STRUCTURE OF SIGNIFICANT NONLINEARITY ELECTRIC CIRCUITS OF THE WEB-SERVICE MODELING

Толық мәтін

Моделирование и анализ работы электронного путём, начиная от систем, созданных в 70-ых годах оборудования - весьма сложная задача, для решения прошлого столетия. Как правило, улучшаются поль-которой активно используется специализированное зовательские интерфейсы, расширяются базы данных программное обеспечение - ED A-системы. Развитие электронных компонент и т. п., в то время как основ-таких систем идёт, по большей части, экстенсивным ные вычислительные алгоритмы остаются прежними. 9 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 Чаще всего всё сводится к решению получившейся системы линеаризованных дифференциальных уравнений, являющейся математической моделью моделируемого устройства. Численные методы решения при этом позволяют получать весьма точные результаты, но проблемы возникают при моделировании систем с большим количеством электронных компонентов, что приводит к усложнению математической модели, и при моделировании систем, в которых имеются существенные нелинейности, которые значительно огрубляют результаты моделирования, либо вообще приводят к тому, что вычислительный процесс расходится. В работах [1; 2] авторами был предложен альтернативный подход для моделирования подобных систем. Вместе с тем, стоит признать, что схемы, для которых требуется подобный подход в моделировании, весьма специфичны (как правило, это схемы с ШИМ). Следовательно, ED A-система для моделирования работы схем с существенными нелинейностями должна либо производить моделирование также всех остальных электронных схем на уровне аналогичного ПО, являющегося отраслевым стандартом де-факто, либо интегрироваться в процесс разработки. Так как первый путь является практически не реализуемым, то имеется смысл в создании узкоспециализированного ПО. Реализация данного ПО в виде Web-сервиса в сети Интернет позволит сделать доступ к нему наиболее лёгким для всех потенциальных пользователей. Как было отмечено в [2], ядром данного сервиса становится моделирующий модуль, реализованный в виде виртуальной машины Erlang. Для обеспечения работы ядра, ему необходимо передать информацию об объекте моделирования в виде структуры взаимосвязей входов и выходов элементов схемы и сведений о типах самих элементов и их номиналах (рис. 1). В качестве формата, позволяющего описать данную информацию было принято решение использовать формат SPICE Netlist [3] из-за его широкой распространённости и простоты. Кроме того, пользователю представляется возможность в графическом виде изо бразить необходимую схему, которую также надо будет преобразовать в данный формат. Учитывая многопользовательскую природу web-сервисов, системе необходимо иметь возможность проводить одновременно независимое моделирование нескольких десятков схем, т. е. запускать по одной виртуальной машине для каждого процесса моделирования. При этом вычислительная нагрузка может существенно варьироваться. Наиболее адекватным инфраструктурным решением для поддержания такой схемы работы, является размещение ядра в «облаке», т. к. ресурсы в этом случае будут выделяться по необходимости. С учетом вышесказанного, архитектура web-сервиса состоит из следующих уровней: 1. Клиентский уровень - обеспечивает работу пользовательского интерфейса, отвечает за работу редактора схем и загрузку пользовательской информации в виде SPICE Netlist, осуществляет вывод результатов моделирования. 2. Уровень преобразования и контроля - осуществляет синтаксический и, отчасти, семантический контроль введенной информации, проверяет наличие моделей элементов, используемых пользователем в схеме, в базе ядра, осуществляет преобразование графического представления схемы в единый формат. 3. Библиотеки элементов - коллекции функций, реализующих отдельные электронные компоненты 4. Подсистема хранения - СУБД, реализующая хранение вводимой пользовательской информации и результатов расчета 5. Подсистема работы с облачным сервисом [4] -осуществляет запуск/останов счетных ядер, передаёт им исходные данные и получает результаты расчетов. 6. Виртуальные машины в облачном сервисе -осуществляют собственно моделирование. Клиентский уровень реализован в виде т.