Устройство для моделирования многомерных диффузионных процессов Советский патент 1982 года по МПК G06G7/48 

I

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при моделировании диффузионных процессов.

Известно устройство для моделирования многомерных диффузионных прс цессов, содерхчащее генераторы случайных последовательностей , блок формирования шага, счетчик. Формирователь траектории точки в нем осуществляется путем интегрирования по каждой координате импульсов,посту пающих с генераторов случайных последовательност.ей, причем длительность этих импульсов соответствует текущему значению коэффициента диффузии. Счетчик в этом устройстве служит для формирования координаты точки 1,

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является устройство для моделирования многомерных диффузионных процессов, содержащее генераторы случайных последовательностей, блок формирования ша га, блок управления, формирователь координат, формирование траектории точки в этом устройстве осуществляется при ее блуждении в случайном нап|эавлении, определяемом сигналами, поступающими-от генераторов случайных последовательностей. Блуждание точки выполняется шагами, длительность которых зависит от коэффициента диффузииj при этом код состояния каждой координаты изменяется на единицу после окончания шага 2.

Известные устройства не позволяют оперативно изменять режимы формирования траектории точки, а также управлять направлением движения в процессе формирования траектории, что ограничивает их функциональные возможности . Формирование координаты точки в йих осуществляется счетчиком только при наличии стохастического воздействия (диффузионной составляющей). В то же время, при моделировании процессе, протекающих в реальных объектах, в процессе формирования координаты точки и ее траектории необходимо учитывать воздействие дополнительных стационарных составляющих (составляющих сноса). Невозможность формирования координаты и траектории точки под воздействием составляющих сноса ограничивает область применения известных устройств, а также приводит к снижению точности процесса моделирования. Цель изобретения - расширение Функциональных возможностей устройства . Указания .цель достигается тем, ЧТО в устройство для моделирования многомерных диффузионных процессов, содержащее генератор случайных чисел, блок управления, информационный и первый управляющий входы которого являются соответственно первым и вто рым входами устройства, блок формиро вания шага, выход котооого соединен со входом генератора случайных чисел а первый выход блока управления соед нен с первым входом блока формирова. ния шага, второй вход которого подключен к информационному входу блока управления, и формирователи координат, дополнительного введены дешифратор, элементы ИЛИ, регистр сдвига и блок инверсии знака, причем первый выход генератора случайных чисел сое динен с первым входом дешифратора, один выход которого соединен с- первым входом регистра сдвига, выходы которого соединены соответственно с первыми входами элементов ИПИ, вторые входы которых подключены соответственно к .другим выходам дешифратора, а выходы элементов ИЛИ соединены соответственно с первыми входами формирователей координат,выходы которых являются соответственно выходами устройства , второй выход генератора случайных чисел соединен с nepBbiM входом блока инверсии знака, выход которого соединен со вторыми входами всех формирователей координат, третьи входы которых подключены к информационному входу блока уп равления, второйвыход которого соединен с его первым выходом и подключен к четвертым входам формирователей координат, третий выход блока управления соединен со вторым вхо i«4 дом блока инверсии знака, четвертый выход блока управления связан со вторым входом регистра сдвига, а пятый выход подключен ко второму входу дешифратора , причем выход блока формирования шага соединен со вторым управляющим входом блока управления. Формирователь координаты содержит регистр суммы, сумматор, ре гистр исходных данных, первый и второй элементы сравнения и счетчик, причем разрешающий , знаковый, информационный и управляющий входы счетчика являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами формирователя, а управляющий вход счетчика связан с первым входом регистра суммы, первый выход которого соединен с первым входом сумматора , первый выход которого соединен со вторым входом регистра суммы, второй выход которого соединен с первыми входами обоих элементов сравнения, вторые входы которых Подключены к первому выходу регистра исходных данных, второй выход которого соединен со вторым входом сумматора, второй выход которого соединен с третьими входами обоих элементов сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с третьим входом регистра суммы, а выход второго элемента сравнения соединен со счетным входом счетчика, третий входкоторого соеди1 ен со входом регистра исходных данных, а выход счет чина является выходом формирователя координаты. Блок управления содержит формирователь импульсов, четыре элемента И, генератор тактовых импульсов и регистр режимов, вход которого является информационным входом блока, первый и второй выходы регистра режимов соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов, третий выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, второй вход третьего элемента И является вторым управляющим входом блока управления, первый и второй входы генератора тактовых импульсов и второй вход четвертого элемента И являются первым управляющим входом блока управления, третий выход регистра режимов соединен со входом формирователя импульсов , причем выход первого элемента И является первым и вторым выходами блока, выход второго элемента И является вторым выходом блока, выходы третье го и четвертого элементов И являются третьим выходом блока, выход формирователя является четвертым выходом блока, а третий , четвертый и пятый выходы регистра режимов являются пятым выходом блока управления. Блок инверсии знака содержит элемент 2И-ИЛИ-НЕ, элемент НЕ и три гер, причем первый вход элемента 2И-ИЛИ-НЕ является первым входом блока, второй вход элемента 2И-ИЛИНЕ подключен к выходу Триггера, инверсный выход которого соединен с третьим входом элемента 2И-ИЛИ-НЕ. первый вход которого через элемент НЕ соединен со своим четвертым входом, выход элемента 2И-ИЛИ-НЕ является выходом блока, а вход триггера является вторым входом блока инверсии знака. На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - струк турная схема формирователя координа ты; на фиг. 3 - структурная схема блока управления; на фиг. - струк турная схема блока инверсии знака. Устройство содержит блок 1 форми рования шага, генератор 2 случайных чисел, дешифратор 3, элементы ИЛИ регистр 7 сдвига, блок 8 управления блок 9 инверсии знака, формирователи 10 координаты . Блок 1 формирования шага осущест ляет формирование шага, длительность которого пропорциональна коэф фициенту диффузии. Генератор 1 случ ной последовательности .вырабатывает случайную последовательность двоичных сигналов для формирования траектори точки, движущейся в случайном напра лении. Дешифратор 3 совместно с эле ментами ИЛИ -6 и регистром 7 сдвига в зависимости от режима работы устройства обеспечивает последовате льную равновероятную выборку коорди нат. Блок 8 управления организует работу устройства в процессе формирования траектории точки. Блок 9 ин версии знака позволяет оперативно и 6 менять направление движения точки на противоположное. Формирователи 10 , lOj, , 10, координаты осуществляют формирование координат точки при ее движении в пространстве. Структурная схема формирователя 10 координаты (фиг. 2) содержит регистр 11 суммы, сумматор 12, регистр 13 исходных данных, первый элемент 1 сравнения, второй элемент 15 сравнения, счетчик 15. Структурная схема блока 8 управления (фиг. 3) содержит формирователь 17 импульсов, элементы И 18-21, генератор 22 тактовых импульсов, регистр 23 режимов. Блок 1 формирования шага содержит регистр, соединенный с информационным входом устройства, и последовательно с ним включенные сумматор и регистр суммы, причем выход регистра суммы соединен со вторым входом сумматора.. Структурная схема блока 9 инверсии знака (фиг. k) содержит элемент 2И-ИЛИ-НЕ 24, элемент НЕ 25, триггер 26. Формирование траектории точки осуществляется при моделировании диф- фузионного процесса путем блуждания точкив исследуемой подобласти. При этом коды координат точки изменяются под воздействием диффузионной составляющей, составляющих сноса по каждой координате или при одновременном воздействии этих составляющих. Под воздействием диффузионной составляющей точка двигается стохастически, движение осуществляется шагами. Каждый шаг состоит из микрошагов, количество которых в шаге пропорционально коэффициенту диффузии. Направление движения точки в течение одного шага определяется выбранными координатой и знаком направления движения. Количество координат, участвующих в формировании траектории точки, может быть от одной до трех и зависит от вида задания исследуемой подобласти. Под воздействием составляющей сноса осуществляется смещение точки в направлении, определяемом величиной и знаком составляющих сноса по каждой координате. Составляющая сноса - это стационарная величина, постоянная в пределах исследуемой подобласти, причем она по абсолютной величине не превышает величину диффузионно составляющей и для координаты может иметь различное значение как по величине,та и по знаку. Устройство работает следующим обра зом. Перед началом формирования траекто рии точки в устройство с информационного входа заносятся исходные данные: в блок 1 формирования шага - код коэф циента диффузии, в формирователи 10 102., i координаты - коды начальных .знамений координат точки и коды соста ляющих сноса (соответственно в счетчик 1б и регистр 13), в блок 8 управ ления - режим работы устройства . После занесения исходных данных сигналом, поступающим на управляющий вхо осуществляется запуск устройства. В процессе формирования траектории точки под воздействием диффузионной составляющей по управляющему сигналу от блокз 8 управления блок 1 формирования шага осуществляет формирование длительности шага путем суммирования на каждом микрошаге кода коэффициента диффузии до переполнения разрядной сетки блока 1 формирования шага. Сигнал переполнения указывает на окон чание шага.По этому сигналу генератор 2 случайных чисел вырабатывает новое случайное двоичное число, указывающее направление движения точки и код номера координаты. Сигнал направления движения точки через блок 9 инверсии знака поступает в блоки формир вания координат 10, 10, lOj.