Лекц комплекс СМИОСУ 2017. Конспект лекций для магистрантов специальности 6М070200 Автоматизация и управление
 Скачать 4.07 Mb.
|
Тема 4 Специальное программное обеспечение задач моделированияЛекция 28 Специальное программное обеспечение задач моделирования (часть 1)Специальное программное обеспечение для решения задач построения математических моделей различных систем (типа МАТLАВ, Mathcad, Vissim, Statistica). Функциональные возможности и характеристика решаемых задач Понятие о программном обеспечении ПК Программное обеспе́чение (допустимо также произношение обеспече́ние) — совокупность программ системы обработки информации и программных документов, необходимых для эксплуатации этих программ. Также, это совокупность программ, процедур и правил, а также документации, относящихся к функционированию системы обработки данных. В компьютерном сленге часто используется слово софт (от англ. software), которое в этом смысле впервые применил в статье в American Mathematical Monthly математик из Принстонского университета Джон Тьюки (англ. John W. Tukey) в 1958 году. Программное обеспечение принято по назначению подразделять на системное, прикладное и инструментальное, а по способу распространения и использования на несвободное или закрытое, открытое и свободное. Свободное программное обеспечение может распространяться, устанавливаться и использоваться на любых компьютерах дома, в офисах, школах, вузах, а также коммерческих и государственных учреждениях без ограничений. Программное обеспечение-это совокупность программ, выполненных вычислительной системой. К программному обеспечению (ПО) относится также вся область деятельности по проектированию и разработке (ПО): технология проектирования программ (нисходящее проектирование, структурное программирование и др.); методы тестирования программ; методы доказательства правильности программ; анализ качества работы программ и др. Программное обеспечение (ПО) является одним из видов обеспечения вычислительной системы, наряду с техническим (аппаратным), математическим, информационным, лингвистическим, организационным и методическим обеспечением. ПО - неотъемлемая часть ЭВМ. Оно является логическим продолжением технических средств ЭВМ, расширяющие их возможности и сферу использования. По одной из классификаций существует три категории ПО: 1) прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ; 2) системные программы: управление ресурсами ЭВМ; создание копий используемой информации; проверку работоспособности устройств компьютера; выдачу справочной информации о компьютере и др.; 3) инструментальные программные системы, облегчающие процесс создания новых программ для компьютера; Более или менее определенно сложились следующие группы программного обеспечения: операционные системы; системы программирования; инструментальные системы; интегрированные пакеты; динамические электронные таблицы; системы машинной графики. системы управления базами данных (СУБД). прикладное программное обеспечение. Специалист по автоматизации и управлению обычно использует готовые прикладные программы или разрабатывает собственные используя языки и системы программирования Виды ПО. Место и роль ПО при решении задач автоматизации и управления см. Операционные системы (ОС). Операционная система, ОС (англ. Operating system) — базовый комплекс управляющих и обрабатывающих программ, обеспечивающий эффективное управление аппаратными средствами компьютера, работу с файлами, ввод-вывод данных и управление ими, выполнение прикладных программ и утилит, а также взаимодействие с пользователем. ОС позволяет абстрагироваться от деталей реализации аппаратного обеспечения, предоставляя разработчикам программного обеспечения минимально необходимый набор функций. Операционные системы являются основой программного обеспечения вычислительных машин (ВМ) и их систем – вычислительных систем (ВС). Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению ее сверху вниз. Другой взгляд, снизу-вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, распределяющим и управляющим всеми компонентами, и ресурсами ВМ и ВС с целью обеспечения максимальной эффективности их функционирования. Некоторые основные функции ОС: загрузка приложений в оперативную память и их выполнение; стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода); управление оперативной памятью (распределение между процессами, виртуальная память); управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск и т. д.), как правило, с помощью файловой системы; пользовательский интерфейс; сетевые операции, поддержка стека протоколов. К системному блоку компьютера подключаются через специальные согласующие платы (контроллеры) периферийные устройства (дисковод, принтер и т.