Натуральная модель. Тема урока: "От натурной модели до компьютерной"

Натурным моделированием называют проведение исследования на реальном объекте с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. Натруное моделирование подразделяется на научный эксперимент, комплексные испытания и производственный эксперимент. Научный эксперимент характеризуется широким использованием средств автоматизации, применением весьма разнообразных средств обработки информации, возможностью вмешательства человека в процесс проведения эксперимента. Одна из разновидностей эксперимента - комплексные испытания, в процессе которых вследствие повторения испытаний объектов в целом (или больших частей системы) выявляются общие закономерности о характеристиках качества, надежности этих объектов. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений о группе однородных явлений. Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т.е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики. Необходимо помнить про отличие эксперимента от реального протекания процесса. Оно заключается в том, что в эксперименте могут появиться отдельные критические ситуации и определиться границы устойчивости процесса. В ходе эксперимента вводятся новые факторы возмущающие воздействия в процесс функционирования объекта.

21. Особенности моделирования систем на эвм

Различают два основных метода моделирования с использованием ЭВМ:

Аналитический – применяется для анализа характеристик модели, полученной по упрощенным аналитическим зависимостям. ЭВМ используется только как вычислитель этих зависимостей. Имитационный – позволяет не только анализировать характеристики модели, но и проводить структурный, алгоритмический и параметрический синтез модели на ЭВМ при заданных критериях оценки эффективности и ограничениях. Имитационная система реализуется на ЭВМ и позволяет исследовать имитационную модель М, задаваемую в виде определенной совокупности отдельных блочных моделей и связей между ними в их взаимодействии в пространстве и времени при реализации какого-либо процесса. Можно выделить три основные группы блоков:блоки, хар-е моделируемый процесс функционирования системы S; блоки, отр-е внешнюю среду Е и ее воздействие на процесс; блоки, обеспеч. взаим-е первых двух.

Имитационная система хар-я набором переменных, с пом. кот. удается управлять изучаемым процессом, и набором начальных условий, когда можно изменять условия (план) проведения машин. эксперимента.

Достоинства и недостатки имитационного моделирования.

Основные достоинства имитационного моделирования: при исследовании сложных систем: возможность исследовать особенности процесса функционир-я системы S в любых условиях; за счет применения ЭВМ существенно сокращается продолж-ть испытаний по сравнению с натурным экспериментом; рез-ты натурных испытаний реальной системы или ее частей можно использовать для проведения имитац. моделир-я; гибкость варьирования структуры, алгоритмов и параметров моделируемой системы при поиске оптимального варианта системы; для сложных систем – это единственный практически реализуемый метод исследования процесса функционирования систем.

Основные недостатки : для полного анализа хар-к процесса функционир-я систем и поиска оптимальн. варианта требуется многократно воспроизводить имитац. эксперимент, варьируя исходные данные задачи; большие затраты машинного времени.

Цель моей работы - научить

• построить модель автомобиля;
• освоить принципы построения модели;
• научить писать программы;
• научить выполнять программы.

Данная разработка рассчитана не на одно занятие, а на их комплекс. Для ведения занятий необходимо иметь в школе комплект деталей LEGO, электрический модуль RCX-1.0 и операционную систему ROBOLAB.

Основные этапы:

• Дать понятие натурной модели.
• Построить модель автомобиля.
• Дать понятие информационной модели.
• Показать систему команд исполнителя.
• Показать выполнение программы исполнителем.

Этап 1.

Сейчас речь пойдет об очень важном в науке понятии - понятии модели. Это слово многим знакомо, особенно тем, кто занимается техническим моделированием - строит модели кораблей, автомобилей или самолетов. Такие модели воспроизводят некоторые свойства реальных устройств, например форму, способность плавать, ездить или летать. Можно привести и другие примеры моделей: глобус - это модель земного шара, манекен в магазине - модель человека, макет в мастерской архитектора - модель застройки города. Выше перечислены примеры материальных моделей. Их еще называют натурными моделями.

Как правило, моделируемый объект представляет собой сложную систему. Например, автомобиль состоит из корпуса, двигателя, колес, рулевого управления, салона и пр. Модель автомобиля, построенная школьником, много проще. В ней, например, может отсутствовать двигатель, электропитание, рулевое управление и другие части, размер ее меньше размера настоящего автомобиля.

Любая модель воспроизводит только те свойства оригинала, которые понадобятся человеку при ее использовании. Например, манекен и производственный робот можно назвать моделями человека. Манекен нужен для того, чтобы на него можно было надеть одежду для рекламы или для удобства работы портного, но способности ходить, мыслить или разговаривать от него не требуется. Поэтому манекен должен воспроизводить лишь форму и размер человеческого тела.

Цель создания производственного робота совсем другая. Робот должен воспроизводить некоторые физические действия человека: уметь брать и перемещать детали, закручивать и раскручивать болты и пр. Но для достижения этих целей внешнего сходства с человеком совсем не требуется.

Свойства модели зависят от цели моделирования. Модели одного и того же объекта будут разными, если они создаются для разных целей.

Этап 2.

А теперь перейдём к созданию модели из элементов LEGO. Наша модель должна двигаться как автомобиль, но её движение должно быть ограничено линиями нарисованной прямой. У нашего автомобиля будет включён регулятор освещённости, за который он не должен заходить. Модель нашего автомобиля представлена на рис.1

Этап 3.

Кроме натурных, существуют еще информационные модели. Нетрудно понять, что для информатики именно они и представляют наибольший интерес.

Так же как и натурные, информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут существенно различаться.

Вот пример. Нередко людям приходится заполнять всевозможные анкеты, личные карточки. Такие документы можно рассматривать как различные информационные модели человека. По форме они одинаковые (анкеты), а по содержанию - разные. Например, в личной карточке работника предприятия, которая хранится в отделе кадров, о нем имеются следующие сведения: фамилия, имя, отчество, пол, год рождения, место рождения, национальность, адрес проживания, образование, семейное положение. А в медицинскую карточку того же самого человека занесены следующие данные: фамилия, имя, отчество, пол, год рождения, группа крови, вес, рост, хронические заболевания. В обществе охотников, членом которого является этот же человек, о нем хранится третий набор сведений. Как видите, разное назначение - разные информационные модели.

Современным инструментом для информационного моделирования является компьютер.

Этап 4.

Для работы нашей модели необходимо познакомиться с системой команд исполнителя (СКИ). Система команд исполнителя – это вся совокупность команд, которые исполнитель умеет выполнять (понимает). Наш компьютер понимает программу, представленную в виде пиктограмм. Операционная система содержит множество подсказок, которые высвечиваются на экране прямо с примерами использования, поэтому знакомство с системой программирования не вызывает трудностей у учащихся.

Система команд исполнителя представляет из себя две части:

• Стандартные примеры использования команд;
• Создание новых исследовательских проектов.

Стандартные примеры необходимы для знакомства с возможностями системы.

Новые программы создаются совместно с учащимися.

Этап 5.

Для того, чтобы написанная программа была загружена в модуль, необходимо её занести на один из пяти уровней.

На рис 2, представлена программа движения автомобиля по начерченой траектории. Параметры освещённости задаются самим модулем, а изменяются при необходимости в программе.

Физические модели. В основу классификации положена степень абстрагирования модели от оригинала. Предварительно все модели можно подразделить на 2 группы - физические и абстрактные (математические).

Ф.М. обычно называют систему, эквивалентную или подобную оригиналу, но возможно имеющую другую физическую природу. Виды Ф.М.:

Натуральные;

Квазинатуральные;

Масштабные;

Аналоговые;

Натуральные модели - это реальные исследуемые системы (макеты, опытные образцы). Имеют полную адекватность (соответствия) с системой оригиналом, но дороги.

Квазинатуральные модели - совокупность натуральных и математических моделей. Этот вид используется тогда, когда модель части системы не может быть математической из-за сложности её описания (модель человека оператора) или когда часть системы должна быть исследована во взаимодействии с другими частями, но их ещё не существует или их включение очень дорого (вычислительные полигоны, АСУ).

Масштабная модель - это система той же физической природы, что и оригинал, но отличается от него масштабами. Методологической основой масштабного моделирования является теория подобия. При проектировании ВС масштабные модели могут использоваться для анализа вариантов компоновочных решений.

Аналоговыми моделями называют системы, имеющие физическую природу, отличающуюся от оригинала, но сходные с оригиналом процессы функционирования. Для создания аналоговой модели требуется наличие математического описания изучаемой системы. В качестве аналоговых моделей используются механические, гидравлические, пневматические и электрические системы. Аналоговое моделирование использует при исследовании средства ВТ на уровне логических элементов и электрических цепей, а так же на системном уровне, когда функционирование системы описывается например, дифференциальными или алгебраическими уравнениями.

Математические модели. Математические модели представляют собой формализованное представление системы с помощью абстрактного языка, с помощью математических соотношений, отражающих процесс функционирования системы. Для составления математических моделей можно использовать любые математические средства - алгебраическое, дифференциальное, интегральное исчисления, теорию множеств, теорию алгоритмов и т.д. По существу вся математика создана для составления и исследования моделей объектов и процессов.

К средствам абстрактного описания систем относятся также языки химических формул, схем, чертежей, карт, диаграмм и т.п. Выбор вида модели определяется особенностями изучаемой системы и целями моделирования, т.к. исследование модели позволяет получить ответы на определённую группу вопросов. Для получения другой информации может потребоваться модель другого вида. Математические модели можно классифицировать на детерминированные и вероятностные, аналитические, численные и имитационные.

Аналитической моделью называется такое формализованное описание системы, которое позволяет получить решение уравнения (1.2) в явном виде, используя известный математический аппарат.

Численная модель характеризуется зависимостью (1.2) такого вида, который допускает только частные решения для конкретных начальных условий и количественных параметров моделей.

Имитационная модель - это совокупность описания системы и внешних воздействий, алгоритмов функционирования системы или правил изменения состояния системы под влиянием внешних и внутренних возмущений. Эти алгоритмы и правила не дают возможности использования имеющихся математических методов аналитического и численного решения, но позволяют имитировать процесс функционирования системы и производить вычисления интересующих характеристик. Имитационные модели могут быть созданы для гораздо более широкого класса объектов и процессов, чем аналитические и численные. Поскольку для реализации имитационных моделей служат ВС, средствами формализованного описания ИМ служат универсальные и специальные алгоритмические языки. ИМ в наибольшей степени подходят для исследования ВС на системном уровне.

«Виды моделей» - Примеры: глобус; скелет человека; детские игрушки. 5. Признаки, по которым модели разделяются на виды. 8. Виды моделей в зависимости от внешних размеров. 2. Необходимость создания моделей. Примеры: Масштабные: глобус; макет скелета; чертеж; карта. Модели моделирование. 7. Виды моделей в зависимости от времени.

«Степень с натуральным показателем» - Основание и показатель степени. Свойства степени с натуральным показателем. Возведение в степень произведения. Степень с натуральным и целым показателем. Что такое степень? При возведении степени в степень показатели перемножаются. Деление степеней с одинаковыми основаниями. Показатель – число, которое показывает, сколько раз повторяется множитель.

«Урок натуральные числа» - Г) 3 единицы 4 десятка 5 сотен 6 тысяч; Сколько цифр используют для записи натуральных чисел? Сколько белочек на картинке? Какие натуральные числа ты видишь на картинке? Чтобы прочитать многозначное число, надо: Запиши пять раз подряд цифру 6. Прочитай получившееся число. Класс тысяч. А сейчас я вам расскажу, как читать многозначные числа!

«Модель» - Знаковые модели. Модели: Машин Технических устройств Зданий Электрических цепей. Электронный тест (5-7 минут). Образные модели. F=m*a. Модель. Воспитывающие: осуществление эстетического воспитания; способствовать обогащению внутреннего мира школьников. Модель материальной точки. Модель Земли. Моделирование как метод познания.

«Натуральный логарифм» - Натуральные логарифмы. Логарифм по основанию е называется натуральным логарифмом. Функция вида y=lnx, свойства и график. Составить уравнение касательной к графику функции y=lnx в точке x=e. «Логарифмический дартс». Вычислить площадь фигуры, ограниченной прямыми y=0, x=1, x=e и гиперболой. Десятичные логарифмы для наших потребностей являются весьма удобными.

«Обозначение натуральных чисел» - Цифра шесть - дверной замочек: Сверху крюк, внизу кружочек. Вот семерка – кочерга. А за двойкой – посмотри- Выступает цифра три. Разминка: Прочитай натуральные числа в стихах. п1 Обозначение Натуральных чисел. Двузначные, трехзначные, четырехзначные,… «Бог создал натуральные числа, а всё прочее - дело рук человеческих».