Программное обеспечение для моделирования

Программное обеспечение для моделирования основано на процессе моделирования реального явления с помощью набора математических формул . По сути, это программа, которая позволяет пользователю наблюдать за операцией посредством моделирования, не выполняя ее фактически. Программное обеспечение для моделирования широко используется для проектирования оборудования, чтобы конечный продукт был максимально приближен к проектным спецификациям без дорогостоящих модификаций процесса. Программное обеспечение для моделирования с реакцией в реальном времени часто используется в играх, но оно также имеет важные промышленные применения. Когда наказание за неправильную эксплуатацию является дорогостоящим, например, для пилотов самолетов, операторов атомных электростанций или операторов химических заводов, макет фактической панели управления подключается к моделированию физической реакции в реальном времени, что дает ценный опыт обучения без страх плачевного исхода.

Передовые компьютерные программы могут моделировать энергосистемы . поведение ^[1] погодные условия, электронные схемы , химические реакции , мехатроника , ^[2] тепловые насосы , системы управления с обратной связью , атомные реакции и даже сложные биологические процессы . Теоретически любые явления, которые можно свести к математическим данным и уравнениям, можно смоделировать на компьютере. Моделирование может быть трудным, поскольку большинство природных явлений подвержены практически бесконечному числу влияний или неизвестному источнику причины, например, осадкам. Один из приемов разработки полезных симуляций заключается в определении наиболее важных факторов, влияющих на цели моделирования.

Помимо имитации процессов, чтобы увидеть, как они ведут себя в различных условиях, моделирование также используется для проверки новых теорий. Создав теорию причинно-следственных связей, теоретик может систематизировать эти связи в виде компьютерной программы. Если программа затем ведет себя так же, как реальный процесс, есть большая вероятность, что предложенные отношения верны.

Общее моделирование

Общие пакеты моделирования делятся на две категории: дискретное событие и непрерывное моделирование . Моделирование дискретных событий используется для моделирования статистических событий, таких как появление клиентов в очередях в банке. Путем правильной корреляции вероятностей прибытия с наблюдаемым поведением модель может определить оптимальное количество очередей, чтобы поддерживать время ожидания в очереди на заданном уровне. Непрерывные симуляторы используются для моделирования широкого спектра физических явлений, таких как баллистические траектории, дыхание человека, реакция электродвигателя, радиочастотная передача данных, выработка электроэнергии паровой турбиной и т. д. Моделирование используется при первоначальном проектировании системы для оптимизации выбора компонентов и усиления контроллера, например а также в системах модельно-ориентированного проектирования для создания встроенного управляющего кода. Непрерывное моделирование в реальном времени используется для обучения операторов и автономной настройки контроллера.

Существует четыре основных известных подхода к моделированию: метод планирования событий, сканирование активности, процесс-взаимодействие и трехфазный подход. Для сравнения можно отметить следующее:

Метод планирования событий проще и состоит только из двух фаз, поэтому в нем нет C и B, что позволяет программе работать быстрее, поскольку сканирование условных событий не выполняется. Все эти преимущества также говорят нам кое-что о недостатках метода, поскольку есть только две фазы, тогда все события смешаны (нет B и C), тогда метод не является экономным, что означает, что его очень трудно улучшить (Pidd, 1998). . Подход сканирования активности также проще трехфазного метода, поскольку в нем нет календаря и поддерживается экономное моделирование. Однако этот подход намного медленнее, чем трехфазный, поскольку он рассматривает все действия как условные. С другой стороны, у исполнительной власти есть две фазы. Обычно этот подход путают с трехфазным методом (Пидд, 1998). Процесс-взаимодействие «во-первых, имеет два общих преимущества; они избегают программ, которые работают медленно. Во-вторых, они избегают необходимости продумывать все возможные логические последствия события» (Пидд, 1998). Тем не менее, как утверждает (Пидд, 1998), этот подход страдает от проблемы ТУПИКА, но этот подход очень привлекателен для начинающих моделистов. Хотя (Шрибер и др., 2003). Говорит, что «взаимодействие процессов было понятно только элитной группе людей и было вне досягаемости обычных программистов». Фактически (Шрайбер и др., 2003 г.) добавляет: «. О многопоточных приложениях говорили на уроках информатики, но они редко использовались в более широком сообществе». Это указывает на то, что реализацию процесса-взаимодействия было очень сложно реализовать. Очевидное противоречие в предыдущей цитате связано с смешением подходов взаимодействия процессов и подходов потоков транзакций. Чтобы увидеть полную идею происхождения Транзакционного Потока, лучше всего сформулированную (Шрибер и др., 2003): Это был первобытный суп, из которого возник Симулятор Гордона. Мировоззрение Гордона о потоках транзакций представляло собой искусно замаскированную форму взаимодействия процессов, которая делала подход взаимодействия процессов доступным для обычных пользователей. . Гордон проделал одну из величайших работ по упаковке всех времен. Он разработал набор строительных блоков, из которых можно было построить блок-схему, графически изображающую работу системы. В рамках этой парадигмы моделирования поток элементов через систему был легко виден, потому что это было в центре внимания всего подхода. Трехфазный подход позволяет «имитировать параллелизм, избегая при этом тупиковой ситуации» (Пидд и Кассель, 1998). Тем не менее, Three-Phase приходится сканировать расписание на предмет связанных действий, а затем сканировать все условные действия, которые его замедляют. Однако многие отказываются от потраченного времени в обмен на решение проблемы тупика. Фактически, трехфазное соединение используется в распределенных системах, будь то операционные системы, базы данных и т. д., под разными названиями, в том числе трехфазное принятие (см. Таненбаум и Стин, 2002). ^[3]

Электроника

Программное обеспечение для моделирования электроники использует математические модели для воспроизведения поведения реального электронного устройства или схемы. По сути, это компьютерная программа , которая превращает компьютер в полнофункциональную лабораторию электроники. Симуляторы электроники объединяют редактор схем , симулятор SPICE и экранные формы сигналов и позволяют легко и мгновенно создавать сценарии «что, если». Моделирование поведения схемы перед ее фактическим созданием значительно повышает эффективность и дает представление о поведении и стабильности электронных схем. В большинстве симуляторов используется механизм SPICE, который имитирует аналоговые, цифровые и смешанные аналого-цифровые схемы, обеспечивая исключительную мощность и точность. Они также обычно содержат обширные библиотеки моделей и устройств. Хотя эти симуляторы обычно имеют возможности экспорта печатных плат (PCB), они не являются необходимыми для проектирования и тестирования схем, что является основным применением моделирования электронных схем.

Хотя есть строго аналог ^[4] Симуляторы электронных схем включают как аналоговое, так и событийно-ориентированное цифровое моделирование. ^[5] возможности и известны как симуляторы смешанного режима. ^[6] Это означает, что любое моделирование может содержать компоненты, которые являются аналоговыми, управляемыми событиями (цифровые или выборочные данные) или комбинацией того и другого. Весь анализ смешанных сигналов может осуществляться на основе одной интегрированной схемы. Все цифровые модели в смешанных симуляторах обеспечивают точную спецификацию времени распространения и задержек нарастания/спада.

, управляемый событиями Алгоритм , предоставляемый симуляторами смешанного режима, является общим.цели и поддерживает нецифровые типы данных. Например, элементы могут использовать действительные или целочисленные значения для имитации функций DSP или фильтров выборочных данных. Поскольку алгоритм, управляемый событиями, работает быстрее, чем стандартное матричное решение SPICE, время моделирования значительно сокращается для схем, которые используют модели, управляемые событиями, вместо аналоговых моделей. ^[7]

Моделирование в смешанном режиме осуществляется на трех уровнях; (а) с примитивными цифровыми элементами, использующими модели синхронизации и встроенный симулятор цифровой логики с 12 или 16 состояниями, (б) с моделями подсхем, использующими реальную транзисторную топологию интегральной схемы , и, наконец, (в) с In- строковые логические выражения.

Точные представления используются в основном при анализе проблем с линиями передачи и целостностью сигнала , когда необходима тщательная проверка характеристик ввода-вывода микросхемы. Выражения логической логики — это функции без задержек, которые используются для обеспечения эффективной логической обработки сигналов в аналоговой среде. Эти два метода моделирования используют SPICE для решения проблемы, тогда как третий метод, цифровые примитивы, использует возможности смешанного режима. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и целевое применение. Фактически, многие модели моделирования (особенно те, которые используют АЦП) требуют комбинации всех трех подходов. Ни один подход сам по себе не является достаточным.

Программируемые логические контроллеры

Чтобы правильно понять работу программируемого логического контроллера (ПЛК), необходимо потратить значительное время на программирование , тестирование и отладку программ ПЛК. Системы ПЛК по своей сути дороги, а время простоя часто обходится очень дорого. Кроме того, неправильное программирование ПЛК может привести к снижению производительности и возникновению опасных ситуаций. Программное обеспечение для моделирования ПЛК является ценным инструментом для понимания и изучения ПЛК, а также для поддержания этих знаний в актуальном состоянии. ^[8] Моделирование ПЛК предоставляет пользователям возможность писать, редактировать и отлаживать программы, написанные с использованием формата на основе тегов. Многие из наиболее популярных ПЛК используют теги, которые являются мощным, но более сложным методом программирования ПЛК. Моделирование ПЛК объединяет программы релейной логики на основе тегов с интерактивной 3D-анимацией для повышения качества обучения пользователя. ^[9] Эти интерактивные анимации включают в себя светофоры , пакетную обработку и линии розлива. ^[10]

Используя моделирование ПЛК, программисты ПЛК имеют возможность опробовать все сценарии «что, если», изменяя инструкции и программы релейной логики , а затем повторно запуская моделирование, чтобы увидеть, как изменения влияют на работу и производительность ПЛК. Этот тип тестирования часто невозможен с использованием проводных операционных ПЛК, которые управляют процессами, стоимость которых часто составляет сотни тысяч или миллионы долларов. ^[11]

Формовка листового металла

Программное обеспечение для моделирования формовки листового металла использует математические модели для воспроизведения поведения реального процесса производства листового металла. ^{[ нужна ссылка ]} По сути, это компьютерная программа , которая превращает компьютер в полнофункциональную систему прогнозирования производства металлов. Моделирование формовки листового металла предотвращает появление дефектов на производственных линиях металлургических заводов, а также уменьшает количество ошибок в тестировании и дорогостоящих ошибках, повышая эффективность процесса обработки металлов давлением. ^{[ нужна ссылка ]}

Литье металла

литья металлов Моделирование в настоящее время выполняется с помощью программного обеспечения для моделирования методом конечных элементов , разработанного как инструмент прогнозирования дефектов для инженера- литейщика , чтобы исправить и / или улучшить его / ее процесс литья еще до того, как будут произведены испытания прототипа. Идея состоит в том, чтобы использовать информацию для анализа и прогнозирования результатов простым и эффективным способом для моделирования таких процессов, как:

Гравитационное литье в песок
Гравитационное литье под давлением
Гравитационная заливка
Литье под низким давлением

Программное обеспечение обычно имеет следующие характеристики:

Графический интерфейс и инструменты сетки
Решатель заполнения пресс-форм
Решение проблемы затвердевания и охлаждения: термическое и термомеханическое (усадка отливок).

Сетевые протоколы

Взаимодействие между сетевыми объектами определяется различными протоколами связи . Программное обеспечение для моделирования сети моделирует поведение сетей на уровне протокола. Программное обеспечение для моделирования сетевых протоколов можно использовать для разработки сценариев тестирования, понимания поведения сети в отношении определенных сообщений протокола, соответствия реализации нового стека протоколов , тестирования стека протоколов. Эти симуляторы основаны на спецификациях архитектуры телекоммуникационных протоколов, разработанных международными организациями по стандартизации, такими как ITU-T , IEEE и т. д. Результатом работы программного обеспечения для моделирования протоколов могут быть подробные трассировки пакетов, журналы событий и т. д.

См. также

Ссылки

^ Махмуд, Хизир; Соетанто, Дэнни; Таун, Грэм Э. (01.01.2018), Динсер, Ибрагим (ред.), «5.6 Программное обеспечение и инструменты для управления энергопотреблением» , Комплексные энергетические системы , Оксфорд: Elsevier, стр. 202–257, doi : 10.1016/b978- 0-12-809597-3.00518-6 , ISBN 978-0-12-814925-6 , получено 21 июля 2024 г.
^ Махмуд, Хизир; Таун, Грэм Э. (2016). «Обзор компьютерных инструментов для моделирования энергетических потребностей электромобилей и их влияния на распределительные сети». Прикладная энергетика . 172 : 337–359. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.03.100 .
^ Абу-Тайе, Эвон (2007). «КОММЕРЧЕСКИЕ ПАКЕТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ: СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ» (PDF) . Международный журнал моделирования . 8 : 8.
↑ Менге и Виньа, Поступление в Марнский университет в Валле.
^ П. Фишвик, Поступление в Университет Флориды. Архивировано 7 мая 2007 г. в Wayback Machine.
^ «Ж. Педро и Н. Карвальо, поступление в Университет Авейру, Португалия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2012 г. Проверено 29 апреля 2007 г.
^ Л. Уокен и М. Брукнер, Мультимодальная технология, управляемая событиями. Архивировано 5 мая 2007 г. в Wayback Machine.
^ Дугалл, Дэвид Дж. (1997). «Применение и преимущества моделирования в реальном времени для систем управления ПЛК и ПК». ISA-транзакции . 36 (4): 305–311. дои : 10.1016/S0019-0578(97)00033-5 .
^ Статья о PLCLogix
^ «Статья, ссылающаяся на 3DWorlds» . Архивировано из оригинала 15 октября 2014 г. Проверено 12 октября 2014 г.
^ Преимущества моделирования ПЛК

[1] Махмуд, Хизир; Соетанто, Дэнни; Таун, Грэм Э. (01.01.2018), Динсер, Ибрагим (ред.), «5.6 Программное обеспечение и инструменты для управления энергопотреблением» , Комплексные энергетические системы , Оксфорд: Elsevier, стр. 202–257, doi : 10.1016/b978- 0-12-809597-3.00518-6 , ISBN 978-0-12-814925-6 , получено 21 июля 2024 г.

[2] Махмуд, Хизир; Таун, Грэм Э. (2016). «Обзор компьютерных инструментов для моделирования энергетических потребностей электромобилей и их влияния на распределительные сети». Прикладная энергетика . 172 : 337–359. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.03.100 .

[:0-3] Абу-Тайе, Эвон (2007). «КОММЕРЧЕСКИЕ ПАКЕТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ: СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ» (PDF) . Международный журнал моделирования . 8 : 8.

[4] Менге и Виньа, Поступление в Марнский университет в Валле.

[5] П. Фишвик, Поступление в Университет Флориды. Архивировано 7 мая 2007 г. в Wayback Machine.

[6] «Ж. Педро и Н. Карвальо, поступление в Университет Авейру, Португалия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 февраля 2012 г. Проверено 29 апреля 2007 г.

[7] Л. Уокен и М. Брукнер, Мультимодальная технология, управляемая событиями. Архивировано 5 мая 2007 г. в Wayback Machine.

[8] Дугалл, Дэвид Дж. (1997). «Применение и преимущества моделирования в реальном времени для систем управления ПЛК и ПК». ISA-транзакции . 36 (4): 305–311. дои : 10.1016/S0019-0578(97)00033-5 .

[9] Статья о PLCLogix

[10] «Статья, ссылающаяся на 3DWorlds» . Архивировано из оригинала 15 октября 2014 г. Проверено 12 октября 2014 г.

[11] Преимущества моделирования ПЛК

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

v т и для компьютерного моделирования Программное обеспечение
Биология	Прогнозирование структуры белка Моделирование нуклеиновой кислоты
Химия	Симуляторы химических процессов Квантовая химия Молекулярное моделирование Молекулярное моделирование Монте-Карло Молекулярный дизайн
Физика	Конечный элемент Космологическое моделирование Динамическое моделирование Динамическое моделирование Моделирование электронных схем ЭМ моделирование Мультифизическое моделирование Моделирование резервуара
Социальные науки	Социальная симуляция Социология Организационные исследования