CC BY
53
витие и оптимизация кода программного модуля, отвечающего за процесс расчета с помощью клеточного автомата, и добавление новых моделируемых процессов.
Планируется реализация расчетного модуля с использованием технологии NVidia CUDA, которая позволяет производить расчет с использованием графических процессоров и добиться выдающейся производительности в задачах с преобладанием мелкозернистого параллелизма. Это даст возможность моделировать более сложные процессы и твердые тела, в том числе с наноком-позитными включениями.
Планируется также расширение функциональных возможностей комплекса путем добавления в него новых клеточных автоматов для моделирования таких параметров твердых тел, как напряжение при сгибе, напряжение при растяжении и сжатии, микротвердость и другие.
Литература
1. Меньшутина Н.В., Иванов С.И., Шипилова Д.Д. Моделирование растворения твердых тел с помощью клеточных автоматов // Программные продукты и системы. 2012. № 1. С. 151-154.
2. Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. [и др.]. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. 496 с.
3. Laaksonen T.J., Laaksonen H.M., Hirvonen J.T., Murto-maki L., Cellular automata model for drug release from binary matrix and reservoir polymeric devices, Biomaterials, 2009, April, Vol. 30, Iss. 10, pp. 1978-1987.
References
1. Menshutina N.V., Ivanov S.I., Shipilova D.D., Pro-grammnye produkty i sistemy [Software & Systems], 2012, no. 1, pp. 151-154.
2. Dytnersky Yu.I., Borisov G.S., Brykov V.P., Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii: posobie po proektirovaniyu [Basic processes and devices of chemical technology: design manual], 2nd ed., Moscow, Khimiya, 1991.
3. Laaksonen T.J., Laaksonen H.M., Hirvonen J.T., Murtomaki L., Biomaterials, 2009, Vol. 30, iss. 10, pp. 1978-1987.
УДК 004.94::588+519.876.5
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПНЕВМОГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В КОМПЬЮТЕРНОМ ТРЕНАЖЕРЕ
В.В. Иванов, научный сотрудник; В.А. Лаленков, зав. отделом (НИИ «Центрпрограмсистем», просп. 50 лет Октября, 3а, г. Тверь, 170024, Россия, [email protected])
Имитационное моделирование динамических процессов и систем находит все большее применение в компьютерных тренажерах. В статье изложены принципы построения имитационной модели функционирования пневмоги-дромеханической системы, используемой в компьютерном тренажере. При функционировании моделируемой системы в ней может одновременно происходить перемещение жидкости, газа, физического тела. Расчет расхода жидкости и газа производится исходя из того, что течение жидкости происходит в турбулентном квадратичном режиме, а течение газа - со скоростью, меньшей скорости звука. Изменения количества газа и жидкости в емкостях моделируемой системы рассчитываются на основе конечно-разностных уравнений, после чего определяется давление, установившееся в системе.
Имитационная модель реализована в виде библиотеки на VC++. Программа тренажера каждые 100 мс передает в библиотеку параметры системы и получает вычисленные значения давлений и распределение жидкости и газа в системе.
Созданная имитационная модель системы адекватно описывает изменения потоков и давлений, перенос вещества в различных режимах.
Ключевые слова: программирование, тренажеры, имитационное моделирование, пневматика, гидродинамика.
SIMULATION MODELING OF THE PNEUMO-HIDRO-MECHANICAL SYSTEM IN A COMPUTER SIMULATOR
Ivanov V. V., research associate; Lalenkov V.A, head of department (R&D Institute «Centrprogrammsystem», 50 let Oktyabrya Av., 3a, Tver, 170024, Russia, [email protected])
Аbstract. Simulation modeling of dynamic processes and systems is becoming more popular in computer simulators.
The article sets out the principles of building a simulation model of a functioning air-hydro-mechanical system utilized in a computer simulator. The modeled system functioning may be characterized by simultaneous movement of liquid, gas, a physical body. The liquid and gas flow calculation is based on the fact that the liquid flows in the turbulent quadratic mode, whereas the gas flows at velocity below the sonic speed. The change of the gas and liquid quantity in the tanks of the modeled system are calculated based on the finite-difference equations, and then the steady-state pressure is determined in the system.
The simulation model has been implemented as a VC++ library. Each 100 ms the simulator program transfers the system parameters into the library and receives computer pressure values and liquid and gas distribution in the system.
