классификация пакетов моделирования технических систем
Под специализированными пакетамипонимаются программные средства, которые долгое время создавались и развивались на конкретных предприятиях и отраслях и были ориентированы на специфические понятия конкретной прикладной области (механики, теплотехники, электроники и т. д.). Написанные на языках Fortran, С и т. п., эти пакеты уходят в прошлое, заменяясь предметно-ориентированными компонентными пакетами. Связано это с тем, что специализированные пакеты требуют тесного сотрудничества программиста и специалиста в предметной области, а лучше хорошего владения специалистом искусством программирования. Переход к компонентным пакетам позволяет разорвать эту связь. Кроме того, специализированные пакеты с трудом поддаются модернизации, в них сложно использовать современные программы визуализации и обработки результатов экспериментов и т. п.
Математические пакеты, такие как Mathcad, Maple, Mathematica, хорошо приспособлены к проведению расчетов в естественнонаучных дисциплинах, когда модель задана в аналитической форме. Удобство варьирования параметров в сочетании с заранее определенной процедурой обработки и визуализации результатов существенно облегчает исследования. В таких многовариантных расчетах накладные расходы, связанные с написанием на языке пакета специальной программы, управляющей экспериментом, окупаются той легкостью, с которой воз- можно повторить все вычисления заново при внесении изменений в исходную модель. Программирование сводится к написанию относительно небольших по объему программ, состоящих в основном из макро-операторов.
С точки зрения моделирования мехатронных объектов основным и, пожалуй, единственным достоинством систем компьютерной математики является математическая прозрачность вычислений и легкость создания объектов, осуществляющих математические вычисления. К числу недостатков можно отнести отсутствие следующих принципиально важных возможностей:
● автоматизация построения математической модели;
● компонентное моделирование с применением достаточно большого количества типовых блоков;
● быстрая модификация модели;
● создание предметно-ориентированной среды;
● оперативное изменение метода моделирования и т. д.
В результате применение систем компьютерной математики ограничивается решением простых задач или задач, где главное – прозрачность вычислений.
Пакеты компонентного моделированияв основном ориентированы на численные эксперименты и являются в настоящее время доминирующими в процессах проектирования технических объектов. Они
дают пользователю возможность не заботиться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и, тем самым, создают на компьютере некоторую удобную среду, в которой можно создавать виртуальные системы и проводить эксперименты с ними.
Пакеты компонентного моделирования по способам их применения или технологии моделирования можно разделить на две группы.
Так называемые универсальные пакетыориентированы на определенный класс математических моделей и применимы для любой прикладной области, в которой эти модели справедливы. Основу универсального пакета составляют библиотеки компонентов общего назначения. В этих пакетах используются разнообразные коллекции численных методов, способные справиться с широким спектром задач. Как правило, универсальные пакеты обладают развитыми средствами визуализации, обеспечивающими показ изучаемого явления с разных сторон, а не одним, принятым в конкретной области, способом.
Предметно-ориентированные пакетыпредназначены для решения промышленных и научно-исследовательских задач в конкретной предметной области. Библиотеки моделей компонентов таких пакетов содержат хорошо изученные и отлаженные модели из довольно узкой предметной области, которые лишь накапливаются, модифицируются и приспосабливаются для решения конкретных задач. В результате накопленная база моделей со временем приобретает большую ценность.
Спектр методов решения задач проектирования также ограничен известными и хорошо отработанными инструментами (возможно, ориентированными на узкий класс задач), в эффективности и надежности которых у пользователей нет сомнений. Как правило, предметно-ориентированные пакеты требуют серьезных усилий для их освоения, а также знаний в конкретной предметной области. Стоимость этих пакетов достаточно высока, что обычно заставляет пользователя работать с каким-либо одним пакетом в течение длительного времени, всячески расширяя его возможности.
Следует заметить, что между универсальными и предметно-ориентированными пакетами в настоящее время нет четкой границы.
Часто разница лишь количественная. Добавление к универсальному пакету соответствующего набора специализированных модулей, прежде всего библиотек моделей компонентов, превращает этот пакет в предметно-ориентированную среду моделирования. Примером подобного подхода может служить появление предметных расширений пакета Simulink – SimPower, SimMechanics и т. п. Учитывая открытость системы, каждый пользователь может добавить к готовым моделям то, что ему нужно, создав собственную предметно-ориентированную среду.
По принципам представления исходной модели среди пакетов компонентного моделирования можно выделить две основные группы:
1) пакеты структурного (или блочного) моделирования;
Элементарные блоки пакетов структурного моделирования обладают направленным действием, последующий блок не влияет на предыдущий. К достоинствам этого подхода следует отнести, прежде всего, простоту создания не очень сложных моделей даже не слишком подготовленным пользователем. Другим достоинством является эффективность реализации элементарных блоков и простота построения эквивалентной системы. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы. Наиболее известными представителями пакетов визуального структурного моделирования являются MATLAB/Simulink, EASY5, VisSim, AnyLogic.
Пакеты физического мультидоменного моделирования позволяют использовать как ориентированные, так и неориентированные компоненты и связи. Подход очень удобен и естественен для описания типовых блоков физических систем. К пакетам физического моделирования можно отнести Multisim, DYNAST, 20-sim, Dymola.
Некоторые авторы выделяют в качестве третьей группы пакеты, предназначенные для моделирования гибридных систем.Эти пакеты позволяют очень наглядно и естественно описывать мехатронные системы со сложной логикой переключений. К этому направлению относится пакет Shift, а также отечественный пакет Model Vision Studium.
