Алгоритмы и программное обеспечение моделирования приборов и устройств для создания автоматизированных лабораторных комплексов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Коротина, Татьяна Юрьевна

• Коротина, Татьяна Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коротина, Татьяна Юрьевна

Оглавление

Список принятых сокращений

Введение

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

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

1.2 Цели и задачи построения АЛЬС

1.3 Функциональная структура АЛК

1.3.1 Реальная (физическая) лаборатория

1.3.2 Виртуальная лаборатория

1.3.3 Реально-виртуальная лаборатория

1.4 Технология компьютерного моделирования для создания виртуальных инструментов и приборов

1.4.1 Технология построения виртуальных приборов в системе

Lab View компании National Instruments

1.4.2 Среда графического программирования Lab VIEW

1.4.3 Системы моделирования для автоматизации эксперимента

Выводы

2 Методика моделирования объектов с численной обработкой результатов виртуальных измерений

2.1 Функциональные характеристики подсистем АЛК

2.2 Требования к подсистемам АЛК

2.2.1 Структура и задачи среды МАРС для лабораторного эксперимента

2.2.2 Подсистема компьютерного моделирования

2.2.3 Подсистема автоматизированных вычислений

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

2.4 Методика применения МКЦ для построения моделей объектов

2.5 Алгоритм применения МКЦ для построения различных типов компонентных цепей

2.6 Базовый набор моделей элементарных компонентов

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

2.8 Пример использования генератора на основе ИМП

в лабораторных экспериментах

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

в модели цепи

Выводы

3 Методика и алгоритмы компьютерного моделирования

виртуальных инструментов и приборов в среде МАРС

3.1 Структура многоуровневого представления компьютерных моделей виртуальных инструментов и приборов

3.2 Функциональная схема редактора виртуальных инструментов

и приборов

3.3 Формализм метода компонентных цепей для реализации виртуальных инструментов и приборов

3.4 Алгоритм передачи сообщений

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

3.5.1 Типы компонентов ВИП

3.5.2 Модели визуальных компонентов

3.5.3 Модели математических компонентов

3.5.4 Модели алгоритмических компонентов

3.5.5 Модели компонентов-источников констант и сигналов

3.5.6 Модель компонента-драйвера

3.5.7 Модели компонентов-измерителей

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

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

3.6 Модели ВИП с атрибутными связями

3.6.1 Формализованное представление компонента ВИП

с атрибутными связями

3.6.2 Атрибутные пины для параметризации моделей визуальных компонентов

3.7 Моделирование функциональных блоков виртуальных инструментов и приборов

3.7.1 Моделирование функционального блока задания амплитуды

3.7.2 Моделирование функционального блока задания частоты

3.8 Последовательность действий пользователя по формированию модели виртуального прибора

3.9 Пример компьютерной модели виртуального прибора «Функциональный генератор»

3.10 Погрешности виртуальных измерительных приборов

Выводы

4 Построение автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП) на базе АЖ

4.1 Набор общих требований к АЛП по техническим дисциплинам

4.2 Подсистема автоматизированной поддержки эксперимента

4.2.1 Назначение

4.2.2 АПЭкс-Преподаватель

4.2.3 АПЭкс - Студент

4.2.4 АПЭкс - Администратор

4.3 АЛП на базе виртуальной учебной лаборатории

4.3.1 Требования к АЛП

4.3.2 Структурно-функциональная схема АЛП

4.3.3 Порядок проведения компьютерного эксперимента

4.4 АЛЛ по курсу "Теория автоматического управления" на основе

виртуальной лаборатории

Выводы

Заключение

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Анализ систем автоматизации лабораторного

эксперимента учебного и научно-исследовательского назначения

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Пример листинга компонента-блока обработки

результатов экспериментов

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Исходный код функции OnMessage менеджера

эксперимента

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Набор моделей визуальных компонентов и пример

исходного кода реализации визуального компонента

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Модели компонентов логического слоя

для реализации алгоритмов работы виртуальных приборов

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Эксплуатационно-технические характеристики

виртуальных приборов

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Акты о внедрении

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 диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы и программное обеспечение моделирования приборов и устройств для создания автоматизированных лабораторных комплексов»

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

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.

Содержание работы. Во введении обозначается актуальность работы, которая заключается в необходимости оснащения новыми автоматизированными лабораторными комплексами, приведен обзор существующих на рынке России программных и программно-аппаратных продуктов для автоматизации лабораторных экспериментов учебного и научно-исследовательского характера.

В первой главе « Структура автоматизированного лабораторного комплекса (АЛК) на основе компьютерных моделей объектов и приборов» исследуются проблемы внедрения новых информационно-измерительных технологий в процесс подготовки современного специалиста. Не основе рассмотрения основных дисциплин, входящих в программу подготовки специалистов по курсам ТОЭ, радиоэлектроники, элементам автоматики и системам управления, формулируются цели и задачи построения автоматизированного лабораторного комплекса (АЖ) по профилирующим техническим дисциплинам, а также приводятся предложенные научным руководителем основные принципы, согласно которым он будет разработан. Функциональная структура АЛК, разрабатываемая в диссертации, позволяет строить эксперимент как в каналах реального и виртуального моделирования,

так и в реально-виртуальных структурах, предполагающих одновременное использование обоих каналов. В главе дается определение и объясняется термин «реально-виртуальной моделирующей структуры». Важную роль в реализации АЛК играют виртуальные инструменты и приборы, позволяющие проводить одновременное исследование реальных технических объектов и их виртуальных аналогов - компьютерных моделей. Для этих целей в первой главе рассматриваются существующие технологии и программы построения виртуальных приборов, среди которых технология компании National Instruments, реализованная в виде среды графического программирования виртуальных приборов LabView.

Вторая глава «Методика моделирования объектов с численной обработкой результатов виртуальных измерений» посвящена вопросам построения программно-инструментального комплекса, позволяющего в случае необходимости заменить реальный эксперимент вычислительным. Для этих целей на основе рассмотрения метода компонентных цепей, а также структуры и типов решаемых задач средой МАРС, основанной на этом методе, приводятся требования к ее подсистемам моделирования и анализа.

В главе отмечается, что для обеспечения требований универсальности моделирующей системы, ее библиотека моделей компонентов должна иметь открытый характер с целью ее пополнения новыми моделями компонентов. Для решения этой проблемы в среде МАРС создан автоматический генератор моделей компонентов на основе интерактивной математической панели. В главе подробно рассмотрена процедура построения такого генератора, включающая компьютерную модель компонента, структуру интерактивной математической панели, а также алгоритм формирования ее вычислительной модели. На основе формализма метода компонентных цепей (МКЦ) для компьютерного моделирования цепей различной природы приводятся примеры генерации новых моделей компонентов.

Для создания удобного интерфейса экспериментатора в главе приводится новая методика автоматизированного выбора режима анализа модели

цепи по виду установленного в этой цепи прибора, а также алгоритм разделения моделей объектов на функциональный и измерительный блоки с сохранением их адекватности.

