ФГБОУ
Ставропольский государственный аграрный университет
Экономический факультет
Кафедра информационных систем и технологий
Лабораторная работа № 1
по дисциплине «Компьютерное моделирование»
ТЕМА
«Моделирование случайных событий и величин»
Тема: моделирование случайных событий и величин
Цель: изучить процесс моделирования случайный величин и событий вследствие построения моделей простых событий и непрерывных случайных величин.
Теоретическая часть
1. Запуск MATLAB, интерфейс
Для запуска MATLAB надо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на его ярлыке.
Затем появляется рабочий стол MATLAB с вложенными окнами (рис. 1).
Рис.1. Окна MATLAB
Чтобы не путать рабочие столы MATLAB и Windows, будем называть стол MATLAB главным окном.
Слева в главном окне расположено окно Launch Раd – первое блюдо для освоения MATLAB. Мы видим здесь продукты, которые заказали во время инсталляции. Раскроем папки продуктов и увидим папки Неlр (текстовая помощь), Demos (демонстрационные примеры), Product Page (Web–страница продуктов фирмы Math/Works Inc. на сайте фирмы Internet).
этом же окне можно переключиться на лист Workspace. Это рабочее пространство МАТLАВ. В этой оперативной па-мяти сохраняются все данные рабочей сессии МАТLАВ, Simulink и других инструментов. Их всегда можно просмотреть или обработать любым инструментом.
центре расположено окно Current Direktory – текущий, рабочий справочник (папка). Терминология сохранилась от старой операционной системы MS DOS. Чтобы МАТLАВ мог увидеть вашу программу (м-файл) или функцию, надо установить текущей папку, в которой находится эта функция.
Внизу слева находится окно Command History (история команд) – это протокол вашей работы.
Справа расположено Command Windows – окно для ввода и исполнения команд.
Окно МАТLАВ представляет собой стандартное окно Windows-приложения и содержит все основные компоненты такого окна:
строку заголовка с кнопками управления окном;
строку меню (основное меню приложения);
панель инструментов;
рабочее поле;
строку состояния;
-
вертикальную и горизонтальную полосы прокрутки. Строка меню МАТLАВ содержит следующие команды: File (файл) – команды для работы с файлами и настройки системы;
Edit (правка) – команды редактирования информации, отображенной в рабочем поле окна;
View (вид) – команды управления форматом окна;
Web – связь по интернету с фирмой по многим вопросам приобретения, регистрации, консультаций, применения МАТLАВ;
Windows (окно) – список открытых окон приложения; Неlр (справка) – команды вызова средств поддержки пользователя.
Команды меню File.
New – создать;
Ореn – открыть;
Close Launch Pad – закрыть окно начального знакомства МАТLАВ;
Import Data – прием данных из других приложений; Save Workspace As – сохранить рабочую область как...; Set Path – выбор рабочей папки;
Preferences (предпочтения) – настройка форматов чисел, экрана и других параметров для умолчания, что в офисных продуктах обычно делается в меню Сервис.
Print – печать;
Print Selection – печать выделенного.
Далее список файлов, открывавшихся в прошлом и те-кущем сеансе работы с МАТLАВ. Вначале этот список пуст.
Exit МАТLАВ – выход из МАТLАВ.
Команды меню Edit.
Они аналогичны командам офисных пакетов.
Команды Сlеаr стирают содержимое окон: командного, истории и рабочего пространства.
Команды меню View (вид).
Здесь расположены команды показа или скрытия окон, а также команда Undock, которая позволяет вывести любое текущее окно из главного окна на рабочий стол Windows.
Неlр – справочная система.
Неlр browser – это Web-browser, интегрированный в экран МАТLАВ и отображающий документы в формате интернета НТМL. Все продукты Math\Works Inc. можно получить по интернету.
Предоставляется также справочная система в формате РDF. Справочник по функциям МАТLАВ содержится в разделе Reference. В нем сведения о назначении и параметрах, а также примеры использования функций МАТLАВ, входящих в состав рабочей конфигурации пакета.
Изменение конфигурации приводит к изменению списка функций, по которым может быть получена справка.
