Основы методологии научных исследований в области моделирования сложных управляемых систем
Покупка
Новинка
Тематика:
Математическое моделирование
Издательство:
ФЛИНТА
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 86
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9765-5471-9
Артикул: 829653.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Пособие посвящено вопросам методологии научных исследований, связанных с математическим моделированием сложных управляемых систем. Проанализированы понятия методологии и метода научных исследований. Охарактеризованы общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях исследования. Описаны основные виды научных исследований и методы решения научно-технических задач. Рассмотрен алгоритм проведения научного исследования, примеры формулирования темы научного исследования. Описаны особенности постановки научных проблем, формулирования цели и задач научно-исследовательской деятельности. Рассмотрены особенности планирования научно-исследовательской работы. В качестве примера приведены исследовательские задачи поиска оптимальных траекторий сложных технических систем с переключениями и методология их решения. Оха-рактеризованы программно-аппаратные средства для математического моделирова-ния динамических систем. Рассмотрены вопросы лицензирования программного обеспечения и результатов научной деятельности.
Пособие предназначено для обучающихся в высших учебных заведениях студентов физико-математических и технических направлений подготовки. Пособие может быть использовано аспирантами соответствующих направлений обучения.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЕЛЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И.А. БУНИНА» О. Н. Масина, А. А. Петров, О. В. Дружинина ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ Учебное пособие 2-e издание, стереотипное Москва Издательство «ФЛИНТА» 2024
УДК 519.6(075.8) ББК 32.97я73 М31 Р е ц е н з е н т ы : Т.Ф. Климова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика и естественные науки» (Российский университет транспорта); В.Е. Щербатых, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математики и методики ее преподавания (Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина) Основы методологии научных исследований в области моделирования сложных управляемых систем : учеб. пособие / О.Н. Масина, А.А. Петров, О.В. Дружинина. – 2-е изд., стер. – Москва : ФЛИНТА, 2024. – 86 с. – ISBN 978-5-9765-5471-9. – Текст : электронный. Пособие посвящено вопросам методологии научных исследований, связанных с математическим моделированием сложных управляемых систем. Проанализированы понятия методологии и метода научных исследований. Охарактеризованы общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях исследования. Описаны основные виды научных исследований и методы решения научно- технических задач. Рассмотрен алгоритм проведения научного исследования, примеры формулирования темы научного исследования. Описаны особенности постановки научных проблем, формулирования цели и задач научно-исследовательской деятельности. Рассмотрены особенности планирования научно-исследовательской работы. В качестве примера приведены исследовательские задачи поиска оптимальных траекторий сложных технических систем с переключениями и методология их решения. Охарактеризованы программно-аппаратные средства для математического моделирования динамических систем. Рассмотрены вопросы лицензирования программного обеспечения и результатов научной деятельности. Пособие предназначено для обучающихся в высших учебных заведениях студентов физико-математических и технических направлений подготовки. Пособие может быть использовано аспирантами соответствующих направлений обучения. УДК 519.6(075.8) ББК 32.97я73 ISBN 978-5-9765-5471-9 Масина О.Н. М31 © Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина, 2024 © Масина О.Н., Петров А.А., Дружинина О.В., 2024 © Издательство «ФЛИНТА», 2024
Содержание Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 § 1. Понятия методологии и метода научных исследований . . . . . . . . . . . . . 7 1.1. Сущность методологии и основные группы методов . . . . . . . . . . . . 7 1.2. Методы эмпирического уровня исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3. Методы теоретического уровня исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4. Комбинированные общенаучные методы, применяемые на эмпи- рическом и теоретическом уровнях исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 § 2. Основы научных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1. Виды научных исследований и методы решения научно- технических задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2. Алгоритм проведения научного исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3. Формулирование темы исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4. Постановка научной проблемы. Формулировка цели и задач науч- но-исследовательской работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5. Признаки актуальности темы и научной новизны исследования 32 2.6. Методы построения и изучения моделей сложных управляемых систем с переключениями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.7. Подготовка и оформление научной статьи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 § 3. Поиск оптимальных траекторий для технических систем с переключе- ниями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.1. Постановка задачи поиска оптимальных траекторий. . . . . . . . . . . . 44 3.2. Примеры задач поиска оптимальных траекторий для моделей тех- нических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 § 4. Программно-аппаратные средства для математического моделирова- ния динамических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1. Общая характеристика программно-аппаратных средств . . . . . . . 52 4.2. Программные компоненты программно-аппаратных средств . . . 53 4.3. Сравнение инструментальных средств математических пакетов . 57
4.4. Лицензирование программного обеспечения и результатов науч- ной деятельности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.5. Аппаратные компоненты программно-аппаратных средств. . . . . 68 4.6. Перечень программного обеспечения для математического моде- лирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7. Разработка проблемно-ориентированного программного комплекса для поиска оптимальных траекторий управляемых систем с переключе- ниями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 § 5. Задачи и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
ВВЕДЕНИЕ Настоящее пособие посвящено вопросам методологии научных ис- следований, связанных с математическим моделированием сложных управляемых систем. Пособие состоит из 5 параграфов. В §1 проанализированы понятия методологии и метода научных ис- следований. Охарактеризованы общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях исследования. В §2 описаны основные виды научных исследований и методы ре- шения научно-технических задач. Рассмотрен алгоритм проведения науч- ного исследования, примеры формулирования темы научного исследова- ния. Описаны особенности постановки научных проблем, формулирова- ния цели и задач научно-исследовательской деятельности. Приведены признаки актуальности и новизны научно-исследовательской деятельно- сти. Рассмотрены особенности планирования научно-исследовательской работы. В §3 на примере актуальных задач поиска оптимальных траекторий сложных технических систем с переключениями рассмотрены постановки задач и основные методы их решения. Даны ссылки на монографии и на- учные статьи по данному направлению. В §4 охарактеризованы программно-аппаратные средства для мате- матического моделирования динамических систем. Рассмотрены про- граммные и аппаратные компоненты программно-аппаратных средств. Дан сравнительный анализ инструментальных средств математических пакетов. Рассмотрены вопросы лицензирования программного обеспече- ния и результатов научной деятельности. Приведен перечень программ- ного обеспечения для решения задач математического моделирования сложных систем. В §5 содержатся задачи и упражнения, связанные с темами парагра- фов.
В пособии приведены иллюстрирующие примеры, представлен ряд приложений к задачам поиска оптимальных траекторий. Рецензируемое пособие предназначено для обучающихся в высших учебных заведениях студентов физико-математических и технических на- правлений подготовки, а также для самостоятельной работы студентов- заочников различных специальностей. Пособие может быть использовано аспирантами таких направлений обучения, которые связаны с математи- ческим и компьютерным моделированием, численными методами, ин- форматикой и вычислительной техникой, с информационными техноло- гиями.
§ 1. Понятия методологии и метода научных исследований 1.1. Сущность методологии и основные группы методов. Термин «методология» дословно означает «учение о методах». В соответствии с этим методология представляет собой область знания, в рамках которой изучаются различные методы познания. Важнейшая задача методологии – это изучение происхождения, сущности, эффективности и других харак- теристик методов познания. Различным аспектом методологии научных исследований посвящены работы [1, 5, 6, 10, 42, 43, 46, 52, 54]. Термин «метод» происходит от греческого слова «методос» - путь к чему-либо. В соответствии с этим, метод – это совокупность приемов и операций практического и теоретического изучения действительности. Метод содержит в себе систему принципов, требований, правил, руководствуясь которыми исследователь может достигнуть намеченной цели. Отменим, что исторически ученые считали, что правильный метод является ориентиром в движении к истинному знанию. Так, английский философ XVII века Ф. Бэкон сравнивал метод познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте. Методы научного познания подразделяются по широте применимости в процессе научного исследования. Первую группу методов познания составляют общефилософские методы, имеющие наиболее широкую применимость. В указанной группе их выделяют два: диалектический и метафизический. Стоит отметить, что с развитием научного познания метафизический метод активно вытесняется из естествознания диалектическим методом. Под диалектическим методом понимается такой метод, при котором объекты и явления рассматриваются системно, с учетом их внутренних противоречий и изменений в развитии, причин и следствий, единства и борьбы противоположностей.
Противоположным к диалектическому методы является метафизический метод, при котором объекты рассматриваются обособленно, статично, не учитываются изменения в развитии, не уделяется внимания внутренним противоречиям. Общенаучные методы познания образуют вторую группу методов. Методы этой группы применяются в разных областях науки и междисциплинарных направлениях. Для общенаучных методов основополагающим понятием является уровень научного познания. Существует два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. К эмпирическому уровню научного познания относят такие методы, как наблюдение, эксперимент и измерение. В свою очередь, к теоретическому уровню познания относятся идеализация и формализация. Кроме того, существуют методы (например, моделирование), которые относятся как к эмпирическому, так и к теоретическому уровню. На эмпирическом уровне происходит процесс интегрирования информации об исследуемых объектах и явлениях путем проведения наблюдений, выполнения измерений, путем планирования и проведения экспериментов. На этом уровне выполняется предварительная систематизация и формализация получаемых данных в виде удобных для той или иной предметной области структур. Для теоретического уровня научного исследования характерна реализация методов на рациональном (логическом) этапе познания. На указанном уровне выявляются связи и закономерности, свойственные исследуемым объектам, явлениям и процессам. Результатами теоретического познания могут быть гипотезы, теоремы, теории, законы. Следует отметить, что эмпирический и теоретический уровни познания взаимно дополняют друг друга. Эмпирический уровень служит фундаментом, источником знаний для теоретического. В свою очередь, теоретический уровень определяет методологический базис, необходимый для проведения эмпирических исследований.
Третью группу методов научного познания формируют частнонаучные методы, которые применяются лишь в рамках исследований какой-то конкретной науки или какого-то конкретного явления. Для каждой специализированной научной дисциплины (информатика, физика, медицинская наука и т. д.) разработаны и совершенствуются собственные методы исследования. При этом частнонаучные методы, часто включают в себя различные комбинации общенаучных методов исследования. Например, в этих методах могут фигурировать наблюдения, измерения, формализация, идеализация. Комбинированный характер частнонаучных методов формируется с учетом условий исследования, природы изучаемых объектов, сущности экспериментов. В этом смысле частнонаучные методы согласованы с общенаучными. Следует отметить связь частнонаучных методов познания с диалектическими методами, например, в установленных законах физики и биологии. 1.2. Методы эмпирического уровня исследования. К методам эмпирического уровня исследования относятся: метод научных наблюдений; метод экспериментов; метод измерений. Метод научных наблюдений предполагает анализ результатов субъективного восприятия предметов и явлений. Это базовый метод эмпирического познания, направленный на получение предварительной научной информации. Особенность метода научных наблюдений состоят в наличии: целенаправленности; планомерности; активности.
Целенаправленность состоит в том, что наблюдение должно проводиться для решения задачи исследования, а внимание наблюдателя фиксироваться только на явлениях, связанных с этой задачей. Планомерность заключается в том, что наблюдение должно проводиться строго по плану, составленному в соответствии с научной задачей. Активность подразумевает, что от исследователя требуется инициатива для поиска важных аспектов наблюдаемых явлений с применением знаний, опыта, а также с использованием различных технических средств. В процессе научного наблюдения, как правило, формируется описание объекта изучения, в котором фиксируются существенные для исследования свойства и стороны изучаемого объекта. По способу проведения выделяют непосредственное и опосредованное наблюдение. При непосредственном наблюдении свойства и стороны объекта регистрируются органами чувств человека. При проведении опосредованного наблюдения могут быть использованы различные технические средства (в частности, средства фиксации визуальных и звуковых сигналов). Следует отметить, что на современном уровне развития естествознания характерно увеличение роли косвенных наблюдений, при которых регистрируются не непосредственные свойства макрообъектов, а только результаты их воздействия на определенные объекты, которые являются техническими средствами исследования. Метод научных экспериментов (МНЭ) представляет собой более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Как правило, МНЭ основывается на активном, целенаправленном и строго контролируемом воздействии исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения различных его сторон, свойств и связей. Изменение или воспроизведение объекта в специально созданных условиях.
Следует отметить, что МНЭ включает в себя другие методы эмпирического исследования, такие как метод научных наблюдение и метод измерений. Кроме того, МНЭ обладает рядом уникальных особенностей. Первая особенность заключается в том, что эксперимент позволяет изучать объект в «чистом» виде, то есть устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экранированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект. Вторая особенность состоит в том, что в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности, экстремальные условия, то есть изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, при огромных напряженностях электромагнитного поля и т.п. Третья особенность заключается в том, что при изучении какого- либо процесса исследователь, осуществляющий эксперимент, может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. Четвертой особенностью является высокая степень воспроизводимости эксперимента. Это означает, что условия эксперимента (а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения) могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов. Планирование и проведение эксперимента предполагают соблюдение набора условий. В связи с этим научный эксперимент: требует ясную формулировку цели исследования; основан на исходных теоретических заключениях; предполагает такой уровень развития технических средств, который необходим для его реализации;
предъявляет определенные требования к квалификации исследователя. Отметим, что исследователем предварительно намечаются способы и план проведения эксперимента. Выполнение всего набора перечисленных условий обеспечивает адекватные результаты экспериментальных исследований. По характеру решаемых научных проблем выделяют исследовательские и проверочные эксперименты. Получение новые качественных свойства изучаемого объекта связано с проведением исследовательских экспериментов. В результате интерпретации таких экспериментов могут быть получены выводы, явно не следующие из имевшихся знаний об объекте. Для верификации теоретических конструкций служат проверочные эксперименты. По характеру получаемых результатов выделяют качественные и количественные эксперименты. Качественные эксперименты носят поисковый характер и не приводят к количественным соотношениям. Данный вид экспериментов направлен на анализ влияния тех или иных факторов на изучаемый объект или явление. Количественные эксперименты непосредственно связаны с установлением количественных зависимостей в исследуемом явлении. При решении задач моделирования сложных управляемых систем часто проводятся компьютерные эксперименты по поиску траекторий, по решению задач оптимального управления, по генерации переключений (в переключаемых системах), по машинному обучению и интеллектуальному анализу данных, по решению задач устойчивости и стабилизации [12, 35– 37, 40, 57, 58]. Научное измерение представляет собой процесс, который состоит в определении количественных значений различных свойств и сторон изучаемого объекта, явления с использованием специализированных технических инструментов. Как правило, научные эксперименты и
Доступ онлайн
В корзину