WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 || 16 |

3. Известны характеристики надежности элементов системы, структурная схема надежности. Нужно найти характеристики надежности всей системы.

4. Известны метрологические характеристики элементов измерительной системы и ее структурная схема. Нужно найти метрологические характеристики всей системы (прямая задача анализа погрешностей).

5. Известна модель измерительной системы с точки зрения прохождения сигнала со входа на выход. Найти сочетание управляемых параметров, обеспечивающих наилучшее значение заданного критерия эффективности (обратная задача).

Этапы имитационного моделирования Необходимо подчеркнуть, что само имитационное моделирование как познавательный процесс отнюдь не исчерпывается простым прогоном модели или экспериментированием с ней. Чтобы полностью оправдать свое предназначение прогон модели должен быть системно включен составной часть в более общий процесс.

Ниже мы приводим основные этапы общего процесса имитационного моделирования согласно основополагающей книге Р. Шеннона1 [47]. Довольно обстоятельно этот вопрос рассмотрен также в [46].

1. Определение системы. (Постановка задачи - что нужно моделировать и с какой целью) 2. Формулирование модели (Переход от реальной системы к ее модели.

Чаще всего через покомпонентное моделирование) 3. Проверка модели на адекватность.

а) в первом приближении (не дает ли абсурдных результатов);

б) проверка допущений;

в) проверка прохождения информации со входа на выход.

4. Стратегическое планирование. (Цель - уменьшение числа экспериментов за счет повышения их информативности).

5. Тактическое планирование.( Цель - оптимизация времени и точности отдельных экспериментов.) а) за счет уменьшения времени переходных процессов;

б) за счет увеличения точности при сокращении объема выборки.

Не путать с Клодом Шенноном - одним из основателей теории информации 6. Экспериментирование. (Прогон модели) 7. Интерпретация. (Построение выводов по данным экспериментов, формулирование ответа задачи, поставленной в п.1).

8. Реализация результатов моделирования. (Внедрение) 9. Документирование.

4.4. Моделирование системного времени Модель всей системы обычно представляется в виде структурной схемы, состоящей из модулей (моделей компонентов) и информационных связей (стрелок). С каждой стрелкой ассоциируется некоторая переменная, которая может принимать те или иные значения. Значение переменной присваивается в том модуле, из которого выходит связанная с ней стрелка. То есть для каждой переменной есть единственный модуль, в котором она генерируется или вырабатывается. Значение переменной может использоваться во многих модулях, а именно в тех, куда направлена соответствующая входящая стрелка.

Модельное время tM x1(t) у(t) M1 M3 Mx2(t) MРис. 4.5. Фрагмент покомпонентной модели с явной "разводкой" переменной tM Для динамических моделей одна переменная - время - является выделенной переменной, поскольку она используется во всех остальных модулях.

Для ее реализации должен быть специальный модуль, который генерирует и подает в нужном формате во все остальные модули значение системного (модельного) времени tM (modeling time). Процесс моделирования также осуществляется во времени, но это уже другое время, назовем его временем прогона tR (run time).

В данном разделе пойдет речь реализации модельного времени tM.Ввиду очевидности использования переменной tM ее зачастую явно вообще не объявляют1, а соответствующие линии со стрелками на схеме не показывают.

Несмотря на интуитивную ясность проблема представления модельного времени существует и ее так или иначе приходится решать, по крайней мере на этапе составления компьютерной программы.

Существую два основных метода представления модельного времени:

МФШ - метод фиксированного шага;

МПШ - метод переменного шага.

МФШ - в этом случае временные метки (или значения времени в какойто шкале, чаще в равномерной), соответствующие заранее определенным моментам времени, выдаются с помощью специального модуля - генератора времени - и распространяются по всем остальным динамическим модулям модели. При этом метки времени выдаются независимо от того, происходят или не происходят заданные события в модели.

Пример: представление сигналов в виде массивов отсчетов после равномерной дискретизации и обработка массивов путем последовательного их перебора (просмотра в цикле по номеру отсчета). Здесь модельное время представляется в виде tM=i·t, где i - номер временного шага, t - его длительность. Важно отметить, что в программе явно используется только "дискретное время" -, которое генерируется обычно с помощью оператора цикла (i используется в качестве счетчика циклов). Для перехода к "физическому" модельному времени необходимо знать величину t, которая явно в программе может отсутствовать, поскольку при обработке массивов отсчетов непосредственно не используется.

