Файл: Тема Сущность процесса проектирования.docx

, соединенных несколькими ветвями. Ветви, соединяющие одну и ту же пару вершин, называют кратными, а их максимальное число — мультичислом графа.

Одна из таких моделей МКП5 представляет мультиграф MG(S, V), в котором множество вершин графа S соответствует множеству установочных позиций в коммутационном пространстве для модулей низшего уровня. Множество ветвей Vсоответствует множеству взаимно независимых непосредственных переходов между установочными позициями, т. е. множеству областей, допускающих трассировку соединений между этими позициями без пересечений. Мультиграф MG(S, V) может быть описан с помощью матрицы смежности Q, в которой, как и для взвешенного графа, элементы g_i,j, лежащие на главной диагонали, принимаются равными нулю, а внедиагональные элементы g_i,j равны числу кратных ветвей, инцидентных i -й и j -й вершинам графа. Для примера на рис. 24 показаны фрагмент коммутационного пространства с установочными позициями и его модель в виде мультиграфа при допущении трассировки без пересечений трех проводников между соседними позициями.

Еще более общей моделью МКП в виде мультиграфа, используемой для решения задач трассировки, является модель МКП6, в которой вершины графа соответствуют макродискретам, на которые разбивается МКП. Ребра мультиграфа соединяют соседние вершины, причем количество кратных ветвей определяется тем, сколько проводников может пройти через границы соседних дискретов.

Рис. 24. Графовые модели МКП для решения задачи трассировки

Расстояние определяется как количество макродискретов, пройденных проводником при трассировке. Пример фрагмента МКП с макродискретами, через границы которых допускается прохождение трех и двух проводников, и соответствующий ему мультиграфпоказаны на рис. 25.

Рис. 25. Модели МКП в виде мультиграфа

		u12	u13	u14	u23	u24	u34
A=	S1	1	1	1	0	0	0
	S2	1	0	0	1	1	0
	S3	0	1	0	1	0	1
	S4	0	0	1	0	1	1

Матрица смежности такого мультиграфа имеет вид

		S1	S2	S3	S4
Q=	S1	0	3	3	0
	S2	3	0	0	3
	S3	3	0	0	0
	S4	0	3	3	0

Модель МКП6 предполагает проведение трассировки проводников в два этапа: на первом определяется путь с точностью до вершины мультиграфа (макродискрета), на втором — путь конкретизируется с точностью до ветви. Это позволяет на первом этапе выбрать наилучшее взаимное расположение трасс, а на втором провести собственно трассировку, что уменьшает зависимость количества реализованных в коммутационном пространстве трасс от очередности трассировки.

Контрольные вопросы и упражнения

Что называется математической моделью (ММ)?
Что называют внутренними, внешними и выходными параметрами ММ?
Что называют фазовыми переменными?
Что называют базисным вектором?
Покажите общий вид системы уравнений для любой РЭС и дайте пояснения.
Что включается в анализ ММ?
Что представляют собой компонентные уравнения и компонентная модель?
Какие требования предъявляют к ММ объекта?
На какие группы делятся макромодели?
Для чего предназначена факторная модель?
Для чего предназначена фазовая модель?
Как получают физическую модель?
Как получают формальную модель?
В чем различие статической и динамической моделей?
В чем заключается модульный принцип конструирования?
Приведите иерархию конструктивных модулей.

Тема 12. Математические модели РЭС на метауровне

Математические модели аналоговой РЭА

Использование основных положений схемотехнического моделирования для проектирования сложной аналоговой РЭА на метауровне оказывается затруднительным. Это связано с чрезмерно большими размерностями задач. Для их решения необходимыупрощения. Основой снижения размерности задач является макромоделирование. Часто используют ряд дополнительных упрощений и допущений. Главные из них формулируются следующим образом.

Однонаправленность в передаче сигналов, т. е. использование макромоделей, в которых отсутствует влияние выходных переменных на состояние входных цепей.
Отсутствие влияния нагрузки на параметры и состояние моделируемых систем.
Использование вместо фазовых переменных двух типов (напряжение и ток) переменных одного типа, называемых сигналами. При этом компонентные уравнения элемента представляют собой уравнения связи сигналов на входах и выходах этого элемента.
Линейность моделей инерционных элементов.

Перечисленные допущения характерны для функционального моделирования, широко применяемого для анализа систем автоматического управления. Элементы (звенья) систем при функциональном моделировании делят на три группы:

линейные безынерционные звенья для отображения таких функций, как повторение, инвертирование, чистое запаздывание, идеальное усиление, суммирование сигналов;
нелинейные безынерционные звенья для отображения различных нелинейных преобразований сигналов (ограничение, детектирование, модуляция и т. п.);
линейные инерционные звенья для выполнения дифференцирования, интегрирования, фильтрации сигналов.

Инерционные элементы представлены отношениями преобразованных по Лапласу или Фурье выходных и входных фазовых переменных. При анализе во временной области применяют преобразование Лапласа — модель инерционного элемента с одним входом и одним выходом есть передаточная функция; а при анализе в частотной области (преобразование Фурье) модель элемента есть выражения амплитудно-частотной и частотно-фазовой характеристик. При наличии нескольких входов и выходов ММ элемента представляется матрицей передаточных функций или частотных характеристик.

Допущения, принимаемые при функциональном моделировании

, существенно упрощают алгоритмы получения математических моделей систем (ММС) из математических моделей элементов (ММЭ).

Математическая модель системы представляет собой совокупность ММЭ, входящих в систему, при отождествлении переменных, относящихся к соединяемым входам и выходам.

Математические модели логических схем цифровой РЭА

На функционально-логическом уровне необходим ряд положений, которые упрощают модели устройств. Это позволяет анализировать более сложные объекты по сравнению с объектами, анализируемыми на схемотехническом уровне. Часть используемых положений аналогична положениям, принимаемым для моделирования аналоговой РЭА.

Во-первых, это положение о представлении состояний объектов с помощью однотипных фазовых переменных (обычно напряжений), называемых сигналами.

Во-вторых, не учитывается влияние нагрузки на функционирование элементов-источников.

В-третьих, принимается допущение об однонаправленности, т. е. о возможности передачи сигналов через элемент только в одном направлении — от входов к выходам.

Дополнительно к этим положениям при моделировании цифровой РЭА принимается положение о дискретизации переменных, их значения могут принадлежать только заданному конечному множеству — алфавиту, например двоичному алфавиту {0,1}.

Моделирование цифровой РЭА возможно с различной степенью детализации. На логическом (вентильном) подуровне функционально-логического проектирования в качестве элементов аппаратуры рассматривают простые схемы типа вентилей, на регистровом подуровне элементами могут быть как отдельные вентили, так и любые более сложные сочетания простых схем, например регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры, арифметико-логические устройства и т. п.

Рассмотрим математические модели элементов на логическом подуровне. Для одновыходных комбинационных элементов ММ представляет собой выражение (в общем случае алгоритм), позволяющее по значениям входных переменных (значениям входов) в заданный момент времени t вычислить значение выходной переменной (значение выхода) в момент времени t + t_3t где t₃ — задержка сигнала в элементе. Такую модель элемента называют асинхронной. При t₃ = 0 модель элемента называютсинхронной. Модель многовыходного элемента должна включать в себя алгоритм вычисления задержек и значений всех выходных сигналов.

Для элементов последовательностных схем (элементов с памятью) используют модели, в которых аргументами выходных переменных у_j могут быть как входные u_i, так и внутренние u_k переменные. Вектор внутренних переменных V отражает состояние элемента (состояние его памяти).

Объединение моделей элементов в общую математическую модель системы выполняется на основе вышеперечисленных допущений отождествлением переменных на соединяемых входах и выходах элементов.

Имитационные модели

Все развитие науки связано с созданием и изучением моделей реальных систем, процессов и явлений. Язык науки требует, чтобы изучаемое явление (система-процесс) было описано на точном уровне, не допускающем принципиальных разночтений. Наиболее точны математические модели. На другом конце шкалы точности — текстовые модели, использующие, по возможности, однозначные понятия. Имитационные модели находятся между этими крайними точками шкалы точности. В этой науке создаются и используются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в ЭВМ.

Имитационное моделирование, как правило, связано с моделированием динамических объектов, процессов и явлений. Изменения ситуаций во времени — тот феномен, который изучается с помощью имитационных моделей. В результате могут быть получены новые знания или выработаны разного рода решения. Например, диспетчер на железной дороге, смотрящий на табло, по которому в условном виде перемещаются поезда и вагоны на сортировочной станции, имеет дело с отображающей моделью. Но если такое табло находится в учебном центре, где обучают будущих диспетчеров, то процессы, отражаемые на табло, лишь имитируют реальность. И в этом случае речь идет об имитационном моделировании.

Появление ЭВМ дало мощный толчок для развития имитационного моделирования. Существуют два типа имитационных моделей: моделирование по времени и моделирование по событиям [38].

В первом случае в ЭВМ имеется датчик временных интервалов, разбивающий непрерывную шкалу времени на участки стандартной длины. Длина этих участков определяется спецификой моделируемого явления. Если, например, надо воспроизвести в машине процессы, протекающие в период движения снаряда в стволе оружия, то интервалы должны составлять тысячные доли секунды. Если же на ЭВМ моделируется процесс оседания на дно водоема твердых частиц, то интервалы моделирования могут соответствовать часам или даже суткам.