Система компьютерного моделирования

Эта статья входит в число готовых статей
Материал из «Знание.Вики»

Система компьютерного моделирования — программное обеспечение, используемое для создания и исследования компьютерных моделей объектов различной физической природы. Системы компьютерного моделирования как отдельный класс программного обеспечения появился сравнительно недавно.

Цели создания и задачи

Системы компьютерного моделирования позволяют оперативно оценивать характер функционирования разрабатываемых устройств, учитывать влияние внешних факторов, демонстрировать поведение исследуемых объектов в учебных лабораториях. Последние достижения в этой области существенно расширили возможности моделирующих систем. Они, прежде всего, связаны с визуализацией входных и выходных данных, повышением скорости и точности анализа, более эффективными средствами управления процессом моделирования. Современные системы компьютерного моделирования, как правило, являются ориентированными на определенную техническую область — электронные схемы, энергосистемы, приборы, механизмы и машины, где уже сформировалась устойчивая компонентная база с соответствующими параметрами компонентов. В то же время сложные технические устройства и системы чаще всего включают в себя всевозможные комбинации подсистем из различных технических областей, и для их всестороннего анализа требуется составлять и решать модель всей системы, то есть сочетать энергетические и информационные подсистемы разного физического содержания в единую компьютерную модель.

Категории объектов в системах компьютерного моделирования:

  1. Элементы, процессы и детали устройств.
  2. Схемы, блоки, устройства.
  3. Технические системы, исследуемые методами автоматического управления.
  4. Системы, исследуемые методами событийного моделирования и логико-вероятностными методами.

Общие требования

Общие требования к инструментальным средствам компьютерного моделирования, являющимся составной частью как систем автоматизированного проектирования (САПР) так и автоматизированных систем научных исследований (АСНИ):

  • применение простых проблемно-ориентированных языков;
  • удобство использования (наличие интуитивно-понятного графического интерфейса пользователя);
  • наличие средств диагностики ошибок пользователя;
  • надежность и правильность получения результатов моделирования;
  • экономичность (эффективность по быстродействию и затратам памяти);
  • универсальность по отношению к тем или иным ограничениям решаемых задач;
  • открытость (адаптируемость) относительно внесения изменений в процессе эксплуатации программ;
  • сопровождаемость;
  • мобильность.

Классификация систем компьютерного моделирования

Программное обеспечение, так или иначе используемое при исследовании компьютерных моделей, можно разделить на четыре группы:

  1. Системы автоматизированного моделирования и проектирования радиоэлектронных схем — P-CAD[1], OrCAD, MicroCap, PSpice, MicroSim Design Center, MicroSim Design Lab, Electronic Workbench[2] и другие менее распространенные системы.
  2. Системы автоматизированного моделирования и проектирования в области машиностроения (ProEngineer, отечественные разработки Эйлер и Спрут).
  3. Универсальные системы моделирования (MATLAB[3], Stratum, среда моделирования МАРС).
  4. Системы автоматизации математических вычислений (MathCAD, MAPL, Макрокалькулятор).

Исследовать элементы из любой предметной области позволяют универсальные системы моделирования. В настоящее время наиболее популярной при исследовании сложных технических объектов является система MATLAB. Однако при использовании большинства описаний этой системы, не имеющих проблемной ориентации, у пользователей со специфической сферой профессиональных интересов при изучении системы возникают трудности. Ещё большие трудности возникают у пользователей при исследовании сложных физически неоднородных систем, так как в этом случае пользователю предстоит овладеть всеми техническими ресурсами данной системы и попытаться эффективно применить их на практике.

Системы компьютерного моделирования в области схемотехники

Среди современных отечественных инструментальных средств схемотехнического моделирования известны системы ПА9, Stratum, ASIMEC, Parus-ParGraf. При этом ПА9 и Stratum являются универсальными системами моделирования, а ASIMEC и Parus-ParGraf ориентированы на моделирование радиоэлектронных схем.

ПА9

ПА9 — комплекс программ, предназначенный для анализа динамики электрических, механических, гидравлических, пневматических, тепловых и разнородных технических систем, основанный на методе физических аналогий. Моделируемый объект задается графическим изображением эквивалентной схемы. По графическому изображению эквивалентной схемы автоматически формируется математическая модель в виде системы дифференциально-алгебраических уравнений, описывающей динамические процессы в исходной технической системе. Для интегрирования системы дифференциальных алгебраических уравнений (ДАУ) в ПА9 применяются неявные А-устойчивые методы интегрирования: метод Эйлера (1-го порядка точности) и метод трапеций (2-го порядка точности). Графический редактор обеспечивает весь необходимый набор функций для формирования эквивалентной схемы моделируемого технического объекта. Результаты моделирования отображаются в виде графиков зависимостей фазовых переменных моделируемого объекта от времени.

