Устройство для моделирования объектов с распределенными параметрами Советский патент 1983 года по МПК G06G7/46 

Изобретение относится к аналоговой и гибридной вычислительной технике и предназначено для решения нелине.йных уравнений в частных производных на сеточных моделях.

Для решения нелинейных Зс1дач теории поля эффективно используются автоматизированные К-сетки, построенные на цифроуправляемых проводимостях, которые включаются в состав гибридной вычислительной системы ClJ..

Однако, являясь довольно сложными устройствами, гибридные системы характеризуются сравнительно низким быстродействием при решении нелинейных нестационарных задач. Это объясняется тем, что на каждом временном шаге между цифровой и аналоговой частями системы происходит многократный (по числу итераций) двухсторонний обмен информацией. Эквивалентное быстродействие также снижается по причине последовательного во времени выполнения всех операций вычислительного процесса (опроса и измерения потенциала узловых точек, пересчета и перезадания параметров сетки) за исключением параллельного решения на сетке уравнений в частных производных.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для моделирования объектов с распределенными параметрами, содержащее сеточную модель, построенную на широтно-импульсных управляемых проводимостях, схему управления параметрами сетки, состоящую из генератора функционального Напряжения, схемы сравнения, блока управления, причем входы дифференциального усилителя через соответствующие входные резисторы соединены с шиной питаю цего напряжения и через конденсаторы с шиной нулевого потенциала,, выход генератора функционального напряжения содинён с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с узловыми точками сеточной модели,- выход блока сравнения подключен к, управляющему входу первого, упрёшляемого резистора, соединенного с ШИНОЙ нулевого потенциала и первым входом дифференциального услителя, второй вход которого через второй управляемый резистор соединен с шиной нулевого потенциала, выход дифференциального усилителя через генератор прямоугольньох импу сов соединен с входом, сеточной модли и управляющим входом второго управляемого резистора, первый вход дифференциального усилителя соединен с шиной нулевого потенциала че

рез третий управляемый резистор, управляющий вход которого соединен с входом устройства.

Устройство позволяет автоматизировать процесс набора параметров сет ки и осуществить их изьюнение по требуемой однозначной нелинейной , зависимости g ,(V,) непосредственно в процессе решения нелинейных задач одновременно во всех областях

0 моделирования. В отличие от других устройств характер моделируемой нелинейности на всю однородную область задается функциональным генератором развертывающего напряжения.

5 Параллельный принцип учета нелинейности, положенный в основу функционирования указанного устройства, делает его наиболее быстродействующим по сравнению с другими средствами вычислительной техники, применяемыми для решения нелинейных задач теории поля 2.

Однако известное устройство характеризуется наличием дополнительной методической погрешности, обусловленной заменой в сетке проводимостей непрерывного действия импульсно-управляемыми.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования объектов с распределенны- ми параметрами, содержащее сеточною модель из п узлов, каждая узловая точка которой подключена к первому входу блока сравнения, первый так товый вход устройства через генератор функционального напряжения соединен с вторым входом блока сравнения, введены счетчики, элемент ИЛИ-НЕ, RS-триггер и элемент 2И-ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с входом сеточной модели, выгсод блока сравнения подключен к первым входам элементов 2И-ИЛИ и ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом, второго счетчика, второй тактовый вход устройства подключен к второму и третьему входам элемента 2И-Ш1И и второму входу второго счет чика, выход которого соединен с S-входом RS-триггера, R-вход которого подключен к первому тактовому входу устройства, выход RS-триггера соединен с четвертым входом элемента 2И-ИЛИ, второй вход элемента ИЛИ-НЕ и пятый вход элемента 2И-ИЛИ объединены и являются входом устройства.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства , 65. на фиг. 2 - временная диаграмма

работы устройства; на фиг. 3 - заданная нелинейная зависимость.

Устройство содерзкит сеточную модель 1, каждый узел которой состоит из цифро-управляемых резисторов 2. Схема управления параметрами сеточной модели 3 состоит из . генератор 4 функционального напряжения, блока 5 сравнения (компар тора), счетчика 6,. работающего в фазоимпульсном режиме, элемента ШШ- НЕ 7, RS-триггера 8, элелента. 2И-ИЛИ 9, счетчика 10, а такке тактовыевходы 11 и 12 и &ход 13 устройства.

Генератор 4 используется для формирован}1я с периодом Т развертывающего напряжения U(t), форма которого определяет характер моделируемой нелинейности gCVo) (фиг.З В качестве блока 4 может быть использован последовательно соединенный генератор пилообразного напряжения, синхронизированный сигналом, подаваемым на .тактовый вход

11устройства и блок нелинейности, например диодный, функциональный преобразователь (не показаны).

Перед началом работы устройства счетчик 10 сбрасывается в нульпутем подачи на его вход 14 импульса сброса RQ. .

Работа устройства начинается с подготовительного периода, в котором осуществляется запись начального- значения узловой проводимости в счетчик 10. Для этого с входа 13 устройства на пятый вход элемента 2И-ИЛИ подается прямоугольный импульс, относительная длитель НС(Ч

ность которого у пропорциональна начальному значению узловой проводимости. Одновременнона третий вход элемента 2И-ИЛИ с входа

12устройства с частотой f подаются тактовые импульсы. Таким образом, с выхода элемента 2И-ИЛИ 9

на счетный вход счетчика 10 поступает число тактовых импульсов N

ныч пропорциональное длительности входного импульса т.е. начальному значению узловой проводимости. В результате этого, входной параметр -jp преобразуется в цифровой код ( , запоминаемый на триг ге.рах (не показаны) счетчика 10, информационные выходы которого соединены с управляющими входами цифроуправляемых резисторов 2 сеточной модели 1. Поэтому в конце подготовительного периода начальное значение узловых проводимостей сеточной модели пропорционально входному параметру j- .

В первый период работы устройст ва задача решается при заданных начальных значениях узловых проводимостей. g . Результат решения в этот период в виде потенциала узловой точки DO на блоке 5 сравнивается с развертывающим напряжением U,,(t), формируемым генератором 4. В результате этого, на выходе блока 5(компаратора) появляется импульс, относительная длительность которого f определяется величиной потенциала UQ, а также формой резвертывающего напряжения li(t) и характеризует значе- . ние узловой проводимости, при котором будет решаться задача в следующем периоде решения. Для запоминания нового значения узловой

проводимости на счетный вход счетчика 10 необходимо подать число импульсов пропорционально разности между новым N , и начальным

значениями узловой проводимости. Для получения этих импульсов в уст ройстве используется элемент 2И-ИЛИ 9. На первый вход элемента 2И-ИЛИ 9 с блока 5 поступает импульс длительностью Т j Т, на четвертый вход этого элемента с выхода RS-триггера 8 поступает им- пульс длительностью Т - Т (l-j)T. Формирование указанного импульса осуществляется следующим образом.

В подготовительный период задним фронтом входного импульса через элемент ИЛИ-НЕ 7 счетчик 6 сбрасывается в ноль, запоминая тем самым момент окончания действия входного импульса Т„(з,ц. При емкости, счетчика, равной числу тактовьах импульсов за период Т, его заполнение происходит через время Т. Поэтому

в первом рабочем периоде, следующем за подготовительным, на выходе счетчика 6 появляется импульс, смещенный относительно момента квантования на время Этот импульс

поступает на S-вход триггера 8 и переводит его в состояние 1, В момент квантования с входа 11 устройства на К.-вход этого триггера поступает импульс, который переводит его в состояние О. Таким образом, на прямом выходе триггера формируется импульс, длительность которого равна Т - Т (1 - уц ) -Т (фиг. 2).

На второй вход элемента 2Н-Ш1И .

9 с входа 12 устройства подаются тактовые импульсы. В результате воздействия тактовых импульсов и импульсов длительностью Т и (Т-Тц) на выходе его появляется число импульсов uN, пропорциональное

разности Тцо,ц, т.е.. приращение узловой проводимости в пер.вом периоде решения задачи в соответствии с заданной нелинейной зависимое

тью g .t(Uo) (фиг. 3). В результате подачи этих импульсов на счетный вход счетчика 10 в него записывается новое значение узловой проводимости Nj. Это значение также . запоминается в счетчике 6 путем сброса его в ноль задним фронтом выходного импульса блока 5 в момент сравнения напряжения UQ и U , смещенного относительно нулевых импульсов на apeivbi Т , пропорциональное значению проводимости в этот период решения задачи, В последующие периоды описанный цикл работы повторяется, в результате чего параметры сетки на Кс1ждом временном шаге корректируются.

Таким образом, в предлагаемом устройстве изменение параметров сеточной модели происходит автоматически непосредственно в процессе решения задачи -параллельно во всей области моделирования. При этом в отличие от известных структур гибридных систем типа R-сетка-ЦВМ после каждо1 о шага итерации нет необходимости осуществлять последовательный опрос всех узловых точек, преобразовывать информацию о потенциалах узлов в цифровой код и вводить в цифровую

0 машину, производить обратную передачу информации о новых значениях узловой проводимости из ЦВМ в сеточный процессор с целью их перезадания. Исключение указанных операций вычислительного процесса значительно повышает быстродействие и информационную прЬизводительность предлагаемого устройства по .сравнению с известными.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ,содержащее сеточную модель из п узлов, каждая узловая точка которой подключена к первому входу блока сравнения, первый тактовый вход устройства через генератор функционального напряжения соединен с вторым входом бло:ка сравнения, о т л и ч а ю щ е-ес я тем, что,, с целью повьяаеиия точности и быстродействия, в него введены счетчики, элемент Ш1И-НЕ, RS-триггер и элемент 2И-Ш1И, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, выходы кото рого соединены с входом сеточной модели, выход блока сравнения подключен к первым входам элемента 2И-Ш1И и элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, второй тактовый вход устройства подключен к второму и третьему входам элемента 2И-ИЛИ и второму входу второi го счетчика, выход которого соединен с S-входом RS-триггера, W R-вход которого подключен к пер вому тактовому входу устройства, выход RS-триггера соединен с чет-. вертым входом элемента 2И-ШШ, § второй вход элемента ИЛИ-НЕ и пятый вход элемента 2И-ИЛИ объединены и являются входом устройства. 42 оэ О) л

(3) (2) Г/; 11 /J f2