Главная > Разное > Моделирование систем
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

5.5. ГИБРИДНЫЕ МОДЕЛИРУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ

В практике машинного моделирования сложных систем используется вычислительная техника трех типов: ЭВМ, АВМ и ГВК. При этом ГВК, обеспечение которых ориентировано на решение задач машинного моделирования (например, по составу программного обеспечения, наличию операционной системы реального времени и диалога, интерфейсу с натурными блоками моделируемой системы S ит. д.), называются гибридными или аналого-цифровыми моделирующими комплексами (АЦМК). Преимущества каждого типа вычислительных средств в первую очередь определяются спецификой основных свойств цифровых и аналоговых ЭВМ, используемых для моделирования конкретной системы S.

Рассмотрим достоинства и недостатки этих трех типов вычислительных средств (АВМ, ЭВМ и ГВК) применительно к машинному моделированию систем [52]. В общем случае с любой задачей, которую решает АВМ, может справиться и достаточно мощная универсальная ЭВМ. Но на АВМ можно решать задачи моделирования систем быстрее и эффективнее.

Основные черты, характерные для АВМ:

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

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

3) возможно одновременное выполнение параллельных вычислительных операций, что особенно важно при моделировании сложных систем;

4) возможно выполнение операций в реальном или ускоренном масштабе времени (скорость вычислений ограничена главным образом частотными характеристиками элементов, а не сложностью решаемой задачи моделирования системы 5);

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, которые весьма характерны для моделирования систем;

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

7) к АВМ можно подключить блоки реальной системы S при комбинированном моделировании; 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 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 дня получения результатов моделирования;

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

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 (часто не имеющих непосредственного отношения к задаче моделирования), так и на ЯИМ.

Современные ГВК представляют собой попытку объединить все лучшее, присущее цифровой и аналоговой технике, и избежать их недостатков. Некоторые задачи требуют для своего решения усиления цифровой части комплекса аналоговой частью для увеличения скорости вычислений и распараллеливания процессов. При этом цифровая часть ГВК дает возможность:

1) управлять аналоговой частью машинной модели при высоком быстродействии;

2) использовать устройства запоминания и хранения данных моделирования;

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

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

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 S, представленной частично в дискретной и непрерывной формах.

Говорить о преимуществах и недостатках ГВК можно применительно к машинному моделированию конкретного класса систем S. Для некоторых объектов использование при реализации модели системы ГВК аналогично их практической реализуемости.

В зависимости от специфики исследуемых объектов в ряде случаев эффективной оказывается ориентация при моделировании систем на ЭВМ. При этом надо иметь в виду, что АВМ значительно уступают ЭВМ по точности и логическим возможностям, но по быстродействию, схемной простоте, сопрягаемости с датчиками внешней информации превосходят или, по крайней мере, не уступают им.

Для сложных динамических объектов перспективным является моделирование на базе ГВК, которые реализуют преимущества цифрового и аналогового моделирования и позволяют наиболее эффективно использовать ресурсы ЭВМ и АВМ в составе единого комплекса. При использовании ГВК существенно упрощаются вопросы 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. Такие гибридные моделирующие комплексы могут входить в состав многомашинного информационно-вычислительного комплекса коллективного пользования, что еще больше расширяет его возможности с точки зрения моделируемых классов больших систем.

Состав и структура технического обеспечения АЦМК определяется множеством задач, на решение которых он ориентирован. В общем виде структура технических средств представлена на рис. 5.11. Здесь приняты следующие обозначения: АВМ — аналоговая вычислительная машина; ЭВМ — цифровая электронная вычислительная машина; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь; БУС — блок управляющих связей; РА — реальная аппаратура; ПОп — пульт оператора.

Возможны различные варианты построения многомашинных комплексов, в которых используется по несколько АВМ и ЭВМ. Такие варианты обычно выбираются в случаях, когда не хватает производительности одного вычислителя или есть необходимость разделить средства выполнения отдельных задач

моделирования системы S из-за ее функциональных или структурных особенностей.

Рис. 5.11. Структура технических средств аналого-цифрового моделирующего комплекса

Преобразователи АЦП и ЦАП являются средствами организации информационных связей между АВМ и ЭВМ, т. е. средствами для обмена информацией между цифровой и аналоговой частями модели системы S.

Подготовка, запуск, останов и синхронизация элементов АЦМК в процессе решения задачи моделирования, как правило, осуществляются ЭВМ. Для реализации этих функций применяются специальные управляющие шины и аппаратура стыковки АВМ и ЭВМ по управлению, которые объединены на рассматриваемой схеме в БУС. Наряду с цифровой и аналоговой частями модели исследования на АЦМК могут использоваться реальные элементы исследуемой системы S. Исследования такого типа называются полунатурным моделированием.

Оператор управляет процессом моделирования с помощью средств, номенклатура которых определяется задачами, решаемыми на АЦМК. В состав ПОп могут входить печатающие устройства различного типа, дисплеи, графопостроители, самописцы и т. д., может иметь место специализированная клавиатура для передачи управляющих команд типа «Запуск», «Останов» и т. п. Таким образом, ПОп в АЦМК представляет собой набор технических средств для организации диалога «оператор — машинный эксперимент».

При распределении задачи моделирования системы S по средствам, входящим в состав АЦМК, могут быть выделены три типа комплексов.

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. В таких АЦМК малая ЭВМ используется с мощной АВМ для решения 170 специальных задач моделирования, решение которых было бы трудно или невозможно с помощью аналоговой аппаратуры.

К цифро-ориентированным комплексам можно отнести универсальные ЭВМ, где для отображения и регистрации результатов используются аналоговые средства — осциллографы, самописцы и т. д. В таких АЦМК модель Мы полностью реализуется цифровыми методами. Возможны варианты построения АЦМК для полунатурного моделирования, когда реальная аппаратура стыкуется с ЭВМ через аналоговый вычислитель. В цифро-ориентирован-ных АЦМК может иметь место распараллеливание отдельных вычислительных процедур в процессе работы с цифровой моделью Мы 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 Мы и осуществляться ее запуск. Другими словами, имеется возможность реализовать итеративный процесс исследования, сходящийся к получению искомого результата, что особенно важно при автоматизации проектирования системы S на базе машинного моделирования.

Задача построения технического обеспечения АЦМК в настоящее время сводится к выбору стандартной аппаратуры, разработке информационных и управляющих связей, реализуемых программно. Такой подход стал возможным благодаря тому, что сейчас промышленность выпускает широкий перечень ЭВМ, в которых предусмотрена возможность неавтономной работы. Это условие важно для построения АЦМК, так как в противном случае необходимы доработки универсальных вычислителей, создание нестандартного оборудования, что, как правило, делать нежелательно. При создании АЦМК должна быть возможность стыковки с периферийными устройствами широких функциональных возможностей: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, коммутаторы, регистры и т. д.

Современные АВМ, как правило, позволяют осуществлять цифровое управление. Принципиальных трудностей в построении технического обеспечения АЦМК нет. Однако, несмотря на широкие возможности, открывающиеся с выпуском большой номенклатуры цифровых и аналоговых вычислительных устройств, задача выбора

комплекса технических средств АЦМК представляет собой сложную проблему, при решении которой необходимо ответить на следующие вопросы [36].

Прежде всего нужно обосновать преимущества гибридного моделирования системы перед аналоговым или цифровым. При этом задачи, для которых проектируется АЦМК, должны быть достаточно важными, чтобы оправдать затраты на его создание. Решая вопрос о том, должен ли комплекс быть аналого-ориен-тированным, цифро-ориентированным или сбалансированным, необходимо провести выбор ЭВМ средней, малой или большой мощности. При достаточно высоких требованиях к скорости реализации цифровой части модели системы можно пойти по пути создания многопроцессорного комплекса. Необходимо рассмотреть требования к архитектурным особенностям ЭВМ: длине слова, возможностям системы прерывания, наличию аппаратных средств для работы с плавающей запятой, организации памяти и т. д. При выборе АВМ необходимо учитывать полосу пропускания эффективность управления от ЭВМ, возможности автоматического набб-ра, точностные характеристики.

Следует ответить на вопросы: требуется ли работа в реальном масштабе времени, какие устройства должны быть включены в гибридный вычислительный контур, какие функции по управлению должны быть возложены на ЭВМ. При определении технологии проведения исследований на АЦМК выбирается номенклатура устройств отображения и регистрации, средств ведения диалога, находятся конфигурация системы связи, алгоритмы обмена и синхронизации работы отдельных устройств. Важными моментами при построении АЦМК являются выбор АЦП и ЦАП, количество каналов информационных связей, требования к точности и быстродействию. 1

Сложность перечисленных вопросов заключается в том, что большинство из них взаимосвязаны. От правильности их решения зависит эффективность моделирования систем на АЦМК, точность и достоверность результатов моделирования конкретной системы

Процедура компоновки технического обеспечения АЦМК представляет собой достаточно сложный неформальный процесс, в котором качество созданного комплекса в значительной степени зависит от интуиции, опыта и способностей его разработчиков. Данная процедура включает в себя этап логической, конструктивной и электрической компоновки.

Логическая компоновка подразумевает выбор минимального состава устройств, агрегатов и модулей из номенклатуры определенных семейств вычислительной техники, обеспечивающих выполнение функциональных задач, стоящих перед АЦМК, а также объединение их в единый комплекс, работающий под управлением общего программного обеспечения. При конструктивной компоновке

решаются вопросы размещения устройств в типовых конструктивных элементах. Электрическая компоновка предполагает выбор линий связи для конструктивно скомпонованных элементов и порядок их соединений. Исходным материалом для логической компоновки являются агрегаты и модули технического обеспечения.

Опишем вариант построения АЦМК для решения задачи моделирования системы S на базе управляющей ЭВМ, которая имеет развитый интерфейс «Общая шина» (ОШ), т. е. на них могут быть возложены функции управления. Возможности расширения памяти и быстродействия позволяют достаточно эффективно использовать управляющие ЭВМ для реализации расчетных процедур в процессе моделирования различных систем. Мощная операционная система этих ЭВМ позволяет на базе стандартных средств реализовать процедуры генерации модели на этапе ее подготовки [12].

Рассмотрим особенности компоновки устройств организации информационных и управляющих связей между ЭВМ и АВМ. Вариант использования ЭВМ в качестве цифровой части АЦМК состоит в применении для этих целей измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Развитие персональных и микроЭВМ, модульных программно-аппаратных средств, построенных на их базе для целей автоматизации научных исследований, создало благоприятные технико-экономические условия для компоновки модульных информационно-измерительных систем и ЭВМ в единые ИВК.

В общем случае ИВК — это автоматизированное средство измерения и обработки информации, предназначенное для исследования, контроля и испытаний сложных объектов и представляющее собой совокупность программно-управляемых технических средств, имеющих блочно-модульную структуру, определенную организацию и связи, обеспечивающие получение, преобразование, накопление, обработку и выдачу измерительной, командной и другой информации в соответствующей форме, в том числе для воздействия на объект исследования. При построении АЦМК на базе ИВК реальная аппаратура и АВМ выступают в качестве управляемого исследуемого объекта.

Пршср 5.2. Рассмотрим возможности построения технического обеспечения АЦМК на базе ИВК (рис. 5.12). В данной структуре через интерфейс ОШ объединены следующие устройства: П — процессор, ОЗУ — оперативное запоминающее устройство, Д — дисплей, ПР — принтер, Н — накопители. Совокупность данных устройств представляет собой вычислительный комплекс. Связь с АВМ осуществляется через два крейта: устройство управления — — контролер крей-та — аналого-цифровой преобразователь, К — коммутатор, ЦАП1 и ЦАП2 — цифро-аналоговые преобразователи, РВИС — регистр ввода инициативных сигналов. В данном варианте стыковки с АВМ аппаратура крейта № 2 — входящего в состав ИВК, не используется, за исключением ЦАП2, перенесенного в крейт № 1. Управление процессом моделирования на АЦМК осуществляется с пульта управления ПУ.

Развитая операционная система современных ЭВМ позволяет реализовать на их основе процедуры генерации цифровой части модели организовать диалоговые режимы на этапе подготовки машинного эксперимента и обработки его результатов. В то же время свойства ИВК как управляющего комплекса дают возможность управлять процессом моделирования системы S, осуществлять сбор, накопление и обработку результатов моделирования.

Рис. 5.12. Структура технического обеспечения АЦМК на базе ИВК

При рассмотрении приведенных примеров структур комплексов (рис. 5.11 и 5.12) не ставилась цель показать процесс проектирования технического обеспечения АЦМК. Данные структуры приводились как возможные варианты реализации АЦМК для моделирования систем.

Программное обеспечение (рис. 5.13) строится по модульному принципу и включает в себя комплексы программ: планирования машинных экспериментов, построения модели системы, проведения машинных экспериментов, обработки результатов моделирования. Наиболее перспективной формой реализации ПО АЦМК является построение его в виде набора пакетов прикладных программ снабженных развитыми средствами генерации, модификации и расширения.

Функциональное разбиение ПО может быть произведено с привязкой его к составным частям АЦМК. В этом случае в ПО включаются ППП пользователей, ПО аппаратуры КАМАК, ППП управления АВМ, проблемно-ориентированное ПО ЭВМ.

Пример 5.3. Рассмотрим состав В зависимости от вида модели конкретной системы пользователя включает в себя следующие программы:

STATE — программа, содержащая соотношения между переменными и параметрами и задающая описание непрерывной части модели системы;

SCOND — программа слежения за значениями дискретных переменных и определения наступления событий в модели системы;

SSAVE — программа сбора информации о состояниях моделируемой системы;

— программа реализации событий, содержащая алгоритмы обработки событий в модели системы;

USINT — программа определения начальных значений переменных модели (может также переопределять значения переменных в процессе моделирования);

USOUT — программа вывода результатов моделирования, не предусмотренных системой моделирования;

PLNEX - ППП, позволяющий планировать эксперимент, собирать и обрабатывать статистическую информацию о результатах моделирования системы. Решая

Рис. 5.13. Распределение задач моделирования по средствам АЦМК

задачу моделирования конкретной системы S, пользователь может отказаться от использования тех или иных программ.

MONIT — программа-монитор, которая представляет собой совокупность программ, решающих общие задачи управления аппаратурой и обработки прерываний в программах, написанных на языке ЯОН. В состав программы-монитора входят управляющая программа, предназначенная для организации работы с прерываниями от аппаратуры и блочного обмена данными в рамках операционной системы, и пакет программ, обеспечивающих выполнение основных функций из программ, написанных на ЯОН.

Программное обеспечение АВМ представляется в виде позволяющего проводить автоматическую настройку блоков АВМ, имитирующих непрерывную часть в модели системы и управление этой настройкой и обменом информацией с другими составляющими АЦМК.

Наиболее сложная часть ПО — комплекс программных средств ЭВМ. Не останавливаясь на рассмотрении операционной системы МО DOS, в рамках которой реализуется модель системы S, рассмотрим состав проблемно-ориентированного ПО ЭВМ, позволяющего управлять процессом моделирования и обеспечивающего при этом взаимодействие пользователя с моделью. В его состав входят:

STSUP — супервизор комплекса, осуществляющий управление процессами моделирования системы по командам пользователя;

STMIN — интерактивный монитор комплекса, позволяющий в процессе моделирования системы в режиме дружественного интерфейса выполнять отображение объектов модели, изменение содержимого модели системы в процессе моделирования и т. п.;

STDAT — модуль, выполняющий инициализацию объектов системы моделирования;

TMON — программный монитор комплекса, обеспечивающий реализацию системных функций в программном режиме по запросам программ модели;

— управляющий модуль комплекса, осуществляющий контроль за процессом моделирования.

Использование модульной структуры и организации ПО моделирования позволяет в режиме генерации создавать ППМ конкретной системы S, ориентированный на режим гибридного моделирования

и конкретную конфигурацию комплекса технических средств АЦМК.

Контрольные вопросы

5.1. Чем отличаются языки имитационного моделирования от языков общею назначения?

5.2. Как можно представить архитектуру языка имнтащюнного моделирования?

5.3. Каше освоите требовании предъявляются к языкам имитационного моделирования?

5.4. Какие имеются группы языков моделирован» дискретных систем?

5.5. Какие основные идя положены в основу построения дерева реомяй по выбору языка для моделирования системы?

5.6. Что называется пакетом прикладных программ моделированя систем?

5.7. Что является функциональным и системным наполнением пакета прикладных программ моделирования?

5.8. Каковы фуикцм языка задана пакета прикладных программ моделирования?

5.9. Какие существуют моделирующие комплексы?

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление