Метод компонентных цепей

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Метод компонентных цепей (сокр. МКЦ) — метод компьютерного моделирования.

Предложен доктором технических наук, профессором Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Дмитриевым Вячеславом Михайловичем.

Идея метода[править]

Метод компонентных цепей, являясь универсальным методом компьютерного моделирования, позволяет представить в виде компонентной цепи физически неоднородный технический объект с информационными, энергетическими и неоднородными векторными связями или набор распределённых во времени действий и произвести его анализ в статическом или динамическом режиме[1]. Метод компонентных цепей относится к классу методов с полным координатным базисом. В отличие от табличного метода, ориентированного на моделирование радиоэлектронных схем, метод компонентных цепей допускает декомпозицию исходной системы на компоненты различной физической природы[2]. Первым шагом к моделированию устройства является создание формализованного представления и машинно-ориентированного объекта-заместителя для реального элемента либо физического эффекта, отражающего с требуемой степенью точности необходимые и достаточные аспекты элементов и явлений в системе. В методе компонентных цепей таким объектом-заместителем объекта-оригинала является компонент, что и определило название метода.

Компонентная цепь (КЦ) определяется как совокупность объектов:

C = (K, B, N),

где: K — множество компонентов КЦ; B — множество ветвей КЦ; N — множество узлов КЦ.

Множество компонентов К, в общем случае, имеет три подмножества:

K = {Kw, Kp, Kz},

где: Kw — компоненты-источники энергии или сигналов; Kp — компоненты-преобразователи энергии или сигналов; Kz — компоненты-измерители энергии или сигналов.

Компонент в формализме метода компонентных цепей описывается своей математической или имитационной моделью. Механические, электрические, электромеханические, математические и другие компоненты с сосредоточенными параметрами описываются математическими моделями следующих типов: линейными и нелинейными моделями, моделями инерционных компонентов и источников. Компоненты информационных систем описываются имитационными — алгоритмическими и информационными моделями.

Любой компонент может иметь произвольное число связей, каждая из которых может быть одного из трех типов: элементарной, информационной или векторной. Каждой элементарной связи соответствует пара топологических координат (узел и ветвь) с соответствующими переменными (потенциальной и потоковой). Каждой информационной связи ставится одна топологическая координата — узел — с потенциальной переменной. Любая векторная связь представляет собой произвольную совокупность элементарных и информационных связей.

Компьютерная модель компонента реализуется на основе четырех аспектов:

  • G — геометрического аспекта, включающего в себя условное графическое и (или) буквенное обозначение компонента на принципиальных, структурных и технологических схемах, а также правила отображения результатов.
  • T — топологического аспекта, определяющего количество и типы всех связей компонента, их ориентацию и совокупность переменных, принадлежащих каждой из связей. В зависимости от вида и объекта моделирования вводятся математический, имитационный и визуальный тип моделирования; методом компонентных цепей допускается использование, причем одновременное, трех типов связей: связей энергетического типа (которым соответствует пара топологических координат и пара дуальных переменных), связей информационного типа (которым соответствует одна топологическая координата и одна переменная связи, имеющая произвольный физический смысл) и связей векторного типа (которым соответствует вектор переменных связи и векторы потенциальных и потоковых переменных);
  • F — физического аспекта, описывающего физические процессы, протекающие в компоненте и определяющие его свойства (атрибуты A) и их числовые значения (параметры P), участвующие в описании физического процесса при различных степенях его детализации;
  • M — математического аспекта, как математического описания процессов в компоненте в форме математической модели Mm. Математическая модель компонента формируется в локальном координатном базисе на основе уравнений, записанных относительно переменных его связей в физическом координатном базисе.

Формирование математической модели компонентной цепи производится автоматически универсальным вычислительным ядром путем опроса топологического и математического аспектов компонентов, на основе двух узловых топологических законов:

  1. Закона равенства потенциальных переменных всех связей, входящих в один и тот же узел.
  2. Закона равенства нулю суммы потоковых переменных всех связей, входящих в один узел.

Математические модели компонентов описываются линейными и нелинейными алгебраическими, а также дифференциальными уравнениями. В зависимости от вида математических моделей компонентов, то есть от класса уравнения, которыми они описываются, в рамках универсального вычислительного ядра реализованы следующие режимы анализа компонентной цепи объекта:

  • статика — анализ объекта при постоянных входных воздействиях;
  • динамика — анализ объекта во временной области при переменных входных воздействиях различной формы;
  • анализ объекта в частотной области, позволяющий строить их основные частотные характеристики.

