Моделирующие комплексы

В машинном моделировании систем используется вычислительная техника трех типов: ЭВМ, АВМ и ГВК. ГВК называются гибридными или аналого-цифровыми моделирующими комплексами (АЦМК).

Рассмотрим достоинства и недостатки этих трех типов вычислительных средств (АВМ, ЭВМ и ГВК) применительно к машинному моделированию систем. АВМ значительно уступают ЭВМ по точности и логическим возможностям, но по быстродействию, схемной простоте, сопрягаемости с датчиками внешней информации не уступают им.

Характерные черты для АВМ:

1) зависимые переменные модели системы S представляются в непрерывном виде;

2) точность результатов моделирования определяется качеством компонентов электрических схем АВМ;

3) возможность одновременного выполнения параллельных вычислительных операций;

4) возможность выполнения операций в реальном или ускоренном масштабе времени;

5) операции сложения, вычитания, умножения, дифференцирования, интегрирования, генерирования непрерывных функций выполняются весьма эффективно, но имеются ограниченные возможности выполнения логических действий, накопления цифровых данных, обеспечения длительных задержек, обработки информации;

6) технология программирования состоит в основном в замещении элементами АВМ (такими, как операционные усилители, интеграторы и т. п.) соответствующих элементов моделируемой системы S;

7) к АВМ можно подключить блоки реальной системы S при комбинированном моделировании;

8) пользователь имеет возможность в ходе машинного эксперимента на АВМ изменять значения установок, т.е. коэффициентов, устанавливаемых на АВМ, что обеспечивает более наглядное проведение эксперимента с моде­лью системы S.

Характерные черты ЭВМ:

1) вся обработка промежуточной и результирующей информации в процессе моделирования системы S реализуется в дискретном виде;

2) все операции по работе с машинной моделью Мм выполняются последовательно;

3) точность результатов моделирования системы S определяется главным образом выбранными численными методами решения задачи и формой представления чисел;

4) время решения определяется сложностью задачи моделирования системы S, т.е. числом операций, необходимых для получения результатов моделирования;

5) наличие компромисса между временем решения и точностью результатов моделирования системы S;

6) применяется ограниченное число арифметических операций (сложение, вычитание, умножение и деление), но с помощью численных методов можно в модели на базе этих исходных операций реализовать и более сложные, например дифференцирование, интегрирование и т.д.;

7) для выполнения логических операций и принятия решений в процессе моделирования используются как цифровые, так и нецифровые данные;

8) предусматриваются операции с плавающей запятой, что устраняет трудности масштабирования модели;

9) методы программирования базируются как на ЯОН, так и на ЯИМ.

Современные ГВК представляют собой попытку объединить все лучшее, присущее цифровой и аналоговой технике, и избежать их недостатков. Аналоговая часть ГВК позволяет увеличить скорость вычислений и распараллелить процессы. Цифровая часть ГВК дает возможность:

1) управлять аналоговой частью машинной модели Мм при высоком быстродействии;

2) использовать устройства запоминания и хранения данных моделирования;

3) обеспечивать более высокую точность вычислений и применения логических операций при моделировании системы.

Преимущества ГВК:

1) сочетает быстродействие АВМ и точ­ность ЭВМ, что позволяет расширить класс моделируемых объектов;

2) в процессе машинного моделирования позволяет использовать реальные технические средства и части исследуемой конкретной системы S;

3) обеспечивает гибкость аналогового моделирования благодаря использованию логики и памяти ЭВМ;

4) увеличивает быстродействие ЭВМ за счет использования аналоговых подпрограмм;

5) делает возможной обработку входной информации о модели системы, представленной частично в дискретной и непрерывной формах.

При использовании ГВК существенно упрощается вопрос взаимодействия с датчиками, установленными на реальных объектах, что позволяет, в свою очередь, проводить комбинированное моделирование с использованием аналого-цифровой части модели и натурной части объекта.

Аналого-ориентированные комплексы используются в тех случаях, когда не требуется высокая точность результатов и когда моделируемая система S реализуема аналоговыми средствами. Системы такого класса исследуются на АЦМК, в которых цифровые средства необходимы на этапе подготовки модели для автоматизации набора задачи, накопления и обработки результатов моделирования. Сама же модель системы S реализуется исключительно на аналоговом вычислителе (аналоговое моделирование). Наряду с указанными функциями ЭВМ может выполнять задачи управления АВМ в процессе реализации модели. АЦМК с цифровым управлением и цифровой логикой способны воспроизводить более сложные модели по сравнению со стандартными АВМ. К аналого-ориентированным АЦМК относятся также комплексы, в которых ЦВМ применяются в качестве периферийного оборудования.

К цифроориентированным комплексам можно отнести универсальные ЭВМ, где для отображения и регистрации результатов используются аналоговые средства – осциллографы, самописцы и т.д. В таких АЦМК модель Мм полностью реализуется цифровыми методами. Возможны варианты построения АЦМК для полунатурного моделирования, когда реальная аппаратура стыкуется с ЭВМ через аналоговый вычислитель. В цифроориентированных АЦМК может иметь место распараллеливание отдельных вычислительных процедур в процессе работы с цифровой моделью Мм за счет реализации их аналоговыми средствами.

Сбалансированные (универсальные) комплексы являются самым мощным средством для решения задач аналого-цифрового моделирования. В их состав входят средства, с помощью которых могут эффективно решаться не только аналого-цифровые задачи, но и задачи аналоговые с цифровым управлением, а также задачи цифрового моделирования. На комплексах такого типа широко используется диалог «оператор – машинный эксперимент», т.е. могут запоминаться, отображаться и регистрироваться результаты решений, оперативно вноситься изменения в модель Мм и может осуществляться ее запуск. Другими словами, имеется возможность реализовать итеративный процесс исследования, сводящийся к получению искомого результата, что особенно важно при автоматизации проектирования системы S на базе машинного моделирования.