Simulink - интегрированная графическая среда разработки иммитационных моделей. Особенности. Примеры применения

Введение

Актуальность данной работы заключается в том, что сегодня повсеместно разрабатывается и реализуется множество новых проектов. Для того чтобы определить необходимость развития объекта, его актуальность, а также для внедрения объекта в производство, необходимо иметь информацию о свойствах объекта. Часто для получения такой информации требуется проведение заведомо опасных экспериментов, которые могут привести к чрезвычайным последствиям. Полученные в ходе экспериментов данные позволяют прогнозировать поведение системы, получать определенные гарантии.
В наше время, в век высоких технологий и передовых информационных наук, метод компьютерного моделирования различных сложных систем и структур приобретает все широкую популярность. Широкое применение данного метода расчетов и прогнозирования поведения систем объясняется тем, что модель тем или иным образом отражает, моделирует, воспроизводит интересующие пользователя (разработчика) характеристики, параметры, свойства объекта. Этот метод используется для анализа дорогостоящих и долгосрочных проектов, так как этот метод является одним из наиболее очевидных для оценки значимости, продуктивности и других качеств объекта.
Также, чтобы представить преимущества новой разработки по сравнению с предыдущими, часто строят модели существующих объектов и проводят сравнительный анализ обеих моделей. Модель более точно и конкретно визуализировать поведение системы в различных условиях и состояниях, облегчает процесс изучения и анализа существующих законов, параметров, характеристик и свойств системы. Моделирование является неотъемлемой частью исследований и разработок, поскольку сложность любого материального объекта и окружающего ее мира бесконечна вследствие неисчерпаемости материи и форм ее взаимодействия внутри себя и с внешней средой.
Целью данной работы является изучение интегрированной графической среды разработки имитационных моделей Simulink. Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
рассмотреть общие сведения об интегрированной графической среде разработки имитационных моделей Simulink;
изучить основные блоки среды блоки среды Simulink;
проанализировать особенности и примеры применения Simulink.
При написании работы использовались такие методы, как теоретическое обоснование темы, изучение научных источников, а также их сравнительный анализ.


1 Simulink - интегрированная графическая среда разработки имитационных моделей. Общие сведения
Начнем с того, что программа Simulink является расширением пакета Matlab. При моделировании с помощью Simulink реализован принцип визуального программирования, согласно которому пользователь на экране монитора с помощью специальной библиотеки создает модель (блок-схему) исследуемой системы из стандартных блоков и анализирует ее [3, с. 4].
Пользователю при этом не нужно изучать язык программирования и численные методы прикладной математики. Достаточно знаний общих компьютерных навыков и, конечно же, информации из предметной области, которой он занимается. При работе с Simulink нет необходимости знать Matlab и другие его приложения. С другой стороны, доступ к функциям Matlab и другим его инструментам остается открытым и может использоваться в Simulink.
Simulink (рисунок 1) – это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде ориентированных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы [5]

.

Рисунок 1 - Simulink
Кроме этого, следует отметить, что интерфейс Simulink полностью соответствует стилю интерфейса типичных приложений Windows 95/98/NT/2000 (для Simulink возможна работа и в Windows XP).
Интерактивная среда Simulink позволяет использовать готовые библиотеки блоков для моделирования электронных, электрических и дискретных систем, а также применять модельно-ориентированный подход для разработки систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени. Если блоки, реализованные в MATLAB Simulink, не подходят для задачи, пользователь имеет возможность создать свой собственный уникальный блок.
Далее, с помощью дополнительных пакетов расширения Simulink становится возможным решить целый ряд задач, от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволяет использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику.
Simulink позволяет моделировать динамические свойства системы и просматривать результаты сразу после начала моделирования. Чтобы гарантировать заданную скорость и точность моделирования, Simulink предоставляет решатель ODE с фиксированным и переменным шагом, графический отладчик и процедуру оценки времени выполнения для отдельных функций модели.
Важно то, что Simulink предоставляет решатели для моделирования широкого спектра типов систем, включая непрерывное время (аналоговое), дискретное время (цифровое), гибридное (смешанный сигнал) и системы с различными периодами дискретизации любого размера.
Подчеркнем, что решатели представляют собой алгоритмы численного интегрирования, вычисляющие динамику системы в течение определенного периода времени, используя информацию, содержащуюся в модели.
Таким образом, с помощью решателей в Simulink можно моделировать жесткие системы и системы с разрывами. Можно указать параметры моделирования, включая тип и свойства решателя, время начала и окончания моделирования, а также загрузку или сохранение данных моделирования. Можно также настроить оптимизационную и диагностическую информацию. Различные опционные комбинации можно сохранить с моделью.


2 Основные блоки среды блоки среды Simulink
Прежде всего, SimEvents - это библиотека Simulink для моделирования систем с дискретными состояниями с использованием теории очередей и систем массового обслуживания. Позволяет создать имитационную модель прохождения объекта по сети и очередям, обеспечивает моделирование систем не во времени, а из дискретных состояний. Кроме этого, позволяет анализировать характеристики модели, такие как скорость потока, потери пакетов и т.д.
SimEvents можно также использовать для построения моделей, таких как производственный процесс, для расчета необходимых ресурсов и выявления узких мест. SimEvents предоставляет ядро для моделирования дискретных событий, которое управляет и обрабатывает последовательности асинхронных событий. Данные события могут помочь моделировать изменения режима работы и переходы состояния триггера в системе Simulink, что связано со временем.
Далее, блок Clock (рисунок 2). Источник временного сигнала CLOCK находится в разделе Sources библиотеки Simulink. С помощью этого блока формируется сигнал, величина которого равна текущему времени моделирования системы на каждом шаге расчёта.

Рисунок 2 – Блок Clock
Далее, блок Constant (рисунок 3) (источник постоянного сигнала) можно найти в разделе Sources среды Simulink