http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?action=history&feed=atom&title=LXF108%3ASciLab 2026-05-13T06:57:44Z История изменений этой страницы в вики MediaWiki 1.19.20+dfsg-0+deb7u3 http://wiki.linuxformat.ru/wiki/index.php?title=LXF108:SciLab&diff=8528&oldid=prev 2009-08-24T13:42:48Z

<p>Новая: {{Цикл/SciLab‎}} == Scilab: Имитационное моделирование == : &#039;&#039;ЧАСТЬ 3 Одним из великих даров компьютерной эры явл...</p> <p><b>Новая страница</b></p><div>{{Цикл/SciLab‎}}<br /> == Scilab: Имитационное моделирование ==<br /> : ''ЧАСТЬ 3 Одним из великих даров компьютерной эры является возможность увидеть невидимое и услышать неслышимое. '''Александр Бикмеев''' предлагает заглянуть в «черный ящик».''<br /> <br /> Не знаю, как вам, а мне всегда хотелось узнать и увидеть<br /> недоступное: как выглядит черная дыра изнутри, где находится граница литосферы и магмы, на что была похожа<br /> Вселенная за мгновение до Большого взрыва... да хотя бы что происходит с шариком (или мухой) в закрытой коробке, когда я ее трясу?<br /> Благодаря Scilab и моим Учителям я могу проникнуть в эти тайны, но<br /> рамки журнала не позволяют рассказать обо всем. Поэтому придется<br /> проявить скромность и остановиться на коробке и шарике.<br /> <br /> То, чем мы собираемся заняться, называется компьютерным экспериментом в форме имитационного моделирования. Для этой цели<br /> в системе Matlab есть Simulink, а в Scilab – Sciсos. Это инструмент<br /> для моделирования динамических процессов с помощью функциональных блоков и связей между ними. Проще говоря, математическая модель изучаемого объекта или процесса составляется из<br /> определенных блоков, а затем при помощи связей указывается, как<br /> данные перемещаются от одного блока к другому. Да, то же самое<br /> можно проделать, написав программу на встроенном языке, но если<br /> уже есть готовые блоки, так почему бы не воспользоваться ими?<br /> Кроме того, описание модели в виде диаграммы более наглядно и<br /> информативно.<br /> <br /> Конечно, Scicos содержит не так много диаграмм, как Simulink,<br /> однако для моделирования многих объектов и процессов, а особенно<br /> для целей обучения он вполне подойдет.<br /> <br /> === Ну-с, приступим ===<br /> [[Изображение:LXF108 78 1.png|thumb|300px|Рис. 1. Так выглядит графический редактор Scicos и древо палитр блоков.]]<br /> Scicos содержит графический редактор, представляющий собой окно,<br /> в котором отображается диаграмма и отдельные окна палитр блоков.<br /> Вызывается он командой scicos; (точку с запятой можно не ставить,<br /> но тогда все окно Scilab будет заполнено служебной информацией).<br /> По сути, окно графического редактора Scicos не очень-то и отличается от самого Scilab, но в нем нельзя вводить текст; вы также заметите,<br /> что главное меню содержит несколько новых пунктов: Diagram (для<br /> задания параметров всей диаграммы), Simulate (для компиляции,<br /> определения параметров и запуска модели), Tools (инструменты для<br /> различных служебных задач) и Palette (работа с палитрами функциональных блоков). Это графическое окно, и если белый фон навевает<br /> на вас скуку, можете изменить его, щелкнув правой кнопкой мыши в<br /> пустой области окна диаграммы и выбрав в появившемся меню пункт<br /> Background color.<br /> <br /> Все блоки сгруппированы в палитры. Вывести любую из них можно, выбрав последовательно Palette &gt; Palettes, а затем щелкнув на<br /> требуемой панели в появившемся окне. Однако более удобно в работе древо палитр, поскольку в этом случае все блоки присутствуют на<br /> экране одновременно (см. рис. 1): оно вызывается последовательным<br /> выбором Palette &gt; Pal tree.<br /> <br /> Блоки могут иметь различное число входов и выходов, называемых портами. Входной порт обозначается треугольником с углом,<br /> направленным в блок, а порт-выход – с углом, направленным из<br /> блока. Порты делятся на обычные (для ввода/вывода данных в/из<br /> блока), которые отображаются черным цветом, и активационные или<br /> управляющие (для ввода/вывода управляющей информации), отмечаемые красным цветом. Как правило, обычные порты расположены<br /> по бокам блока, а управляющие – сверху и снизу.