Все компоненты, реализуемые с помощью метода компонентных цепей, могут располагаться на одном из слоёв (объектном, логическом или визуальном) многоуровневого редактора среды моделирования МАРС.

Преимущества метода[править]

Основные преимущества метода компонентных цепей перед другими методами компьютерного моделирования заключаются в том, что:

  1. Метод компонентных цепей является объектно-ориентированным языком для моделирования сложных технических устройств и систем с энергетическими, информационными и неоднородными векторными потоками в связях.
  2. Компоненты моделируемых с его помощью систем могут иметь различную физическую природу (электроника, мехатроника, робототехника, химические технологии и т. д.) и входить в единую модель исследуемой системы.
  3. Исследуемый объект представляется в форме компонентной цепи, модель которой строится из моделей независимых компонентов.
  4. Модель компонента формируется автоматически с учетом четырех основных аспектов — геометрического, топологического, физического, математического (логического) — и представляет собой систему алгебро-дифференциальных уравнений в обыкновенных или частных производных. Допускаются модели, содержащие логические соотношения или алгоритмические блоки.
  5. Для объектов с функционально обособленными подсистемами введено понятие подцепи — структуры, допускающей автономное решение. Здесь четко разделяются непрерывные (уравнения) и дискретные (алгоритмы) процессы.
  6. Форма уравнений компонентной цепи и ее топологическая структура могут меняться в зависимости от поведения переменных или наступления определенных событий.

Эволюция метода[править]

Существенное расширение сфер применения метода компонентных цепей (за счёт добавления новых компонентов в среду моделирования МАРС), а также проведение дополнительных научных исследований, привело к появлению объектно-ориентированной формы метода компонентных цепей, а затем — к появлению метода многоуровневого компьютерного моделирования[3].

Аналоги[править]

См. также[править]

Источники[править]

  1. ↑ Моделирование элемента технологического процесса получения диоксида титана методом компонентных цепей.
  2. ↑ Математическое обеспечение анализа проектных решений.
  3. ↑ Ганджа Т. В. Развитие метода компонентных цепей для реализации комплекса программ моделирования химико-технологических систем. — Томск: Изд-во Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2017. — 457 с.

Литература[править]

  1. Арайс Е. А., Дмитриев В. М. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1982. — 160 с.
  2. Арайс Е. А., Дмитриев В. М. Автоматизация моделирования многосвязных механических систем. — М.: Машиностроение, 1987. — 240 с.
  3. Дмитриев В. М., Арайс Л. А., Шутенков А. В. Автоматизация моделирования промышленных роботов. — М.: Машиностроение, 1995. — 304 с.
  4. Дмитриев В. М. Система автоматизации моделирования управляемого электропривода. / В. М. Дмитриев, Т. Н. Зайченко, В. М. Зюзьков и др. — Томск: Изд-во ТГУ, 1997. — 92 с.
  5. Дмитриев В. М. Автоматизация функционального проектирования электромеханических систем и устройств преобразовательной техники / В. М. Дмитриев, Т. Н. Зайченко, А. Г. Гарганеев, Ю. А. Шурыгин. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. — 292 с.
  6. Дмитриев В. М. Алгоритм формирования и вычисления математических выражений методом компонентных цепей / В. М. Дмитриев, Т. В. Ганджа // Математические машины и системы. — 2010. — № 3. — С. 9-21.
  7. Дмитриев В. М. Формирование системы автоматизированного документирования методом компонентных цепей / В. М. Дмитриев, Т. В. Ганджа, С. А. Панов // Информатика и системы управления. — 2014. — № 3 (41). — С. 12-22.
  8. Панов С. А. Формальный язык описания структуры документов и его интерпретация в формат метода компонентных цепей // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 1(31). — 2014. — С. 197—200.
  9. Панов С. А. Конструктор технических документов на базе метода компонентных цепей // Научная сессия ТУСУР-2014: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 14-16 мая 2014 г. — Томск: В-Спектр, 2014: В 5 частях. — Ч. 2. — С. 252—255.

Ссылки[править]

Znanie.png Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Метод компонентных цепей», находящаяся по адресам:

«https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Метод_компонентных_цепей»

«https://znanierussia.ru/articles/Метод_компонентных_цепей».

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.
Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Метод_компонентных_цепей&oldid=1666534