Конспектлекций по дисциплине
«Компьютеризацияметаллургических процессов»
Тема1. Загальні відомості про комп'ютерні системи.
Компьютер – как устройствопереработки информации – используется в управлении и исследованиях металлургическихпроцессов достаточно широко.
Причем, как правило, под компьютеромподразумевают ЭЦВМ (электронные цифровые вычислительные машины). Хотя висследовательской практике применяют и АВМ (аналоговые вычислительные машины).
Условно компьютеры можно разделить нанесколько классов, персональные, мини, мэйнфреймы, др. В металлургическойпрактике чаще всего используют персональные и микро-ЭВМ.
Персональные компьютеры — электронныецифровые вычислительные машины широкого назначения, с помощью изменяемогопрограммного обеспечения могут использоваться для решения самых разных задач.
Микро-ЭВМ — электронные цифровыевычислительные машины специального назначения.
Микропроцессорыи микро-ЭВМ
Микропроцессор представляет собойфункционально законченное устройство обработки цифровой информации, управляемоехранимой в памяти программой и конструктивно выполненное в виде одной илинескольких БИС (больших интегральных схем). По своим логическим функциям иструктуре микропроцессор близок к процессорам ЭВМ, но отличается меньшимиразмерами, стоимостью, энергетическими затратами, большей надежностью.Оперирует чаще всего с коротким словом от 8 до 16 разрядов. Микропроцессорынаходят в настоящее время очень широкое распространение как в качествевстроенных вычислителей в различные приборы и оборудование, так и в качествеосновы микро-ЭВМ.
Микро-ЭВМ представляет собой комплексустройств, выполненных на БИС, состоящий из микропроцессора, запоминающихустройств и средств связи с периферийными устройствами.
В структуре микропроцессора можновыделить три основные части: центральный процессор, постоянную памятьмикропрограмм и блок управления. Центральный процессор имеетарифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативную память на регистрах, атакже функциональные регистры. АЛУ выполняет команды сложения, вычитаниялогического И, ИЛИ, и команды сдвигов. Более сложные команды реализуются припомощи микропрограмм. Mикропроцессоры имеют так называемый общий интерфейс(систему сопряжения), обслуживающий как внешнюю оперативную память, так ипериферийные устройства.
В состав микро-ЭВМ общего назначениявходят постоянная (ПЗУ) и оперативная (ОЗУ) память на БИС, а также внешние запоминающие устройства (ВЗУ) на жестких или гибких магнитных дисках и устройства ввода —вывода (УВВ). Наличие ВЗУ позволяет создавать библиотеки прикладныхисследовательских (рабочих) nporpaмм, а управляющие микро-ЭВМ, имеющие в своем составетакже устройства связи с объектами, открывают возможности автоматизацииуправления и эксперимента путем сбора и обработки информации непосредственно собъекта.
Использованиекомпьютеров
Как правило, микроЭВМиспользуют в составе систем управления металлургическими процессами (например, системауправления загрузкой доменной печи, плавкой в конвертере, др.).
В современных системахавтоматического регулирования и управления используются огромные потокиинформации, характеризующие начальное и текущее состояния системы и конечныерезультаты ее работы. Получение, преобразование, хранение и использованиеинформации для автоматического регулирования и управления осуществляются спомощью различных функциональных устройств (элементов), из которых в сочетаниис управляющими машинами (УВМ), исполнительными и регулирующими механизмамисинтезируется АСУ (автоматические системы управления).
Для использования компьютеровв системах управления необходимы аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) ицифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Это устройства, которые переводятнепрерывный сигнал, поступающий с прибора (например, датчика измеряющеготемпературу) в дискретную, цифровую форму, пригодную для обработки в ЭЦВМ.
В основном компьютерыиспользуют для управления частью операций технологического процесса. Полноеуправление осуществляется, как правило в режиме «советчика».
Тема2. Математичне та програмне забезпечення розрахунків металургійних процесів.
Созданиеалгоритма расчета – один из этапов разработки математической модели процеса.
Алгоритм – формальноепредписание, однозначно определяющее содержание и последовательность операций,переводящих совокупность исходных данных в искомый результат – решение задачи.
Как правилоалгоритм реализуют в виде т.н. блок-схем.
Пример блок схемымодели процесса обезуглероживания стали в конвертере показан на рис. 2.1
На следующемэтапе разработки составляется алгоритм (блок-схема) отдельного блока модели ит.д., до тех пор пока не будет написан алгоритм реализуемый на каком либо языкепрограммирования ЭЦВМ.
Для реализации таких расчетовнужно знание языков программирования.
Другим путем расчетов можетбыть использование готовых программ (т.н. приложений), позволяющих реализовать алгоритм расчета без знания языков программирования, с использованиемминимального количества формальных правил.
/>
Рис. 2.1 Блоксхема модели процесса обезуглероживания стали в конвертере
2.1Электронные таблицы
Один из основныхклассов таких программ – электронные таблицы (ЭТ).
Наиболеепопулярные ЭТ – Excel и Lotus.
Приложение Excel входит в состав пакета Microsoft Office.
Интерфейс программы Excel
Программа представляетпользователю разлинованный в клеточку лист. В клеточки назывемые ячейкамивводят исходные данные в виде чисел, текст и формулы, по которым программапрактически мгновенно производит вычисления. Результаты в числовой форме такжепоказываются в ячейках, но могут быть представлены и в виде графиков, диаграмм.
Элементы формул
Формула,вводимая в ячейку, может состоять из пяти типов элементов:
♦ Операторы. Символы, например "+"(сложение) и "*" (умножение).
♦ Ссылки на ячейки.В эту категорию входятименованные ячейки и диапазоны, относящиеся к текущему рабочему листу, ячейкамдругого листа текущей книги и даже ячейкам листа другой рабочей книги.
♦ Значения илистроки. Например, 7,5или «Результаты на конец года ».
♦ Функции и ихаргументы. Сюдаотносятся функции, такие как СУММ или СРЗНАЧ и их аргументы.
♦ Скобки. Задают порядок выполнения действий вформуле.
Ввод формул
Когда вывводите в ячейку знак равенства, программа воспринимает следующую за этимзнаком запись как формулу (формулы в Ехсе! всегда начинаются со знакаравенства). В начале формулы допустимо также использование знаков«плюс» и «минус». Однако Ехсё1 автоматически заменит любойиз них на знак равенства, как только вы закончите вводить формулу. Ввести формулу в ячейку можно двумя способами: вручную илиуказав ссылки на ячейки. Оба метода описаны ниже.
Ручной ввод формул
Ручнойввод формул означает, что вы просто активизируете ячейку и вводите в ней знакравенства (=), а за ним — саму формулу. Вводимые вами символы одновременнопоявляются в ячейке и в строке формул. При вводе формул вы, конечно же, можетеиспользовать клавиши, предназначенные для редактирования. Закончив вводитьформулу, нажмите .
Послетого как вы нажмете ,в ячейке будет отображен результат выполнения формулы. Сама же формула будетпоявляться в строке формул, когда соответствующая ячейка будет активна.
Ввод формул с указанием ссылок на ячейки
Этотспособ также предполагает ручной ввод некоторых элементов. Вы можете указатьссылки на ячейки, вместо того чтобы задавать их вручную. Например, чтобы ввестиформулу =А1+А2 в ячейке А3, необходимо выполнить следующее:
1. Выделите ячейку А3.
2. Введите знак равенства (=).
3. Дважды нажмите на клавишу со стрелкойвверх. Нажав на эту клавишу, вы заметите вокруг ячейки рамку. Ссылка на ячейку(А1) появится в ячейке АЗ и в строке формул.
Если выпредпочитаете использовать мышь, наведите указатель на ячейку А1 и щелкнитемышью.
4. Введите знак плюс (+). Движущаясярамка исчезнет.
5. Еще раз нажмите клавишу со стрелкойвверх. К формуле добавится А2.
Если выпредпочитаете использовать мышь, наведите указатель на ячейку А2 и щелкнитекнопкой мыши.
6.Закончив ввод формулы, нажмите .
Применение операторов в формулах
Как ужеговорилось, оператор — один из основных элементов формулы. Оператор — этосимвол, обозначающий операцию. Ехсе1 поддерживает следующие операторы:
+ Сложение
- Вычитание
/ Деление
* Умножение
% Процент
& Объединениепоследовательностей символов в одну строку
^ Возведениев степень
= Логическоесравнение (равно)
> Логическоесравнение (больше)
>= Логическоесравнение (больше или равно)
Логическоесравнение (не равно)
Вы,конечно же, можете применять любое количество операторов. При использованиимножества операторов формулы могут получиться достаточно сложными.
Функция
Функция— встроенный инструмент программы Excel, используемый в формуле. Фактически это формула созданнаяпрограммистами. В обычной функции (например, СУММ) присутствует один и болееаргументов. Функция возвращает результат. Функция СУММ, например, принимаетаргумент диапазона, а затем возвращает сумму значений этого диапазона. Функциивам пригодятся, поскольку они:
♦ Упрощают формулы
♦ Позволяютпроизводить вычисления, которые невозможно осуществить без них
♦ Ускоряютвыполнение некоторых задач редактирования
♦ Позволяютналагать условия на выполнение формул, что дает последним элементарнуюспособность к принятию решений.
Пример упрощения формулы
Использованиевстроенных функций позволяет существенно упростить формулу. Например вам нужновычислить среднее арифметическое значений десяти ячеек (А1: А10). Без примененияфункций вам придется создать примерно следующую формулу:
=(А1+А2+АЗ+А4+А5+А6+А7+А8+А9+А10)/10
Громоздко,не так ли? Более того, если в последствии диапазон суммируемых значений будетувеличен, вам придется редактировать эту формулу. Такую формулу можно заменить болеепростой, в которой будет использована одна из встроенных функций рабочего листаExcel. В приведенной ниже формулеиспользуется функция СРЗНАЧ:
=СРЗНАЧ(А1: А10)
Категории функций
Финансовые функции
Финансовыефункции позволяют производить экономические вычисления, связанные с расчетомденежных средств. Функция ПРОЦПЛАТ, например, используется для вычислениявеличины ежемесячной выплаты по ссуде на покупку автомобиля. Для вычислениянеобходимо задать следующие аргументы: размер ссуды, процентную ставку по ссудеи срок, на который ссуда предоставлена.
Функции даты и времени
Функцииэтой категории позволяют анализировать и работать со значениями даты и временив формулах. Например, функция СЕГОДНЯ возвращает текущую дату (которая указанана системных часах).
Математические функции
В этукатегорию входят разнообразные функции, выполняющие математические и триго нометрические вычисления.
Во всех тригонометрических функциях углы измеряются врадианах (а не в градусах). Для того чтобы преобразовать градусы в радианы,используйте функцию РАДИАНЫ.
Статистические функции
Функцииэтой категории предназначены для проведения статистического анализа диапазонов значений.С помощью статистических функций можно вычислить наименьшее значение набора,значение моды множества данных, стандартное отклонение по выборке илидисперсию.
Некоторыефункции этой категории требуют установки надстройки «Пакет анализа».
Функции ссылок и массивов
Функцииэтой категории используются для нахождения значений в списках или таблицах.Самый распространенный пример — поиск значения в таблице налогов. ФункцияПОИСКПОЗ может использоваться для определения налоговой ставки для конкретногоуровня дохода.
Функции работы с базами данных
Функцииэтой категории применяются для вычисления суммы данных списка (также известногокак база данных рабочего листа), который удовлетворяет определенным условиям. Предположим,у вас есть список, содержащий информацию о месячном объеме продаж. ФункциюБСЧЕТ можно использовать для подсчета записей об объеме продаж в северном регионе,значение которых превышает 10 000.
Текстовые функции
Текстовыефункции позволяют манипулировать текстовыми строками в формулах. Функция ПСТР,например, возвращает заданное число знаков из строки текста, начиная суказанной позиции. Другие функции позволяют изменить регистр строки текста(например, преобразовать символы нижнего регистра в символы верхнего регистра).
Логические функции
Этакатегория состоит всего из шести функций. Эти функции позволяют проверитьусловие (для логических ИСТИНА или ЛОЖЬ). Функция ЕСЛИ также может бытьполезна, поскольку она предоставляет формулам способность к принятию решений.
Информационные функции
Функцииэтой категории помогают определить тип данных, хранящихся в ячейке. Например, функцияЕТЕКСТ возвращает ИСТИНА, если значение является текстом. С помощью функцииЕПУСТО можно определить, пуста ли ячейка. Функция ЯЧЕЙКА возвращает полезнуюинформацию о конкретной ячейке.
Представление данных на диаграммах
Excel поддерживаетболее 100 различных типов диаграмм; и почти все элементы и параметры диаграммзадаются пользователем.
Диаграммыиспользуются главнымобразом для наглядного представления таблиц данных. Отображение данных спомощью хорошо построенной диаграммы может сделать их более понятными. Так какдиаграммы представляют собой рисунок, их использование особенно полезно дляпонимания назначения больших последовательностей данных, а также взаимосвязиразных значений. Построение диаграмм может помочь в нахождении тенденций ианализа закономерностей, которые нельзя обнаружить при обычном изучениимассивов данных.
Диаграммыстроятся на основе данных, находящихся на рабочем листе. Они вводятсянепосредственно, или получаются в результате вычисления формул. Обычноиспользуемые для построения диаграмм данные находятся на одном листе, однакоэто не является строгим правилом. Диаграмма может использовать данные любогоколичества рабочих листов или даже разных рабочих книг.
2.2Другиепрограммы для проведения расчетов.
Программы MathCad, MatLab, Mathematica и др. специализированы для выполнения сложных математических расчетов,реализации моделей сложных систем, описываемых дифференциальными уравнениями идр.
Существуютспециализированные приложения для выполнения статистических расчетов иисследований: Statistica, SPSS, др. Использование таких программ требует достаточныхзнаний в области математической статистики и минимальных – в компьютерах.
Тема3. Комп′ютерна графіка. Ідентифікація металургійних процесів.
Технический рисунок,эскиз, диаграммы и графики лучше всего строить также в специализированныхприложениях: Microsoft Visio, Concept Draw и др.
Проектирование узлов имашин выполняют в программе AutoCad.
Все программы для работыс компьютерной графикой условно делят на 2 класса: векторные и растровые.
Векторные программысоздают и запоминают изображения используя векторную запись информации (в видеуравнений описывающих линии). Достоинство векторных программ – возможностьлегко масштабировать изображения (произвольно изменять их размеры), небольшойобъем информации для хранения изображений.
Растровые программызапоминают изображения в виде совокупности точек окрашенных в разные цвета. Онилучше, чем векторные передают цветовые оттенки, однако с большим трудом ипогрешностями позволяют изменить масштаб изображения. Для хранения растровыхизображений приходится сохранять в несколько раз больше информации, чем длявекторных.
Для технической графики восновном используют векторные программы.
3.1 ПрограммаVisio 2000.
Visio 2000 — мощныйграфический редактор, предназначенный для быстрого и эффективного создания графическихизображений любой сложности. С помощью встроенных шаблонов, трафаретов истандартных модулей можно создавать как простейшие слайды, или схемы, так иочень сложные чертежи или организационные диаграммы.
Приложение Visio 2000 являетсяне совсем традиционным графическим редактором: с одной, стороны, оно обладает богатымивозможностями для построения сложных чертежей и графических изображений, а сдругой — имеет множество полезных и удобных надстроек, обеспечивающих,например, доступ к организационным диаграммам или построение обычных итрехмерных графиков. Все это в сочетании-с удобным интуитивно понятныминтерфейсом и простотой в освоении делает Visio 2000 незаменимым помощникомстудентов, инженеров, деловых людей — то есть всех тех, кому при минимальныхзатратах на обучение необходимо получить максимальный итоговый результат.
Кроме традиционных дляграфических редакторов инструментов (карандаш, линия, ластик и др.), впрограмме широко используются трафареты.
Трафареты — этоспециальные панели, содержащие различные мастеры, графические и вспомогательиыеэлементы, которые можно вставлять в лист рисунка. Для размещения трафаретов вглавном окне выделяется специальное окно трафарета Stencil window, которое располагается левее окна редактирования.
Графический редактор Visio 2000 предоставляет возможность длябыстрого построения фигур различной степени сложности, деловых схем, диаграмм,графиков и т. д. После освоения интуитивно понятного интерфейса созданиепользовательских изображений любой сложности превратится в несложную игру,похожую на кубики. Схожесть Visioс этой игрой заключается в использовании уже готовых фигур, которые разбиты потематическим трафаретам. Таким образом, вашей главной задачей будет выборнеобходимого трафарета и мастера нужной фигуры в нем. Благодаря наглядноститрафаретов и активной системе подсказок, которой снабжены все фигуры, созданиелюбого изображения не составит труда. Весь основной инструментарий, которыйрасположен на панелях инструментов Standard и Format,прост в обращении и по своим функциям очень похож на подобные инструменты вдругих приложениях Windows, например Microsoft Office. Более специальные команды, включенные в другиепанели инструментов, позволяют упростить работу со специфическимиинструментами.
Что в дальнейшем будемназывать термином «фигура»? В Visio это понятие достаточно расплывчато – под нимподразумевается любой геометрический объект, который может быть выделен однимщелчком левой кнопки мыши. Это может быть элементарная фигура — линия, дуга,сплайн (несколько объединенных дуг), или сложная замкнутая фигура, состоящая излюбого числа последовательно соединенных простых эдементрв. Особым случаемявляется фигура, получающаяся в результате группировкн нескольких отдельныхфигур.
В зависимости отсложности, фигуры отличаются своими свойствами. Например, только замкнутуюфигуру можно закрасить, а у разомкнутых фигур могут быть изменены окончания. ,
В Visio различается три типа фигур:одномерные (1-D shapes), двумерные (2-D shapes), и псевдотрехмерные. (3-D shapes).
Трехмерные фигурыполучаются в резулътате добавления тени к обычным двумерным фигурам, при этомявное представление третьей координаты в Visio отсутствует – все это позволяет говорить опсевдотрехмерности.
Главный признак фигуры —это наличие маркеров при ее выделении. Основными являются маркеры выделения (selection handle). Каждая двумерная фигура имеет восемь маркероввыделения, которые образуют прямоугольник, ограничивающий фигуру, В дальнейшем,используя термин «маркер», мы будем подразумевать маркер выделения. Кромевизуального ограничения, маркеры играют важную роль в изменении размеровфигуры. Вместе с маркерами выделения в некоторых сложных фигурах могут использоватьсямаркеры контроля (controlhandle), которые предназначены дляизменения внутренних, размеров фигуры.
3.2Идентификация
Идентификацию можноопределить как оценивание параметров систем. Поскольку металлургические системыотносятся к сложным системам с большим количеством входных и выходныхпараметров, проблема их идентификации обычно заменяется проблемой идентификациипараметров их математических моделей.
Можно условно разделитьметоды идентификации на активные и пассивные.
Пассивные предусматриваютоценку параметров путем статистической обработки информации, полученной принаблюдении за функционированием системы. Используют методы математическойстатистики, теории систем управления, др. Чаще всего, исходя из некоторогообъема предварительных сведений об исследуемой системе, задают функцию,связывающую исследуемые параметры. С помощью статистических процедуробрабатывают имеющиеся данные и оценивают числовые коэффициенты в уравнении. Кдостоинствам такого метода можно отнести сравнительную простоту обработкиинформации. Недостаток – полученные уравнения не являются функциональными, т.е. отражают не реальные физические связи между параметрами, а толькостатистические.
Активные предполагаютполучение необходимой информации путем спланированного воздействия на систему инаблюдения за ее поведением на такое воздействие.
Планированиеэкспериментов осуществляют с помощью соответствующих методик, достаточнохорошо разработанных в математической статистике.
Достоинства методов –максимальное количество информации, которое можно получить от постановкиэкспериментов. Лучше всего такие методы применять при решении задач поискаэкстремумов.