Ю.В. Клинаев. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДАХ ПРОГРАММИРОВАНИЯ VBA И MATLAB

по дисциплинам «Компьютерное моделирование»,

«Информатика», «Информационные технологии»,

для студентов специальности 220400 и инженерного бакалавриата

Введение............................................................................................................3

1. Среда программирования VBA................................................................3

2. Моделирование некоторых физических систем..................................38

3. Моделирование некоторых систем, сводимых к обыкновенным дифференциальным уравнениям.........................................................63

4. Моделирование и обработка сигналов..................................................75

Кафедра теоретической и математической физики

Саратовского государственного университета

Доктор физико-математических наук, профессор В.Б. Байбурин

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

К 49 Компьютерное моделирование в средах программирования VBA и MatLab: Учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. 98 с. ISBN 5-7433-1036-Х

В пособии представлены все необходимые сведения по языку VBA и элементам управления. Даны примеры моделирования некоторых физических и иных систем, исследование которых результативно только в компьютерном эксперименте. Приведены программы, необходимые для моделирования и обработки сигналов по технологиям математического пакета MatLab.

Предназначено для студентов специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».

Настоящее пособие содержит минимум справочных сведений, необходимых студенту для разработки приложений (в том числе, оконных) в среде программирования VBA.

Рассмотрены некоторые задачи курса физики, исследование которых результативно только в компьютерном эксперименте. Как правило, это явления, моделирование которых основано на решении дифференциальных уравнений.

Все представленные в пособии алгоритмы даны в виде, достаточном для их программной реализации. Для части наиболее сложных исследуемых моделей даны программные коды и результаты моделирования.

На примере численного моделирования сложных сигналов и их обработки, представлены некоторые возможности и технологии компьютерного моделирования с помощью пакета Signal Processing Toolbox системы MatLab.

VBA применяет технологию визуального программирования, т.е. конструирование рабочей поверхности приложения и элементов его управления непосредственно на экране; а также запись всей программы или ее частей при помощи MacroRecorder. MacroRecorder - транслятор, создающий программу (макрос) на языке VBA действий пользователя.

VBA относится к языкам объектно-ориентированного программирования (ООП). ООП можно описать как методику анализа, проектирования и написания приложений с помощью объектов. Что есть объект в ООП?

Объект - это инкапсулированные данные вместе с кодом, предназначенным для их обработки. Все визуальные объекты, такие как рабочий лист (Worksheet), диапазон (Range), диаграмма (Chart), форма (Userform) - являются объектами.

Семейство (объект Collection) представляет собой объект, содержащий несколько других объектов, как правило, одного и того же типа. Например, объект Workbooks (рабочие книги) содержит все открытые объекты Workbook (рабочая книга). Каждый элемент семейства нумеруется и может быть идентифицирован либо по номеру, либо по имени. Например, Worksheets (1) - первый рабочий лист активной книги, Worksheets («Лист 1») - рабочий лист с именем Лист 1.

В VBA используется механизм OLE (Object Linking And Embedding - связывание и внедрение объектов), который позволяет взаимодействовать с любыми программами, поддерживающими OLE. Примером элементов, которые можно интегрировать при помощи механизма OLE, являются вставляемые объекты OLEObject, создаваемые, например, при помощи программ WordArt, ClipArt и т.п. OLE - объект отличается от обычного тем, что при выборе внедренного объекта активизируется программа, связанная с этим объектом, и меню приложения заменяется меню программы, его создавшей (этот объект).

Теперь можно, не выходя из основного приложения, работать с данным объектом, редактируя и видоизменяя его средствами создавшей его программы. Кроме того, OLE-технология обладает так называемым свойством Automation, с помощью которого можно устанавливать свойства, применять методы и отрабатывать события внедренных объектов как обычных объектов приложения. С 1996 г. фирма Microsoft ввела новую технологию и теперь то, что раньше именовалось OLE -объект, называется объектом ActiveX, a OLE-Automation называется ActiveX Automation.

Важнейшим понятием ООП является класс. Класс обычно описывается как проект, на основе которого впоследствии будет создан конкретный объект. Таким образом, класс определяет имя объекта, его свойства и действия, выполняемые над объектом. В свою очередь, каждый объект, в соответствии с описанным выше, является экземпляром класса.

Объектная библиотека VBA располагает более 100 различных объектов, находящихся на различных уровнях иерархии. Иерархия определяет связь между объектами и показывает пути доступа к ним.

Неполный пример модели встроенных объектов VBA:

Полная ссылка на объект состоит из ряда имен вложенных последовательно друг в друга объектов. Разделителями имен объектов в этом ряду являются точки, ряд начинается с объекта Application и заканчивается именем самого объекта. Например, полная ссылка на ячейку А1 рабочего листа Лист 1 рабочей книги с именем Архив имеет вид: Application.Workbooks («Архив»).Worksheets(<^HCTl»).Range («А 1»).

Приводить полную ссылку на объект не обязательно - достаточно неявной ссылки на него: в неявной ссылке упоминание активных в данный момент объектов не обязательно. Если ссылка на ячейку А1 дана в программе, выполняемой в Excel, то можно привести относительную ссылку:

Workbooks(«ApxHB»).Worksheets(<^HCTl»).Range(«A 1»). Если книга Архив активна, то достаточно: Worksheets(<^HCTl»).Range («A1»). Если активен рабочий лист Лист1, то достаточно: Range(«Al»).

Объект сам по себе не представляет большого значения в программе. Важно то, какие действия можно совершать над объектом, и какими свойствами он обладает. Метод представляет собой действие, выполняемое над объектом.

Application.Quit - метод Quit (закрыть) закрывает приложение Application.

Метод можно применить ко всем объектам семейства.

Worksheets («Лист1»). ChartObjects.Delete. - удалить все диаграммы с рабочего листа Лист1, где ChartObjects - семейство диаграмм.

Свойство представляет собой атрибут объекта, определяющий его характеристики, такие как размер, цвет, положение на экране и состояние объекта, например, доступность или видимость. Чтобы изменить характеристики объекта, надо изменить значение его свойств.

Application.Caption = "Пример" - изменяется заголовок окна Excel посредством задания свойства Caption объекту Application.

Свойство можно изменять сразу у всех объектов семейства:

Worksheets. Visible = False - объекту Visible (видимость) дается значение

False (ложь) и все рабочие листы активной книги (семейство объектов Worksheets) скрываются.

Среди свойств особое место занимают свойства, возвращающие объект:

Active Workbook - возвращает активную рабочую книгу активного окна Excel.

ActiveSheet - возвращает активный лист активной рабочей книги.

ActiveDialog - возвращает активное диалоговое окно активного рабочего листа.

ActiveChart - возвращает активную диаграмму активного рабочего

ActiveCell - возвращает активную ячейку активного рабочего листа.

Событие представляет собой действие, распознаваемое объектом (щелчок мыши, нажатие клавиши и т.д.), для которого можно запрограммировать отклик. События возникают в результате действий пользователя или программы или могут быть вызваны системой.

Суть программирования в VBA заключается в этих двух понятиях: событие и отклик на него. Если пользователь производит какое-то воздействие на систему, скажем, нажимает кнопку, тогда в качестве отклика выполняется код созданной пользователем процедуры. Таким образом, действие, происходящее в системе, является событием, а отклики на них - процедурами. Этот специальный вид процедур, генерирующих отклик на событие, называется процедурами обработки событий. В целом программирование на VBA состоит в создании кода программ, которые генерируют прямо или косвенно отклики на события.

Переменная - это такая часть программы, которая имеет имя и значение. Имя переменной уникально и неизменно, а значение может меняться в процессе выполнения алгоритма. Имя переменной - это строка символов, которая идентифицирует (англ. identify - распознавать, устанавливать идентичность) переменную в программе.

2. Имя не может содержать точек, пробелов и следующих символов: %, @, &,!, #, $.

3. Имя может содержать любую комбинацию букв, цифр, символов, но начинается с буквы.

Ключевое слово языка - зарезервированное (служебное) слово. Хотя регистр букв в имени не играет никакого значения, но предпочтительно выделение смысла переменной:

Значение переменной - это данные, которые хранятся и обрабатываются системой VBA. Хранятся и обрабатываются данные по-разному, что зависит от принадлежности данных к определенному типу.

Типом данных называют способ хранения и представления данных. В зависимости от того, значение какого типа может принимать сама переменная, определяется тип самой переменной.

1. Короткое целое число (Byte) - размер (байт) 1, значение 0-255.

5. Десятичное число обычной точности (Single) - 4 байта.

6. Десятичное число двойной точности (Double) - 8 байт.

7. Десятичное протяженное число (Currency-денежный) - 8 байт. Значением этой переменной является число, имеющее до 15 знаков слева от десятичной точки и до 4 знаков справа (обеспечивает точность до 1 копейки).

10. Объект (Object) - 4 байта (любой указатель объекта) ссылка на объект, в частности на элемент управления экранной формы.

11. Строка переменной длины (String) - 10 байт + длина строки.

12. Строка постоянной длины (String) - длина строки

13. Произвольное значение (Variant) - 16 байт - числовые подтипы: переменная может иметь любой тип.

14. Строковые подтипы (Variant) - 22 байта + длина строки.

15. Тип данных, определяемый пользователем (с помощью ключевого слова Туре) - объем определяется элементами.

Форма записи значения с использованием буквы Е: 0.000005 - 5Е-6 47000000 - 4.7Е+7

Символы @ # $ % &! - используются в качестве суффиксов переменных различных типов.

Диапазон значений распространенных типов данных VBA

Integer (2 байта) - 32768 до 32767 Byte (1 байт) Целое без знака 0-255

Single (4 байта) Числа с плавающей точкой обычной точности

String (1 байт на символ) - Строки символов от 0 до 2 млрд

Variant (16 байт + 1 байт на каждый символ, если значение типа Variant содержат строку) - для любых типов данных, кроме типа, определенного пользователем.

Объявление типа - установление границ значений переменной, которые определяются ее типом. Если тип не объявлять, то он по умолчанию в VBA принимается за Variant.

Переменная может встречаться в программе много раз, но если тип переменной указан с помощью суффикса, то его можно написать только один раз - когда переменная впервые появилась в программе.

2. Объявление с помощью оператора описания переменной. В начале текста программного кода пишется строка со следующим синтаксисом:

Dim, As - ключевые слова VBA, с помощью которых записывается данный оператор описания переменной^ Назначение этого оператора - объявить переменную, то есть задать ее имя и ее тип.

ИмяПеременной (без суффикса) - по изложенным правилам.

ТипПеременной - от 12 перечисленных ключевых слов.

Скобки [ ] используют в записи для обрамления конструкций, которые могут отсутствовать. Вместо конструкции "ИмяПеременной As ТипПеременной" после слова Dim можно через запятую записать несколько таких конструкций:Dim X As Single, 1255 As Integer, M_M_M As Double

Для типа String после этого слова можно указать, какова будет фиксированная длина строки - значение этой переменной:

3.Объявление с помощью оператора объявлений типа.

ОператорОбъявленияТипа СписокИнтерваловИмен.

ОператорОбъявленияТипа: - одно из 11 ключевых слов:

СписокИнтерваловИмен - это один или несколько интервалов имен - пар букв вида: Буква1 - Буква 2. Все переменные, имена которых начинаются с буквы, находящейся в данном интервале, будут иметь объявляемый тип.

Оператор - синтаксическая единица языка программирования, которая используется в программе для выполнения отдельного предписания.

Алгоритмические операторы - используются для организации последовательности выполняемых компьютером действий. Важнейшие из них - операторы безусловных переходов, условные операторы, операторы циклов.

Функциональные операторы - встроенные в язык программы функции и процедуры, с помощью которых производятся важные и распространенные действия, например: ввод и вывод данных, математические функции и т.п.

Синтаксис (синтаксическое правило) для оператора присваивания:

Чаще всего в операторе присваивания присутствуют так называемые арифметические выражения. Арифметическое выражение -это последовательность чисел, констант, переменных, функций и арифметических выражений, заключенных в круглые скобки, которые соединены между собой знаками арифметических операций (их 8 штук):

Переменные, входящие в выражение, должны иметь численные значения.

Функции, входящие в выражение, также должны иметь численные значения.

Говорят, что функции возвращают определенные значения.

Константы - это величины, значения которых не могут меняться: синтаксис константы - Const ИмяКонстанты = ЗначениеКонстанты.

Кроме объявленных констант, можно использовать системные, встроенные константы - например, номера цветов в графических методах

- vbRed - номер красного цвета, vbWhite - номер белого цвета, их номера

Функция одного аргумента - это правило, которое ставит в соответствие одному аргументу из области его допустимых значений ровно одно значение функции. ИмяФункции (АргументФункции).

Fix (х) - целое, ближайшее к числу х без дробной части.

InputBox (Приглашение [Заголовок] [,НачальноеЗначение])

Fam$=InputВох(«Введите фамилию», «Ввод списка студентов», «Сидоров»).

I=MsgBox (Текст[,Опция] [Заголовок]) - возвращает i.

Текст - до 1024 символов - можно разбить на «порции», вставляя символы переноса строки и ВК. Например:

13 и 10 - коды ASCII символов переноса строки и ВК.

Окно сообщения содержит и дополнительную информацию, если [Опция] - аргумент OP=Op1+Op2. Op1 определяет вид пиктограммы, которая помещается в Окно Сообщения:

Ор2 определяет набор кнопок в Окне Сообщений:

Если в MsgBox используется бесскобочная форма синтаксиса, то нажатие одной из кнопок приводит просто к завершению работы функции.

Если используется MsgBox () (со скобками), то значение функции присваивается целой переменной. Возвращаемое значение 1=1,....,7.

I определяется тем, какая из кнопок Окна сообщения нажата:

D = CSng (х) - преобразование символьного представления числа, возвращаемого функцией InputBox, в тип Single.

i = MsgBox (S, 1, "Площадь треугольника"), где S -имя переменной, 1 - индикатор вида окна вывода.

Значение i указывает кнопку, которая была нажата:

Полная форма (синтаксис) функций InputBox() и MsgBox()

1. prompt - строка-сообщение в диалоговом окне. Если строк много, то для разделения строк можно использовать ВК - Chr (13), ПС - Chr (10) или ВК&ПС (Chr(13)&Chr(10))

2. title - строка-отображение в строке заголовка диалогового окна. Если title отсутствует, то в строку заголовка помещается имя приложения.

3. Default - строка-отображение в поле ввода как используемое по умолчанию. Если его нет, то поле пустое.

4. Xpos - числовое выражение, задающее расстояние по горизонтали между левой границей диалогового окна и левым краем экрана. Если xpos нет, то диалоговое окно выравнивается по центру по горизонтали

5. Ypos - числовое выражение, задающее расстояние между верхней границей диалогового окна и верхним краем экрана. Если ypos нет, то диалоговое окно помещается по вертикали примерно на 1/3 экрана.

6. Helpfile - строка, определяющая имя файла справки, содержащего справочные сведения о данном диалоговом окне. Если аргумент указан, необходимо наличие аргумента context.

7. Context - числовое выражение, определяющее номер соотвествующего раздела справочной системы. Если этот аргумент указан, то необходимо наличие аргумента helpfile.

1. prompt - строка, отображаемая как сообщение в диалоговом окне.

2. Buttons - числовое выражение (опция), представляющее сумму значений, которое указывает число и тип отображаемых кнопок, тип используемого значка, основную кнопку и модальность окна сообщения. Значение по умолчанию равно 0.

3. title - строка, отображаемая в строке заголовка. Если его нет, то в строку заголовка помещается имя приложения.

4. Helpfile - строковое выражение, определяющее имя файла справки о данном диалоговом окне.

VbExclamation 48 восклицательный знак в треугольнике

Значение аргумента buttons, определяющее основную кнопку в

Вместо возвращаемого значения - «какая кнопка нажата», лучше

Поле TextBox создается с помощью кнопки Поле. Используется для ввода текста, который потом используется в программе, или для вывода результатов расчетов программы. Текст, введенный в поле, обычно в программе преобразуется либо в числа, либо в формулы.

Visible - допустимые значения True - поле отображается во время выполнения программы, False - в противном случае.

Enabled - True - пользователь непосредственно может вносить изменения в содержание поля - поле доступно. False - в противном случае.

Multiline - True - многострочный режим ввода текста. False -однострочный.

Wordwrap - True - режим автоматического переноса. False - в противном случае.

AutoSize - True - устанавливается режим автоматического изменения размера поля так, чтобы весь вводимый текст помещался в нем. False - фиксированный размер поля.

Кнопка CommandButton создается с помощью кнопки Кнопка^ Используется для инициирования выполнения некоторых действий, вызываемых нажатием кнопки; например, запуск программы или остановка ее выполнения, печать результатов и т.д.

Cancel - True - устанавливаются отменяющие функции для кнопки, т.е. нажатие клавиши <Esc> приводит к тем же результатам, что и нажатие кнопки, False - в противном случае.

Visible - True - кнопка отображается во время выполнения программы, False - нет.

Enabled - True - запрещено нажатие кнопки пользователем, False - в противном случае.

Accelerator - назначает клавишу, при нажатии на которую одновременно с клавишей <Alt> происходит запуск действий, связанных с кнопкой:

Picture - внедряет на поверхность кнопки картинку.

Функция LoadPicture (полное_имя_файла) считывает графическое изображение, где выражение в скобках - аргумент, указывающий полное имя файла, т.е. его спецификацию.

Default - задает кнопку по умолчанию, т.е. устанавливает ту кнопку, для которой действия, связанные с ней, будут выполняться при касании клавиши «Enter».

Элемент управления OptionButton создается с помощью кнопки Переключатель.

Value - возвращает True, если переключатель выбран. False - в противном случае.

Enabled - допустимое значение True - пользователь может выбрать переключатель (доступен). False - в противном случае.

Visible - True — переключатель отображается во время выполнения программы, False - в противном случае.

Capture - надпись, отображаемая рядом с переключателем.

Выбирая один из двух переключателей, игрок загадывает один из вариантов: орел (1 для компьютера) или решка (0 для компьютера). Не зная о выборе игрока, компьютер синтезирует с равной вероятностью либо 0, либо 1, что и моделирует бросание монеты. Если игрок указал правильную сторону монеты, подброшенную компьютером, то он выиграл. В противном случае выигрывает компьютер. Компьютер информирует о результате игры.

С помощью UserForm1 создадим диалоговое окно, а в модуле UserForm1 введем следующую процедуру, синтезирующую отклик на нажатие кнопки.

Private Sub CommandButtonl_Click () - генерация с равной вероятностью либо 0 (решка), либо 1 (орел), т.е. моделирование бросания монеты.

Сравнение результата бросания монеты компьютером с ситуацией, если игрок заказал «Орел».

If Монета = 0 Then MsgBox "He везет!Займись изучением географии!"

Сравнение результата бросания компьютером с ситуацией, если игрок загадал «Решка».

SetFocus - устанавливает фокус на вызвавшем этот метод элементе управления.

IsArray (переменная) - является ли переменная массивом.

IsEmpty ()- была ли переменная описана инструкцией Dim.

IsError () - является ли переменная кодом ошибок.

IsNull () - является ли переменная пустым значением (Null).

IsNumeric () - является ли переменная числовым значением.

Пример: программа "Калькулятор (только "деление")"

Из диалогового окна VBA видно, что каждая ошибка имеет свой код. Коды наиболее часто встречающихся ошибок:

В идеале разрабатываемое приложение не должно никогда аварийно прерываться. В приложении следует создать средства перехвата любой возможной ошибки, обработать ее, выдать сообщение пользователю и обеспечить безаварийное продолжение работы приложения. Обычно конструкция перехвата ошибок имеет следующую структуру.

On Error Происходит перехват ошибки. Устанавливает, что должна делать программа в случае появления ошибки.

Синтаксис 1: On Error GoTo строка - активизирует подпрограмму обработки ошибок, начало которой определяется аргументом. Строка -метка или номер строки.

Синтаксис 2: On Error Resume Next - указывает, что при возникновении ошибки происходит передача управления на инструкцию, непосредственно следующую за инструкцией, где возникла ошибка.

Синтаксис 3: On Error GoTo 0 - отключает любой активизированный обработчик ошибок в текущей процедуре.

Инструкция Resume - обеспечивает процедуре возможность продолжить работу после обработки ошибок.

Синтаксис 1: Resume - после обработки ошибки управление передается той инструкции, в которой произошла ошибка.

Синтаксис 2: Resume строка - после обработки ошибки управление передается инструкции с номером строка (или метка строка).

Синтаксис 3: Resume Next - передается управление инструкции, следующей за инструкцией, в которой произошла ошибка.

Инструкция останавливает выполнение процедуры.

Подпрограмма обработки ошибки обычно включает объект Err, который содержит информацию об ошибках выполнения.

Вернемся к калькулятору: пусть в поле знаменатель не 0, а 1Е-40 -появится ошибка переполнения. В обработке ошибки предусмотрим два отклика: 1. Пользователь информируется программой в случае появления ошибки переполнения; знаменателю и числителю присваивается значение 1 и с этим значением производится вычисление. 2. При появлении ошибки, отличной от ошибки переполнения, выполнение программы прерывается с информированием пользователя об ошибке.

'Передача управления на обработчик ошибок, помеченный меткой 'Обработка.

MsgBox"Ошибка в знаменателе",_Vblnformation,"Деление" TextBox2.SetFocus

MsgBox "Знаменатель не может быть нулем",_ Vblnformation, "Деление"

Выход из процедуры в случае успешного завершения

MsgBox "Произошла ошибка переполнения", _ Vblnformation, "Деление"

Case Else MsgBox "Произошла ошибка: "&Err.Description& Vblnformation, "Деление"

Рамка (является контейнером) - элемент управления Frame. Используется для визуальной группировки элементов управления. Основным свойством является Capture, отображающее надпись рамки.

Элемент управления CheckBox -флажок. Предоставляет пользователю возможность выбора. Обычно имеет два состояния: установленное и сброшенное, но может настраиваться на выбор из трех альтернатив. Флажок имеет те же свойства Value, Enabled, Visible, Capture, что и переключатель.

Свойство TripleState: False - выбор 2-x:False и True; True - выбор 3-х: False, True, Null.

Элемент ToggleButton - выключатель. Предоставляет те же возможности, что и флажок.

ListBox - применяется для хранения списка значений. Из списка выбирается одно или несколько значений.

Listlndex - возвращает номер текущего элемента списка, нумерация начинается с нуля.

ColumnCount - устанавливает число столбцов в списке.

TextColumn - устанавливает столбец в списке, элемент которого возвращается свойством Text.

Enable - True - запрещен выбор значений из списка, False - в противном случае.

List — возвращает элемент списка, стоящий на пересечении строки и столбца (List(row,colurrm) - синтаксис).

MultiSelect - устанавливает способ выбора элемента списка.

Значения: fmMiltiSelectSingle - выбор только одного элемента

FmMultiSelectMulti - разрешен выбор нескольких элементов посредством либо щелчка, либо нажатием «Пробел».

FmMultiSelectExtended - разрешено использование «Shift» при выборе ряда последовательностей элементов списка.

ListStyle - значение fmListStylePlain - выбранный элемент из списка выделяется цветом.

FmListStyleOption - перед каждым элементом в списке располагается флажок и выбор элемента из списка соответствует установке флажка.

MatchEntry - выводит 1-й подходящий элемент из списка при наборе его имени на клавиатуре.

Значения: frnMatchEntryNone - режим вывода подходящего элемента в списке отключен.

FmMatchEntryLetter - выводит подходящий элемент по набра

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: