Программные средства, ориентированные на решение исследовательских и проектно-конструкторских задач
План лекции
I. Введение
II. Основная часть
1. Общая характеристика интегрированных моделирующих систем
2. Назначение и основные возможности моделирующей системы MathCAD
III. Заключение
Введение
Изученные ранее программные системы, относящиеся к пакетам прикладных программ – текстовые процессоры и издательские системы, табличные процессоры и СУБД – являются инструментальными средствами общего назначения, то есть могут использоваться для решения наиболее общих задач информационного характера в любой сфере человеческой деятельности.
Вместе с тем в отдельных сферах деятельности часто возникают задачи менее общего характера, такие, например, как проведение математических расчетов (решение систем уравнений, интегрирование, статистическая обработка данных и т. п.), анализ функционирования различных радиотехнических устройств, автоматизированное проектирование и пр., которые также требуют использования инструментальных программных средств. Таких специальных инструментальных программных средств в настоящее время существует огромное количество. Одно только их перечисление заняло бы достаточно много времени. Поэтому в рамках изучаемой темы мы познакомимся с теми из них, которые представляют наибольший интерес с точки зрения использования в учебном процессе нашего вуза.
Данная лекция имеет целью сформировать общее представление об интегрированных моделирующих системах, изложить основные возможности моделирующего пакета MathCAD.
Общая характеристика интегрированных
Моделирующих систем
Жизнь нашего общества во многом обусловлена развитием компьютерных информационных технологий. Они пронизывают все сферы деятельности человека, обеспечивают функционирование и эволюцию современного общественного организма.
В информационных технологиях одно из центральных мест занимает обработка данных (наблюдений, событий, примеров, результатов экспериментов и т. п.). С ее помощью осуществляется преобразование и приведение исходного фактического материала к наиболее удобной для восприятия форме с целью принятия решений и извлечения из данных продуктивных знаний.
Область применения методов обработки данных исключительно обширна. К ней относятся техника, производство, экономика, военная сфера, бизнес, медицина, социология, психология и многие другие сферы человеческой деятельности.
Существуют разнообразнейшие методы обработки данных. Они имеют различную сложность и нередко требуют больших вычислительных ресурсов. Это — огромный мир, созданный многолетними трудами профессиональных математиков и прикладных научных специалистов. Теперь в результате бурного прогресса технического и программного обеспечения персональных компьютеров обработка данных стала доступной практически каждому.
Одним из наиболее часто используемых методов обработки данных, получившим развитие благодаря значительным достижениям в области компьютерной техники, является компьютерное математическое моделирование.
Математическое моделирование как инструмент познания завоевывает все новые и новые позиции в различных областях деятельности человека. Оно становится главенствующим направлением в проектировании и исследовании новых систем, анализе свойств существующих систем, выборе и обосновании оптимальных условий их функционирования и т.п.
Математическое моделирование широко проникло в различные области знаний и их приложения: технические, военные, экономические, социальные, биологические и многие другие, на первый взгляд, далекие от математики. Поэтому специалистам различных направлений необходимо владеть концепциями и методами математического моделирования, иметь представление об инструментарии, применяемом при моделировании.
Основная задача моделирования различного рода процессов и систем с целью исследования объектов, прогнозирования их поведения или поиска наилучших условий функционирования сводится к расчету анализируемых показателей с помощью математической модели при тех или иных значениях (или функциях) входных величин.
Вычислительная мощь компьютера позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы, проектно-конструкторской и других видов деятельности. Для решения сложных расчетных задач используют программы, написанные специально. В то же время, встречается широкий спектр задач ограниченной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства.
К такого рода задачам относятся, например, следующие:
• подготовка научно-технических документов, содержащих текст и формулы, записанные в привычной для специалистов форме;
• вычисление результатов математических операций, в которых участвуют числовые константы, переменные и размерные физические величины;
• операции с векторами и матрицами;
• решение уравнений и систем уравнений (неравенств);
• статистические расчеты и анализ данных;
• построение двумерных и трехмерных графиков;
• тождественные преобразования выражений (в том числе упрощение), аналитическое решение уравнений и систем;
• дифференцирование и интегрирование, аналитическое и численное;
• решение дифференциальных уравнений;
• проведение серий расчетов с разными значениями начальных условий и других параметров.
К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относится, например, программа MathCAD, которая представляет собой интегрированную автоматизированную систему, позволяющую динамически обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде.
Исследование электронных схем различной степени сложности с привлечением различных измерительных приборов часто представляет собой достаточно трудную, а зачастую, и невыполнимую задачу. Трудности могут быть вызваны в связи с отсутствием необходимых приборов, значительной продолжительностью затрачиваемого на исследования времени и др. причинами. Помощь исследователю в описанной ситуации окажет моделирующий программный пакет Electronics Workbench. Средства, входящие в состав пакета, позволяют собрать принципиальную схему электронного устройства, подключить необходимые (виртуальные) источники сигналов и измерительные приборы, провести необходимые исследования и оформить отчет о проделанной работе и полученных результатах. Новые версии названного пакета, кроме того, позволяют сразу разработать печатную плату исследуемого устройства.
Профессиональная деятельность радиоинженера связана с разработкой различных радиоэлектронных устройств и их конструктивным оформлением. Для этих целей с успехом используют различные прикладные программные средства, предназначенные для автоматизации процессов проектирования и оформления конструкторской документации. В качестве примера можно назвать пакеты PCAD, ORCAD и др.
Все перечисленные в качестве примеров программные средства, несмотря на то, что отличаются назначением, имеют много общего – они являются интегрированными моделирующими системами. С понятием интегрированной системы мы познакомились раньше. Напомним, что в интегрированной системе обычно объединяют возможности нескольких прикладных программ (пакетов). Интегрированные моделирующие системы, кроме всего прочего, еще позволяют имитировать с помощью компьютера реальные физические процессы и явления, тем самым существенно упрощая процессы исследования различных систем и устройств.
Кратко подведем итог по первому учебному вопросу:
1. Современный уровень развития компьютерной техники стимулировал появление пакетов прикладных программ, позволяющих существенно упростить процессы исследования и разработки новых систем (устройств) для различных сфер деятельности человека.
2. Интегрированные моделирующие системы предназначены для проведения исследований и оформления их результатов в виде отчетных документов.
Назначение и основные возможности