<br /> <br /> При составлении диаграммы вначале необходимо дважды щелкнуть на желаемом блоке, а затем перенести курсор мыши (он примет<br /> вид иконки блока) в окно диаграммы и левым щелчком установить<br /> блок в нужном месте. Позиция блока не фиксирована, то есть впоследствии, если потребуется, вы сможете переместить блок, не нарушая связи и сохранив его атрибуты. Блоки также можно поворачивать<br /> и отражать: чтобы сделать это, щелкните на блоке правой кнопкой<br /> мыши и выберите в появившемся меню один из трех пунктов: Rotate<br /> Left (повернуть против часовой стрелки на 450), Rotate Right (повернуть по часовой стрелке на 450) или Flip (перевернуть, отразить).<br /> <br /> После переноса блоков их необходимо соединить между собой.<br /> Для создания связи следует щелкнуть на треугольнике выходного<br /> порта одного блока, а затем – на треугольнике входного порта другого. При этом будет создана прямая линия. Если вам необходимо создать ломаную, то каждую ее точку можно определить левым щелчком<br /> в пустой области, точно так же, как при рисовании многоугольника в<br /> OOo Draw. Когда вы, наконец, щелкнете на входном порту, редактор<br /> постарается сделать углы вашей линии прямыми. Каждый входной<br /> порт соединяется лишь с одним выходным портом. Если вам необходимо провести линии от одного блока ко многим, например, передать<br /> одно и то же значение на вход нескольких расчетных блоков или синхронизировать несколько генераторов, то сначала проводится одна<br /> связь, а затем от ее линии создаются ответвления. Для этого следует выполнить двойной щелчок в каком-либо месте связи и провести<br /> дополнительную ветвь. Альтернативный вариант – использовать блоки MUX и DEMUX.<br /> <br /> Существует два вида связей: для передачи данных (черного цвета) и для передачи управляющей/временной информации (красного цвета). Пользователь может изменить цвета связей, но не цвет<br /> входа/выхода блока: он четко указывает необходимый тип связи.<br /> Следует также помнить, что обычный и управляющий порты соединить нельзя.<br /> <br /> Почти все блоки имеют изменяемые параметры, определяющие<br /> обработку информации или поведение. Чтобы открыть окно с перечнем параметров, достаточно дважды щелкнуть на блоке левой кнопкой мыши.<br /> <br /> Как создаются диаграммы, надеюсь, понятно. Но как же выбирать<br /> блоки для решения конкретной задачи и какие блоки с чем соединять? Вот в этом-то и заключается искусство экспериментатора. В<br /> рамках данной статьи я не смогу описать назначение всех блоков<br /> (читайте справку), но постараюсь объяснить базовые принципы.<br /> <br /> === Что в черном ящике? ===<br /> {{Врезка<br /> |Заголовок=Немного истории<br /> |Содержание=Sciсos – это часть<br /> пакета Scilab,<br /> распространяемая<br /> совместно с ним.<br /> Изначально она<br /> разрабатывалась<br /> Р. Никухой<br /> [R. Nikoukhah] на<br /> языке Scilab и не<br /> имела графического интерфейса.<br /> Позднее, для<br /> первого официального релиза в<br /> 1994, разработчик<br /> переписал имитатор на Fortran и<br /> частично на C,<br /> а С. Штеер<br /> [S. Steer] разработал графический<br /> редактор.<br /> До конца 90-х<br /> Sciсos развивался<br /> медленно силами<br /> студентов и<br /> аспирантов. С 2000<br /> года работа над<br /> ним значительно<br /> ускорилась благодаря контракту с<br /> R&amp;D. В частности<br /> был разработан<br /> новый имитатор<br /> на С, расширены<br /> типы данных, внедрен компилятор<br /> Modelica, разработаны интерфейсы<br /> взаимодействия с<br /> внешними устройствами.