д.). Каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и с различной скоростью, поэтому необходимо программно согласовать их работу с работой процессора. Для этого в составе операционной системы имеются специальные программы – драйверы устройств. Каждому устройству соответствует свой драйвер. Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между периферийными устройствами, т.н. необходимо уметь управлять файловой системой. Ядром операционной системы является программа, которая обеспечивает управление файловой системой. Пользователь общается с компьютером через устройства ввода информации (клавиатура, мышь). После ввода команды операционной системы специальная программа, которая называется командный процессор, расшифровывает команды и исполняет их. Процесс общения пользователя с компьютером должен быть удобным. В состав современных операционных систем (Windows) обязательно входят модули, создающие графический интерфейс. Файлы операционной системы находятся на жестком диске. Однако программы могут выполняться, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы операционной системы необходимо загрузить в оперативную память. Все файлы операционной системы не могут одновременно находиться в оперативной памяти, так как объем современных операционных систем составляет сотни мегабайт. Для функционирования компьютера обязательно должны находиться в оперативной памяти базовый модуль, командный процессор и драйверы подключенных устройств. После включения компьютера производится загрузка операционной системы в оперативную память. В системном блоке компьютера находится ПЗУ (BIOS), в котором содержатся программы тестирования компьютера и первого этапа загрузки операционной системы. После включения компьютера эти программы начинают выполняться, причем информация о ходе этого процесса высвечивается на экране дисплея. На этом этапе процессор обращается к диску и ищет на определенном месте (в начале диска) наличие очень небольшой программы-загрузчика BOOT. Программа-загрузчик считывается в память, и ей передается управление. В свою очередь она ищет на диске базовый модуль операционной системы, загружает его в память и передает ему управление. В состав базового модуля операционной системы входит основной загрузчик, который ищет остальные модули операционной системы и загружает их в оперативную память. После окончания загрузки операционной системы управление передается командному процессору, на экране появляется приглашение системы. Система готова к работе, т.е. пользователь может начинать вводить команды операционной системы, а командный процессор их расшифровывать и выполнять. В случае использования графического интерфейса выбор действий (команд) производится с помощью мыши. В процессе выполнения команд осуществляется взаимодействие всех модулей операционной системы, причем необходимые в данный момент дополнительные модули могут подгружаться с диска. Существует несколько наиболее распространенных операционных систем, каждая из которых ориентирована на определенное семейство процессоров и, соответственно, компьютеров. К основным достоинствам современных операционных систем (класса Windows) следует отнести технологию «подключи и работай», многозадачность, графический интерфейс. Технология «подключи и работай» (Plug-and-Play) позволяет даже начинающему пользователю подключить к компьютеру новое устройство (например, принтер) и продолжить работу. Windows сама установит необходимый драйвер и выделит ресурсы. Многозадачность предоставляет пользователю возможность загрузить в оперативную память сразу несколько приложений (например, текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, браузер Internet Explorer и др.). Переход от работы в одном приложении в другое происходит очень быстро и просто, посредством перехода от одного открытого «окна»Windows к другому. Графический интерфейс реализован с использованием технологии Drag-and-Drop (перетаскивание мышью). Это позволяет выполнять практически