1. ОГЛЯД СИСТЕМ МОДЕЛЮВАННЯ НА ПРИКЛАДІ СИСТЕМИ DIVA

1.1 Призначення системи моделювання DIVA

  Прототип системи моделювання DIVA був розроблен у 1987-1990 рр. в інституті системної динаміки та керуючої техніки (ISR) Штутгартського університету на базі дослідницьких робіт, що проводилися в інституті раніше в області розробки моделюючих систем складних хімічних процесів і моделювання окремих технологічних апаратів та установок. Одним з перших застосувань системи була реалізація в 1989 році тренажера для учбового центра фірми BASF, яка займає третє місце в світі по обсягах хімічного виробництва .
  Система моделювання DIVA була написана на мові програмування FORTRAN для операційної системи UNIX. У початковому варіанті вона представлена у вигляді вихідних текстів програмних модулів, призначених для компіляції.
  За допомогою середи моделювання DIVA можна виконувати різні роботи по моделюванню процесів у багатьох галузях хімічної промисловості, до того ж вона допомагає приймати рішення при виборі варіанту реалізації як технологічного процесу, так і побудови технологічного апарату загалом. При моделюванні можна враховувати енерговитрати процесів, матеріаломісткість та їх впливів на навколишнє середовище.
Система моделювання DIVA дозволяє:
• проводити моделювання параметрів процесів, які не можуть бути виміряні безпосередньо;
• визначати причини відхилення поточних параметрів процесу від заданих;
• забезпечувати оптимальні умови реалізації технологічних процесів за критеріями безпеки та продуктивності;
• використовувати моделі різних виробничих процесів в учбовому процесі при підготовці фахівців відповідного профілю;
• готувати і контролювати виробничий персонал.
  Моделювання в системі DIVA є блоково-орієнтованим. Тобто модель в системі DIVA задається у вигляді сукупності автономних блоків, що мають свої вхідні і вихідні параметри. При побудові моделі можна скористатися або стандартними блоками з досить великої бібліотеки елементів (хімічні і біологічні реактори, дистиляційні колони, конденсатори, випарники, теплообмінники, насоси, мішалки, вентилі, накопичувачі, сепаратори, регулювальники різних типів), або специфічними елементами (вхід як джерело вхідних потоків, вихід як приймач і аналізатор вихідних потоків, помножувач, дільник), параметри і принципи роботи яких завдаються користувачем. Математична модель блоку, призначена для реалізації в системі DIVA, представляється системами алгебраїчних або звичайних диференціальних рівнянь, а також системами рівнянь в приватних похідних із заданими початковими і граничними умовами. У системі DIVA кожному блоку відповідає відкомпільований FORTRAN-модуль, процес створення якого автоматизовано за допомогою спеціальної програми кодогенератора.


1.2 Структура системи моделювання DIVA

  Система моделювання DIVA містить в собі наступні компоненти:
• інтерпретатор команд, який приймає від користувача команди керування структурою поточної моделі, параметрами моделі, параметрами моделювання і бібліотеками чисельних методів, що використовуються;
• бібліотеки чисельних методів. Дані бібліотеки використовуються для забезпечення низкорівневого вирішення задач. Вони містять методи, такі як інтегратори, пошук рішення, аналізатори, динамічні оптимізатори та інші;
• бібліотеку кореляції фізичних параметрів моделі;
• бібліотеку блоків моделей;
• кодогенератор (Codegenerator), що призначен для первинного перетворення опису блоку моделі з мови LISP зрозумілої для людини, до стану FORTRAN-підпрограм (розширення “f” та “inc”) і файлів параметрів цього блоку моделі (розширення “dat”).
• модуль для відображення результатів (Visualisation module). 
Структура системи моделювання DIVA наведена на рис. 1.1.

  Моделююча система DIVA функціонує за наступною послідовністю:
1. Підготовка моделі в формі опису блоків і їх з'єднань (файл з поширенням anl).
2. Підготовка початкових параметрів блоків (файл з поширенням dat).
3. Підготовка блоку за допомогою кодогенератора.
4. Підготовка командного файла з вказівкою часових параметрів моделювання.
5. Запуск моделювання наступною командою: 
“drun <model.do >model.out”, де model.do – командний файл model.out – вихідний файл.
6. Аналіз ходу моделювання на основі повідомлень в файлі “model.out”, візуалізація даних з файлів “model.dsf”, ”model.ddf” при допомозі системи візуалізації MatLab/DivaGraphics.

  Повний опис моделі міститься в групі файлів “do”, “anl”, “dat”. Модель в системі DIVA може складатися з безлічі блоків, кожний з яких описаний в файлі з розширенням “dat”. У цьому файлі міститься опис вхідних і вихідних змінних блоку, їх граничні і початкові значення, кількість і порядок проходження. По суті файл “dat” описує інтерфейс блоку, до якого він належить, а сама поведінка блоку описана у відкомпільованих фортранівських файлах. У будь-якій моделі повинне бути джерело вхідних сигналів або потоків. Цю функцію виконує стандартний блок “feed”, який ініціює вхідні параметри. Так само необхідно мати кінцевий блок, куди будуть стікатися всі вихідні потоки даних моделі, необхідні для контролювання. Для виконання цієї функції служить блок “aus”.
  Структура моделі описана в файлі з розширенням “anl”. Цей файл підготовлюється користувачем. У файлі “anl” описані блоки, з яких складається модель, і з'єднання між ними. Для кожного виходу блоку вказаний вхід іншого блоку, до якого він підключається. Таким чином за допомогою файла “anl” можна задати дуже складну структуру моделі з перехресними зв'язками.
  Для ініціювання початкових параметрів всіх блоків служить файл. “start”. Цей файл містить початкові значення параметрів блоків в порядку їх появи.
  Система моделювання DIVA містить безліч команд, які призначені для керування процесом моделювання, завданням початкових умов і зміною параметрів блоків. Ці команди можна вводити безпосередньо в командному рядку інтерпретатора, однак для моделювання звичайно використовується командний файл “do”, в якому містяться команди системи моделювання DIVA, які встановлюють початкові параметри моделі, час моделювання, змінюють деякі параметри і запускають модель на виконання. У файлі “do” також задаються назви файлів результатів моделювання.
  Результати моделювання записуються в два файли “dsf”, “ddf”. Файл “ddf” – це файл значень змінних на кожному кроці моделювання, записаних підряд. У файлі “dsf” міститься опис порядку проходження змінних в файлі “ddf” в якому вони слідують.
  Файл “dsf” описує змінні на двох рівнях (рівень блоків ключів, рівень блоків параметрів). Розібравши файл “dsf” в порядку надходження параметрів можна отримати дані з файла “ddf” на кожному кроці моделювання (спочатку слідують значення кожного параметра на 1 кроці, далі на 2 і т.д.).