<br /> <br /> Ключевую роль<br /> в продвижении<br /> Scicos сыграла<br /> книга “Modeling<br /> and Simulation in<br /> Scilab/Scicos”,<br /> вышедшая в издательстве Springer в<br /> 2006 году<br /> (к сожалению, на<br /> русский язык она<br /> не переведена). В<br /> 2008 году для версии SciLab 4.1.2<br /> был разработан<br /> абсолютно новый<br /> многооконный<br /> графический<br /> интерфейс и алгоритм компиляции,<br /> кроме того, Scicos<br /> был адаптирован<br /> под лицензию GPL.<br /> |Ширина=300px}}<br /> [[Изображение:LXF108 79 1.png|thumb|300px|Рис. 2. Измененная диаграмма с заданным смещением коробки.]]<br /> Прежде чем переходить к созданию диаграммы, следует построить<br /> математическую модель, то есть записать уравнение или систему<br /> уравнений, описывающих процесс, а также определить начальные<br /> условия и внутренние константы. Scicos сможет решить поставленную перед ним задачу только при условии, что вы сами понимаете ее,<br /> в противном случае не поможет и суперкомпьютер.<br /> <br /> Рассмотрим такой пример: в коробке находится несколько упругих шариков, и в какой-то момент времени мы начинаем наблюдать за ними. Для этого случая модель уже построена и включена в<br /> демонстрационные примеры, поэтому в редакторе Scicos выберите<br /> последовательно пункты меню ? &gt; Demos, а затем, в появившемся<br /> окне, укажите файл bounce.cosf. После этого в редакторе откроется<br /> диаграмма, показанная на рис. 1. В ней всего три блока, так что разобрать ее труда не составит.<br /> <br /> Первый (имеющий вид красных часов) – это стандартный управляющий блок, без которого не обходится практически ни одна диаграмма. Он генерирует регулярные события, с заданным пользователем периодом. В данном случае он отсчитывает время, то есть подает<br /> команду на пересчет системы и отрисовку текущего состояния через<br /> определенные интервалы. Этот блок имеет всего два параметра:<br /> Period – период генерации событий и init time – начальное значение<br /> времени.<br /> <br /> Блок, с которым соединены часы, представляет собой инструмент анимации, подстроенный специально для данной задачи. (Есть<br /> сходный инструмент, расположенный на палитре Sinks.) У него много параметров, и большая их часть задается векторами, размерность<br /> которых совпадает с числом шариков. Они определяют цвета шариков, их радиусы и границы коробки.<br /> <br /> Ну, а третий блок осуществляет расчеты и выдает вектора координат. У него тоже много параметров, которые задают массу, радиус шариков, коэффициент аэродинамики, ускорение свободного<br /> падения...<br /> <br /> Запустите модель на выполнение (Simulate &gt; Run), и вы увидите,<br /> что происходит в неподвижной коробке с несколькими шариками.<br /> Хотите почувствовать разницу между Землей, Луной и Юпитером?<br /> Измените параметр g (gravity) и посмотрите, как он влияет на поведение системы. Чтобы остановить выполнение, нажмите на кнопку Stop<br /> в редакторе диаграмм (заметьте – не в окне с анимацией).<br /> <br /> Но в нашей задаче всего один шарик, и коробка движется.<br /> Попробуем изменить данную модель в соответствии с новыми<br /> условиями. Пусть коробка (и шарик) находятся в поле тяготения и<br /> коробка совершает синусоидальные колебания вдоль горизонтальной оси, а также периодические со случайной амплитудой – вдоль<br /> вертикальной.<br /> <br /> Добавим к открытой диаграмме описание смещения коробки, то<br /> есть синусоидальное изменение координаты шарика х и синусоидальные изменения со случайной амплитудой координаты y. Посмотрите<br /> результат на рис. 2.<br /> <br /> Блок с красным фоном описывает смещение коробки по оси х и<br /> представляет собой генератор синусоидального сигнала с палитры<br /> Sources. У него есть три параметра: Magnitude – максимальная по<br /> модулю величина сигнала, в нашем случае это максимальное смещение коробки (установите 2); Frequency – частота колебаний (мы<br /> выберем здесь значение 15); и phase – начальная фаза колебаний<br /> (укажите 0).<br /> <br /> Блоки с зеленым фоном задают смещение коробки по вертикали. Первый из них – это просто генератор событий (красные часы),<br /> который используется для выдачи случайного значения амплитуды<br /> колебаний (установите значение period в 0.2). Далее идет сам блок-генератор случайных чисел (random generator). У него есть несколько<br /> интересных нам параметров, например, flag – флаг, определяющий<br /> как использовать параметры A и B:<br /> * 0: A – это минимум, а максимальное значение равно A + B;<br /> * 1: A – это среднее, а B – отклонение от среднего.<br /> Установите flag равным 1, A – 0, B – 0,5. Ниже расположен знакомый нам генератор синусоиды. Укажите в нем следующие значения<br /> параметров: Magnitude – 0.5, Frequency – 5. Затем случайное значение<br /> амплитуды умножается на периодический сигнал (блок Product панели NonLinear) и прибавляется к координате y.<br /> <br /> Теперь нам осталось задать параметры расчета смещения шарика.<br /> Дважды щелкаем на блоке Bouncing balls и устанавливаем следующие<br /> значения: Mass – [1], radius – [1], [xmin,xmax,ymin,ymax] – [0;10;0;10];<br /> xpos, xdpos, ypos, ydpos – 5. Файл диаграммы со всеми изменениями<br /> (Ball_in_a_box1.cos) вы можете найти на LXFDVD в разделе Журнал.<br /> <br /> Чтобы посмотреть движение нескольких шариков, необходимо<br /> изменить параметры блока Bouncing balls, указав для Mass, radius,<br /> xpos, xdpos, ypos, ydpos вектора с числом элементов, равным количеству шариков. Но этого мало: необходимо также добавить в диаграмму перед блоками суммирования блок Scalar to vector с палитры<br /> Branching. Ведь смещение коробки вдоль каждой оси есть скаляр,<br /> а координаты нескольких шариков передаются в виде векторов.<br /> Измененную диаграмму для этого случая (файл Ball_In_a_Box_1m.cos) вы также сможете найти на диске.<br /> <br /> Запустите модель на выполнение. Правда, похоже? Но шарик<br /> вылетает за стенки коробки, а это неправильно! Так происходит<br /> потому, что мы добавили смещение коробки к координатам уже при<br /> выполнении анимации, а на расчет наши добавки никак не влияют.<br /> <br /> Таким образом, готовая модель не помогла нам точно описать<br /> нашу систему даже после изменений. С другой стороны, хоть какой-то характер движения мы выяснили. Более того, надеюсь, вам стало<br /> понятно, как применяются управляющие сигналы и как создаются<br /> диаграммы. А это и есть наша главная цель.<br /> <br /> Создание более точной модели требует детального анализа системы, вывода уравнений ее состояния (что, в принципе, делается довольно просто), но самое главное и самое трудное – это собрать диаграмму<br /> из блоков. Вот вам «домашнее задание»: попробуйте самостоятельно<br /> получить уравнения и создать модель шарика в подвижной коробке,<br /> и пришлите нам ваши результаты по адресу: [mailto:letters@linuxformat.ru letters@linuxformat.ru].<br /> Небольшая подсказка: вы можете воспользоваться готовой демонстрационной диаграммой с именем Bouncing_ball.cosf.<br /> <br /> === Суперигра ===<br /> [[Изображение:LXF108 80 1.png|thumb|300px|Рис. 3. Главная диаграмма с суперблоком.]]<br /> Вернемся к нашим диаграммам. Я думаю, вы понимаете, что диаграммы не всегда можно уместить на одном листе: зачастую они<br /> бывают достаточно объемны, и их трудно отлаживать, а также обозревать. Некоторые блоки можно логически объединить в большие<br /> суперблоки, со своими входами и выходами. Для этой цели в Scicos<br /> существует специальный блок с именем SUPER_f. На рис. 3 приведен<br /> пример «правильной» диаграммы для моделирования шарика в движущейся коробке, где части расчета координат x и y для шарика упакованы в суперблоки (мы-то уже решили эту задачку!).<br /> <br /> Создать суперблок можно двумя способами: обычным, т.е. просто перенести в диаграмму и затем наполнить его содержимым, и<br /> путем преобразования уже имеющейся части диаграммы. Последнее<br /> выполняется следующим образом: выделяем несколько блоков, а<br /> затем последовательно выбираем пункты меню Diagram &gt; Region to<br /> Super block.<br /> <br /> Чтобы увидеть и изменить содержимое суперблока, достаточно щелкнуть дважды на его иконке. Открывшееся окно в системной строке-заголовке будет содержать текст SuperBlock, а кнопка<br /> Simulate станет недоступной, поскольку запускать модель на выполнение можно только из главного окна.<br /> <br /> Каждый суперблок может содержать определенное число входных и выходных портов – как для данных, так и для управляющих<br /> сигналов. Таким образом, суперблок – это своего рода подпрограмма,<br /> и его можно отлаживать отдельно от основной части диаграммы, а<br /> затем вставить в нее уже готовеньким.<br /> <br /> {{Врезка<br /> |Заголовок=Перечень палитр блоков<br /> |Содержание=<br /> * Sources (источники) – блоки, представляющие собой источники данных или сигналов.<br /> * Sinks (приемники) – блоки вывода или отображения данных.<br /> * Linear (линейные) – базовые линейные операторы и подсистемы.<br /> * Non_Linear (нелинейные) – нелинейные функции и подсистемы.<br /> * Matrix (Матричные) – простые и сложные операции матричной алгебры.<br /> * Integer (Целое) – различные операции для работы с целыми числами.<br /> * Events (События) – блоки управления событиями в модели и синхронизации.<br /> * Thresholds (Граница) – блоки для генерации событий при обращении входной величины в нуль.<br /> * Others (Другие) – блоки различной направленности, от подключения программ на других языках программирования до решения уравнений в частных производных.<br /> * Branching (Ветвление) – управление перемещением данных в ссылках.<br /> * Electrical (Электричество) – базовые электрические блоки.<br /> * ThermoHydraulics (Термодинамика) – основные элементы термодинамики.<br /> * OldBlocks (Старые блоки) – старые версии блоков.<br /> * DemoBlocks (Демо блоки) – блоки из демонстрационных примеров.<br /> |Ширина=300px}}<br /> Входной порт данных определяется блоком IN_f (палитра Sources),<br /> а выходной – OUT_f (палитра Sinks). Для управляющих сигналов<br /> используются CLKINV_f и CLKOUTV_f с соответствующих палитр.<br /> Каждый входной или выходной порт суперблока должен иметь уникальный для своей группы номер, т.е. все входные порты данных<br /> нумеруются с 1, все выходные также нумеруются с 1, и т.д. Во время<br /> отладки суперблока в виде отдельной диаграммы входные и выходные блоки можно заменить некими тестовыми константами или<br /> зависимостями.<br /> <br /> Scicos содержит также средства отладки, но программисты<br /> сочтут их весьма и весьма убогими. Выбрав последовательно пункты<br /> меню Simulate &gt; Debug level, вы можете установить уровень режима<br /> отладки:<br /> * 0 нет отладки;<br /> * 1 краткая отладочная информация;<br /> * 2 подробная отладочная информация;<br /> * 3 молчаливая отладка, то есть режим отладки включен, но информация не выводится.<br /> <br /> Вся отладочная информация отображается в окне Scilab, а не в<br /> редакторе Scicos, так что не убирайте его далеко. Кроме изменения<br /> режима отладки, вы можете перенести в суперблоки блок Debug<br /> с палитры Others. Он вызывается первым при входе в суперблок и<br /> может содержать скрипт на языке Scilab, позволяющий вам выполнить те или иные действия. По умолчанию в нем стоит команда pause,<br /> приостанавливающая процесс выполнения.<br /> <br /> В заключение хочется вновь сказать, что пусть Simulink удобнее,<br /> имеет больше возможностей и широко известен, а потому для него<br /> существует обширная документация, но он очень дорого стоит. Scicos<br /> намного моложе и пока что неказист, и не может составить серьезную конкуренцию своему более именитому собрату. Однако я думаю,<br /> что со временем все изменится. Число членов консорциума Scilab<br /> растет все быстрее и быстрее, благодаря ужесточению законодательства в нашей стране все больше людей смотрят в сторону Scilab/Scicos, а для свободного ПО это автоматически приводит к увеличению числа разработчиков. Присоединяйтесь и вы! Помните, что даже<br /> если вы не программист и плохо разбираетесь в каких-то моментах,<br /> вы всегда можете внести посильную лепту путем перевода или написания документации, а ее катастрофически не хватает.</div>

Yaleks