Математические методы моделирования физических процессов: компьютерная поддержка физического эксперимента

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2291 

Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков

Н.А. Филипьев 
 

Математические методы 
моделирования физических 
процессов 

Компьютерная поддержка физического  
эксперимента 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

УДК 004:53.05 
 
Ф53 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук 

Филипьев, Н.А. 
Ф53  
Математические методы моделирования физических процессов : компьютерная поддержка физического эксперимента : 
учеб. пособие / Н.А. Филипьев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 
49 с. 
ISBN 978-5-87623-697-5 

Пособие содержит набор методик и инструментов, предназначенный для 
синтеза систем Компьютерной поддержки физического эксперимента 
(КПФЭ-МИСиС-3). Система средств разработана в НИТУ «МИСиС» и опробована на множестве экспериментальных установок. С помощью этих 
средств студенты и аспиранты обучаются самостоятельно создавать компьютерные подсистемы управления экспериментом и его информационного 
обеспечения.  
Учебное пособие предназначено для проведения плановых занятий в группах МПП-1 (бакалавры, 7-й семестр), МПП-1 (специалисты, 7-й семестр), 
ММП-1 (магистры) и спецкурсов для аспирантов. 
УДК 004:53.05 

ISBN 978-5-87623-697-5 
© Н.А. Филипьев, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Назначение системы.............................................................................5 
1.1. Абстракция физического процесса..............................................8 
1.2. Формальное описание и синтез системы...................................11 
1.3. Типовое описание экспериментальной установки ...................12 
1.4. Аппаратное обеспечение компьютера.......................................13 
1.5. Операционная среда и программное обеспечение ...................14 
1.6. Контрольная панель системы управления ................................15 
2. Синтаксическое подмножество C++.................................................17 
2.1. Объявление процессов, графиков и переменных .....................18 
2.2. Объявление процесса ..................................................................19 
2.3. Графики реального времени и их объявление ..........................20 
2.4. Блок инициализации (Init) ..........................................................22 
2.4.1. Описание контрольной панели в блоке инициализации..... 23 
2.4.2. Запуск и отладка контрольной панели.................................. 27 
2.5. Блок поддержки эксперимента (Support)...................................29 
2.6. State Machine – машина состояний  в блоке поддержки............ 30 
2.7. Блок обработки событий.............................................................34 
2.8. Передача файлов отчета об эксперименте в Microsoft Excel, 
Word и другие офисные приложения ...............................................36 
3. Контрольные примеры.......................................................................37 
3.1. Пример CTR_PAN.CPP. Контрольная панель отлаживается  
до подключения к УСО......................................................................37 
3.2. Пример PILA.CPP. Генерация периодического напряжения  
в форме «пилы» и «меандра» .............................................................38 
3.3. Пример GRAF.CPP. Два одновременно работающих  
графика реального времени (без УСО).............................................40 
3.4. Пример VAH.CPP. Автоматическое построение вольт- 
амперной характеристики образца......................................................43 
Заключение..............................................................................................46 
Библиографический список...................................................................47 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков разрабатывала и разрабатывает в настоящее время ряд компьютеризованных установок, предназначенных как для проведения исследований, так и для учебных целей [1–3]. В частности, это: 
– установка исследования предпробойных характеристик кремнийорганических пленок [10];  
– установка экспериментального туннельного сканирующего микроскопа ЛТМ-4 МИСиС – в настоящее время передана в эксплуатацию; 
– установка лазерной обработки поверхностей, полученных с помощью вакуумного напыления; 
– модуляция токов возбуждения и управление шаговыми двигателями в экспериментальной установке для вакуумного напыления; 
– установка для измерения 4-зондовым методом зависимости поверхностной проводимости от температуры и тока измерения; 
– в настоящее время ряд других установок находится в процессе 
реализации. 
Несмотря на очевидную разнородность и разномасштабность этих 
установок, их компьютерное сопровождение сводится к решению 
весьма похожих задач. 
Эта схожесть задач привела к необходимости создания универсальных средств разработки таких установок. Был создан набор инструментов, обладающий исключительной простотой и доступный 
для физика-экспериментатора без непосредственного привлечения 
программистов. Этот набор методик и средств, названный Компьютерной поддержкой физического эксперимента, 3-я версия (КПФЭ3), был использован для разработки множества установок. Получен 
большой методический опыт обучения студентов и аспирантов самостоятельной работе с системой КПФЭ-3 и ее предыдущими версиями. Проведены занятия в рамках спецкурсов и регулярных обучающих курсов для групп специальностей МПП. Планируется дальнейшее проведение плановых занятий в группах МПП-1 (бакалавры,  
7-й семестр), МПП-1 (специалисты, 7-й семестр), ММП-1 (магистры). 
Знания, полученные с помощью настоящего пособия, готовят 
студентов к выполнению работ по КНИРС, дипломных работ и магистерских диссертаций, а также и к самостоятельной научной работе в области современных компьютеризованных экспериментальных установок. 

1. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ 

Система КПФЭ-МИСиС предназначена для физиков-экспериментаторов, разрабатывающих экспериментальные установки с использованием компьютера, работающего в режиме реального времени 
эксперимента. 
Компьютер рассматривается не как привычное средство офисной 
оргтехники, а, следуя его изначальному предназначению, как универсальный физический прибор, предназначенный для: 
– поддержки физического эксперимента в реальном масштабе 
времени; 
– управления экспериментом как в автоматическом, заранее запрограммированном режиме, так и с возможностью ручного вмешательства, приостановки, настройки, изменения параметров, запуска и 
остановки эксперимента или его фрагмента с помощью контрольной 
панели; 
– отображения хода эксперимента в виде переключаемых таблиц 
и графиков, работающих в режиме реального времени; 
– документирования хода эксперимента в виде таблиц данных, 
доступных после завершения эксперимента для дальнейшей обработки с помощью привычных офисных средств, таких как электронные таблицы Microsoft Excel; 
– моделирования в реальном масштабе времени проектируемых 
экспериментальных установок до начала (или вместо) их практической реализации.  
Главной задачей системы КПФЭ-МИСиС является минимальное 
время мобилизации компьютерной подсистемы экспериментальной 
установки.  
Обычно экспериментатор обращается с этим в компьютерную 
компанию, работающую с системами реального времени, так называемыми SCADA-системами, или системами АСУТП. Компьютерная 
компания требует подробного и трудно согласуемого технического 
задания, выставляет довольно значительный счет к оплате и, наконец, реализует систему. Обычно на это уходит от нескольких месяцев до года.  
При совместном запуске компьютерной системы и экспериментальной установки обычно выясняется, что ряд важных рычагов 
воздействия на установку не предусмотрен, и не мог быть предусмотрен до получения опыта реальной работы с ней. Наоборот, оби