В третьей главе «Методика и алгоритмы компьютерного моделирования виртуальных инструментов и приборов в среде МАРС» предлагается использовать способ многослойного преставления модели объекта и обработки экспериментальной информации, согласно которому предлагается три уровня моделирования и соответственно три слоя редактора виртуальных инструментов и приборов (ВИП). Такими слоями является: визуальный, на котором формируется лицевая панель виртуального прибора, логический, где с помощью алгоритмических компонентов разрабатываются алгоритмы функционирования виртуального прибора, и схемный слой, содержащий либо схему подключения прибора к исследуемому реальному объекту, либо компьютерную модель этого объекта, представленную в формате метода компонентных цепей. Описанный способ многоуровневого представления и обработки информации лежит в основе реализации редактора виртуальных инструментов и приборов (РВИП), предназначенного для формирования виртуальных приборов и исследования с их помощью реальных объектов и их виртуальных аналогов. Отмечается, что для выполнения основных требований, возлагаемых на ВИП, он должен быть представлен в формате метода компонентных цепей. Для этих целей в рамках данной главы рассматривается формализм метода компонентных цепей для реализации виртуальных инструментов и приборов, а также приводится классификация моделей основных типов компонентов, из которых должен состоять разрабатываемый прибор. На основе классификации построена диаграмма классов компонентов, реализованная в рамках библиотеки визуальных и логических компонентов редактора ВИП. В основе функционирования каждого виртуального прибора лежат методы имитационного моделирования, которые реализуются посредством алгоритма передачи сообщений, и блоки обработки результатов моделирова-

ния на основе численных методов анализа сигналов и оценки ошибок измерений.

Четвертая глава «Построение автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП) на базе АЛК» содержит набор требований к автоматизированным лабораторным практикумам (АЛП) по техническим дисциплинам, на основе которых разрабатывается система автоматизированной поддержки эксперимента (АПЭкс), представляющая собой программную систему для организации работы и взаимодействия студента и преподавателя на лабораторных и практических занятиях. На основе существующих форм проведения компьютеризированных лабораторных занятий формируются требования к АЛП, на основе которых предлагается его структурно-функциональная схема, реализованная в виде АЛП по курсу «Теория автоматического управления» на базе среды компьютерного моделирования МАРС.

1 Структура автоматизированного лабораторного комплекса (АЛК) на основе компьютерных моделей объектов и приборов

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

Задачи повышения качества проведения научных исследований и экспериментов в XXI веке связаны прежде всего с переходом к более совершенным технологиям - информационно-коммуникационным.

Подготовка инженера по профилю такого вуза как ТУ СУР и других вузов электронного профиля производится, прежде всего, по специальностям, связанным с электротехникой, радиоэлектроникой, информатикой и системами управления (РИСУ). В учебные программы этих специальностей входят естественнонаучные дисциплины (Физика, Химия), общетехнические (ТОЭ, Механика и графика, Информатика), специальные дисциплины (Электроника, Информационные системы, САУ). В свою очередь обозначенные дисциплины делятся на ряд разделов (рис. 1.1), по которым и организуются лаборатории и проводятся лабораторные исследования. Так, например, по курсу Физика создаются лаборатории: «Механика», «Электричество и магнетизм», «Оптика». По курсу Электроника - такие лаборатории как «Аналоговая электроника», «Дискретная электроника» [10], по курсу САУ - «Непрерывные линейные и нелинейные САУ» [11], «Дискретные и цифровые САУ» [12]. Кроме этого имеются лаборатории математико-информационного и социально-экономического профиля. В перечисленный набор вошли в основном лаборатории технического профиля, которым и будет уделено основное внимание в данной работе. Все эти лаборатории в совокупности образуют интегрированный лабораторный комплекс (рис. 1.1), в рамках которого производится подготовка инженера [1]. В настоящее время лаборатории распределены по отдельным кафедрам, зачастую дублируют друг друга, отсутствует унификация при их построении, а также не эффективно используются централизованные информационные и технические ресурсы лабораторного фонда вуза.

Важным моментом является то, что для построения эффективных схем

интеграции информаци-

Дисциплины

Лаборатории

Централизованный информационный и технический ресурс

лабораторного _фонда_

Физика

Механические поля

Электромагнитные

поля

Тепловые поля

ТОЭ Линейные цепи

Нелинейные цепи

Переходные

процессы

Электроника

САУ

• Аналоговая Цифровая Цифроаналоговая

Непрерывные

Дискретные

Адаптивные

Электромеханика

Двигатели постоянного тока Асинхронные Синхронные

Рисунок 1.1 - Структура интегрированного лабораторного комплекса при подготовке инженера

онных и технических средств лабораторий необходимо организовать и исследовать процесс автоматизации лабораторного эксперимента.

Ниже формулируются требования на разработку и исследование автоматизированных лабораторных комплексов (АЛК) [13] для чего рассматриваются средства измерения и автоматизации таких фирм как National Instruments [4],

ряда других фирм, а также собственных средств, ориентированных на создание АЖ.

1.2 Цели и задачи построения АЛК

Основная идея построения АЛК по дисциплинам по дисциплинам Радиоэлектроники [13], Электромеханики [14] и Системам управления [11, 15], предложенная научным руководителем, представлена на Рисунок 1.2. в виде целей и задач, на решения которых направлен предложенный комплекс. Цели и задачи этого построения включают, прежде всего, модернизацию лабораторий по дисциплинам РЭСУ. Замена устаревшего традиционного измерительного оборудования новым, связана со столь большими затратами, что делает такую модернизацию невозможной [2]. Поэтому наиболее рациональные

решения здесь связаны с использованием компьютерных измерительных технологий и виртуальных приборов [16].

Рисунок 1.2- Цели и задачи построения АПК

Следующим важным моментом является разработка методологии организации систем АЛК, где учитываются такие их характеристики как:

• открытость и адаптируемость;

• унификация;

• информативность;

• модульность;

• минимизация ресурсов.

Предложенные научным руководителем основные принципы реализации АЛК [17] представлены на рис. 1.3.

Рисунок 1.3- Принципы реализации АЛК

Создание распределенных баз АЛК по рассматриваемым специальностям позволяет экономить информационные и компьютерные ресурсы учебных заведений. При этом на основном сервере хранятся программно-инструментальные средства АЛК, а на клиентскую часть передаются конкретные параметризованные варианты лабораторных работ.

1.3 Функциональная структура АЛК

Функциональная структура АЛК, предложенная научным руководителем, основывается на том, что проводимый исследователем эксперимент может строиться:

• в канале реального моделирования (КРМ);

• в канале виртуального моделирования (КВМ) [18] ;

• в реально-виртуальных моделирующих структурах, использующих элементы обоих каналов (РВМС).

1.3.1 Реальная (физическая) лаборатория

Наименее автоматизированными являются физические лаборатории в традиционном исполнении (рис. 1.4), куда входят: лабораторная установка с реальным объектом (РО), с набором датчиков (НД) и физических приборов (ФП) и может быть подключен блок обработки данных (БОД), поступающих с приборов и реализуемых вручную или на ПК.

РО НД ФП БОД

Рисунок 1.4 - Функциональная схема физической лаборатории

1.3.2 Виртуальная лаборатория

Виртуальные лаборатории [19] называются также и компьютерными. Поэтому в их состав (рис. 1.5) входят: система формализованного представления реального объекта (РО) в модель вместе с библиотекой компонентов (СФП и БМК), система компьютерного моделирования (СКМ) совместно с виртуальными приборами (ВИП) [20, 21] и блоком обработки выходных данных (БОД) [22].

Рисунок 1.5- Функциональная схема виртуальной лаборатории

1.3.3 Реально-виртуальная лаборатория

Реально-виртуальные лаборатории [23] оперируют с реальными физическими объектами (макетами или установками). Совокупность датчиков передает исследуемые сигналы в устройства сбора данных (УСД), которые отображаются на виртуальных измерительных приборах и далее обрабатываются блоками обработки (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 — Функциональная схема реально-виртуальной

лаборатории

Функциональной полноты АЛК при автоматизации лабораторного эксперимента можно достичь путем применения реально-виртуальных моделирующих структур (РВМС).

Определение: Реально-виртуальной моделирующей структурой называется некоторое в общем случае программно-аппаратное решение, позволяющее объединить каналы реального (аппаратного) и виртуального (компьютерного) моделирования с целью комплексного анализа (отображения) и автоматизации процесса исследования объекта. Их соединяют устройства сбора данных (УСД). Блоки обработки данных (БОД) также позволяют получить необходимые характеристики лабораторной установки на основе алгоритмов обработки прямых измерений.

РВМС, включающие оба типа названных каналов, позволяют сохранить преимущества реального и виртуального каналов и минимизировать присущие им недостатки (рис. 1.7).

Реализация реально-виртуальной моделирующей структуры (рис. 1.6) связана с представлением исследуемого объекта для изучения его характеристик в виде физической модели и математической (компьютерной) модели. Использование компьютерной модели [24, 25] имеет свои преимущества, связанные с возможностью оперативного варьирования структуры и параметров объекта, отображения экстремальных режимов, широкими возможностями экспериментирования. Физическая модель [26] содержит все сведения о реальном объекте: учитывает влияние многочисленных внешних факторов, в том числе и помех, ненадежность элементов и соединений, отклонение от режимов работы источников питания, погрешности измерений. Сочетание этих двух моделей повышает информативность лабораторного эксперимента, дает возможность предварительного ознакомления с принципами функционирования объекта, исследование нереализуемых на физической модели режимов и в то же время позволяет строить многофакторный эксперимент, учитывающий влияние внешней среды.

Лаборатории, построенные на основе реально-виртуальной моделирующей структуры, имеют два канала для проведения эксперимента [27]. В реальном (физическом) канале присутствует физический макет или установка с необходимыми источниками питания, датчиками и средствами коммутации с платами сбора данных, располагающихся в компьютере или автономно. Здесь строится и проводится физический эксперимент. В виртуальном канале проводится вычислительный эксперимент на компьютерной модели, получаемой, как правило, с помощью программ компьютерного моделирования [28] путем использования алгоритмов формального отображения объекта в модель.

Интеграция приведенных типов лабораторий, совместно с РМС и образуют структуру Автоматизированного Лабораторного Комплекса (АЛК), представленную на рис. 1.8 , на базе которой формируются лабораторные практикумы, составляющие автоматизированное рабочее место студента (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 — Обобщенная структура АЛК для реализации лабораторного эксперимента

Рисунок 1.8 — Построение автоматизированных лабораторных практикумов на базе АЛК

Важную роль в реализации AJIK, реализуемых на РВМС, играют виртуальные инструменты и приборы [20].

Рассмотрим кратко особенности технологии построения и использования виртуальных приборов (ВП).

1.4 Технология компьютерного моделирования для создания виртуальных инструментов и приборов

1.4.1 Технология построения виртуальных приборов в системе LabView компании National Instruments

Компания National Instruments [4] уже более 30 лет производит аппаратное и программное обеспечение, которое помогает создавать системы измерений, управления, тестирования. Преимущество технологии состоит в использовании интуитивно понятного и мощного ПО в сочетании с гибко настраиваемой модульной аппаратурой. Программная составляющая определяет функциональность системы и позволяет гибко настраивать и расширять аппаратную часть.

Технология ВП опирается на современную компьютерную технику в сочетании с гибким программным обеспечением и высокопроизводительным модульным оборудованием. Такой подход позволяет использовать постоянно растущую производительность персональных компьютеров и создавать системы автоматизации, отвечающие различным требованиям пользователя.

Используя технологию ВП компании National Instruments (N1), могут создаваться мощные приложения для повышения производительности и эффективности на всех этапах производства - от исследований и опытных разработок до реального производства. Такие системы измерений и автоматизации легко адаптируются к изменяющимся требованиям в условиях постоянно развивающегося рынка.

Используя универсальные технологии N1, такие как Lab VIEW [29] и модульная архитектура PXI на всех технологических этапах производства,

компании оптимизируют издержки на разработку, тестирование и выпуск продукции.

1.4.2 Среда графического программирования LabVIEW

National instruments LabVIEW [30] представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами.

LabVIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией Экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые Экспресс ВП. Благодаря этим особенностям и новички, и эксперты могут легко и быстро создавать приложения в LabVIEW.

Формализм LabVIEW

Формализм системы LabVIEW включает в себя понятийно - определительный аппарат среды графического программирования, представленный в табл. 1.1

Таблица 1.1

№ Термины среды Lab View Содержательное понятие термина

1 Виртуальный прибор (инструмент) Любая программа, созданная в системе LabVIEW

2 Компоненты, составляющие ВП Передняя панель, блок-диаграмма и пиктограмма/коннектор

2.1. Передняя панель (ПП) ПП реализует пользовательский интерфейс с ВП, позволяет задавать исходные данные и отображать результаты работы ВП

2.2. Блок-диаграмма (БД) БД является аналогом традиционной программы и реализует функциональные возможности ВП

2.3. Пиктограмма/ коннектор Пиктограмма/коннектор позволяют использовать ВП в качестве подпрограммы (SubVI, виртуальный "подприбор")

3 Состав системы Lab VIEW Ядро, интегрированная графическая среда, Набор библиотек элементов

3.1. Ядро LV ПП, обеспечивающая работоспособность программных процессов, разделение аппаратных ресурсов между процессами

3.2. Интегрированная графическая среда (ИГС) ИГС служит для разработки, выполнения и отладки программ

3.3 Язык "G"; Компилятор графического языка "G";

3.4. Набор библиотек элементов Библиотека визуальных и логических элементов для построения ВП: библиотеки графических элементов пользовательского интерфейса, библиотеки функций и подпрограмм, библиотеки драйверов, библиотеки программ для организации взаимодействия с измерительно- управляющими аппаратными средствами

3.5. Развитая справочная система

3.6. Обширный набор программ-примеров

4 Конструкции программирования LabVIEW

4.1. Терминалы Терминалы создаются системой LabVIEW на блок- диаграмме автоматически, как только какой-либо элемент создается программистом на передней панели. В зависимости от настроек LabVIEW терминалы отображаются либо как пиктограммы, соответствующие элементам передней панели, либо как цветные прямоугольники разного вида.

4.1.1. Терминал-регулятор Терминал-регулятор позволяет считать данные с передней панели и передать их в программу для дальнейшей обработки;

4.1.2. Терминал-индикатор Терминал-индикатор позволяет отобразить результаты работы ВП на лицевой панели.

4.2. Узел Узел - это аналог понятия "оператор" в текстовом языке программирования. Узлы - все то, что выполняется во время работы ВП.

4.3. Провода Провода - это разноцветные линии на блок-диаграмме, определяющие передачу данных от источника к приемнику во время работы ВП

4.4. Пиктограмма/коннектор Пиктограмма - компактное графическое изображение узла. Обычно при создании блок-диаграммы все узлы изображаются в виде пиктограмм.

5. Коннектор Коннектор - определенная конфигурация контактов, позволяющих передать узлу исходные данные и получить результаты его работы.

6. Технология Dataflow выполнения виртуального прибора Общие правила алгоритма с использованием графического языка программирования "С' таковы: 1. Ни один узел не может выполниться до тех пор, пока на все контакты его коннектора, к которым подключены провода, не поступят данные. 2. Если данные поступают на несколько узлов "одновременно", то и выполняются эти узлы "одновременно".

Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию. Lab VIEW предлагает:

• Интуитивно понятный процесс графического создания приложений для измерений, управления и тестирования [31].

• Полноценный язык программирования.

• Встроенные средства для сбора данных, управления приборами, обработки результатов, генерации отчетов, передачи данных и др.

• Совместимость с разнообразными приборами благодаря наличию 2000 драйверов и возможности генерации кода интерактивным мастером.

• Шаблоны приложений и сотни примеров.

• Высокая скорость выполнения откомпилированных программ.

Обучение и техническая поддержка мирового уровня.

Lab VIEW может работать под управлением операционных систем Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.

Приложения, написанные в Lab VIEW, находят широкое применение в разнообразных отраслях промышленности: в автомобильной, телекоммуникационной, аэрокосмической и полупроводниковой промышленности, разработке и производстве электроники, управлении производством, биомедицине и многих других отраслях. Благодаря своей гибкости и масштабируемости, Lab VIEW может использоваться на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний.

Стартовые системы National Instruments для вузов представляют собой недорогие аппаратно-программные комплексы, предназначенные для разработки учебных контрольно-измерительных систем начального уровня, а также для быстрого ознакомления студентов и преподавателей с технологиями National Instruments [32].

Стандартные системы National Instruments для вузов представляют собой специализированные наборы высокопроизводительных аппаратных и программных средств National Instruments, ориентированных на разработку самого широкого спектра учебных и лабораторных контрольно-измерительных систем.

Полную комплектацию стартовых и стандартных систем для вузов можно найти на сайте ni.com/russia в разделе «Образовательная программа».

1.4.3 Системы моделирования для автоматизации эксперимента

Помимо системы Lab View фирмы National Instruments, детально разобранной в предыдущем пункте, для автоматизации вычислительного эксперимента могут быть применены системы MultiSim [33], Simulink [34],Trace Mode [35] и другие подобные системы.

Система МиШ81т [36] предназначена для моделирования электронных схем. Ее библиотека моделей компонентов содержит большое количество элементов электрических схем (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, транзисторов, операционных усилителей и др.). Для визуализации и обработки результатов разработаны виртуальные аналоги различных измерительных приборов, широко использующихся при исследовании электронных схем: осциллографа, функционального генератора, плоттера Боде, позволяющего строить частотные характеристики исследуемых объектов.

Waveforms - -

Ш mi

» Signal Options f Frequency i 1 I Duty Cycle [ ,"r Amplitude J10

Offset

tui

a)

6)

в)

I Magnitude

Vfertical - Horizontal - -

jTog" Lir [ [Log" UnJ

i | [i

: GHz mHz

4-I -»I

+ Г In Г -

+ С Out Г -

Г)

Рисунок 1.9 - Виртуальные приборы системы MultiSim

Приведенные на рис. 1.9 виртуальные приборы позволяют приблизить компьютерный эксперимент к реальному только при исследовании электронных схем. Для исследования технических объектов любой другой физической природы с помощью системы МиШБт необходимо построить его аналог с помощью элементов электрической природы, включенных в библиоте-

ку компонентов. Данная библиотека имеет закрытый характер и не позволяет создавать новые модели компонентов и новые виртуальные приборы.

Являясь системой моделирования электронных систем, MultiSim позволяет исследовать объекты с элементарными связями. При моделировании с его помощью информационных объектов их необходимо представить в виде электронных схем, исследуя напряжения в них. Такое представление информационных систем вносит значительную избыточность в методы их анализа и затруднено в виду сложного представления информационных компонентов.

Для анализа информационных систем широко применяется система Simulink [37], входящая в пакет MatLab [38]. Для моделирования систем с энергетическими связями, таких как систем электротехники, электроники, теплоэнергетики и других, необходимо каждый компонент представить своей схемой замещения из компонентов с информационными связями, расщепив одну элементарную связь на две информационные. Для визуализации результатов моделирования в системе Simulink разработаны стандартизованные блоки получателей данных. Наибольший интерес в данной диссертации представляет блок виртуальных регистраторов, в который входят осциллограф для Наблюдения временных характеристик и других зависимостей, плавающий осциллограф, графопостроитель, позволяющих строить графики и векторные диаграммы в полярной системе координат. Система Simulink, обладая мощным математико-алгоритмическим аппаратом для моделирования динамических систем, не позволяет создавать пользователю собственные виртуальные инструменты и приборы, а существующие в ней приборы мало приближают проводимый в ней вычислительный эксперимент к натурному.

Большинство систем, предназначенных для разработки стенда визуализации и управления SCADA-систем, не имеют в своем составе средств моделирования технических объектов. К таким системам можно отнести систему Trace Mode [39], применяемую для формирования лицевых панелей и алгоритмов функционирования систем контроля и управления техническими объ-

ектами и технологическими процессами, называемыми SCADA-системами. Каждый проект SCADA-системы состоит из экранов - лицевых панелей приборов, мнемосхем - блок-диаграмм алгоритмов функционирования, а также средств взаимодействия с базами данных и других средств сбора, обработки данных, принятия управленческого решения и его применения. Для программирования алгоритмов функционирования разрабатываемого проекта АСУ в TRACE MODE 6 включены языки Техно ST, Техно SFC, Техно FBD, Техно LD и Техно IL. Данные языки являются модификациями языков ST (Structured Text), SFC (Sequential Function Chart), FBD (Function Block Diagram), LD (Ladder Diagram) и IL (Instruction List) стандарта IEC61131-3.

Разработка стендов управления используются стандартные графические образы, включающие в себя органы управления параметрами управляемого объекта и средства визуализации измеренной и обработанной информации. С помощью разработанных стендов и алгоритмов управления система Trace Mode позволяет управлять реальными техническими объектами и измерять текущие характеристики при их функционировании.

На российском рынке существует средство построения пользовательских систем измерений, автоматизации и управления ZetLAB, которые представляет собой набор инструментария, используя которых в средствах объектно-ориентированного программирования, таких как Visual Studio .Net, Borland Delphi и др. Такая технология разработки виртуального прибора является достаточно трудоемким процессом и требует от разработчика знаний и умений в программировании на одном из языков программирования.

Необходимо отметить, что внедрение таких лабораторий в российских вузах весьма затруднительно с одной стороны по причине довольно высокой стоимости, с другой стороны из-за технических трудностей в их практической реализации в учебном процессе преподавателями и массовом освоении студентами.

Кроме того существенным недостатком рассматриваемых систем является отсутствие возможностей их сопряжения с системами моделирования как по каналу измерения, так и особенно по каналу управления.

Поэтому актуальным является построение собственных алгоритмов и программ, на которых базируется процесс автоматизации лабораторного эксперимента, производимого как в учебном процессе, так и в учебно-научных исследованиях.

Выводы

1. На основе выявленных проблем внедрения информационно-измерительных технологий в процесс подготовки специалистов технических областей знаний сформированы цели и задачи автоматизированного лабораторного комплекса, направленного на автоматизацию проведения исследовательских экспериментов с техническими объектами и их компьютерными моделями;

2. На основе программно-инструментальных средств автоматизированного лабораторного комплекса сформирована структура автоматизированного рабочего места экспериментатора-исследователя, предназначенного для проведения лабораторных экспериментов в каналах реального и виртуального моделирования;

3. Проведен анализ существующих технологий и основанных на них программных средств, предназначенных для построения виртуальных инструментов и приборов с последующим их применением для автоматизации лабораторного эксперимента.

2 Методика моделирования объектов с численной обработкой результатов виртуальных измерений

2.1 Функциональные характеристики подсистем АЛК

В соответствии с поставленными выше задачами построения автоматизированных лабораторных комплексов [40] в данной работе будем исследовать АЛК, базирующиеся на виртуальных инструментах и приборах.

В такой постановке создание инструментов и средств автоматизации лабораторного эксперимента [41, 42] производится обычно в рамках виртуальной лаборатории (ВЛ) [43] и включает в себя разработку математического, информационного и программного обеспечения, причем наиболее сложным звеном является программное обеспечение, а именно система моделирования [44] и блоки математической обработки результатов эксперимента [45, 22]. Виртуальные лаборатории [19] называются также и компьютерными. Поэтому традиционно в их состав входят: система компьютерного моделирования (СКМ) [46] - среда МАРС [47], сопряженная с системой формализованного представления (СФП) реального объекта (установки или макета) в компьютерную модель (КМ) вместе с библиотекой моделей компонентов (БМК), система автоматизации вычислений (CAB) [48] и блоками отображения выходных данных (рис. 2.1, обведено пунктиром), а также средства поддержки и автоматизации эксперимента (обведены в рамку).

