Разработка виртуальных тренажеров

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 

Н. А. Староверова, М. Л. Шустрова 

 
 

РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ 

ТРЕНАЖЕРОВ 

 

 

Учебно-методическое пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2020 

УДК 004.946(075) 
ББК 32.97я7

С71

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. С. А. Терентьев 
канд. техн. наук, доц. А. С. Мещанов 

С71 

Староверова Н. А. 
Разработка виртуальных тренажеров: учебно-методическое пособие / 
Н. А. Староверова, М. Л. Шустрова; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 144 с. 

ISBN 978-5-7882-2819-8

Рассмотрены виды и области применения виртуальных симуляторов и 
тренажеров, требования, предъявляемые к ним, и принципы создания тренажеров. Особый акцент сделан на технологических виртуальных тренажерах. 
Представлены основные программные средства, используемые для разработки 
технологических ВТ, описана интегрированная среда динамического моделирования OMEGALAND. Предложены лабораторные работы, позволяющие 
ознакомиться с принципами работы в OL. 
Предназначено для магистрантов очной формыобучения факультета автоматизации и управления, изучающих дисциплины «Программные средства 
разработки виртуальных тренажеров» и «Технология разработки компьютерных тренажеров». 
Подготовлено на кафедре автоматизированных систем сбора и обработки информации. 

ISBN 978-5-7882-2819-8
© Староверова Н. А., Шустрова М. Л., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 004.946(075) 
ББК 32.97я7

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 5 

Понятия и термины ................................................................................... 10 

1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ (ВИДЫ, ОБЛАСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ) ....................................................................................... 11 
1.1. Анализ современных виртуальных тренажеров. Виды 
виртуальных тренажеров .................................................................... 11 
1.2. Область применения ВТ ............................................................... 23 
1.3. Аппаратные и программные требования в эксплуатации 
виртуальных тренажеров .................................................................... 26 

2. ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ............................................................................................ 33 

2.1. Анализ объекта и предмета исследования технологического 
процесса ................................................................................................ 33 
2.2. Компьютерное моделирование технологических 
процессов .............................................................................................. 35 
2.3. Общие сведения о моделях и компьютерном 
моделировании ..................................................................................... 39 
2.4. Анализ и выбор методов и технологий для обработки 
эксперимента и реализации программного продукта ...................... 40 
2.5. Методология компьютерного моделирования ........................... 44 
2.6. Программные средства компьютерного моделирования .......... 47 
2.7. Требования и этапы при создании модели ................................. 49 
2.8. Требования к программным средствам разработки .................. 51 

3. ЗНАКОМСТВО С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ
СРЕДОЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ OMEGALAND .................................... 63 
3.1. Visual Modeler ............................................................................... 63 
3.2. Графический модуль Graphic Builder ......................................... 66 
3.3. Модуль базы данных DB ............................................................. 68 
3.4. Модуль управления исполнением EXEC ................................... 70 

4. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ
ТЕПЛООБМЕННИКА И СЕПАРАТОРА .............................................. 73 
4.1. Создание динамической модели в Visual Modeler .................... 73 
4.2. Создание мнемосхемы в Graphic Builder .................................... 86 

4.3. Настройка базы данных ............................................................... 94 
4.4. Регистрация модулей .................................................................... 99 
4.5. Объединение модулей в единый файловый каталог ............... 101 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ........................................................ 102 
Лабораторная работа 1. Исследование схем автоматической 
сигнализации ...................................................................................... 102 
Лабораторная работа 2. Применение автоматических 
регуляторов в процессе сепарации ................................................... 107 
Лабораторная работа 3. Система автоматического 
двухпозиционного регулирования ................................................... 111 
Лабораторная работа 4. Основы моделирования в программной 
среде VISUAL MODELER ................................................................ 116 
Упражнения для изучения  блок-моделей в VISUAL 
MODELER .......................................................................................... 124 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... 142 

В В Е Д Е Н И Е

Для формирования как теоретических базовых, так и специаль
ных практических навыков студентов, в последнее время учебные заведения обращаются к виртуальным лабораторным стендам и тренажерам. Это объясняется тем, что лабораторные стенды или установки 
обычно слишком громоздкие, а используемое для них оборудование дорого стоит и это затрудняет работу студентов. Кроме того, оборудование требует регулярного ремонта и наладки квалифицированным персоналом. Также необходимо учитывать, что прогресс не стоит на месте 
и оборудование модернизируется, в результате возникает необходимость обновления стендов, а это накладно и проблематично. 

Поэтому все больше учебных заведений уделяют особое внима
ние вопросам подготовки специалистов с помощью виртуальных тренажеров и лабораторных стендов, на которых выполняются необходимые лабораторные работы и можно смоделировать самые разные условия эксплуатации оборудования. Также это позволяет создавать лабораторные практикумы с удаленным доступом, что актуально в свете 
развития дистанционного обучения. 

Наиболее перспективным направлением является разработка и 

организация лабораторных работ «вокруг» реальных технологических 
процессов, с акцентом на условия эксплуатации оборудования и учетом 
технологического регламента ведения того или иного процесса. Таким 
образом, в рамках одного технологического процесса рассматриваются 
самые разные теоретические и практические вопросы, раскрывающая 
связь различных дисциплин как базового, так и специального образовательного цикла]. 

В свете вышеизложенного видно, что необходимы специали
сты, способные разрабатывать компьютерные (виртуальные) тренажеры (стенды) для решения обучающих и исследовательских задач. Поэтому формирование учебно-методического материала по подготовке 
IT специалистов, способных разрабатывать компьютерные тренажеры, 
является важной и перспективной задачей. С этой целью было проведено исследование, посвященное виртуальным тренажерам, принципам 
их разработки и методологии компьютерного моделирования. Результаты данного исследования легли в основу учебного пособия, посвященного анализу и систематизации информации о видах виртуальных 

тренажеров, области их эксплуатации, предъявляемым к ним требованиям, используемым средствам разработки и т. д. 
С точки зрения имитации поведения технологического объекта 
тренажеры в зависимости от поставленных задач обучения могут строиться на основе статической или динамической модели.  
Статическая модель предполагает описание различных состояний объекта при отсутствии внешних возмущений. Такая модель не описывает процесс перехода объекта из одного состояния в другое. Примером применения тренажеров на основе статической модели может служить задача изучения технологических схем и последовательности операций при выполнении переключений в этих схемах. Другим примером 
является приобретение навыков, выявления причин неисправности оборудования, исходя из их поставарийного состояния. 
Динамическая модель, в свою очередь, позволяет имитировать на 
тренажере процесс работы технологического объекта во времени, в том 
числе имитировать поведения объекта в случае каких-либо технологических нарушений, неисправности оборудования или иных внешних возмущений, не связанных непосредственно с действиями оператора. Тренажер на основе динамической модели необходимо использовать, например, для приобретения навыков управления оборудованием с непрерывным технологическим процессом. В зависимости от характера технологического объекта такой тренажер может работать в реальном или сжатом масштабе времени. 

В процессе решения любой задачи важно соблюдать следую
щие принципы: четкая формулировка цели исследования, постановка 
задачи и определение критерия эффективности решения задачи; разработка развернутой стратегии исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи.  

Технология создания программных тренажерных комплексов 

предусматривает выполнение следующих этапов: 

1. Создание математической модели:
– определение области действия модели (т. е. рассмотрев назна
чение – определяются пределы модели); 

– подготовка данных объекта (для динамического моделирова
ния требуются более подробные данные об оборудовании, чем для статического, поэтому важно собрать монтажно-технические схемы и технические характеристики оборудования); 

– разбиение модели, производственной установки;

– определение компонентов и методы расчета физических

свойств; 

– подготовка модели, производственной установки;
– настройка модели, производственной установки.
2. Создание базы данных.
3. Создание мнемосхемы.
4. Запуск тренажера.
5. Создание начальных данных.
6 Остановка и сохранение тренажера со сформированными 

начальными данными. 

Разработка виртуального тренажера начинается с создания ма
тематической модели объекта. Для этого в настоящее время используется компьютерное моделирование, которое является мощным инструментом для анализа, изучения и проектирования. Идея компьютерного 
моделирования дает возможность исследователю проводить эксперименты с различными объектами даже в тех случаях, когда проделать 
данный опыт в реальных условиях невозможно или же нецелесообразно и даже опасно. Сущность компьютерного моделирования в том, 
что объект, а точнее его математический образ, переносится в виртуальную реальность и в дальнейшем с помощью вычислительно-логических алгоритмов происходит изучение модели в «предлагаемой ситуации». Целью экспериментов является попытка исследовать различные 
факторы, влияющие на систему и позволяющие повысить эффективность работы. Или же еще одна сторона эксперимента – это оценить 
алгоритмы функционирования технологической системы и понять существующие внутренние взаимосвязи. Таким образом, процесс компьютерного моделирования включает анализ системы, разработку математической модели и формирование виртуальной модели, а также дальнейшее применение модели для решения поставленной задачи: анализа, исследования, оптимизации или проектирования технологических процессов и оборудования. Эти задачи сложны и включают в себя 
большое число элементов, переменных, параметров, ограничений 
и т. д., поэтому в процессе разработки важно выбрать только те элементы и факторы, которые несут основную нагрузки и пренебречь незначительными, кроме того, необходимо учитывать степень влияния 
каждого из элементов. 

Для успешного построения компьютерной модели очень важен 

системный подход, при котором рассматриваемый объект представляется как единый технологический комплекс, состоящий из тесно 

взаимодействующих между собой систем. Каждая система, в свою очередь, может быть представлена более простыми элементами, тесно связанными друг с другом. 

Каждый анализируемый объект можно представить в виде 

иерархии слоев. Верхний слой определяет модель с конечными свойствами, каждый следующий слой детализирует вышележащий, выполняя для него некоторый набор функций. Межслойные взаимодействия 
подчиняются строгим правилам. Связи внутри слоя могут быть произвольными. Отдельный модуль слоя L(i) может полностью описывать 
требуемое свойство или по следующим вариантам: обратиться только 
к слою L(i –1); обратиться к некоторой команде определенного слоя 
L(q), который выполняет требуемую функцию (i – 2<= q <= 0); обратиться к любому последующему слою L(s), (i – 2 <= s <= 0). Между 
уровнями можно организовать четкий интерфейс. Модель описывается 
методом «сверху вниз», а реализовывается методом «снизу вверх». 
Уровни реализуются в соответствии с их порядком, начиная с простейшего и далее вверх. 

Центральным понятием системного анализа является система, 

под которой подразумевается изучаемый объект, взаимодействующий 
с окружающей средой и обладающий определенным строением, состоящим из некоторого числа элементов. Каждый элемент системы – самостоятельная и условно неделимая единица. 

Математическая модель позволяет отобразить связь между эле
ментами системы, отобразив связи между входными и выходными переменными системы, параметрами ее состояния и входными управляющими и возмущающими воздействиями. Если система сложная, то она 
обычно формализуется как детерминированно-стохастическая модель. 

Разработка и применение компьютерных моделей – все еще 
в большей степени искусство, нежели наука. Следовательно, как и 
в других видах искусства, успех или неудача определяются не столько 
методом, сколько тем, как он применяется. Искусством моделирования 
могут овладеть те, кто обладает оригинальным мышлением, изобретательностью и находчивостью, равно как и глубокими знаниями систем 
и физических явлений, которые необходимо моделировать. 
Для разработки виртуального тренажера нужно решить следующие задачи: 
1. Провести анализ предметной области.
2. Выбрать технологический процесс для моделирования.
3. Обосновать и выбрать среду для создания ВТ.

4. Разработать ВТ.
5. Описать структуру установки и процесс работы.
6. Разработать методические рекомендации для виртуального
лабораторного стенда. 
В процессе рассмотрения каждого раздела пособия студентам 
предлагается выполнить задания, которые позволят к концу курса разработать простейший виртуальный тренажер и методические рекомендации к нему. 

П о н я т и я  и  т е р м и н ы

Виртуальный лабораторный стенд – программно-аппаратный 

комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой 
Виртуальный тренажер – программный комплекс, позволяющий проводить опыты на компьютере без непосредственного контакта 
с реальной лабораторной установкой или стендом 
Компьютерный тренажер – это имитатор, компьютерный или 
механический, который управляет каким-либо процессом, аппаратом 
или транспортным средством. Является классической версией тренажера и запускается на персональном компьютере. В зависимости от поставленных задач тренажер позволяет в наглядной и доступной форме 
изучать устройство агрегатов, осваивать технологический процесс и системы управления, а также отрабатывать действия по устранению аварийных и нештатных ситуаций. 
Комплексные тренажеры представляют собой систему аппаратных и программных средств. Аппаратная часть может быть выполнена в виде копий производственных пультов управления, мнемосхем, 
сенсорных панелей и киосков, интерактивных столов, а также очков дополненной и виртуальной реальности. 

3D-симуляторы – в основу заложены возможности компьютер
ных игр от первого лица. Имитируют часть реального мира (например, 
цеха) на основе 3D-графики, что полностью погружает пользователя 
в процесс обучения. В симуляторах применяются технологии дополненной и виртуальной реальности. 
Компьютерное моделирование – процесс конструирования модели реального объекта (системы) и постановки вычислительных экспериментов на этой модели с целью либо понять (исследовать) поведение этой системы, либо оценить различные стратегии (алгоритмы), 
обеспечивающие функционирование данной системы. 
Математическое моделирование – идеальное научное знаковое 
формальное моделирование, при котором описание объекта осуществляется на языке математики, а исследование модели проводится с использованием тех или иных математических методов.