Чтобы получить полную информацию по интересующему разделу, достаточно щелкнуть в соответствующей строке. В поле просмотра появится список функций, входящих в этот раздел, с указанием назначения каждой из них. Щелкнув на нужной функции, можно получить о ней более подробные сведения.
Ниже строки меню расположены кнопки команд меню. Они стандартны для Windows-приложений. Но предпоследняя (перед кнопкой «?») зеленая с красным левым нижним уголком – это кнопка вызова Simulink.
2. Editor/debugger – редакгор/отладчик программ
Для автоматизации управления экономическими экспериментами с моделями Simulink приходится писать программы на языке МАТLАВ. Программы (м-файлы) пишутся и отлаживаются в редакторе/ отладчике. Он вызывается, когда из меню Файл МАТLАВ мы открываем новый или существующий м-файл (рис. 2).
Рис.2. Окно для написания m-файла
Программа пишется как в обычном текстовом редакторе. В меню имеются лишь два раздела, относящиеся к отладке: Debug и Breakpoints.
Для выполнения лабораторных работ на отлаженной модели экономисту наиболее полезна команда Run из раздела Debug. Она запускает программу на исполнение и манипуляции с моделью Simulink. Этой же программой обрабатываются и отображаются результаты экспериментов.
Breakpoints – точки остановки. Ими помечают строки программы для остановки и анализа поэтапного исполнения программы при ее отладке.
Более подробно рассматривать работу с редактором/отладчиком будем на последующих занятиях.
3. Простые вычисления в командном режиме
МАТLАВ можно различать два режима работы: вычисления в командном режиме и исполнение программ, записанных на его языке.
командном окне представлен символ «>>», означающий готовность МАТLАВ к исполнению команд оператора. Они выполняются как в любом калькуляторе, например, Бэйсика или Ехсеl.
командном окне (рис. 3) мы ввели выражение 2*2. Чтобы его вычислить (исполнить), нажмите клавишу Enter. Получим ответ ans = 4 (от англ. answer – ответ). Затем МАТLАВ показал знак готовности к исполнению новых команд «>>».
Вместо числа мы можем ввести матрицу или вектор, например:
u = [1,2,3,4].
Нажмем клавишу исполнения Enter и получим ответ u = 1 2 3 4.
Рис.3. Простые вычисления в командном режиме
МАТLАВ может вычислять практически все математические функции. Например, на нашем рисунке в окне он использует наш вектор u и вычисляет вектор экспоненциальных функций ехр(u) в векторной переменной ans.
Обратите внимание на информацию, выводимую в окнах Workspace, Command History.
Можно ввести последовательность команд . Если команда не заканчивается символом точки с запятой (;), то она выполняется сразу же после нажатия клавиши Enter.
Использование разделителя в виде точки с запятой позволяет вводить в рабочем поле последовательность команд, которая будет выполнена только в том случае , если после очередной команды не стоит этот символ. Если выполнение команды приводит к вычислению некоторого значения (скалярного или матрицы), то оно запоминается в рабочей области МАТLАВ в переменной с именем ans. Значение, занесенное в переменную ans, выводится на экран сразу после вычисления в форме ans = значение (число, вектор, матрица).
4. Введение в Simulink
Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства, процесса или системы и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере, и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает.
Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны, доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.
При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.
Преимущество Simulink заключается также в том, что она позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм, написанных как на языке MATLAB, так и на языках С++, Fortran и Ada.
5. Работа с Simulink
Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет MATLAB. Основное окно пакета MATLAB показано на рис. 4. Там же показана подсказка, появляющаяся в окне при наведении указателя мыши на ярлык Simulink в панели инструментов.
Рис. 4. Основное окно программы MATLAB
После открытия основного окна программы MATLAB нужно запустить программу Simulink. Это можно сделать одним из трех способов:
Нажать кнопку (Simulink) на панели инструментов командного окна MATLAB.
В командной строке главного окна MATLAB напечатать Simulink и нажать клавишу Enter на клавиатуре.
Выполнить команду Open… в меню File и открыть файл модели (mdl–файл).