любые операции с помощью мыши. Магистрант должен ориентироваться в основных функциональных характеристиках современных ОС поколений MsWindows и Linux, Mac OS (См. [13, 25, 26, 30]). По состоянию на 2010 год начала широко использоваться ОС Windows 7 - операционная система семейства Windows NT, следующая за Windows Vista. В линейке Windows NT система носит номер версии 6.1 (Windows 2000 - 5.0, Windows XP - 5.1, Windows Server 2003 - 5.2, Windows Vista и Windows Server 2008 - 6.0). Серверной версией является Windows Server 2008 R2, версией для интегрированных систем — Windows Embedded Standard 2011 (Условное имя -Quebec), мобильной — Windows Embedded Compact 2011 (Chelan, Windows CE 7.0). Операционная система поступила в продажу 22 октября 2009 года, меньше чем через три года после выпуска предыдущей операционной системы, Windows Vista. Партнёрам и клиентам, обладающим лицензией Volume Licensing, доступ к RTM был предоставлен 24 июля 2009 года. Финальная (копия с дисков, которые потом пошли в продажу) пиратская версия была доступна всем с первых чисел августа 2009 года. В состав Windows 7 вошли как некоторые разработки, исключённые из Windows Vista, так и новшества в интерфейсе и встроенных программах. Некоторые новшества в Windows 7. В Windows 7 есть возможность отключения или включения браузера Internet Explorer и проигрывателя Windows Media Playe. Также, ОС обладает поддержкой multitouch-мониторов. Эта возможность была продемонстрирована Microsoft на ежегодной конференции TechEd’08 в Орландо. В ходе демонстрации использовалась сборка 6.1.6856, а также опытная модель ноутбука с multitouch-экраном (сенсорным экраном). Функция Branch Cache позволяет снизить задержки у пользователей, работающих с компьютером удалённо. К примеру, файл доступный по сети, кэшируется локально, поэтому он скачивается уже не с удаленного сервера, а с локального компьютера. Эта функция может работать в двух режимах — Hosted Cache и Distributed Cache. В первом случае — файл хранится на выделенном локальном сервере под управлением Windows Server 2008 R2, во втором — на компьютере у клиента. Функция ReadyBoost позволяет использовать флэш-накопитель как дополнительную кэш-память для ускорения работы системы. Меню Пуск в Windows 7 стало короче и лишилось иконок. В ОС также встроено около 120 фоновых рисунков, уникальных для каждой страны и языковой версии. Так, русская версия включает тему «Россия» с шестью уникальными обоями высокого разрешения. Все версии включают 50 новых шрифтов. Существующие шрифты доработаны для корректного отображения всех символов. Windows 7 — первая версия Windows, которая включает больше шрифтов для отображения нелатинских символов, чем для отображения латинских. Панель управления шрифтами также подверглась улучшению — по умолчанию, в ней будут отображаться только те шрифты, раскладка для которых установлена в системе. Реализована поддержка Unicode 5.1. Панель поиска Instant Search теперь распознаёт больше языков. К примеру, распознаются русские падежи, склонения, род, единственное и множественное числа. Дополнительным преимуществом Windows 7 можно считать более тесную интеграцию с производителями драйверов. Большинство из них определяются автоматически, при этом в 90 % случаев сохраняется обратная совместимость с драйверами для Windows Vista Изменения в файловой системе не столь разительные, сколь между Windows XP и Windows Vista, однако, некоторые улучшения всё же имеются. Так, Windows 7 стала поддерживать псевдонимы для папок на внутреннем уровне. Например, папка Program Files в некоторых локализованных версиях Windows была переведена и отображалась с переведённым именем, однако на уровне файловой системы оставалась англоязычной. Мультимедиа. В Windows 7 используется компонент DirectX 11 и Windows Media Player 12. Последний — получил новый интерфейс и стал поистине всеядным, в отличие от предшественника, которому требовалось большое количество кодеков для воспроизведения. Однако он не может воспроизводить лицензионные Blu-Ray диски с видео, но имеет возможность считывать и записывать на них данные. Windows Media Player получил новый прозрачный интерфейс и теперь им можно управлять с панели задач. Безопасность. В Windows 7 реализована более гибкая настройка User Account Control (UAC), которая в отличие от Windows Vista имеет ещё два промежуточных состояния между режимами «Всегда уведомлять» и «Никогда не уведомлять» — «Уведомлять, только при попытках программ внести изменения в компьютер» (положение по умолчанию), «Уведомлять, только при попытках программ внести изменения в компьютер (не затемнять рабочий стол)». Стоит заметить, что в отличие от Vista, затемнение происходит только, если программа активна и находится на переднем плане. Если вы совершили клик в момент открытия UAC и деактивировали программу, затемнения может и не произойти. Аппаратные требования. Рекомендуемые аппаратные требования для Windows 7. 32-битная версия Windows 7: центральный процессор x86 или x86-64 с тактовой частотой 1 ГГц, объем оперативной памяти 1 ГБ, объём жесткого диска 16 Гб (минимальное пространство для установки - 10.5 Гб), информационный носитель DVD-ROM привод. Графический процессор Адаптер с поддержкой DirectX 9 и 128 Мб памяти. 64-битная версия Windows 7: центральный процессор x86-64 с тактовой частотой 1 ГГц, объем оперативной памяти 2 ГБ, объём жесткого диска 20 Гб (минимальное пространство для установки - 10.5 Гб). Специальное программное обеспечение для решения задач построения математических моделей MATLAB. MATLAB (сокращение от англ. «Matrix Laboratory») — термин, относящийся к пакету прикладных программ для решения задач технических вычислений, а также к используемому в этом пакете языку программирования. MATLAB используют более 1 000 000 инженерных и научных работников, он работает на большинстве современных операционных систем Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования. Программы, написанные на MATLAB, бывают двух типов — функции и скрипты. Функции имеют входные и выходные аргументы, а также собственное рабочее пространство для хранения промежуточных результатов вычислений и переменных. Скрипты же используют общее рабочее пространство. Как скрипты, так и функции не компилируются в машинный код и сохраняются в виде текстовых файлов. Существует также возможность сохранять так называемые pre-parsed программы — функции и скрипты, обработанные в вид, удобный для машинного исполнения. В общем случае такие программы выполняются быстрее обычных, особенно если функция содержит команды построения графиков. Основной особенностью языка MATLAB является его широкие возможности по работе с матрицами, которые создатели языка выразили в лозунге «думай векторно» (англ. Think vectorized). MATLAB предоставляет пользователю большое количество (несколько сотен) функций для анализа данных, покрывающие практически все области математики, в частности: матрицы и линейная алгебра — алгебра матриц, линейные уравнения, собственные значения и вектора, сингулярности, факторизация матриц и другие; многочлены и интерполяция — корни многочленов, операции над многочленами и их дифференцирование, интерполяция и экстраполяция кривых и другие; математическая статистика и анализ данных — статистические функции, статистическая регрессия, цифровая фильтрация, быстрое преобразование Фурье и другие; обработка данных — набор специальных функций, включая построение графиков, оптимизацию, поиск нулей, численное интегрирование (в квадратурах) и другие; дифференциальные уравнения — решение дифференциальных и дифференциально-алгебраических уравнений, дифференциальных уравнений с запаздыванием, уравнений с ограничениями, уравнений в частных производных и другие; разреженные матрицы — специальный класс данных пакета MATLAB, использующийся в специализированных приложениях; целочисленная арифметика — выполнение операций целочисленной арифметики в среде MATLAB. Для MATLAB имеется возможность создавать специальные наборы инструментов (англ. toolbox), расширяющих его функциональность. Наборы инструментов представляют собой коллекции функций, написанных на языке MATLAB для решения определённого класса задач. Компания Mathworks поставляет наборы инструментов, которые используются во многих областях, включая следующие: цифровая обработка сигналов, изображений и данных: DSP Toolbox, Image Processing Toolbox, Wavelet Toolbox, Communication Toolbox, Filter Design Toolbox — наборы функций, позволяющих решать широкий спектр задач обработки сигналов, изображений, проектирования цифровых фильтров и систем связи; системы управления: Control Systems Toolbox, µ-Analysis and Synthesis Toolbox, Robust Control Toolbox, System Identification Toolbox, LMI Control Toolbox, Model Predictive Control Toolbox, Model-Based Calibration Toolbox — наборы функций, облегчающих анализ и синтез динамических систем, проектирование, моделирование и идентификацию систем управления, включая современные алгоритмы управления, такие как робастное управление, H∞-управление, ЛМН-синтез, µ-синтез и другие; финансовый анализ: GARCH Toolbox, Fixed-Income Toolbox, Financial Time Series Toolbox, Financial Derivatives Toolbox, Financial Toolbox, Datafeed Toolbox — наборы функций, позволяющие быстро и эффективно собирать, обрабатывать и передавать различную финансовую информацию; анализ и синтез географических карт, включая трёхмерные: Mapping Toolbox. сбор и анализ экспериментальных данных: Data Acquisition Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Instrument Control Toolbox, Link for Code Composer Studio — наборы функций, позволяющих сохранять и обрабатывать данные, полученные в ходе экспериментов, в том числе в реальном времени. Поддерживается широкий спектр научного и инженерного измерительного оборудования. визуализация и представление данных: Virtual Reality Toolbox — позволяет создавать интерактивные миры и визуализировать научную информацию с помощью технологий виртуальной реальности и языка VRML. средства разработки: MATLAB Builder for COM, MATLAB Builder for Excel, MATLAB Builder for NET, MATLAB Compiler, Filter Design HDL Coder — наборы функций, позволяющих создавать независимые приложения из среды MATLAB. взаимодействие с внешними программными продуктами: MATLAB Report Generator, Excel Link, Database Toolbox, MATLAB Web Server, Link for ModelSim — наборы функций, позволяющие сохранять данные в различных видов таким образом, чтобы другие программы могли с ними работать. базы данных: Database Toolbox — инструменты работы с базами данных. научные и математические пакеты: Bioinformatics Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Fixed-Point Toolbox, Fuzzy Logic Toolbox, Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox, OPC Toolbox, Optimization Toolbox, Partial Differential Equation Toolbox, Spline Toolbox, Statistic Toolbox, RF Toolbox — наборы специализированных математических функций, позволяющие решать широкий спектр научных и инженерных задач, включая разработку генетических алгоритмов, решения задач в частных производных, целочисленные проблемы, оптимизацию систем и другие. нейронные сети: Neural Network Toolbox — инструменты для синтеза и анализ нейронных сетей. нечёткая логика: Fuzzy Logic Toolbox — инструменты для построения и анализа нечётких множеств; символьные вычисления: Symbolic Math Toolbox — инструменты для символьных вычислений с возможностью взаимодействия с символьным процессором программы Maple. Помимо вышеперечисленных, существуют тысячи других наборов инструментов для MATLAB, написанных другими компаниями и энтузиастами. Mathcad. Mathcad — программа для выполнения и документирования инженерных и научных расчётов. Появившись в 1986 году для платформы MS-DOS, Mathcad впервые среди программ подобного рода использовал наборную математическую нотацию, совмещённую с автоматической системой вычислений. Кроме того, впервые было реализовано автоматическое вычисление и проверка единиц измерения. Например, СИ. На сегодняшний день Mathcad включает некоторые возможности алгебраических систем для ЭВМ, но при этом сохраняет ориентацию на инженерные приложения. Изначально Mathcad был создан Алэном Рэздоу из Массачусетского технологического института (MIT), который впоследствии стал одним из основателей фирмы Mathsoft, ныне являющейся частью корпорации Parametric Technology Corporation. Рабочая область программы представляется как обыкновенный лист, на котором уравнения и выражения отображаются графически, а не в текстовом виде. Основные возможности Mathcad: решение дифференциальных уравнений различными численными методами; построение двух- и трёхмерных графиков функций; использование греческого алфавита как в уравнениях, так и в тексте; выполнение вычислений в символьном режиме; выполнение операций с векторами и матрицами; символьное решение систем уравнений; аппроксимация кривых; выполнение подпрограмм; поиск корней многочленов и функций; проведение статистических расчётов и работа с распределением вероятностей; поиск собственных чисел и векторов; вычисления с единицами измерения; интеграция