Достоинства МФШ:

1) простота реализации механизма времени в модели;

2) простота синхронизации прогона разных модулей.

Недостатки МФШ:

1) требуется априорно решать задачу выбора временного шага t;

2) возможна потеря существенной информации при большом t;

3) возможно качественное ухудшение модели (потеря устойчивости, сходимости, возникновение неадекватных эффектов и т.п.).

МПШ - здесь значения переменной tM (модельное время) вырабатывается одним из модулей в качестве выходной величины на основании величин, получаемых в ходе моделирования в других модулях. То есть в данном случае время есть зависимая величина. При этом временные метки выдаются На концептуальном уровне описания модели. При написании компьютерной программы такую переменную придется объявлять, иначе программа не сможет правильно работать. Именно поэтому программисты лучше, чем "системные аналитики", чувствуют необходимость решения проблемы модельного времени.

только для тех моментов модельного времени, когда в модели происходят заданные существенные события.

Пример: в модели системы массового обслуживания время наступления очередного события (запроса) tMi моделируется с помощью генератора псевдослучайных чисел непосредственно в процессе моделирования.

Достоинства МПШ:

1) экономится память и процессорное время при моделировании существенно нерегулярных событий;

2) не требуется решать задачу априорного выбора шага t;

3) сохраняется инвариантность1 причинно-следственных связей в объекте и в модели.

Недостатки МПШ:

1) нужно уметь находить время наступления очередного события в процессе моделирования (то есть, нужен алгоритм генерирования величины отрезка времени до следующего события);

2) применим в чистом виде только для моделирования систем с дискретными событиями.

4.5. Организация прогона многомодульных моделей В данном разделе рассматривается реализация многомодульной модели с точки зрения времени прогона tR.

При интерпретации модели на ЭВМ одной из проблем является организация прогона (взаимной синхронизации) многомодульной модели на одном (или, реже, нескольких) процессорах. Суть этой проблемы в том, что модулей много, но в каждый момент времени может быть активизирован только один из них. Для активизации всех модулей, нужно установить некоторую последовательность, в которой это должно происходить. Фактически всю разветвленную сеть модулей и потоков информации между ними нужно отобразить в линейную цепочку последовательных вызовов и обменов. При этом важно понимать, что время прогона tR - это совершенно другая величина, нежели модельное время tM. Это облегчает преобразование последовательности вызовов к линейной цепочке, так как неактивные модули могу "подождать" столько, сколько нужно. Принципиальные трудности могут быть только в связи с наличием замкнутых петель обратной связи. Проблема взаимной синхронизации прогона отдельных модулей решается в некотором мониторном Имеется в виду инвариантность (независимость) относительно отношения подобия модель-оригинал: если в оригинале некоторое событие является причиной другого, то аналогичное отношение будет между образами этих событий в модели.

программном модуле, который в процессе моделирования осуществляет последовательный вызов (активизацию) отдельных подпрограмм (процедур), соответствующих отдельным модулям, и управляет обменом сигнальными массивами между ними. В простейших программах с жесткими связями между модулями взаимная синхронизация между ними осуществляется тем, в каком порядке будут записаны в тексте программы вызовы соответствующих процедур.

В решении проблемы прогона многомодульных моделей возможны два крайних подхода:

1. Последовательный прогон всех модулей на каждом шаге t. На каждом шаге t последовательно (порядок активизации - это отдельная проблема) активизируется каждый модуль, его модельное время продвигается ("оживляется") на один шаг, при этом в межмодульном обмене фактически участвуют одноэлементные (по времени) массивы. Другими словами, на каждом шаге t модули обмениваются по одному элементу из каждого сигнального массива. Весь интервал модельного времени последовательно покрывается путем многократного повторения таких элементарных шагов.

Достоинство: продвижение сигнальных массивов через модули осуществляется минимальными порциями (по одному элементу), что позволяет с максимальной точностью (при выбранном t) отследить распространение переходных процессов вдоль цепочки последовательно соединенных модулей. Это важно при наличии петель обратной связи.

Недостаток - большой объем вычислительных затрат на диспетчеризацию (переключение вызовов) модулей, так как эту работу приходится делать для каждого элементарного шага t.

2. Последовательный прогон всех модулей на всем интервале модельного времени tM. В отличие от предыдущего случая, здесь каждый модуль активизируется только по одному разу и для него прогоняются все шаги модельного времени (от начала до конца). После полного прогона одного модуля, активизируется следующий и т.д. При этом модули обмениваются сигнальными массивами, длина которых соответствует всему интервалу модельного времени.

Достоинство: минимизируются затраты машинного времени на диспетчеризацию модулей - за все время прогона многомодульной модели каждый модуль активизируется только по одному разу.

Недостаток - возникновение нежелательных эффектов в моделях с обратными связями. У некоторых модулей в качестве входов используются выходы других модулей, которые к этому времени еще не были активизированы (см., например, Рис. 4.5). Причем избежать такой коллизии нельзя при любом порядке активизации модулей.

Покадровая обработка многомодульных моделей Итак, имеются две крайние возможности со взаимно противоречивыми достоинствами и недостатками. В тех случаях, когда требуется работать с многомодульными моделями с обратными связями и одновременно имеются жесткие ограничения на время прогона модели, можно попытаться отыскать некоторое "примиряющее" решение. В качестве хорошего компромисса можно предложить метод покадровой обработки.

Его суть состоит в том, что весь интервал модельного времени tM. разбивается на кадры обработки длиной TK. На каждом кадре осуществляется циклический прогон всех модулей, при этом обмен между модулями осуществляется отрезками массивов, соответствующих длине кадра TK. Весь процесс моделирования мыслится как прокрутка "фильма", состоящего из таких кадров. Варьируя в процессе конфигурирования модели величину TK, можно в каждом конкретном случае достигать нужного компромисса между временем прогона модели tR и влиянием паразитных эффектов из-за наличия петель обратной связи в структуре модели. Чтобы это было возможным алгоритмы всех модулей должны быть представлены в соответствующей "покадровой" форме, в которой длительность кадра TK входит в число настроечных параметров.

Для нединамических блоков (функциональных преобразователей, сумматоров, умножителей, масштабирующих звеньев и пр.) фактически никаких преобразований алгоритмов их работы для перехода к покадровой форме не требуется. Все решается на уровне обмена сигнальными массивами - просто их длина приводится в соответствие с заданной длительностью кадра обработки. TK. Для динамических блоков ситуация несколько сложнее. Связано это с тем, что реакция динамического блока в каждый момент времени t0 определяется не только состоянием входного воздействия в тот же момент t0, но и предысторией во все предшествующие моменты времени t < t0. Поэтому модель динамического блока в покадровой форме должна обеспечивать передачу необходимой информации (предыстории) с каждого текущего кадра на следующий (как эстафетную палочку). Следовательно, при переводе в покадровую форму модель (алгоритм) каждого динамического блока следует модифицировать таким образом, чтобы во-первых, явно выделить минимальную информацию, подлежащую передаче на следующий кадр; во-вторых, передать эту информацию с одного кадра на другой; и, в-третьих, обеспечить правильное "сшивание" выходов, полученных на разных последовательных кадрах. Анализ показывает, что это можно сделать практически всегда, но требует определенных усилий на этапе алгоритмизации. Хорошей основой для такой модификации может служить представление исходных описаний динамических модулей в пространстве состояний. В этом случае возможен общий стандартный прием для представления алгоритма любого динамического блока в "покадровой" форме. Общая идея такого преобразования и конкретный пример ее реализации рассматривается в следующем подразделе при рассмотрении представления динамических систем в пространстве состояний.

4.6. Построение моделей элементов сложных систем Напомним, что в основе имитационного моделирования сложных систем лежит представление общей модели в виде набора достаточно простых элементов (блоков, модулей), объединенных в общую структуру с помощью связей между ними. При этом задача построения модели разбивается на две: задача подходящего разбиения на отдельные модули и оптимизация связей между ними (синтез иерархической структуры модели) и задача реализации самих элементов (синтез моделей отдельных элементов). В данном подразделе мы коснемся второй из этих задач, то есть рассмотрим представление моделей отдельных элементов.

Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 || 16 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.