Для математического моделирования технических систем различной физической природы (электрических, гидравлических, пневматических, механических, тепловых и др.) в ПА9 используется метод физических аналогий. Согласно этому методу любой технической системе, функционирование которой описывается системой дифференциально-алгебраических уравнений, можно поставить в соответствие некоторую формальную эквивалентную схему, которая описывается точно такой же системой уравнений. Для каждого элемента, который может быть включен в эквивалентную схему, в составе комплекса ПА9 имеется математическая модель в виде подсистемы дифференциально-алгебраических уравнений (компонентные уравнения схемы). Помимо набора элементов, входящих в эквивалентную схему, необходимо задать также их взаимосвязи между собой (топологические уравнения схемы), а также параметры элементов (численные значения коэффициентов компонентных уравнений).

Stratum

Инструментальная среда Stratum представляет собой средство быстрой разработки и моделирования систем в области автоматизированных систем управления, электроники и т. д. Пользователю-непрограммисту среда предоставляет набор библиотек объектов и возможность создания новых библиотек с использованием общепринятых схемотехнического и математического языков. Объединяя объекты в графические схемы и соединяя необходимые переменные, пользователь получает работающую систему и может наблюдать за её поведением, управлять её работой, редактировать любые данные и структуру непосредственно в процессе работы. Однако формализм языка не предусматривает возможность использования энергетических связей, на которых действуют две переменные. Связь представляет собой информационный канал передачи данных от переменной одного объекта к переменной другого объекта, реализуя тождество соединенных переменных.

PSpice

В основе программ схемотехнического моделирования радиоэлектронных схем DesignLab, DesignCenter, OrCAD, ACCEL EDA, TangoPRO, Viewlogic, COMPASS, Mentor Graphics лежит программа PSpice, которая является модификацией программы схемотехнического моделирования SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанной в начале 1970-хх годов в калифорнийском университете. Программа имеет обширную (и пополняемую) библиотеку моделей реальных аналоговых и цифровых компонентов, позволяет выполнять многовариантный анализ при варьировании параметров схемы, делать статистический анализ по методу Монте-Карло, позволяет проводить исследование во временной и частотной областях.

Другие системы

Математическое обеспечение и программные средства для расчетов электрических режимов энергосистем: RASTR, Б-6, КУРС, MUSTANG, ПВК СДО-6. Задачи моделирования электроэнергетических систем также решаются в системе моделирования электроэнергетических систем МАЭС.

Наибольшую известность среди зарубежных инструментальных средств, обеспечивающих решение задач анализа и оптимизации радиоэлектронных схем, получили системы автоматизированного моделирования и проектирования — MATLAB с дополнением Simulink (MathWorks, Inc.), DesignLab и DesignCenter (MicroSim), OrCAD (Cadence Design Systems, Inc), ACCEL EDA, Electronics WorkBench (Interactive Image Technologies Ltd), Micro-Cap[4] (Spectrum Software), CircuitMaker (MicroCode Engineering) и т. п.

Преимуществом программы Electronics Work Bench, является наличие виртуальных моделей контрольно-измерительной аппаратуры, в связи с чем по существу она представляет собой виртуальную лабораторию.

Моделирование электромеханических систем обеспечивается в программах Virtual Test Bed (VTB) (University of South Carolina), EASY и др.

Системы функционального и структурного моделирования

Инструментальные средства структурного математического моделирования обеспечивают работу со структурной схемой как с графическим представлением математической модели.

МИК-АЛ

Программно-методический комплекс МИК-АЛ содержит широкий спектр моделей линейных и нелинейных элементов, обеспечивает возможность работы с макромоделями (макроблоками) и решение задач исследования моделей структурного математического и структурного функционального уровней.

МВТУ

В программном комплексе МВТУ модель составляется пользователем в специальном окне программы соединением отдельных виртуальных блоков, соответствующих элементам реальной системы. Сигналы, действующие в модели, можно наблюдать и регистрировать виртуальными индикаторами. Для этого программа создает специальные окна с временными, частотными графиками, фазовыми портретами и др.

VisSim

VisSim (Visual Solutions, Inc.) — многофункциональная система моделирования, имеющая частотные, корневые, вариационные, нейронные средства оценки качества, устойчивости, синтеза, коррекции, оптимизации, линеаризации, отладки объектов в контуре модели и программирования цифровых сигнальных процессоров.

Динамические модели систем в VisSim описываются иерархическими структурными схемами (блок-схемами). Имеется расширение VisSim/Motion для специалистов в области электропривода. Библиотека специализированных блоков включает более сорока встроенных моделей асинхронных двигателей, машин постоянного тока (бесколлекторных), а так же усилителей (силовых драйверов), датчиков, кодеров, динамических нагрузок, контроллеров и блоков сопряжения. Параметры и характеристики блоков, как и структуру схемы модели, исследователь может изменять. Программа предоставляет возможность вычислять различные характеристики построенных моделей, в частности амплитудно-частотные, анализируя которые можно глубоко изучить свойства модели, а, следовательно, и моделируемой реальной системы.

MATLAB

Широкий спектр возможностей в области структурного моделирования предоставляет система MATLAB. MATLAB (сокращение от «Matrix Laboratory») обозначает одновременно пакет прикладных программ для решения задач численного анализа и используемый в этом пакете язык программирования. MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером в конце 1970-х годов, когда он был руководителем факультета компьютерных наук в университете Нью-Мексико. Целью разработки служила задача дать студентам факультета возможность использования программных библиотек Linpack и EISPACK без необходимости изучения Фортрана. Вскоре новый язык распространился среди других университетов и был с большим интересом встречен учёными, работающими в области прикладной математики. До сих пор в Интернете можно найти версию 1982 года, написанную на Фортране, распространяемую с открытым исходным кодом. Инженер Джон Литтл познакомился с этим языком во время визита Клива Моулера в Станфордский университет в 1983 году. Распознав коммерческий потенциал нового языка, он объединился с Кливом Моулером и Стивом Бангертом. Совместными усилиями они переписали MATLAB на C и основали в 1984 компанию The MathWorks для дальнейшего развития. Эти переписанные на С библиотеки долгое время были известны под именем JACKPAC. Первоначально MATLAB предназначался для решения задач управления системами (основная специальность Джона Литтла), но быстро завоевал популярность во многих других научных и инженерных областях. Он также широко использовался в в образовании, в частности для преподавания линейной алгебры и численного анализа. MATLAB позволяет легко производить матричные вычисления, визуализировать математические функции и экспериментальные данные, реализовывать вычислительные алгоритмы, конструировать графический интерфейс пользователя для решения специфических задач, а также через специальные интерфейсы взаимодействовать с другими языками программирования и программами. Хотя MATLAB специализируется на численных вычислениях, с помощью специализированного инструментального пакета (toolbox), он может взаимодействовать с символьным процессором программы Maple (система компьютерной алгебры), что превращает его в законченную систему с возможностью выполнения символьных вычислений. MATLAB используется более чем 1000000 инженерными и научными работниками и работает на большинстве современных операционных системах, включая Windows, Mac OS, Linux и Unix.

См. также

Примечания

  1. ↑ Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического проектирования на ПЭВМ. — В 4 выпусках. Вып. 3: Моделирование аналоговых устройств. — М.: Радио и связь, 1992. — 120 с.
  2. ↑ Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и её применение. — Издание 2-е, дополненное и переработанное. — М.: Солон-Р, 2001. — 726 с.
  3. ↑ Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 6/60. Основы применения. Серия «Библиотека профессионала». — М.: СОЛОН-Пресс, 2005. — 800 с.
  4. ↑ Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования MicroCap V. — М.: Солон, 1997. — 273 с.

Литература

  1. Мишта П. В. Применение систем моделирования при разработке АСУТП / П. В. Мишта, П. Г. Бызов // Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2010. — Т. 1, № 3. — С. 134—137.
  2. Прикота А. Программа SimOne. Современные средства схемотехнического моделирования // Электроника: наука, технология, бизнес. — 2011. — Т. 108, № 2. — С. 142—146.
  3. Змеу К. В. Применение среды SimMechanics для моделирования нежестких систем / К. В. Змеу, М. Н. Невмержицкий, Б. С. Ноткин // Вестник инженерной школы Дальневосточного федерального университета. — 2012. — № 1(10). — С. 5-10.
  4. Дьяконов В. П. Mathematica 4 с пакетами расширений. — М.: «Нолидж», 2000. — 608 с.
  5. Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. — М.: ДМК Пресс, 2007. — 400 с.
  6. Кравченко И. В. Технологии SCADA TRACE MODE 6 для создания телемеханических систем управления // Автоматизация в промышленности. — 2008. — № 4. — С. 47-48.
  7. Водовозов В. М., Иванова Е. А. Компьютерные системы моделирования электроприводов // Электротехника.- 1996. — № 7. — С. 48-51.

Ссылки

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Система_компьютерного_моделирования&oldid=32009