The generated simulator model of the system adequately describes changes in the flows and pressures, mass transfer in various modes.
Keywords: programming, simulation, simulation modeling, pneumatics, hydrodynamics.
Компьютерный тренажер, представляющий собой совокупность аппаратных и программных средств, предназначен для подготовки специалистов к выполнению действий по управлению материальными объектами и системами.
При разработке тренажера необходимо создать адекватную имитационную модель системы, в которой можно выделить две основные взаимосвязанные части: 1) имитация органов управления, пультов и их индикаторных процессов, с которой непосредственно взаимодействует обучаемый; 2) имитация физических процессов, протекающих в моделируемой системе при ее функционировании.
Моделируемая пневмогидромеханическая система (ПГМС), схематично изображенная на рисунке, представляет собой совокупность органов управления, клапанов, датчиков, емкостей, трубопроводов и т.д. Система имеет связи с внешними источниками газа и жидкости (магистральными трубопроводами, помещениями, атмосферой, водоемом).
V Р V
ГП ' П лсП
г-^д
Kb) (КР4Кс4
Схема пневмогидромеханической системы
При проведении тех или иных операций по элементам ПГМС происходит перетекание жидкости и газа, для их имитации на компьютере необходимо предварительно перейти от дифференциальных к конечно-разностным уравнениям.
Физико-математическая модель работы системы описывает процессы функционирования системы во времени, перемещение жидкости и газа, изменение давления в различных режимах.
Модель системы включает в себя уравнения зависимости расхода жидкости и газа от давления на концах трубопроводов, а также уравнения материального баланса.
Каждая емкость k характеризуется объемом Ук, давлением рк, массой газа швк и объемом жидкости
¥.Жс, в ней находящейся. Для имитации упругих свойств емкости и жидкости с каждой емкостью связывается упругое тело, имеющее объем Урк и модуль Юнга Е. Величина деформации ДУрк этого тела связана с давлением рк внутри емкости выра-
жением Д Vpk = V,
pk
(Pk - Ро ) E ;
где p0 - атмосферное
давление.
Поскольку отдельные емкости соединяются трубопроводами с внешними источниками газа или жидкости, для расчета необходимо задать давление жидкости (Рж) и газа (РГ, Р^р, Ртр,) во внешних источниках.
Емкости могут через трубопровод соединяться с помещением, такое помещение можно представить как емкость с объемом ¥П, давлением рП, массой газа шП и объемом жидкости У-жП .
Если в емкости I находится выталкиваемое тело с массой МП и сечением £П, для описания процессов в такой емкости добавляется Уа - свободный объем в емкости.
Каждый трубопровод ], соединяющий емкости I и ] (&]), характеризуется диаметром dij, длиной /у, коэффициентом гидравлического трения Ху, наличием на концах клапанов, жидкости или газа.
На основе анализа состояния датчиков, клапанов трубопроводной системы, разницы давления на концах трубопроводов определяется, по каким трубопроводам и в каком направлении перемещаются жидкость или газ.
Выбор формул для расчета расхода жидкости и
газа определяется числом Рейнольдса Re, которое
ур
находится следующим образом: Re =
П
где v
- скорость среды в трубе; р - плотность среды; dтр
- внутренний диаметр трубы; п - коэффициент динамической вязкости среды.
Анализ моделируемой системы показал, что течению жидкости в трубопроводах соответствует турбулентный квадратичный режим с числом Re>104, течение газа происходит со скоростью, меньшей скорости звука, а коэффициент гидравлического трения Х,у можно считать постоянным.
Массовый расход газа и его направление в трубопроводе I] определяются по формуле
Q MV = т j ( Р2 - Pj)
здесь
T в j
nd i, 4
V
d
TR j
где р, р - давление на концах трубопровода (р,>р); ц - молярная масса газа; Т - температура газа; Я - универсальная газовая постоянная.
Объемный расход жидкости и его направление в трубопроводе I] определяются перепадом давле-
ния на его концах по
ф0рмуле QVij = j(р - рj),
rp nd a
здесь T = —J-ж 4
2d,,
где p, pj - давление на
РХ ч
концах трубопровода (р,>р); р - плотность жидкости.
Если емкости / и ] не соединяются между собой, то ТВу=Тжу=0.
При расчете расхода жидкости плотности р следует учитывать дополнительную разность давления Дру, связанную с разницей уровней жидкости в емкостях ДА у, определяемую выражением ДpiJ=Дhijрg, где g - ускорение свободного падения.
Для каждой емкости вычисляются суммарные расход жидкости и газа. Суммарный расход может быть как положительным, так и отрицательным, соответственно увеличивающим или уменьшающим массу газа или объем жидкости в емкости.
Суммарный массовый расход газа Qмk для емкости ^
вм = Е К ,Т ал/ (Р2 - Р2) - Е К ¡Т в^(р - Р2 ),
где К,= 1, если трубопровод / соединен с емкостью k, по нему происходит перетекание газа (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце находится газ под давлением р>рк, иначе К,=0; К=1, если трубопровод ] соединен с емкостью ^ на его конце, соединенном с емкостью, находится газ, по нему происходит перетекание газа (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце давление р<рк, иначе К=0.
Суммарный объемный расход жидкости QVk для емкости k:
б» = Е к ,т »«Тср^р) - Е к ут ж,л/(р- р,) >
где К,= 1, если трубопровод / соединен с емкостью ^ по нему происходит перетекание жидкости (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце находится жидкость под давлением р>рк, иначе К,=0; К=1, если трубопровод ] соединен с емкостью ^ на его конце, соединенном с емкостью, находится жидкость, по нему происходит перетекание жидкости (открыт соответствующий клапан) и на его втором конце давление р < рк, иначе К=0.
Величины Тщц и ТВу уточнялись при верификации имитационной модели.
Объем жидкости и масса газа, поступившие в емкость или истекшие из нее, равны произведению соответствующих суммарных расходов на малый интервал модельного времени Д/. При этом, если истекающие объем жидкости и масса газа меньше объема жидкости и массы газа, имеющихся в емкости, или если объем жидкости превысил объем емкости, модельный интервал времени Д/ уменьшается и производится перерасчет по всей модели ПГМС. Величина модельного
интервала времени Д/ выбирается в пределах от 0,1 мкс до 1 мкс.
Масса газа в емкости k через Д/ будет равна mвk=mвk+QмkДt, объем жидкости Vжk=Vжk+QvkДt.
Если тв^0 и VЖk/0, установившееся давление р\ в емкости определяется положительным решением уравнения
VVr Р + Р
E
V - VL--^ p
Vpk
E
H-
RT = 0.
Если mвk=0 (в емкости только жидкость), установившееся давление определяется выражением
E i i
k = Pk +—(С -V). &Pk= \pí-pk \.
Pk
V,
pk
В модели задано, что изменение давления Др в емкости за модельный интервал времени Д/ не должно превышать наперед заданное значение ДР (103 Па), в случае нарушения этого условия модельный интервал времени Д/ уменьшается и производится перерасчет по всей модели ПГМС.
Движение тела массой МП с площадью поперечного сечения £п в цилиндрической емкости будет происходить под действием разницы давления ДрП=Рж-р. Ускорение ап,, скорость уш и смещение Д^п, тела вычисляются следующим образом: ОппгДрП&п/Мп, Уп,=Уп,-1+ап1Д/, ДШ=УШ-1Д/+
ап iAt 2
, при этом свободный объем в емкости VC
за модельный интервал времени At изменится на AVm = AsmSn и Va = Va-i + AVm.
Имитационная модель реализована в виде библиотеки на VC++ с использованием объектно-ориентированного подхода. Библиотека содержит данные о структуре моделируемой системы: описание емкостей, их соединение трубопроводами между собой, с другими источниками жидкости или газа, внешней средой.
Начальные параметры моделируемой системы, давление и заполнение емкостей задаются при запуске тренажера. Интерфейс оператора, состоящий из панелей управления и контроля, задает и отображает состояние моделируемой системы. Состояние имитируемых органов управления (переключателей, манипуляторов, вентилей) преобразуется в набор входных параметров для имитационного моделирования процессов.
Расчетная часть библиотеки выполнена в виде последовательно выполняемых библиотечных функций вычисления расхода, изменения массы газа и объема жидкости, установившихся давлений.
Программа тренажера через равные интервалы времени AT=100 мс передает в библиотеку параметры Vk, V^, pk по каждой емкости, признаки открытия клапанов трубопроводов и наличия жидкости или газа на концах трубопроводов.
По завершении расчета библиотека возвращает в программу тренажера вычисленные значения и р'к для каждой емкости, а также величины, описывающие движение тела массы МП.
Исследование и оценка имитационной модели проводились на основе сопоставления времени выполнения различных операций в имитационной модели и в реальной системе. Имитационная модель показала свою пригодность для ее практического использования в компьютерных тренажерах.
Предложенные принципы построения физико-математической модели могут использоваться для моделирования разнообразных пневмогидродина-мических систем.
Литература
1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учеб. для вузов. М.: Юрайт, 2012.
2. Павловский Ю.Н. Имитационное моделирование. М.: Издат. центр «Академия», 2008.
3. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник. М.: Энергоиздат, 1982.
4. Маршалов Е.Д., Нечаева О.А. Имитационное моделирование гидравлических систем с регулирующими органами // Вестн. ИГЭУ. Иваново. 2007. Вып. 4.
References
1. Sovetov B.Ya., Yakovlev S.A., Modelirovanie sistem [System Modeling], 4th ed., revised and enlarged, Moscow, Yurayt, 2012.
2. Pavlovsky Yu.N., Imitatsionnoe modelirovanie [Simulation Modeling], Moscow, Academiya publ. center, 2008.
3. Ametistov E.V., Grigoriev V.A., Emtsev B.T., Teplo- i massoobmen. Teplotekhnicheskiy eksperiment: spravochnik [Heat-and mass exchange. Heat Engineering Experiment: guidebook], Moscow, Energoizdat, 1982.
4. Marshalov E.D., Nechaeva O.A., Vestnik IGEU [The Bulletin of IGEU], iss. 4, Ivanovo, 2007.
УДК 658.512.2.011
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ПОДСИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
В.М. Глушань, д.т.н., профессор; П.В. Лаврик, аспирант (Таганрогский технологический институт Южного федерального университета, Некрасовский пер., 44, г. Таганрог, 347928, Россия, [email protected], [email protected])
Дается хронологический экспресс-анализ подходов к построению быстродействующих САПР электронных схем. Заостряется внимание на том, что САПР должны удовлетворять требованию интерактивности. Реализация этого требования возможна, если ответы на запросы пользователя система будет выдавать с задержкой не более 2-3 секунд. В условиях постоянного повышения сложности проектируемых объектов поддержание интерактивности САПР невозможно без постоянного наращивания их скоростных свойств. В статье рассматриваются три основных направления обеспечения интерактивности САПР. В связи со всеобщим расширением сетевых технологий перспективным и многообещающим направлением исследований является использование возможностей различных видов сетей для создания распределенных САПР. Приводятся разработанные авторами структура и результаты имитационного моделирования распределенной САПР, ставших обоснованием целесообразности построения реальной подсистемы конструкторского проектирования электронных схем. Описаны основные модули подсистемы, их функционирование и результаты экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования показали, что разработанная подсистема относится к типу GRID-систем и позволяет уменьшить время проектирования до трех раз.
Ключевые слова: GRID-система, распределенная САПР, имитационное моделирование, клиент-серверная архитектура.
THE DISTRIBUTED SUBSYSTEM OF THE ELECTRONIC CIRCUITS DESIGN Glushan V.M., Ph.D., professor; Lavrik P. V., postgraduate (Taganrog Institute of Technology Southern Federal University, Nekrasovskiy lane, 44, Taganrog, 347928, Russia, [email protected], [email protected]) Аbstract. The chronological express analysis of the approaches to constructing high-speed CAD electronic schemes is given. The attention is directed to the fact that the systems of automated designing should satisfy the interactivity requirement. This requirement can be realized when the system gives replies to the user inquiries with a delay not exceeding 2-3 seconds. In the conditions of constant increasing of projected objects complexity the maintenance of automated designing systems interactivity is impossible without constant escalating of their high-speed properties. The article considers three essential directions of CAD interactivity maintenance. Taking into account general expansion of network technologies, using the potential of various kinds of networks for creation of distributed CAD is a perspective and promising direction of researches. There is the structure developed by authors and the results of imitating modeling of distributed CAD that substantiated the expediency of constructing a real subsystem of designer projecting of electronic schemes. The basic modules of the subsystem, their functioning and results of experimental researches are described. Experimental researches have shown that the developed subsystem is referred to the type of GRID-systems and allows reducing time of projecting to 3 times. Keywords: the Grid-system, distributed CAD, imitating modelling, client-server architecture.