первой, второй и третьей координаты соответственно. Код номера координаты поступает на дешифратор 3. Дешифратор 3 по управля ющим сигналам от блока 8 управления в зависимости от режима работы устрой ства преобразует код номера координаты в елинимный позиционный сигнал выбора координаты. При одномерном блуждании дешифратор 3 выбирает только первую координату, при этом соответствующий сигнал через элемент ИЛИ А поступает на счетчик 16 (фиг. 2) формирователя координаты 10 . В этом случае по сигналу от блока 8 управления, поступающему на четвертый вход формирователя координаты 10, состояние счетчика 16 формирователя координаты на каждом микрошаге изменяется на единицу в зависимости от знака направления движения точки, поступающего через вход от блока 9 инверсии знака. При положительном знаке направления движения точки код состояния счетчика 1б увеличивается, при отрицательном - уменьшается. Через выход код координаты формирователя 10 выдается на выход устройства для использования. Формирование траектории точки по двум координатам осуществляется следующим образом. Дешифратор 3, управляемый блоком 8 управления , настраивается на такой работы, при котором анализируется один разряд кода номера координаты от генератора-2 случайных чисел. При этом в зависимости от состояния этого разряда дешифратором 3 выбирается первая или вторая координата и формирование траектории точки в течение шага осуществляется выбранным формирователем 10 или lOj координаты аналогично описанному выше. При формировании траектории точки в трехмерном пространстве дешифратор 3 анализирует два разряда кода номера координаты, поступающего от генератора 2 случайных чисел. Двум анализируемым разрядам на выходе дешифратора 3 могут соответствовать четыре позиционных сигнаЛа. Три из них .однозначно определяют первую, вторую и третью координаты. При появлении на выходе де шифратора 3 четвертого позиционного сигнала осуществляется поочередная выборка координат. В этом случае четвертый позиционный сигнал поступает на трехразрйдньлй регистр 7 сдвига, клапанируемый выход каждого разряда которого подключен к соответствующим элементам ИЛИ -6, причем один из разрядов регистра 7 сдвига находится в единичном состоянии, в которое он был установлен сигналом с блока 8 управления по занесении в него ректма работы устройства. При этом четвертым позиционным сигналом с выхода дешифратора 3 осуществляется сдвиг на один разряд содержимого регистра 7 сдвига, и н.а том выходе регистра сдвига, разряд кото- рого находится в единичном состоянии, формируется сигнал, который через один из элементов ИЛИ 4-6 подключает для работы соответствующий фор992мирователь , 10или 10,, координаты. При необходимости изменить направление движения точки на противоположное, например при выходе ее на отража ющую границу, на управляющий вход уст ройства поступает сигнал признака инверсии. По этому сигналу блок 8 управ ления формирует соответствующий сигнал, по которому в блоке 9 инверсии Знака производится инверсия знака направления движения точки. Инверсное движение точки осУ1цествляется до поступления от блока 1 формирования иШга в блок 8 управления сигнала окон чания шага, по которому в блоке 8 управления вырабатывается сигнал сбро са инверсии, поступающий затем в блок 9 инверсии знака. Формирование траектории точки под воздействием составляющей сноса осуществляется следующим образом. ( В течение выполнения каждого микро шага на сумматоре 12 осуществляется суммирование кода составляющей сноса, хранящегося в регистре 13, с содержимым регистра 11 суммы с последующей перезаписью суммы в регистр 11суммы. Если на выходе сумматора 12абсолютная величина кода суммы превышает величину дискреты изменения состояния счетчика 16, то на выходе второй схемы 15 сравнения формируется сигнал, по которому состояние счетчика 16 изменяется на единицу. Сигнал с выхода второй схемы 15 сравнения на изменение состояния счетчика 16 вырабатывается в результате анализа второй схемой 15 срйвнения знаковых разрядов регисров 11 и 13 и сумматора 12. Например, при. положительных значениях кодов, хранящихся в регистрах 11 и 13, и отрицательном значении знакового раз-v ряда на выходе сумматора 12 на выходе второй схемы 15 сравнения формируетСя сигнал, по которому состояние смет чика 16 увеличивается на единицу. При отрицательных значениях кодов 8 регистрах 11 и 13 и положительном значении знакового разряда на . выходе сумматора 12 сигналом с выхода второй схемы 15 сравнения состояние счетчика 16 уменьшается на единицу. Одновременно первая схема Т сравнения анализирует знаковые разряды регистров 11 и 13 и сумматора 12 и формирует на выходе сигнал, по кото 10рому знаковый разряд регистра М суммы устанавливается в состояние, соответсвующее состоянию знакового разряда слагаемого , большего по абеолютной величине.Это необходимо для обеспечения согласованного формиро-твания траектории на границе двух подобластей, имеющих противоположные значения знаковых разрядов кодов составляющих сноса. Формирование траектории точки при одновременном воздействии диффузионной составляющей и составляющей сноса осуществляется аналогично описанному выше. Блок 8 управления в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3, работает следующим образом, При занесении исходных данных через информационный вход в регистр 23 заносится режим работы устройства, определяющий вид задания исследуе« МОЙ подобласти, а также наличие диффузионной составляющей и составляющей сноса. При этом на пятом выходе блока управления формируются си1- налы-1М, 2М, ЗМ, определяющие соответственно, одномерность, двумерность или трехмерность пространства при формировании траектории точки. Кроме того, при формировании сигнала ЗМ формирователь 17 вырабатывает сигнал, который через четвертый выход блока управления поступает в регистр 7 сдвига и уста.навливает его в исходное состояние (заносит единицу, например, в первый разряд) . По сигналу Пуск, поступающему „а управляющий вход блока 8 управления,запускается генератор 22 тактовых импульсов, вырабатывающий синхросигналы , по которым осуществляется выполнение микрошагов. Эти синхросигналы поступают на клапаны 18 и 19 и на их выходах формируются сигналы ДС, СС, которые через второй выход блока управления поступаЬт на формирователи 10 , 10, lOj .координаты для управления их работой в процессе формирования координат точки. Одновременно сигнал ДС через первый выход поступает на блок 1 формирования шага, по этому сигналу на Каждом микрошаге в блоке формирования шага осуществляется сум мирование кода коэффициента.диффузии. При необходимости изменения нэп равления движения на противоположное на управляющий вход блока 8 управления подается сигнал признака инверсии (пи). При; этом на выходе клапана 21 формируется сигнал установки инверсии (УИ), который через третий выход поступает на блок 9 ин версии знака и изменяет знак направ ления точки на протиеоположный. По -Окончании шаГа в блоке 1 формирования шага вырабатывается сигнал ОкШ, который через вход блока 8 управления подается на вход клапана 20 и по синхросигналу от ге нератора 22 на его выходе формируется сигнал сброса инверсии (СИ). Сигнал СИ подается на блок 9 инверсии знака для снятия инверсии движения точки. . При необходимости остановить про цесс формирования траектории точки на управляющий вход блока 8 управления подается сигнал Стоп, по которому осуществляется останов ген ратора 2 тактовых импульсов . При этом прекращается форм.5рование синхросигналов и траектории точки до поступления сигнала.Пуск. Таким образом, выполнение устройства в соответствии с изобретением позволяет при наличии одного г нератора случайной последовательнос ти, дешифратора, элементов ИЛИ и ре гистра сдвига осуществлять формирование траектории точки по одной, двум или трем координатам в зависимости от режима функционирования устройства, что повышает коэффициент использования оборудования и расширяет его функциональные возможности. Введение в устройство блока инверсии знака позволяет оперативно управлять направлением движения точки в процессе формирования траектории, что также расширяетгфун циональные возможности устройства. Наличие в нем формирователей координаты позволяет осуществлять фор мирование траектории точки под воз действием диффузионной или стационарной составляющих или при одновре менном воздействии обеих составляющих, что, 8 свой) очередь, расширя ет функциональные возможности устро ства формирования траектории точ|ки для моделирования многомерных диффузионных процессов. Формула изобретения 1. Устройство для моделирования многомерных диффузионных процессов, содержащее генератор случайных чисел, блок управления, информационный и первый управляющий входц которого являются соответственно первым и . вторым входами устройства, блок формирования шага, выход которого соединен с входом генератора случайных чисел, а первый выход блока управления соединен с первым входом блока формирования шага, второй вход которого подключен к информационному входу блока управления, и формирователи координаты, обличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности учета воздействия дополнительных стационарных составляющих диффузионного процесса, в него дополнительно введены дешифратор, элементы ИЛИ, регистр сдвига и блок инверсии знака, причем первый выход генератора случайных чисел соединен с первым входом дешифратора, один выход которого соединен с первым входом регистра сдвига, выходы которого соединены соответственно с первыми входами элементов ИЛИ, вторые входы которых подключены соотретственно к другим выходам дешифратора, а выходы элементов ИЛИ соединены соответственно с первыми входами формирователей кoopдинatы, выходы которых являются соответственно выходами устройства, второй выход генератора случайных чисел соединен с первым входом блока инверсии знака, выход которого соединен с вторыми входами формирователей координаты , третьи входы которых подключены к информационному входу блока управления, второй выход которого объединен с его первым выходом и подключен к четвертым входам формирователей координаты, третий выход блока управления соединен с вторым входом блока инверсии знака, четвертый выход блока управления связан с вторым входом регистра сдвига, а пятый выход подкл ечен к второму входу дешифратора, при чем выход блока формирования шага соединен с вторым управляющим входом блока управления. 139 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь координаты содержит регистр суммы, сумматор, регистр исходных данных, первый и второй элементы сравнения и счетчик, причем разрешэ ющий , знаковый , информационный и управляющий входы счетчика являются соответственно первым, вторым. .третьим и четвертым входами формирователя, а управляющий вход счет- чика связан с первым входом регистра суммы, первый выход которого соединен с первым входом сумматора, пер вый выход которого соединен с вторым входом регистра суммы, второй выход которого соединен с первыми входами элементов сравнения, вторые входы

которых подключены к первому выходу регистра исходных данных, второй выход которого соединен с вторым входом сумматооа второй выход которого соединен с третьими входами элементов сравнения, выход первого элемента сравнения соединен с третьим входом регистра суммы, а выхоД второго элемента сравнения соединен со счетным ВХОДОМ счетчика, информационный вход которого соединен с входом регистра исходных данных, а выход зоэ 2И-ИЛИ-НЕ подключен к выходу тригсчетчика является выходом формирова-гера, инверсный выход которого соетеля координаты.динен с третьим входом элемента

.3. Устройство по п. 1, о т л и -2И-ИЛИ-НЕ, первый вход которого чечающееся тем, что блок управ-рез элемент НЕ соединен со своим

ления содержит формировательимпуль-jjчетвертым входом, выход элемента

сов, четыре элемента И, генератор2И-ИЛИ-НЕ является выходом блока,

тактовых импульсов,и регистр режи-а вход триггера является вторым вхомов, вход которого является информа-дом блока инверсии знака. ционным входом блока, первый и вто- Источники информации,

рой выходы регистра режимов соедине- 0принятые во внимание-при экспертизе ны соответственно с первыми входами 1. Авторское свидетельство СССР

первого и второго элементов И, вто-№ 58839, кл. G06 G , 1973. рые входы которых подключены соответ- 2. Авторское свидетельство СССР

ственно к первому и второму выходам генератрра тактовых импульсов, тремирователя импульсов является четвертым выходом блока, а,третий, четвертый и. пятый-вы.ходы регистра режимов являются пятым выходом блока управления.

. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что блок инверсии знака содержит элемент 2И-ИЛИ-НЕ, элемент НЕ и триггер ,причем первый вход элемента 2И-ИЛИ-НЕ является пеовым входом блока, второй вход элемен№ 377808, кл. СОб G 7Л8, 1971 (прототип). I тий выход которого Соединен с первыми входами третьего и четвертого элементов И, второй вход третьего элемента И является вторым управляю щим вяодом блока управления, первый и второй входы генератора тактовых импульсов и второй вход четвертого элемента И являются первым управ лпющим входом блока управления, тре тий выход регистра ре жимов соединен с входом формирователя импульсов, примем выход первого элемента И является первым выходом блока управления, выход второго элемента И является вторым выходом блока управления, выходы третьего и четвертого элементов И являются третьим выходом блока управления, выход форФог,Э