Podstawowe modele matematyczne stosowane w projektowaniu


Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Witelona w Legnicy
Wydział Nauk Technicznych i Ekonomicznych
Kierunek: ZIP
Specjalność: -
Studia: stacjonarne
Ewa Jabłońska
Rok studiów: drugi
Grupa: pierwsza
Nr zespołu: 16
Rok akademicki : 2014/2015
Referat z przedmiotu:  Podstawy projektowaniainżynierskiego
Podstawowe modele matematyczne stosowane w projektowaniu
Referat napisany pod kierunkiem:
dr. inż. Jerzy Kwaśnik
Legnica 2015
Spis treści
1. Definicja pojęcia modelowania matematycznego 3
2. Podstawowe cechy modeli 3
3. Cele tworzenia modeli 3
4. Podział modeli 4
4.1. Podział modeli ze wzgledu na ich konstrukcje 4
4.2. Podział modeli ze względu na ich relacje do modelowego systemu 4
4.2.1. White  box 5
4.2.2. Black  box 5
4.2.3. Gray  box 6
4.2.4. Glass  box 6
5. Tworzenie modeli matematycznych 7
6. Metody matematyczne przedstawione na konkretnym przykładzie 7
6.1. Optymalny system dynamiczny 7
7. Podsumowanie 9
Bibliografia 10
Spis rysunków 11
2
1. Definicja pojęcia modelowania matematycznego
Modelowanie matematyczne to użycie języka matematyki do opisania zachowania
jakiegoś układu (na przykład układu automatyki, biologicznego, ekonomicznego,
elektrycznego, mechanicznego, termodynamicznego).
Praktyka inżynierska często wymaga sterowania układem lub wykonania analizy jego
zachowania, do czego używa się modelowania matematycznego. W analizie inżynier buduje
opisowy model układu będący hipotezą co do sposobu działania układu i na podstawie tego
modelu może wnioskować co do wpływu potencjalnych zakłóceń na stan układu.
W sterowaniu model może posłużyć do teoretycznego wypróbowania różnych strategii
sterowania bez wpływania na rzeczywisty układ.
Model matematyczny opisuje dany układ za pomocą zmiennych. Wartości zmiennych
mogą należeć do różnych zbiorów: liczb rzeczywistych, całkowitych, wartości logicznych,
ciągów znakowych i tym podobnych.
Zmienne reprezentują pewne właściwości układu, na przykład zmierzone wartości wyjść
układu, wartości liczników, wystąpienia zdarzeń (tak/nie) i tym podobne.
Właściwy model to grupa funkcji wiążących ze sobą różne zmienne i w ten sposób
opisujących powiązania między wielkościami w układzie.
2. Podstawowe cechy modeli
" Model systemu jest z reguły uproszczeniem rzeczywistości.
" Model systemu powinien zewnętrznie, w zakresie nas interesującym, zachowywać się
podobnie jak system, aczkolwiek może mieć inną strukturę wewnętrzną.
" Modele systemów mają z reguły znacznie mniejszą ilość wejść i wyjść niż systemy
rzeczywiste.
" Model systemu powinien cechować się łatwością wykorzystania zgodnie
z przeznaczeniem.
3. Cele tworzenia modeli
" BADANIE  czyli model służy do wyjaśnienia zachowania się sytemu w określonych
warunkach.
" PROGNOZOWANIE  czyli model służy do przewidywania zachowania się systemu
w przyszłości.
" PROJEKTOWANIE  czyli model służy do optymalizacji struktury i parametrów
projektowanego systemu.
" KIEROWANIE  czyli model służy do podejmowania decyzji w działającym
systemie.
3
4. Podział modeli
4.1. Podział modeli ze względu na ich konstrukcję
" Koncepcyjne albo jakościowe  np. model Ptolemeusza systemu słonecznego lub
model systemu motywacji pracownika do wydajnej pracy.
" Fizyczne  np. model koryta rzeki w skali laboratoryjnej, lub model samolotu
testowany w tunelu aerodynamicznym.
" Analogowe  np. symulacja systemu sieci wodociągowej za pomocą złożonego układu
elektrycznego, lub symulacja systemu sterowania za pomocą analizatora
analogowego.
" Matematyczne  w postaci układu zależności matematycznych.
" Komputerowe  za pomocą odpowiedniego programu komputerowego. Modele takie
budowane są z równań matematycznych, zależności statystycznych i reguł
probabalistycznych. Ich specyfiką jest możliwość symulowania ewolucji systemu
poprzez krokowe zmiany parametrów wyjściowych.
4.2. Podział modeli ze względu na ich relacje do modelowego systemu
Problemy modelowania matematycznego często klasyfikuje się jako "czarne skrzynki"
(ang. black-box) lub "białe skrzynki" (ang. white-box), w zależności od ilości informacji
o układzie posiadanych przed modelowaniem. Model "czarnej skrzynki" przedstawia układ,
o którym nie posiadamy absolutnie żadnej informacji, podczas gdy model "białej skrzynki"
przedstawia układ, o którego działaniu mamy pełną wiedzę. W rzeczywistości wszystkie
układy plasują się pomiędzy tymi dwoma idealnymi modelami. Zazwyczaj preferowane jest
wykorzystanie możliwie dużej ilości wiedzy a priori, jak to tylko możliwe, aby uzyskany
model był dokładniejszy.
4
4.2.1. White - box
Modele "białej skrzynki" są uważane za prostsze, gdyż jeśli tylko wiedzy a priori
użyto poprawnie, to model będzie zachowywał się zgodnie z rzeczywistym układem. Często
informacja posiadana wcześniej o układzie ukazuje nam rodzaj zależności (charakter funkcji)
wiążącej zmienne układu. Użytkownik widzi strukturę aktywu i w zasadzie może go dowolnie
modyfikować. Przykładem mogą tu być wszelkiego rodzaju wzorce projektowe, wzorce
dokumentacji, fragmenty tekstu programów, itp.
Model białej skrzynki jest najłatwiejszy do wdrożenia, gdyż zasadniczo polega na
opisaniu pewnego wykonanego fragmentu dokumentacji lub oprogramowania.
Taki opis może być jednak trudno generalizowalny, zaś zmiany aktywu przez osoby
inne niż konstruktor aktywu są ryzykowne i mogą doprowadzić do naruszenia założonych na
początku własności. Z drugiej strony, dokładny opis fragmentów, które mogą podlegać
zmianom oraz określenie dopuszczalnego zakresu zmian może okazać się bardzo trudnym
zadaniem.
PRZYKAAD: Użycie białej skrzynki następuje poprzez skopiowanie i zmodyfikowanie.
4.2.2. Black  box
W modelach "czarnej skrzynki" należy wyznaczyć zarówno postać funkcji wiążącej
wielkości w układzie, jak i wartości liczbowych parametrów tych funkcji. Nie posiadając
wiedzy a priori próbujemy użyć funkcji możliwie ogólnych, by objąć nimi wszystkie różne
modele. Często używanym sposobem na uzyskanie modelu "czarnej skrzynki" jest użycie
sieci neuronowych, które nie zakładają niczego o nadchodzących do nich danych.
Podstawowym problemem występującym przy używaniu zestawów wielu funkcji opisujących
układ jest szybko wzrastający poziom trudności przy estymacji parametrów funkcji, gdy ilość
tych parametrów wzrasta. Model czarnej skrzynki uważa się za najbardziej pożądany
stereotyp aktywu ponownego użycia. Z drugiej strony, jest to model najtrudniejszy do
opracowania, szczególnie w małych organizacjach.
 Czarna skrzynka może być użyta poprzez odsyłacz lub poprzez skopiowanie.
Częściej stosowane jest kopiowanie aktywu, które z kolei może być nie wskazane, gdy aktyw
jest na bieżąco utrzymywany (pielęgnowany) przez odpowiednią komórkę.
W takim przypadku kopiowanie powoduje, że akcje usunięcia błędów
i modyfikacje wprowadzane na bieżąco przez opiekunów aktywu nie będą automatycznie
propagowane do kopii funkcjonujących w nowszych i pozornie doskonalszych systemach.
PRZYKAAD: Przykładem czarnej skrzynki może być np. biblioteka procedur w postaci
skompilowanej czy też zamknięty pod względem formy formularz.
5
4.2.3. Gray  box
Element pośredni między modelem czarnej, a białej skrzynki. W modelu szarej
skrzynki konstruktor aktywu będzie mógł określić, które części aktywu i dla jakich
użytkowników będą widoczne.
4.2.4. Glass  box
Model szklanej skrzynki. Przy tym modelu zarówno budowa aktywu, jak i jego cechy
zewnętrzne są widoczne, chociaż nie można ich zmienić. Znajomość budowy aktywu i
zrozumienie zasad jego działania sprzyjają właściwemu stosowaniu, ale niemożność
dokonania jakichkolwiek zmian może być zródłem frustracji.
Rys.1. Przedstawienie graficzne niektórych elementów podziału modeli ze względu na ich
relacje do modelowania systemu.
Żródło: opracowanie własne.
6
5. Tworzenie modeli matematycznych
Tworzenie modelu matematycznego obejmuje trzy główne etapy:
" specyfikację modelu
" identyfikację modelu
" weryfikację modelu
"
6. Metody matematyczne przedstawione na konkretnym przykładzie
6.1. Optymalny system dynamiczny
Zastosowana w nim optymalizacja wraz z symulacją dynamiki, pozwala na ocenę
oraz wybór, takich rozwiązań, które były najlepiej oceniane przez pryzmat przyjetych
(zamodelowanych) kryteriów jakości. Mierzyły one długookresowe skutki polityk
decyzyjnych, funkcjonujacych w systemie, a dotyczących m.in. produkcji, zapasów,
sprzedaży, zaopatrzenia w surowce.
Rys.2. Elementarne sprzężenia w optymalnym modelu dynamicznym przy maksymalizacji
zysku.
yródło: opracowanie własne.
7
Rysunek 2 przedstawia główne sprzężenie związane z optymalizacją
(maksymalizacją zysku zastosowaną n amodelu budowanym według filozofii Dynamiki
Systemowej.
Rys.3. Elementarne sprzężenia w optymalnym modelu dynamicznym przy minimalizacji
kosztów.
yródło: opracowanie własne.
8
7. Podsumowanie
Modele matematyczne pozwalaja zobaczyć strukturę projektowanych systemów
oraz efekt wzmocnienia występujący w tych strukturach. Współdziałanie istniejących modeli
matematycznych wyznacza dynamikę zachowań się systemu.
Trudności w wybieraniu modelu matematycznego oraz jego wpływu na zachowanie
systemu jako całości, moga byc przezwyciężone przez dalsze badania deoretyczne oraz przez
szerszy niz ma to miejsce obecnie opis struktur w modelach złożonych systemów
w literaturze przedmiotu.
9
Bibliografia
[1]
Kasperska E.,Mateja-Losa E., Słota D., Some dynamics balance of production via
optimization and simulation with System Dynamics method, in: Proc. 19th International
Conference of the System Dynamics Society, J. H. hines, V. G. Diker, R. S. Langer, J. I.
Rowe, ed., SDS, 2001, 1-18.
[2]
Kasperska E., Mateja-Losa E., Słota D., Optimal dynamic balance of raw materials  some
concept of embedding optimization in simulation on system dynamics models and vice versa,
in: Proc. 20 International Conference of the SystemDynamics Society, p. I. Davidsen, E.
Mollona, V. G. Diker, R. S. langer, J. I. Rowe, ed., SDS, 2002, 1-23.
[3]
opracowanie własne.
{4}
Kasperska E., Mateja-Losa E., Modele matematyczne wybranych archetypów
systemowych i ich symulacja, Zeszyty Naukowe. Matematyka  Fizyka/Politechnika Śląska,
2004, 91.
[5]
http://www.maths.com.pl/?q=analiza
[6]
http://www.sms.am.put.poznan.pl/eskrypty_pliki/inzynieriasystemow/modeleimodelo
wanie.pdf
10
Spis rysunków
Rys.1. Przedstawienie graficzne niektórych elementów podziału modeli ze względu na ich
relacje do modelowania systemu.
Żródło: opracowanie własne.........................................................................................................6
Rys.2. Elementarne sprzężenia w optymalnym modelu dynamicznym przy maksymalizacji
zysku.
yródło: opracowanie własne.........................................................................................................7
Rys.3. Elementarne sprzężenia w optymalnym modelu dynamicznym przy minimalizacji
kosztów.
yródło: opracowanie własne......................................................................................................8
11


Wyszukiwarka