с САПР (CAD) системами, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров; Несмотря на то, что данная программа ориентирована на пользователей, мало знакомых с программированием, она всё же находит применение в достаточно сложных проектах для визуализации результатов математического моделирования с использованием распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также Mathcad часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам. Система PTC Mathcad 14 – предоставляет собой мощное, удобное и наглядное средство описания алгоритмов решения математических задач. Система MathCAD настолько гибка и универсальна, что может оказать неоценимую помощь в решении математических задач как школьнику, постигающему азы математики, так и академику, работающему со сложнейшими научными проблемами. Начиная с момента приобретения фирмы Mathsoft в апреле 2006 года, компания PTC сосредоточила свои усилия над тем, чтобы дальше раздвинуть географические границы применения технологии Mathcad и значительно увеличить армию её пользователей. Mathcad 14 значительно расширяет возможности пользователей в решении постоянно растущих вычислительных задач, улучшает связанность расчётных документов на протяжении всего процесса разработки изделия. В современных условиях глобального разделения процесса разработки изделия научно-технические вычисления приобретают крайне важное значение. Выпуская Mathcad 14, PTC обеспечивает полную поддержку кодировки Unicode и в скором будущем предложит данный продукт на девяти языках. Новыми среди них будут такие языки, как итальянский, испанский, корейский и оба китайских – традиционный и упрощённый. Расширенная языковая поддержка в Mathcad 14 позволит географически разбросанным командам выполнять и документировать расчёты на своём местном языке и в результате повысить производительность труда, благодаря увеличению его скорости и точности, а также сокращению ошибок, происходящих при переводе с одного языка на другой. Mathcad 14 также позволяет выполнять более сложные расчёты, сохраняя их ясность с помощью новых функций рабочего листа WorkSheet (документа, открытого в среде Mathcad), дополнительных средств оперативной числовой оценки и расширенного набора символов. Это поможет пользователям при выводе формул, отображении вычислительного процесса и документального обоснования расчётов. В конечном итоге, специальные дополнительные возможности разрешат пользователям работать с более широким диапазоном инженерно-технических задач. STATISTICA. STATISTICA - это система для статистического анализа данных, включающая широкий набор аналитических процедур и методов: более 100 различных типов графиков, описательные и внутригрупповые статистики, разведочный анализ данных, корреляции, быстрые основные статистики и блоковые статистики, интерактивный вероятностный калькулятор, T-критерии (и другие критерии групповых различий), таблицы частот, сопряженности, флагов и заголовков, анализ многомерных откликов, множественная регрессия, непараметрические статистики, общая модель дисперсионного и ковариационного анализа, подгонка распределений, добыча данных, нейронные сети и многое другое. Продукты серии STATISTICA основаны на самых современных технологиях, полностью соответствуют последним достижениям в области IT, позволяют решать любые задачи в области анализа и обработки данных, идеально подходят для решения практических задач в маркетинге, финансах, страховании, экономике, бизнесе, промышленности, медицине и т.д. В настоящее время в продаже имеется русифицированная версия системы STATISTICA 6 и англоязычная версия системы STATISTICA 8. Основная литература Исмаилов С.У. Компьютерные технологии решения задач автоматизации. Часть 1. Автоматизация схемотехнического моделирования и проектирования изделий электронной техники. Южно-Казахстанский Государственный Университет (ЮКГУ). 2002г. – 160 с., таб., ил. Бенькович Е.С. и др. Практическое моделирование динамических систем. -СПб: БХВ-Петербург, 2002. Исмаилов С.У. Современные методы идентификации объектов и систем управления. Методические указания к выполнению лабораторных работ для магистрантов спец. 6М0702. Шымкент, ЮКГУ, 2010 г., -78 с. Дополнительная литература Боровиков В.П., Боровиков И.П. Statictica - статистический анализ и обработка данных в среде Windows,- M.: Инф. издат.дом «Филинъ», 2009 |