2.1.1.2 Общие сведения о вычислителях моделирующих программ

Вычислителями, как правило, являются программные модули, построенные по технологиям, первые исследованным более 30 лет назад. Собственно задачи вычислений сводятся к построению систем алгебраических уравнений высокого порядка и циклическому определению текущих переменных по заданным значениям матричных коэффициентов.

Исходными для систем линейных уравнений зачастую являются другие системы уравнений, более высокого уровня, например системы нелинейных дифференциальных уравнений. В этом случае в алгоритмах работы вычислителей предусмотрено обращение к математическому аппарату специальных вычислительных методов, например методов: Ньютона, Рунге-Кутта, Адамса и др. В любом случае первоначальный этап построения математической модели связан упрощением задачи и приведению ее к стандартному виду, пригодному для применения вычислителя, с применением ограничений. Описанные этапы моделирования, как правило, недоступны для визуализации и происходят в автоматическом режиме.

При реализации методологии и технологии моделирования с применением упомянутых моделирующих программ можно ввести следующую классификацию вычислительных модулей.

1. Явные вычислители моделирующей программы.

Это библиотека классических подпрограмм (функций), которые реализуют операцию интегрирования. Сюда можно отнести дискретные квази-аналоги интеграторов, используемые для решения дифференциальных уравнений.

2. Неявные (итерационные) вычислители моделирующей программы.

Это библиотека классических подпрограмм, которые предназначены для решения алгебраических уравнений путем итерационного подбора независимых переменных.

3. Оптимизирующие вычислители моделирующей программы.

Это разновидность неявного вычислителя, которая предназначена для минимизации значения функции в процессе итерационного подбора ее независимых переменных.

2.1.1.3 Понятие о структурном моделировании

Техника моделирования основанная на использовании моделей в виде преобразующих сигналы блоков. Связи между входными и выходными сигналами устанавливаются посредством задания передаточных функций. Поскольку структурные блоки имеют выраженные входы и выходы, построенные согласно этой технике модели иногда называют направленными сигнальными графами.

Таким образом, техника структурного моделирования, использующая модели в форме передаточных функций, требует наличия лишь явного вычислителя, который подключается ко всем интеграторам модели и, с той или иной точностью (на что влияет выбор метода интегрирования), интегрирует соответствующие сигналы, обеспечивая тем самым решение дифференциальных уравнений.

Представляется, что разделение коммерческих программ на вычислительные и моделирующие с философской точки зрения условно, поскольку в основе всегда лежит эффективный машинный вычислитель.

Причем математическое ядро, применяемое в разных продуктах – единое и по существу, это ядро реализовано на основе известных и хорошо себя зарекомендовавших вычислительных методов. Сама же задача моделирования сводится к решению систем уравнений. Ухищрения разработчиков связаны с построением удобного и развитого интерфейса, а также с созданием алгоритмов преодоления ограничений различных методов в соответствии с поставленными граничными условиями в исследовательских задачах, представлением процессов в виде систем линейных или нелинейных, алгебраических или дифференциальных уравнений.

Определенный интерес представляют усилия разработчиков по формированию не только единого, универсального подхода (мультидоменного), но также эволюционному формированию единой (многомодульной) вычислительной среды с глобальным, но достаточно понятным и очевидным языком взаимодействия человеко-машинной системы.

Как показывает опыт работы с вычислительными средами, реализованными в современных коммерческих программных продуктах, несмотря на их высочайшую эффективность и гибкость, пока уверенно говорить о достижении окончательных успехов в этом направлении преждевременно. Поэтому средства достижения цели моделирования электрических цепей и процессов еще значительное время будут многообразными и конкурентными.

Представляется, что собственно задачу моделирования электрических цепей в учебном процессе следует рассматривать как совокупность осознанного применения фундаментальных вычислительных методов и собственно методик и приемов анализа схемотехники с применением удобных машинных продуктов и методик вплоть до графического программирования.