Subido por Jaime Aguilar Castañón

Programa de Cómputo Especial para Simulación

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
SIMULACIÓN
Investigación Unidad
Unidad 6 Programa de Cómputo Especial para Simulación
PRESENTA:
GARCIA ORTIZ ALEJANDRO
17212246
TIJUANA, BAJA CALIFORNIA, MÉXICO
20 DE DICIEMBRE DEL 2020
Instituto Tecnológico de Tijuana
ÍNDICE
INDICE
CONTENIDOS .................................................................................................................................... 3
6.1. Descripción de un paquete de simulación disponible ............................................................... 3
6.1.1. Áreas de aplicación ............................................................................................................................ 6
6.1.2. Estructura del modelo de simulación en el paquete: instrucciones para la programación
pr ogramación del
modelo ........................................................................................................................................................ 6
6.2. Ejemplos de simulación en el paquete descrito ......................................................................... 7
6.2.1. Descripción escrita ............................................................................................................................ 7
6.2.2. Programación .................................................................................................................................... 7
6.2.3. Experimentación con varias configuraciones posibles del sistema simulado ..................
...........................
.................
........8
6.3. Validación ............................................................................................................................... 10
6.3.1. Interpretación de los informes de salida .........................................................................................10
6.3.2. Juicios sobre los resultados reportados ..........................................................................................11
6.4. Conclusión ...........................................................................................................
.................................................. .............................................................................
.................... 11
6.4.1. Comparación entre las configuraciones simuladas ................
.........................
..................
..................
..................
..................
..................
............11
...11
6.4.2. Selección de la mejor configuración ...............................................................................................12
6.4.3. Recomendaciones para la implantación .........................................................................................12
6.5. Uso del programa en los proyectos de simulación del grupo (si fuera pertinente) ................. 13
6.6. Entrega de la monografía
mono grafía del proyecto realizado ....................................................................
......................................................... ........... 13
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Instituto Tecnológico de Tijuana
CONTENIDOS
6.1. Descripción de un paquete de simulación disponible
Una simulación por computadora, un modelo de simulación por computador o un modelo
informatizado es un programa informático o una red de ordenadores cuyo fin es crear una simulación
de un modelo abstracto de un determinado sistema. Las simulaciones por computadora se han
convertido en una parte relevante y útil del modelo matemático de muchos sistemas naturales de
ciencias como la física, geofísica, astrofísica, química y la biología; así como de sistemas humanos de
economía, psicología y ciencias sociales. Además, se emplea en el diseño de nueva tecnología para
llegar a comprender mejor su funcionamiento.
Las simulaciones por computadora abarcan desde programas informáticos cuya ejecución dura unos
minutos hasta conjuntos de ordenadores conectados en red cuya ejecución dura horas, e incluso hay
simulaciones que se extienden varios días.
Existen diferentes tipos de modelos, en función de la finalidad para la cual se crean o diseñan. Sus
clasificaciones son variadas, y buscan dar una idea de sus características esenciales; pueden ser en
base a su dimensión, función, propósitos y grado de abstracción. Cada fenómeno de la realidad se
puede representar por medio de un modelo; por lo cual, según el número y tipo de fenómenos
existentes en el mundo real, será el número y tipo de modelos posibles. Aunque los tipos básicos son
icónico, analógico y simbólico o matemático.
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Otra clasificación es con base a las capacidades de representar la dinámica y control de los
componentes e interacciones del sistema (Quinteros et al., 2006), de esta manera los modelos son:
1) estáticos,un
cuando
se en
representa
sistema
un solo instante
de tiemposimulación
en particular,
o bien para
representar
sistema
donde elun
tiempo
no en
es importante,
por ejemplo,
Montecarlo;
2) dinámicos, representan sistemas en los que las variables son funciones del tiempo, permitiendo
predecir su desarrollo en un periodo dado; este tipo de modelos es de gran importancia para representar
procesos biológicos;
3) determinísticos, no consideran la variación estocástica, comportándose de manera probabilística,
los datos de entrada y las relaciones existentes en el sistema son especificados al inicio, es decir, no
influye el azar en los resultados; y
4) estocásticos, la modelación se realiza considerando que al menos una de las variables que definen
el comportamiento del sistema se muestra aleatoria, y entonces el resultado es al menos en parte
variable.
Para esta investigación se hará enfoque en MATLAB.
La plataforma MATLAB está optimizado para la solución de problemas de ingeniería y científicos.
El lenguaje MATLAB basado en la matriz, es la forma natural de la mayor parte del mundo para
expresar matemática computacional. Gráficos integrados hacen que sea fácil de visualizar y obtener
información a partir de datos. Una vasta biblioteca de cajas de herramientas prediseñados le permite
comenzar de inmediato con algoritmos esenciales a su dominio. El entorno de escritorio invita a la
experimentación, la exploración y el descubrimiento. Estas herramientas y capacidades de MATLAB
están rigurosamente probados y diseñados para trabajar juntos.
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MATLAB con todo su catalogo de funciones y conveniencias se coloca como uno de los software de
simulación mas solidos en el ámbito matemático.
Entre sus principales características encontramos:
•
•
•
•
Lenguaje de alto nivel para cálculos científicos y de ingeniería
Entorno de escritorio optimizado para la exploración iterativa, el diseño y la solución de problemas
Gráficas para visualizar datos y herramientas para crear diagramas personalizados
Aplicaciones para ajustar curvas, clasificar datos, analizar señales, ajustar sistemas de control y
muchas otras tareas
•
Toolboxes complementarias para una amplia variedad de aplicaciones científicas y de ingeniería
•
Herramientas para crear aplicaciones con interfaces de usuario personalizadas
•
Interfaces para C/C++, Java®, .NET, Python, SQL, Hadoop y Microsoft® Excel®
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•
Opciones de implementación libres de derechos para compartir programas de MATLAB con los
usuarios finales
6.1.1. Áreas de aplicación
Se utiliza para el aprendizaje automático, procesamiento de señales, procesamiento de imágenes,
visión por ordenador, comunicaciones, finanzas computacionales, diseño de control, robótica, entre
otros.
Ejemplo de aplicación del programa en solución de un problema.
MATLAB puede ser usado para resolver un gran abanico de problemas técnicos relacionados con
matemática, desde la evaluación de una simple función hasta la resolución numérica de sistemas de
ecuaciones diferenciales parciales, por ejemplo. También puede resolver problemas simbólicos y
presentar los resultados de forma agradable y visual de manera que los resultados obtenidos sean más
fáciles de comunicar a otros colaboradores que no trabajen directamente con la ingeniería de los
problemas.
6.1.2. Estructura del modelo de simulación en el paquete: instrucciones para la
programación del modelo
Es interactivo, es decir, no siempre se requiere crear código, o definir variables de forma explícita.
Para muchos usos, solo es necesario usar instrucciones sencillas y obtener la respuesta
inmediatamente. También permite modificar la instrucción fácilmente para ver otros escenarios a
través de pocas instrucciones. Sin embargo, también es flexible, permitiendo crear programas a través
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de un lenguaje de alto nivel, más concentrado en lo que se desea resolver que en los detalles profundos
de la ingeniería de software.
Es compatible con una gran cantidad de software utilizado ampliamente en los ámbitos científicos y
técnicos: puede interactuar con hojas de Microsoft Excel, software elaborado usando C++, Fortran y
otros
Posee una gran cantidad de herramientas, llamadas Toolboxes, que pueden ser usadas
u sadas de forma gráfica
para resolver problemas de ingeniería avanzada, como lógica difusa, redes neuronales, algoritmos
genéticos, optimización numérica, machine learning, procesamiento de imágenes y video, control de
procesos, entre muchos otros.
otros .
Permite elaborar programas y aplicaciones que pueden ejecutarse en cualquier computador, y más
relevante en los tiempos actuales, en cualquier dispositivo, con interfaces para trabajar con
dispositivos móviles, hardware industrial, microprocesadores y más.
6.2. Ejemplos de simulación en el paquete descrito
6.2.1. Descripción escrita
Las funciones de importación y exportación de datos brindan acceso a datos provenientes de archivos,
otras
aplicaciones,
servicios
webdeyMicrosoft®
dispositivosExcel®,
externos.
Esimágenes,
posible leer
formatos
archivos
comunes,
como hojas
de cálculo
texto,
audio
y vídeo,dey formatos
de datos científicos. Las funciones de E/S de archivos de bajo nivel permiten trabajar con archivos de
datos de cualquier formato.
6.2.2. Programación
El uso de MATLAB es más eficiente cuando sus algoritmos se diseñan en términos de matrices y
vectores, puesto que es un programa de cálculo numérico orientado a matrices.
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Se encuentra programado en Java y en C, aun así, posee elementos en su sintaxis propios de el
programa.
6.2.3. Experimentación con varias configuraciones posibles del sistema simulado
A continuación, algunas de las funciones especiales que contiene MATLAB:
Funcionales especiales y elementales
•
•
•
•
•
•
Funciones gamma, beta y elípticas.
Transformación de sistemas de coordenadas.
Matriz identidad y otras matrices elementales.
Matrices de Hilbert, Toeplitz, Vandermonde, Hadamard, etc.
Partes reales, imaginarias y complejas conjugadas.
Funciones trigonométricas y de potencias.
Algebra lineal numérica
•
•
•
•
Valores propios y descomposición de matrices.
Funciones generales de evaluación de matrices.
Determinantes, normas, rangos, etc.
Matrices inversas y factorización de matrices.
•
Matriz exponencial, logarítmica y raíces cuadradas.
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Polinomios e interpolación
•
•
•
•
•
•
•
Interpolación 1-D y 2-D.
Construcción polinomial.
Interpolación por splines cúbicos.
Diferenciación de polinomios.
Evaluación de polinomios.
Multiplicación y división de polinomios.
Residuos de polinomios y residuos.
Métodos numéricos no lineales
•
•
•
•
Búsqueda de ceros en funciones de una única variable.
Minimización de funciones de una o más variables.
Resolución numérica de integrales.
Solución numérica de ecuaciones diferenciales ordinarias.
Estadística y análisis de Fourier
•
•
•
•
•
•
•
Convolución 1-D y 2-D.
Filtros digitales 1-D y 2-D.
Transformadas de Fourier 1-D y 2-D y su inversa.
Coeficientes de correlación y matrices de covarianza.
Deconvolución.
Magnitudes y ángulos de fase.
Funciones max, min, sum, mean y otras funciones de estadística básica.
Operaciones algebraicas y lógicas
•
•
•
Suma, resta, multiplicación, división y potencias de matrices.
Matriz transpuesta.
Operadores lógicos AND, OR, NOT y XOR.
Utilidades
•
•
•
•
•
Gestión y mantenimiento de errores.
Conversión de tipos de datos Fortran.
Funciones de fecha y hora.
Clasificación de matrices.
Conversión de números a cadenas y viceversa.
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6.3. Validación
6.3.1. Interpretación de los informes de salida
A fin de obtener el usuario un resultado dispuesto por el programa de la manera deseada
dese ada (ya sea texto,
un gráfico 3D, 2D, simulación en base a parámetros o tablas de datos) es necesario ordenar
correctamente las disposiciones necesarias y asignar los elementos necesarios para que opere y
finalmente nos devuelva la información requerida.
Algunos ejemplos de impresión de resultados y su programación
p rogramación en el software.
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De igual manera los resultados pueden mostrarse
mostrars e de forma gráfica con opción de personaliza
personalización
ción
6.3.2. Juicios sobre los resultados reportados
Al ser presentados de forma optima y conveniente la interpretación sobre los datos de valor queda a
disposición del usuario.
6.4. Conclusión
6.4.1. Comparación entre las configuraciones simuladas
Como se mencionará a continuación hay dos tipos principales de trabajo que se deben implementar
según los intereses y la parte esencial que se utilizara de el programa, también el nivel de
entendimiento de el funcionamiento que se tiene.
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6.4.2. Selección de la mejor configuración
configuración
En la optimización basada en problemas se crean variables de optimización, expresiones en estas
variables que representan el objetivo y las restricciones, y se resuelve el problema utilizando Solve
Para los pasos basados en problemas a tomar.
Consulte para elegir entre la optimización basada en problemas y la optimización basada en
solucionador, elija primero el enfoque basado en problemas o basado en Solver
El primero tiene como características:
Fácil de crear y hacer debug
No óptimo para solución de ecuaciones o de no lineales
Representación de objetivo y restricciones simbólicamente
Tiempo de solución mas largo debido a que maneja traducción interna
•
•
•
•
Mientras que el basado en Solver:
Difícil de crear y hacer debug
Representación de objetivo y restricciones como funciones o matrices
Tiempo de solución más corto ya que no necesita traducir
•
•
•
6.4.3. Recomendaciones para la implantación
Escribe tus programas lo más simple y directo posible.
Si trabajas con un compilador, ajusta sus opciones para que arroje la mayor cantidad de errores y
advertencias posibles al compilar, de ese modo, tu aplicación tendrá menores chances de obtener
erroresprograma
aleatorios.
En ser
basepreviamente
a lo anterior,
revisa cadaexplicando
mensaje para
tomar lasfuncionamiento
medidas pertinentes.
Todo
debe
comentado,
el propósito,
completo
y el resultado esperado. Dentro de las funciones definidas, establece un espaciado o que resalte la
estructura funcional de la aplicación y facilite la lectura al programador al que le corresponda analizar
el código.
Por lo general, se usa un nivel de indentación por cada bloque de código (sentencias condicionales y
bucles son consideradas como bloques de código embebido dentro de otro, por lo que se recomienda
la indentación), ésta indentación corresponde a una sangría que comúnmente tiene el valor de una
tabulación (tecla Tab) o bien tres o cuatro espacios.
Se recomienda usar nombres de variables que permitan saber de forma intuitiva cual es el dato que se
almacena en cada variable. Adicionalmente se recomienda nombres compuestos para las variables
remplazando en espacio en blanco por el guion bajo.
A la programación en Matlab se recomienda siempre que sea posible
p osible usar las funciones vectoriales en
lugar de hacer cálculos escalares repetitivos.
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Con respecto específicamente a la programación en Matlab se recomienda siempre que sea posible
crear los vectores y matrices a través de las funciones destinadas para este fin, en lugar de añadirles
elementos uno por uno a través de los ciclos.
6.5. Uso del programa en los proyectos de simulación del grupo
(si fuera pertinente)
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6.6. Entrega de la monografía del proyecto realizado
https://la.mathworks.com/help/optim/ug/first-choose-problem-based-or-solver-based-approach.html
https://la.mathworks.com/help/matlab/data-import-and-export.html
https://earchivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/30345/TFG_Oscar_Serrano_Garcia.pdf?sequence=
1
https://es.wikipedia.org/wiki/Simulaci%C3%B3n_por_computadora
http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1870-04622011000300004
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