Перечислим основные составляющие данной схемы и дадим характеристику блокам, входящим в ее традиционную часть, а также сформулируем требования к новым блокам, призванным автоматизировать лабораторный эксперимент и образующие совместно с вычислительным экспериментом Автоматизированный Лабораторный Комплекс (АЛК) [9].

1. Лабораторная установка (макет) являются здесь тем объектом исследования, на базе которого и проводится необходимый эксперимент.

Рисунок 2.1 - Структурно-функциональная схема ВЛ на базе АЛК в среде МАРС

2. Система формализованного представления объекта (СФП) [49, 50] позволяет сформулировать основные принципы и законы функционирования исследуемой системы (объекта). Производится формализованное представление объекта исследования для целей его компьютерного моделирования с помощью метода компонентных цепей (МКЦ) [51, 52].

3. Среда МАРС [47, 53], в задачи которой входит построение модели объекта исследования на основе его системного анализа [54], где с помощью системы компьютерного моделирования (СКМ) [44] строится соответствующая математическая модель [55], обычно представляющая запись неких законов и отношений, характеризующих поведение объекта в форме системы уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных и т.п.). При

этом модель всей системы строится из совокупности моделей компонентов путем их запроса из библиотеки моделей компонентов (БМК).

Обеспечение методик для расчета необходимых параметров эксперимента и входящей в него установки производится с помощью системы автоматизации вычислений (CAB) [48].

Обе системы как СКМ, так и CAB используют универсальный Вычислитель [56], который служит для реализации и развития численных и численно-аналитических методов анализа моделей [57, 58] и представляет собой мощное вычислительное ядро, содержащее программы анализа линейных и нелинейных моделей, а также моделей, содержащих алгебро-дифференциальные уравнения.

После того, как решение получено, необходимо исследовать его на корректность, а также изучить качественное поведение решения и найти те или иные количественные характеристики объекта. В автоматизированных схемах моделирования корректность компьютерной модели объекта обычно достигается через корректность моделей отдельных компонентов и контроля правильности топологических соединений;

4. Отображение результатов. Результаты анализа представляются в форме таблиц или графиков, которые анализируются с точки зрения их соответствия исследуемому явлению. При необходимости вносятся исправления в численный метод, уточняется математическая модель, корректируются топологические связи компонентов в цепь и т.п.

Приведенные этапы характеризуют традиционную схему вычислительного эксперимента, не содержащую ряда необходимых блоков, способных существенно повысить его эффективность.

Рассмотрим подробнее те этапы, и соответствующие им блоки, которые автоматизируют традиционный вычислительный эксперимент, существенно расширяя его возможности и повышая такие его характеристики как информативность, оперативность, содержательность и качество эксперимента:

5. Панель измерения и управления экспериментом [59] - экспериментатор формирует измерительные приборы, а также элементы коммутации и управления, необходимые для взаимодействия со схемой объекта и объединяет их в комплексную панель эксперимента;

6. Компьютерные модели приборов и элементов управления. Здесь возможны два подхода. Первый - связан с созданием программ, реализующих приборы. Второй подход предполагает построение специального редактора виртуальных инструментов и приборов, который должен иметь открытый характер и позволять генерировать новые приборы и элементы управления;

7. Генератор моделей компонентов в ИМП [60]. В процессе эксперимента часто оказывается, что в библиотеке отсутствует нужная модель компонента. Необходимость оперативно достроить и ввести в процесс эксперимента новую модель компонента, экспериментировать с ней, уточняя и корректируя ее, можно путем применения Интерактивной Математической Панели (ИМП) [61], которая строится на базе системы автоматизированных вычислений (САВ);

8. Блоки обработки результатов [22] позволяют в автоматизированном режиме с помощью универсального вычислительного ядра получать интегральные оценки временных и частотных характеристик, которые являются результатами анализа модели. Блоки обработки выходных данных предназначены для вычисления параметров-функционалов, которыми являются максимальное, среднее, действующее значения, период функции во временной области и резонансная частота, частота среза ЛАЧХ и другие - для частотной области [11]. Для формирования новых блоков обработки выходных данных также используется ИМП;

9. Автоматизированное сопровождение эксперимента [62] позволяет автоматизировать поэтапный ход экспериментального процесса вплоть до формирования отчета о выполненном эксперименте для представления его проверяющему.

Таким образом, предложенная структурно-функциональная схема АЛК на базе ВЛ позволяет автоматизировать большинство этапов проведения виртуальных лабораторных работ учебного характера и выполнения научных исследований компьютерных моделей технических объектов.

2.2 Требования к подсистемам АЛК

Основными требованиями к программно-инструментальному аппарату В Л некоторого курса являются [63]:

■ максимальная графичность отображения структур схем или систем, а также возможность редактирования вводимой информации (современный графический редактор схем и редактор компонентов) [64];

■ быстрый расчет характеристик схем и систем с визуализацией результатов в привычном для экспериментатора виде;

■ удобства по исследованию влияния вариаций параметров компонентов на характеристики системы в целом, дополненной возможностью параметрической оптимизации [65];

■ наличие развитого блока обработки выходных и промежуточных данных. 2.2.1 Структура и задачи среды МАРС для лабораторного эксперимента

На кафедре ТОЭ ТУ СУР разработана универсальная среда МАРС [47] и накоплен большой опыт моделирования технических систем различной физической природы [44, 49, 51, 52, 66]. Необходимым и достаточным условием применимости аппарата моделирования являются:

- возможность декомпозиции на функционально либо пространственно обособленные единицы-компоненты;

- возможность «сборки» из выделенных компонентов различных устройств;

- наличие для каждого из компонентов его интерфейса и математического описания, характеризующего его поведение.

Среда МАРС имеет широкий набор режимов анализа, а адаптация к моделированию нового класса устройств осуществляется оперативно путем использования развитой БМК либо автоматизированной генерации моделей компонентов [67]. Однако оперативная генерация модели компонента в БМК либо непосредственно в вычислительный эксперимент остается проблемой, которую необходимо решать.

Предлагаемая разработка - среда МАРС для учебных и научных лабораторных исследований [47] - предоставляет возможность проводить лабораторные работы с применением виртуального аналога технического объекта, а также выполнять математические расчеты, предшествующие непосредственному проведению эксперимента или являющиеся обработкой его результатов. Вместе с этим она должна удовлетворять следующим требованиям для целей вычислительного эксперимента:

• Экспериментальный процесс имеет открытый характер, поэтому границы эксперимента должны устанавливаться в ходе самого эксперимента;

• Обеспечение возможности топологического и параметрического манипулирования структурой объекта с целью быстрой настройки его модели на нужный режим;

• Иметь достаточно универсальное и мощное вычислительное ядро [56], позволяющее быстро и точно анализировать предлагаемые варианты схем в различных режимах их работы;

• Давать возможность системных действий со средой моделирования в процессе вычислительного эксперимента типа: Останов; Пуск; Пауза;

• Создавать и пополнять библиотеку моделей компонентов моделирующей системы в интерактивном режиме;

• Среда моделирования должна иметь широкие возможности измерения и регистрации (в отчет) результатов эксперимента.

Для осуществления этих возможностей среда моделирования должна иметь структуру (рис. 2.2), в которую включены следующие элементы:

— подсистема моделирования [68], позволяющая производить анализ виртуального аналога технического объекта, сформированного из моделей компонентов, включенных в библиотеку моделей компонентов, в статическом или динамическом (во временной или частотной области), а также в экспериментальном режимах;

- подсистема вычислений [48], позволяющая проводить сложные

математические расчеты, введенные пользователем в редактор математических выражений [69], аппроксимировать и обрабатывать данные лабораторного эксперимента.

Рисунок 2.2 - Структура расчетно-моделирующей среды МАРС

Помимо этого в состав расчетно-моделирующей среды входят:

- блок вычислительного эксперимента включает в свой состав пакет основных схем лабораторных работ £70, 71], сформированных ранее в среде МАРС;

- блок математических расчетов представляет собой банк методик к лабораторным работам [72], которые предписывают программу проведения компьютерного исследования в рамках лабораторной работы.

2.2.2 Подсистема компьютерного моделирования

Для проведения экспериментов над виртуальными аналогами технических объектов в рамках среды моделирования МАРС [47] используется подсистема моделирования в составе СМ МАРС [8, 23], оснащенная редактором компонентных цепей и средствами визуализации результатов моделирования. Исследуемый объект представляется графически в форме компонентной цепи [66] из привычных для предметной области компонентов. Для этого предлагается использовать специальный графические редакторы, включающие себя редактор схем [64] и редактор виртуальных инструментов и приборов [73]. В соответствии с планом и задачами вычислительного эксперимента [74] в эту цепь вводятся измерительные приборы, а измеряемые приборами величины выдаются в таблицу или на график. Параметры входящих в цепь моделей компонентов задаются, либо модели компонентов заранее настраиваются на конкретные параметры.

Диалоговая часть среды позволяет в удобном для пользователя виде выбирать режимы анализа и задавать их параметры. Реализованы следующие наиболее часто использующиеся режимы анализа электротехнических, радиоэлектронных и электромеханических объектов:

• анализ линейных и нелинейных цепей в статическом и динамическом режимах (последний в частотной и временной областях);

• многовариантный анализ в статическом и динамическом режимах [75];

• анализ чувствительности и устойчивости [76].

Применение специальных алгоритмов обеспечивает повышенную устойчивость и надежность вычислительного процесса анализа [77].

Графическое и табличное представление результатов моделирования производится в удобной форме, допускающей последующую обработку. Пакет программ обработки результатов открыт для наполнения.

В условиях распространения дистанционного и открытого образования [78] предлагаемое универсальное программное обеспечение позволяет быстро и с низкими затратами создавать новые виртуальные лаборатории [19] и компьютерные задачники [79] для обеспечения таких дисциплин как: электротехника [80], электромеханика, системы автоматического управления [15] и другие.

В редакторе компонентных цепей (рис. 2.3) пользователь формирует компонентную цепь исследуемого технического объекта, состоящую из моделей компонентов, входящих в библиотеку моделей компонентов среды МАРС (рис. 2.4).

. г /

Исследование метода активного двухполюсника'на переменном токе, проверка фазовых соотношений токов и напряжений на элементах

Рисунок 2.3 - Редактор компонентных цепей

Структура ;

:••-■<=> резистор

Конденсатор

;.....Индуктивность

Переменные двухполюсники й О Пассивные четырехполюсники ••••••^ Взаимоиндуктивность

:--ЗС Трансформатор Компоненты источников

•.....4- Земля

:.....© Источник Е

(/>) Источник I

Источник Е5 № Источник К А

Рисунок 2.4 - Библиотека моделей компонентов

Для исследования технических объектов среда МАРС имеет следующие средства визуализации результатов вычислительного эксперимента:

- график, с помощью которого исследуются функциональные зависимости некоторых потоковых и потенциальных переменных в динамическом (во временной и частотной области) режиме;

-компоненты-регистраторы с цифровыми табло, которые выводят информацию об измеряемой величине в цифровом виде. Такие компоненты рекомендуется применять в статическом и динамическом (во временной области) режимах анализа.

Современные системы моделирования, обеспечивающие проведение вычислительного эксперимента, позволяют создавать и подключать к схеме эксперимента виртуальные приборы. В число измерительных приборов входят мультиметр, одноканальный и двухканальный осциллографы, построитель частотных характеристик и другие приборы, реализуемые с помощью возможностей редактора виртуальных инструментов и приборов (РВИП), архитектура которого рассматривается в следующей главе.

2.2.3 Подсистема автоматизированных вычислений Подсистема автоматизированных вычислений предназначена для проведения сложных математических расчетов с использованием действительных и комплексных чисел. Для расчета каждое математическое выражение, набранное в математическом редакторе [69], на основе системы отображения

ЕВ

.=1а1х|

[Файл] Правка Вид Вставка Расчет Настройка Помощь

.. J а ' ? . I

т М й Ь: ш . & V п . _

Я •1-1,1'2-1'3,1-4'1-5,1'6-1'7'1-

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Коротина, Татьяна Юрьевна

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).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коротина, Татьяна Юрьевна, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. АКТАКОМ - Измерительные приборы, паяльное оборудование,

промышленная мебель. [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.aktakom.ru [свободный].

2. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7/ Под. ред. Бутырина П.А. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

3. Комплект виртуальных приборов для учебных лабораторий N1 ELVIS. Технические средства. Руководство пользователя // National Instruments. - 2006.

4. National Instruments - Test and Меазигетеп^Электронный ресурс] -Режим доступа: www.ni.com [свободный].

5. ITE - Automotive training / Automotive, Electronics and Communications Vocational Training and Education [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.itelrd.com [свободный]

6. Сайт компании «АУРИС» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.auris.ru/rus/newsarch.htm [свободный].

7. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов / В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. -М.:Высш. шк., 1989. - 400 с.

8. Дмитриев В.М. Среда моделирования МАРС / В.М. Дмитриев, А.В. Шутенков, Т.Н. Зайченко, Т.В. Ганджа, А.Н. Кураколов // В-Спектр, 2009. - 299 с.

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

10. Электроника - практический курс: Пер. с англ. / М.Х. Джонс; пер.: Е.В. Воронов, А.Л. Ларин. - 2-е изд., испр. - М.: Техносфера, 2006. - 510 е.: ил.

11. Теория систем автоматического регулирования: научное издание / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - 3-е изд., испр. - М.: Наука, 1075. - 767 с.

12. Коу Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1986. - 448 с.

13. Бессонов В.В. Радиоэлектроника для начинающих (и не только): учебное пособие/ В.В.Бессонов; Отв. исполн. С.Иванов.— М.: Солон, 2001.-502 с.

14. Информатика и вычислительная техника: Учебное пособие для вузов/ В.В. Вьюхин [и др.]; ред.: В.Н.Ларионов.- М.: Высшая школа, 1992.-186 с.

15. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с.

16. Пец А. В. Цифровые технологии в научных исследованиях как компонент образовательного пространства инженерного вуза// Информатика и образование. - 2009, № 1. - С. 112-113

17. Дмитриев В.М., Дмитриев И.В., Шутенков A.B. Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс для обучения студентов технических специальностей. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - 151 с.

18. Носов H.A. Манифест виртуалистики. - М.: Путь, 2001. - 17 с. -(Тр. лаб. виртуалистики. Вып. 15.).

19. Дмитриев В.М. Виртуальные лаборатории и программно-инструментальное обеспечение для их разработки / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Компьютерные технологии в образовании. Под ред. В.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001. - Вып. 1. - с. 86 - 94.

20. Пец A.B. Технология виртуальных приборов как ресурс развития физического практикума // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. - 2006. - № 4. - С. 106-109.

21.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.

22. Ганджа Т.В. Блок обработки результатов вычислительного эксперимента в системе автоматизации функционального проектирования электромеханических систем / Т.В. Ганджа, Т.Н. Зайченко // Современная техника и технология. Труды VII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.- Т.2. - 2001.-С. 23-25.

23. Дмитриев В.М. Среда автоматического моделирования для реально-виртуальных лабораторий / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Т.В. Ганджа, А.Н. Кураколов // Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления. Всероссийская конференция. - Томск. 2002. - с. 111-113.

24. Влах И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И. Влах, К. Синхгал. - М.: Радио и связь, 1988. - 557 с.

25. Дмитриев В.М. Формализованное представление систем с информационно-энергетическими потоками в связях / В.М. Дмитриев,

A.B. Шутенков / Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - стр. 15-22.

26. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Издательство «Наука», 1972. - 440 с.

27. Пец A.B. Интеграция вычислительного и натурного эксперимента на лекционных и лабораторных занятиях // Известия Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота: психолого-педагогические науки. - 2009. - № 6 (10). - С. 117-118.

28. Автоматизация схемотехнического проектирования/ В.Н. Ильин,

B.Т. Фролкин, А.И. Бутко и др.; Под ред. В.Н. Ильина. - М.: Радио и связь, 1987.-368 с.

29. Riccardo De Asmundis. Labview - Modeling, Programming and Simulations. - 2011. - InTech. - 306 pp.

30. Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. Lab VIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.

31. Федосов В. П., Нестеренко А. К. Цифровая обработка сигналов в Lab VIEW: учеб. пособие / под ред. В. П. Федосова. - М.: ДМК Пресс, 2007. -456 с.

32. Батоврин В. К., Бессонов А. С, Мошкин В. В., Папуловский В.Ф. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий: Учебное пособие для вузов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 208 с: ил.

33. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых утройств. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2002. -260 с.

34. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/60. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала».- М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с.

35. Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы. -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2007. -271 с.

36. James W. Nilsson, Susan Riedel. Introduction to Multisim for Electric Circuits. - Prentice Hall. - 2011. - 144 pp.

37. James Dabney, Thomas L. Harman. Mastering Simulink. - Pearson/Prentice Hall. - 2004. - 376 pp.

38. Beucher O. and Weeks M. Introduction to MATLab & Simulink: A Project Approach, Third Edition. - Infinity Science Press LLC: Hingham, Massachusetts. - 2006. - 404 pp.

39. Кравченко И.В. Технологии SCADA TRACE MODE 6 для создания телемеханических систем управления // Автоматизация в промышленности. -2008. - № 4. - с. 47-48/

40. Дмитриев В.М. Принципы реализации автоматизированных лабораторных комплексов с локальным и удаленным доступом /

B.М.Дмитриев, Т.Ю. Коротина// Доклады ТУСУР. - № 2 (16).- 2007.-

C. 121-128.

41. Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. Введение в информатику с позиций математического моделирования / Авт. Пред. A.A. Самарский. - М.: Наука, 1988. - 176 с.

42. Основы научных исследований: Учеб. для техн. ВУЗОВ / В.И. Крутов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. - М.: Высш. шк., 1989. - 400 с.

43. Дмитриев В.М. Виртуальные лаборатории и программно-инструментальное обеспечение для их разработки / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков // Компьютерные технологии в образовании. Под ред. В.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001. - Вып. 1. - С. 86 - 94.

44. Дмитриев В.М. Система автоматизации моделирования управляемого электропривода / В.М. Дмитриев, Т.Н. Зайченко, В.М. Зюзьков и др. - Томск: Изд-во ТГУ, 1997. - 92 с.

45. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений: Квазиправдоподобные оценки. - Изд. 2-е, перераб. И доп. -М.: Радио и связь, 1983.-304 с.

46. Дмитриев В.М. Расчетно-моделирующая среда для учебных и научных лабораторий / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа // Вестник Московского городского педагогического университета. - № 2. - 2004 г. - с. 40 - 45.

47. Дмитриев В.М. Среда автоматизированного моделирования для реально-виртуальных лабораторий / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Т.В. Ганджа, А.Н. Кураколов // Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления. - Томск: ТУСУР, 2002. - С. 111-113.

48. Дмитриев В.М. Математика на Макрокалькуляторе: Учебное пособие/ В.М.Дмитриев, Т.В. Ганджа, И.В. Истигечева// Федеральное агентство по образованию. Томск, гос. ун-т. Систем упр. и радиоэлектроники, Высший колледж информатики, электроники и

менеджмента. - Томск: Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007.-110 с.

49. Дмитриев В.М. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники / В.М. Дмитриев, Т.Н. Зайченко, А.Г. Гарганеев, Ю.А. Шурыгин. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000 - 292 с.

50. Дмитриев В.М. Формализованное представление систем с информационно-энергетическими потоками в связях / В.М. Дмитриев,

A.B. Шутенков // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - стр. 15-22.

51. Арайс Е.А. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем / Е.А. Арайс, В.М. Дмитриев. - М.: Машиностроение, 1987. -240 с.

52. Арайс Е.А. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ / Е.А. Арайс, В.М. Дмитриев. - М,: Радио и связь, 1982. - 160 е., ил.

53. Дмитриев В.М. Архитектура расчетно-моделирующей среды для реализации виртуальных лабораторий / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа //Дистанционные образовательные технологии, Выпуск 1. Пути реализации. Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2004. - с. 70 - 77.

54. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа: Учеб. 2-е изд., доп. - Томск: Изд-во HTJI, 1997. - 396 е.: ил.

55. Калабеков Б.А. Методы автоматизированного расчета электронных схем в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Б.А. Калабеков,

B.Ю. Лапидус, В.М. Малафеев. -М.: Радио и связь, 1990. - 272 е.: ил.

56. Дмитриев В.М. Архитектура универсального вычислительного ядра для реализации виртуальных лабораторий / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Т.В. Ганджа// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. № 2. - стр. 24 - 28.

57. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем. -М.: Энергия, 1980г., 640с.

58. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. - 432 с.

59. Ганджа Т.В. Структура и функции менеджера эксперимента среды моделирования МАРС // Научная сессия ТУ СУР - 2006: материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-7 мая 2006 г.- Томск: Изд-во «В-Спектр»„ 2006. Ч. 5. -с. 212-214

60. Дмитриев В.М. Генератор моделей компонентов с энергетическими связями физически неоднородных цепей на базе интерактивной математической панели / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, Т.Ю. Коротина // Доклады ТУСУР. - № 2 (20). - 2009. - С. 94-99.

61. Дмитриев В.М., Ганджа Т.В. Интерактивная математическая панель для моделирования систем с информационными и энергетическими связями // Электронные средства и системы управления: Материалы международной научно-практической конференции. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2004. В трех частях. Ч. 2 - с. 62 - 65.

62. Ганджа Т.В. Структура и функции менеджера эксперимента среды моделирования МАРС // Научная сессия ТУСУР-2006: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-7 мая 2006 г. - 2006. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2006. -Ч. 5.-С. 253-256.

63. Дмитриев В.М. Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс для обучения студентов технических специальностей / В.М. Дмитриев, И.В. Дмитриев, A.B. Шутенков. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.- 151 с.

64. Кураколов А.Н. Работа в среде моделирования «МАРС» // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - стр. 93-103.

65. Ганджа T.B. Параметрический синтез технических объектов // Компьютерные технологии в образовании. Под. ред. В.М. Дмитриева. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2001. - Вып. 1.-е. 194-200.

66. Дмитриев В.М Автоматизация моделирования промышленных роботов// В.М. Дмитриев, JI.A. Арайс, A.B. Шутенков. - М.: Машиностроение, 1995. - 304 с.

67. Zyuz'kov V.M. Generation of computing models in the Mathematica system // Application of the Conversion Research International Cooperation (SIMCOVERS'99)/ The 3-nd international symposium, Tomsk, May 18-20, 1999. Proceedings, Vol. 1. - Tomsk: Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 1999.-P. 174- 175.

68. Алгоритмы и программы анализа сложных цепей и систем. Арайс Е.А., Арайс Л.А. Дмитриев В.М. - ТГУ, 1976. - 169 с.

69. Ерошкин М.А. Язык представления математических выражений для реализации редактора Макрокалькулятора / М.А. Ерошкин, Т.В. Ганджа // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - стр. 23 - 28.

70. Дмитриев В.М. Опыт разработки и эксплуатации виртуальной лаборатории по курсам ТОЭ и ОТЦ / В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Ю.В. Гусев, Т.В. Ганджа, Т.Ю. Коротина // Современное образование: инновации и конкурентноспособность: Материалы региональной научно-методической конференции. - Томск: Томск, гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2002. - с. 85 - 86.

71. Зайченко Т.Н. Виртуальная учебная лаборатория по курсу «Теория автоматического управления» / Т.Н. Зайченко, Т.В. Ганджа // Компьютерные технологии в образовании / Под ред. В.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - с. 79 - 87.

72. Дмитриев В.М. ЛАРМ: Автоматизированный лабораторный комплекс по электротехнике и электронике: Учебное пособие для вузов /

В.М. Дмитриев, A.B. Шутенков, Т.В. Ганджа, А.Н. Кураколов. - Томск: В-Спектр, 2010.- 186 с.

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

74. Современный эксперимент: подготовка проведение, анализ результатов / В.Г. Блохин, О.П. Глудкин, А.И. Гуров, М.А. Ханин; Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь, 1997. - 232 с

75. САПР. Системы автоматического проектирования: учеб. пособие для техн. Вузов. В 9 кн. Кн. 5. Автоматизация функционального проектирования / П.К. Кузьмик, В.Б. Маничев; Под ред. Норенкова. - Мн.: Выш. шк., 1988. - 141 е.: ил.

76. Ганджа Т.В.. Многовариантный анализ характеристик технических объектов в системе МАРС. // «Радиотехнические и информационные системы и устройства», Тезисы докладов региональной научно-технической конференции студентов и молодых специалистов. Томск, 2000. - с. 118-119.

77. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем/П.Д. Крутько, А.И. Максимов, J1.M. Скворцов; Под ред. П.Д. Крутько. - М.: Радио и связь, 1988. - 306 с: ил.

78. Дистанционное образование: Учебное пособие / По ред. Е.С. Полат. -М.: Гуманит. Изд. Центр ВЛАДОС, 1998, 192 с.

79. Дмитриев В.М. Задачи построения компьютерных тренажеров / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа // «Дистанционные образовательные технологии», Выпуск 1 «Пути реализации». Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2004. - с. 70 - 77

80. Дмитриев В.М., Гусев Ю.В., Хатников В.И., Шутенков A.B., Ганджа Т.В. Теоретические основы электротехники. Ч. 1. Установившиеся режимы в линейных электрических цепях: Электронный учебник. - Томск: 2003.-ИЗ с.

81. Дмитриев В.M. Алгоритм формирования и вычисления математических выражений методом компонентных цепей / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа // Математические машины и системы. - 2010. - № 3 - С. 9-21

82. Лаходынов B.C. Реализация методов аппроксимации для решения задач учебного характера // Современное образование: технические университеты в модернизации экономики России: материалы междунар. науч.-метод. конф., 27-28 января 2011 г., Россия, Томск. — Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2011. - С. 88-89.

83. Моделирование сложных систем: монография / Н. П. Бусленко. - 2-е изд., перераб. - М. : Наука. Физматлит, 1978./-400 с. : ил.

84. Силич В.А., Силич М.П. Системный анализ и исследование операций: Учебное пособие. - Томск: изд. ТПУ, 2000. - 97 с.

85. Введение в математическое моделирование. Учебное пособие. Под ред. П. В. Трусова. — М.: Логос, 2004.

86. Зевеке Г.В., Ионин П.А., Нетушин А, В., Страхов C.B. Основы теории цепей. - М.: Энергоиздат, 1989 - 528с.

87. Ганджа Т.В. 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 Новосибирского государственного университета. - С. 50-57.

88. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик,, Фортран, Паскаль. - Томск: МП «РАСКО», 1991.-272 с.

89. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Дж. Холл, Дж. Уатт. - М.: Издательство «Мир», 1979.-312 с.

90. Головкина Л.И. Линейная алгебра и некоторые ее приложения: Учебное пособие для ВТУЗЗОВ / Л.И.Головкина.- 2-е изд., доп.- М.: Наука, 1975.-407 с.

91. Блюм П. Lab VIEW: стиль программирования. Пер. с англ. под ред. Михеева П.- М.: ДМК Пресс, 2008 - 400 с. :

92. Harel D. Statecharts: A visual formalism for complex systems //Sei. Comput. Program. 1987. Vol.8. — P. 231-274

93. Дмитриев B.M. Система визуализации и управления вычислительным экспериментов в среде многоуровневого моделирования МАРС / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, Т.Ю. Коротина // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2010.-№ 1 (21).-Часть 2.-С. 149-155.

94. Ларман К. Применение UML и шаблонов проектирования. Введение в объектно-ориентированный анализ и проектирование: Учебн. пособие: Пер. с англ. / К. Ларман. - М.: Вильяме, 2001. - 496 с.

95. Дмитриев В.М. Система отображения математических выражений в язык компонентных цепей / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, М.А. Ерошкин // Компьютерные технологии в образовании / под ред. Дмитриева В.М. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - С. 29-39.

96. Дмитриев В.М., Формализованное представление систем с информационно-энергетическими потоками в связях / В.М. Дмитриев,

A.B. Шутенков // Компьютерные технологии в образовании. Под ред.

B.М. Дмитриева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - Вып. 2. - С. 15-22.

97. Дмитриев В.М. Алгебро-геометрический редактор / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, Е.В. Истигечева// XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Труды в трех томах. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007 г. -Т. 2.-С. 311-313.

98. MPI: A Message-Passing Interface Standard. Version 2.1. Message Passing Interface Forum. June 23, 2008. - 586 P. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mpi-forum.org/docs/mpi21-report.pdf, свободный.

99. Меньшов А.В., Тихомиров Ю.В. Visual С++ и MFC. - 2-е изд. -СПб.: БХВ: Санкт-Петербург, 1999. - 104 е.: ил.

100. Функциональный контроль и диагностика электротехнических и электромеханических систем и устройств по цифровым отсчетам мгновенных значений токов и напряжений // B.C. Аврамчук, H.JI. Бацева, Е.И. Гольд-штейн, И.Н. Исаченко, Д.В. Ли, А.О. Сулайманов, И.В. Цапко // Под ред. Е.И. Гольдштейна. Томск: Печатная мануфактура, 2003. - 240.

101. Харьков С.С. Разработка лабораторного автоматизированного рабочего места для реализации кросс-канала между ЛАРМ и СМ МАРС / С.С. Харьков, В.М. Дмитриев // Электронные средства и системы управления: Материалы докладов Международной научно-практической конференции (10-11 ноября 2011 г.). - Томск: В-Спектр, 2011. - С. 234 - 236.

102. ГанджаТ.В. 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 Новосибирского государственного университета. - С. 50-57.

103. Сергеев А.Г. Метрология: учебное пособие для вузов/ А.Г. Сергеев, В.В. Крохин. -М.: Логос, 2001.-408 с.

104. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - Москва: Постмаркет, 2000. -352 с.

105. Т.Ю. Коротина. Структура и принципы функционирования автоматизированных лабораторных комплексов (АЛК) в учебном процессе. Научная сессия ТУСУР-2007: Материалы докладов Всероссийская научно-

техническая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 3-7 мая 2007 г. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. 4.5. - С. 241-243

106. Разевиг В.Д. Применение программ Р-САБ и Р-8рюе для схемотехнического проектирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. Вып. 3: Моделирование аналоговых устройств. - М.: Радио и связь, 1992. - 120 с.