Реферат: Компьютерные технологии решения оптимизационных задач управления
- входные данные представляют собой выражения, у которых, по меньшей мере, исходное представление выдержано в стандартных математических обозначениях; ввод этих данных в систему производится либо в таком же виде, либо с использованием специфического для каждой конкретной СКА синтаксиса;
- система содержит язык пользователя – совокупность встроенных функций и их опций, а в некоторых СКА, к тому же, предоставляют возможность определения процедур с помощью операторов классических языков программирования (If, While и др.);
- СКА являются открытыми для пользователя системами, иначе говоря, пользователь может создавать новые функции на основе встроенных функций.
- вычислительное ядро имеет структуру списка или дерева, а управление памятью — динамическое, с автоматическим восстановлением доступного пространства;
- язык реализации системы скрыт от пользователя (содержится в так называемом вычислительном ядре системы); это чаще всего С или Lisp (иногда Pascal);
Компьютерные математические системы дают пользователю возможность использовать встроенный язык программирования сверхвысокого уровня, позволяющий расширять класс задач, охваченных встроенными функциями, и решать такие задачи, которые невозможно решить в рамках использования встроенных функций.
Далее мы рассмотрим программное обеспечение персональных компьютеров, используемое на различных этапах математического моделирования.
За последние годы чётко сформировалась следующая тенденция в развитии программного обеспечения для персональных ЭВМ: появляется всё больше интегрированных пакетов, которые включают наряду со специализированными программами и программы подготовки отчетов. Модульный подход к моделированию прослеживается и в современных пакетах.
Одним их из них является MatLab (“The MathWorks Inc”, USA), который, по существу, изначально предназначался для “больших” машин, а затем был адаптирован для персональных компьютеров.
Система MatLab
Данная система ориентирована на матричные и векторные вычисления (её названием является сокращение словосочетания Matrix Laboratory) и предназначена в основном для численного моделирования технических систем. Её последние версии содержат элементы универсальных систем компьютерной алгебры: специальный модуль MatLab Notebook, позволяющий, в том числе, использовать возможности Microsoft Word для оформления документов, а также приобретённый у компании Maple Waterloo модуль основной символьной библиотеки системы Maple V 4.0 для выполнения некоторых аналитических расчётов. Входной язык в определённой мере напоминает BASIC (с элементами Фортрана и Паскаля). Интерфейс менее доступный и красочный, чем у системы MathCAD, однако скорость вычислений выше.
Использование в образовании нецелесообразно; система предназначена для профессиональной работы в области математики и смежных областях.
Система MatLab предназначена для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной визуализации получаемых результатов. Эта система применяется в математике, вычислительном эксперименте, имитационном моделировании.
В пакет входит множество хорошо проверенных численных методов (решателей), операторы графического представления результатов, средства создания диалогов. Отличительной особенностью MatLab по сравнению с обычными языками программирования является матричное представление данных и большие возможности матричных операций над данными. Используя пакет MatLab можно, как из кубиков конструктора, построить довольно сложную математическую модель, или написать свою программу (весьма похожую на Фортран-программу). А можно используя SIMULINK и технологию визуального моделирования составить имитационную модель или систему автоматического регулирования.
Гибкий язык MatLab дает возможность инженерам и ученым легко реализовывать свои идеи. Мощные численные методы и графические возможности позволяют проверять предположения и новые возникающие идеи, а интегрированная среда дает возможность быстро получать практические результаты.
Сегодня MatLab используется во множестве областей, среди которых обработка сигналов и изображений, проектирование систем управления, финансовые расчеты и медицинские исследования. Его открытая архитектура делает возможным использование MatLab и сопутствующих продуктов для исследования данных и создания собственных инструментов, использующих функциональные возможности MatLab.
Другая сторона развития программного обеспечения – ориентация на менее профессионально подготовленного, “непрограммирующего пользователя”. В этом случае пользователь такого пакета получает возможность сосредоточиться на сущности самой задачи, а не способах ее программной реализации. Однако, в свою очередь, пользователь должен ясно представлять возможности используемого пакета и заложенных в нем методов, а также уметь выбрать необходимый пакет, соответствующий решаемой задаче. Все этапы создания и использования математической модели легко проследить при работе с популярным пакетом MathCAD (фирма “MathSoft Inc.”, USA).
MATHCAD — универсальный математический пакет, предназначенный для выполнения инженерных и научных расчетов. Математическое обеспечение пакета позволяет решать многие задачи в объеме инженерного вуза.
Разработчики пакета совершенствуют пакет от версии к версии. В настоящее время существет версия MATHCAD 13, обладающая еще большими возможностями. Существуют оригинальная (англоязычная) и русифицированная версии программы.
Что отличает пакет MATHCAD от калькулятора: вычисление с произвольной точностью, работа с различными типами данных (комплексные, векторы, матрицы), использование библиотеки математических функций (которая может быть дополнена программами на ФОРТРАНе).
Основное преимущество пакета перед типичными языками программирования — естественный математический язык, на котором формулируется решаемая задача.
Пакет объединяет в себе: редактор математических формул, интерпретатор для вычислений, библиотеку математических функций, процессор символьных преобразований, текстовый редактор, графические средства представления результатов. Пакет MATHCAD относится к интегрированным пакетам, т.е. позволяет не только произвести вычисления, но и получить документ - итоговый отчет с комментариями, формулами, таблицами и графиками. В отличие от издательских систем формулы в MATHCAD работают.
К положительным качествам MATHCAD следует отнести открытость - все приведенное в документе может быть воспроизведено, а интеграция в одном документе исходных данных, метода решения и результатов позволяет сохранить настройки для решения подобных задач.
Рис. 3 – Интерфейс программы Mathcad
Рис. 4 – Интерфейс программы Microsoft Excel
Программа MS Excel является лидером на рынке программ обработки электронных таблиц, определяет тенденции развития в этой области.
Одним из важнейших функциональных расширений программы, предназначенным для профессионалов, является встроенная в Excel Среда программирования Visual Basic (VBA) для решения прикладных задач.
Основные возможности программы MS Excel:
1. Управление файлами
2. Построение таблиц