Последний вариант удобно использовать для запуска уже готовой и отлаженной модели, когда требуется лишь провести расчеты и не нужно добавлять новые блоки в модель. Использование первого и второго способов приводит к открытию окна обозревателя разделов библиотеки Simulink (рис. 5).
Рис. 5. Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink
6. Обозреватель разделов библиотеки Simulink
Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы:
Заголовок с названием окна – Simulink Library Browser.
Меню с командами File, Edit, View, Help.
Панель инструментов с ярлыками наиболее часто используемых команд.
Окно комментария для вывода поясняющего сообщения о выбранном блоке.
Список разделов библиотеки, реализованный в виде дерева.
Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков).
Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.
Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:
Continuous – линейные блоки.
Discrete – дискретные блоки.
Functions & Tables – функции и таблицы.
Math – блоки математических операций.
Nonlinear – нелинейные блоки.
Signals & Systems – сигналы и системы.
Sinks – регистрирующие устройства.
Sources – источники сигналов и воздействий.
Subsystems – блоки подсистем.
Список разделов библиотеки Simulink представлен в виде дерева, и правила работы с ним являются общими для списков такого вида:
Пиктограмма свернутого узла дерева содержит символ «+», а пиктограмма развернутого содержит символ «–».
Для того чтобы развернуть или свернуть узел дерева, достаточно щелкнуть на его пиктограмме левой клавишей мыши (ЛКМ).
При выборе соответствующего раздела библиотеки в правой части окна отображается его содержимое (рис. 6).
Рис. 6. Окно обозревателя с набором блоков раздела библиотеки
Для работы с окном используются команды, собранные в меню. Меню обозревателя библиотек содержит следующие пункты:
File (Файл) – работа с файлами библиотек.
Edit (Редактирование) – добавление блоков и их поиск (по названию).
View (Вид) – управление показом элементов интерфейса.
Help (Справка) – вывод окна справки по обозревателю библиотек.
Для работы с обозревателем можно также использовать кнопки на панели инструментов.
7. Создание модели
Для создания модели в среде SIMULINK необходимо последовательно выполнить ряд действий:
1. Создать новый файл модели с помощью команды File/New/Model или используя кнопку на панели инструментов (здесь и далее, с помощью символа «/», указаны пункты меню программы, которые необходимо последовательно выбрать для выполнения указанного действия). Вновь созданное окно модели показано на рис. 7.
Рис.7. Пустое окно модели
2. Расположить блоки в окне модели.
Для этого необходимо открыть соответствующий раздел библиотеки (например, Sources – Источники). Далее, указав курсором на требуемый блок и нажав на левую клавишу мыши, – «перетащить» блок в созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На рис. 8 показано окно модели, содержащее блоки.
Рис. 8. Окно модели, содержащее блоки
Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу мыши), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре.
Для изменения размеров блока требуется выбрать блок, установить курсор в один из углов блока и, нажав левую клавишу мыши, изменить размер блока (курсор при этом превратится в двухстороннюю стрелку).
3. Далее, если это требуется, нужно изменить параметры блока, установленные программой «по умолчанию».
Для этого необходимо дважды щелкнуть левой клавишей мыши, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При задании численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. На рис. 9 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию, и окно редактирования параметров данного блока.
Рис. 9. Блок, моделирующий передаточную функцию, окно редактирования параметров блока
После установки на схеме всех блоков из требуемых библиотек нужно выполнить соединение элементов схемы (рис. 10). Для соединения блоков необходимо указать курсором на «выход» блока, а затем нажать и, не отпуская левую клавишу мыши, провести линию к входу другого блока. После чего отпустить клавишу. В случае правильного соединения изображение стрелки на входе блока изменяет цвет. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу мыши, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию (так же, как это выполняется для блока), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре.
Рис.10. Схема модели с выполнением соединением блоков
5. После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File/Save As... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 32 символов, должно начинаться с буквы и не может содержать символы кириллицы и спецсимволы. Это же требование относится и к пути файла (к тем папкам, в которых сохраняется файл). При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню File/Save. При повторных запусках программы SIMULINK загрузка схемы осуществляется с помощью меню File/Open... в окне обозревателя библиотеки или из основного окна MATLAB.
|