н. «одностраничного» web-приложения, представляющего собой визуальный редактор принципиальных схем, работающий в во всех современных браузерах, с возможностью импорта схем в формате SPICE Netlist. Ввод схемы пользователем Формирование матрицы взаимосвязей Библиотека компонент Erlang Код Исполнение в виртуальной машине Результаты моделирования Рис. 1. Этапы процесса моделирования 10 Математика, механика, информатика Рис. 2. Структура сервиса Важным условием является необходимость наличия описанных элементов в библиотеке сервиса, иначе схема не сможет быть обработана. Если это условие выполняется, то приложение анализирует предоставленный файл, работая в тесной связи со вторым уровнем, и строит на его основе графическое представление принципиальной схемы, которое в дальнейшем может быть отредактировано стандартными визуальными методами. Обратный экспорт в формат SPICE Netlist не осуществляется (хотя принципиально возможен). Получаемый файл описания схемы передаётся для моделирования серверной части, которая также анализирует параметры схемы, но уже на предмет наличия нелинейных компонентов. После чего, опираясь на результаты анализа, запускает либо обычный процесс моделирования путём вызова LTSpice (это происходит в том случае, если нелинейных компонентов не более 1), либо начинает создание отдельных процессов для каждого из компонентов схемы в виртуальной машине Erlang. Для функционирования системы необходимо иметь несколько различных типов элементов: 1. Обычный процесс (передаточная функция, пример реализации приведён выше). Обеспечивает преобразование входного потока данных в выходной. В каждый момент синхронизации обязан принять и передать одну порцию (кортеж) данных. 2. Коммутатор. Обеспечивает перераспределение сигналов по нескольким выходным каналам в зависимости от соотношения количества входов и выходов. По сути является аналогом узла в электротехнике, но во избежание путаницы в терминологии, будем называть его коммутатором. 3. Источник. Обеспечивает выдачу сигналов. Входов не имеет. 4. Выход. Псевдоблок, необходимый для получения текущих значений параметров для анализа. Является адаптером между моделью и пользовательским интерфейсом. Имеет один вход, выходов нет. Одной из важнейших процедур при создании подобной модели является построение таблицы маршрутизации по пользовательской модели (к примеру, по принципиальной электрической схеме). На основе этой информации также должны создаваться процессы-коммутаторы. После запуска, все элементы начнут передавать сообщения маршрутизирующему процессу (серверу), который будет их распределять, опираясь на заданную топологию моделируемой системы. Важнейшей функцией клиентского уровня также является визуализация результатов моделирования, которые возвращаются клиентскому браузеру в виде AJAX-ответа в формате JSON, а после могут быть визуализированы в виде двумерного графика, либо выгружены в формате CSV. Наличие двух вариантов моделирования обусловлена тем фактом, что для схем, в которых не встречаются существенные нелинейности, моделирование с помощью виртуальной машины Erlang будет проходить медленнее, а, кроме того, будет использован относительно дорогостоящий облачный вычислительный ресурс. Кроме того, на данном этапе схема формирования набора вычислительных процессов находится на экспериментальном этапе, а возможность анализа пока ограничена только анализом переходных процессов. Таким образом, данный web-сервис после расширения библиотеки доступных компонентов позволить проводить анализ схем с большим количеством нелинейных компонентов (таких, как, например ключи) любому пользователю, имеющему доступ к сети Интернет. 11 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 Основными преимуществами данного подхода в реализации этой системы являются: 1. Доступность - отсутствует необходимость в приобретении ПО и аппартаного обеспечения соответствующей мощности. 2. Масштабируемость - вне зависимости от сложности моделируемой схемы, будет выделено необходимое количество ресурсов (при условии размещения в облачном хостинге). 3. Оперативность - возможность выполнения моделирования в любой момент.

Авторлар туралы

K. Bogdanov

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

Email: 2519869@gmail.com
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

A. Lovchikov

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

Email: ivt_anlovch@sibsau.ru
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар