Simulationssoftware - Simulation software

Simulationssoftware basiert auf dem Modellieren eines realen Phänomens mit einem Satz mathematischer Formeln . Es ist im Wesentlichen ein Programm, das es dem Benutzer ermöglicht, eine Operation durch Simulation zu beobachten, ohne diese Operation tatsächlich durchzuführen. Simulationssoftware wird häufig verwendet, um Geräte so zu konstruieren, dass das Endprodukt den Konstruktionsspezifikationen so nahe wie möglich kommt, ohne dass teure Prozessmodifikationen erforderlich sind. Simulationssoftware mit Echtzeitreaktion wird häufig im Gaming verwendet, hat aber auch wichtige industrielle Anwendungen. Wenn die Strafe für eine unsachgemäße Bedienung kostspielig ist, wie beispielsweise für Flugzeugpiloten, Betreiber von Kernkraftwerken oder Betreibern von Chemieanlagen, wird ein Mock-up des tatsächlichen Bedienfelds mit einer Echtzeitsimulation der physischen Reaktion verbunden, die wertvolle Trainingserfahrung ohne Angst vor einem katastrophalen Ausgang.

Fortschrittliche Computerprogramme können das Verhalten von Stromnetzen , Wetterbedingungen , elektronische Schaltkreise , chemische Reaktionen , Mechatronik , Wärmepumpen , Rückkopplungssteuerungssysteme , atomare Reaktionen und sogar komplexe biologische Prozesse simulieren . Theoretisch können alle Phänomene, die auf mathematische Daten und Gleichungen reduziert werden können, auf einem Computer simuliert werden. Simulation kann schwierig sein, da die meisten Naturphänomene einer fast unendlichen Anzahl von Einflüssen unterliegen. Einer der Tricks bei der Entwicklung nützlicher Simulationen besteht darin, die wichtigsten Faktoren zu bestimmen, die die Ziele der Simulation beeinflussen.

Neben der Nachahmung von Prozessen, um zu sehen, wie sie sich unter verschiedenen Bedingungen verhalten, werden Simulationen auch verwendet, um neue Theorien zu testen. Nach der Erstellung einer Theorie der kausalen Zusammenhänge kann der Theoretiker die Zusammenhänge in Form eines Computerprogramms kodifizieren. Wenn sich das Programm dann genauso verhält wie der reale Prozess, besteht eine gute Chance, dass die vorgeschlagenen Beziehungen korrekt sind.

Allgemeine Simulation

Allgemeine Simulationspakete lassen sich in zwei Kategorien einteilen: diskrete Ereignis- und kontinuierliche Simulation . Diskrete Ereignissimulationen werden verwendet, um statistische Ereignisse wie das Eintreffen von Kunden in Warteschlangen bei einer Bank zu modellieren. Durch richtiges Korrelieren von Ankunftswahrscheinlichkeiten mit beobachtetem Verhalten kann ein Modell die optimale Warteschlangenanzahl bestimmen, um die Warteschlangenwartezeiten auf einem bestimmten Niveau zu halten. Kontinuierliche Simulatoren werden verwendet, um eine Vielzahl physikalischer Phänomene wie ballistische Flugbahnen, menschliche Atmung, Reaktion von Elektromotoren, Hochfrequenzdatenkommunikation, Dampfturbinenstromerzeugung usw sowie in Model Based Design Systemen, um eingebetteten Steuercode zu generieren. Der Echtzeitbetrieb der kontinuierlichen Simulation wird für die Bedienerschulung und die Offline-Steuerungseinstellung verwendet.

Es gibt vier bekannte Hauptsimulationsansätze: Event-Scheduling-Methode, Activity Scanning, Process-Interaction und Three-Phase-Ansatz, im Vergleich ist Folgendes festzuhalten:

Die Event-Scheduling-Methode ist einfacher und hat nur zwei Phasen, sodass es keine Cs und Bs gibt. Dadurch kann das Programm schneller ausgeführt werden, da nicht nach bedingten Ereignissen gesucht wird. All diese Vorteile sagen uns auch etwas über die Nachteile der Methode aus, da es nur zwei Phasen gibt, dann werden alle Ereignisse gemischt (keine Bs und Cs) dann ist die Methode nicht sparsam, was bedeutet, dass sie sehr schwer zu verbessern ist (Pidd, 1998) . Der Activity Scanning-Ansatz ist auch einfacher als die Drei-Phasen-Methode, da er keinen Kalender hat und die sparsame Modellierung unterstützt. Dieser Ansatz ist jedoch viel langsamer als der Drei-Phasen-Ansatz, da alle Aktivitäten als bedingt behandelt werden. Andererseits hat die Exekutive zwei Phasen. Normalerweise wird dieser Ansatz mit der Drei-Phasen-Methode verwechselt (Pidd, 1998). Die Prozess-Interaktion „teilt zunächst zwei gemeinsame Vorteile; Sie vermeiden Programme, die langsam laufen. Zweitens vermeiden sie die Notwendigkeit, alle möglichen logischen Konsequenzen eines Ereignisses zu durchdenken“ (Pidd, 1998). Wie (Pidd, 1998) behauptet, leidet dieser Ansatz jedoch unter dem DEADLOCK-Problem, aber dieser Ansatz ist für unerfahrene Modellierer sehr attraktiv. Allerdings (Schriber et al., 2003). „Die Prozessinteraktion wurde nur von einer Elitegruppe von Einzelpersonen verstanden und lag außerhalb der Reichweite normaler Programmierer“. Tatsächlich (Schriber et al., 2003). fügt hinzu: „. Multi-Threaded-Anwendungen wurden im Informatikunterricht diskutiert, aber in der breiteren Gemeinschaft selten verwendet.“ Was darauf hindeutet, dass die Implementierung von Process-Interaction sehr schwierig zu implementieren war. Der offensichtliche Widerspruch im vorherigen Zitat ist auf die Verwechslung zwischen dem Process Interaction-Ansatz und dem Transaction-Flow-Ansatz zurückzuführen. Um die vollständige Idee der Ursprünge von Transaction-Flow zu sehen, die am besten von (Schriber et al, 2003) beschrieben wird: Dies war die Ursuppe, aus der der Gordon Simulator entstand. Gordons Transaktionsfluss-Weltansicht war eine geschickt verschleierte Form der Prozessinteraktion, die den Prozessinteraktionsansatz für normale Benutzer in den Griff bekam. . Gordon hat einen der großartigsten Verpackungsjobs aller Zeiten gemacht. Er entwickelte eine Reihe von Bausteinen, die zusammengefügt werden konnten, um ein Flussdiagramm zu erstellen, das den Betrieb eines Systems grafisch darstellte. Unter diesem Modellierungsparadigma war der Fluss von Elementen durch ein System gut sichtbar, da dies im Mittelpunkt des gesamten Ansatzes stand. Der Drei-Phasen-Ansatz ermöglicht es, „Parallelität zu simulieren und gleichzeitig Blockaden zu vermeiden“ (Pidd und Cassel, 1998). Drei-Phasen muss jedoch den Zeitplan nach gebundenen Aktivitäten durchsuchen und dann alle bedingten Aktivitäten durchsuchen, die ihn verlangsamen. Doch viele verzichten auf die Zeit, die sie im Gegenzug für die Lösung des Deadlock-Problems aufgewendet haben. Tatsächlich wird Three-Phase in verteilten Systemen verwendet, unabhängig davon, ob es um Betriebssysteme, Datenbanken usw. geht, unter verschiedenen Namen, darunter Three-Phase-Commit siehe (Tanenbaum und Steen, 2002).

Elektronik

Elektroniksimulationssoftware verwendet mathematische Modelle, um das Verhalten eines tatsächlichen elektronischen Geräts oder Schaltkreises zu replizieren. Im Wesentlichen ist es ein Computerprogramm , das einen Computer in ein voll funktionsfähiges Elektroniklabor verwandelt . Elektroniksimulatoren integrieren einen Schaltplaneditor , einen SPICE- Simulator und Onscreen-Wellenformen und machen „Was-wäre-wenn“-Szenarien einfach und sofort. Durch die Simulation des Verhaltens einer Schaltung vor dem eigentlichen Bau wird die Effizienz erheblich verbessert und Einblicke in das Verhalten und die Stabilität elektronischer Schaltungsdesigns gewährt. Die meisten Simulatoren verwenden eine SPICE-Engine, die analoge, digitale und gemischte A/D- Schaltungen simuliert, um außergewöhnliche Leistung und Genauigkeit zu erzielen. Sie enthalten in der Regel auch umfangreiche Modell- und Gerätebibliotheken. Obwohl diese Simulatoren normalerweise über Exportfunktionen für gedruckte Leiterplatten (PCB) verfügen, sind sie für den Entwurf und das Testen von Schaltungen, die die Hauptanwendung der Simulation elektronischer Schaltungen darstellen, nicht unbedingt erforderlich.

Während es streng analoge elektronische Schaltungssimulatoren gibt, enthalten sie sowohl analoge als auch ereignisgesteuerte digitale Simulationsfunktionen und werden als Mixed-Mode-Simulatoren bezeichnet. Das bedeutet, dass jede Simulation analoge, ereignisgesteuerte (digitale oder abgetastete Daten) oder eine Kombination aus beidem enthalten kann. Eine gesamte Mixed- Signal-Analyse kann von einem integrierten Schaltplan aus gesteuert werden. Alle digitalen Modelle in Mixed-Mode-Simulatoren bieten eine genaue Spezifikation der Laufzeit und der Anstiegs-/Abfallzeitverzögerungen.

Der von Mixed-Mode-Simulatoren bereitgestellte ereignisgesteuerte Algorithmus ist universell und unterstützt nicht-digitale Datentypen. Elemente können beispielsweise reelle oder ganzzahlige Werte verwenden, um DSP-Funktionen oder abgetastete Datenfilter zu simulieren. Da der ereignisgesteuerte Algorithmus schneller ist als die Standard-SPICE-Matrixlösung, wird die Simulationszeit für Schaltungen, die ereignisgesteuerte Modelle anstelle von analogen Modellen verwenden, erheblich reduziert.

Die Mixed-Mode-Simulation wird auf drei Ebenen behandelt; (a) mit primitiven digitalen Elementen, die Zeitmodelle und den eingebauten 12- oder 16-Zustands-Digitallogiksimulator verwenden, (b) mit Teilschaltungsmodellen, die die tatsächliche Transistortopologie der integrierten Schaltung verwenden , und schließlich (c) mit In- line Boolesche logische Ausdrücke.

Exakte Darstellungen werden hauptsächlich bei der Analyse von Übertragungsleitungs- und Signalintegritätsproblemen verwendet, bei denen eine genaue Prüfung der I/O-Eigenschaften eines ICs erforderlich ist. Boolesche logische Ausdrücke sind verzögerungsfreie Funktionen, die verwendet werden, um eine effiziente logische Signalverarbeitung in einer analogen Umgebung bereitzustellen. Diese beiden Modellierungstechniken verwenden SPICE , um ein Problem zu lösen, während die dritte Methode, digitale Primitive, die Mischmodusfähigkeit verwendet. Jede dieser Methoden hat ihre Vorzüge und Zielanwendungen. Tatsächlich erfordern viele Simulationen (insbesondere solche, die A/D-Technologie verwenden) die Kombination aller drei Ansätze. Ein Ansatz allein reicht nicht aus.

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Um den Betrieb einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) richtig zu verstehen , ist es notwendig, viel Zeit für das Programmieren , Testen und Debuggen von SPS-Programmen aufzuwenden. SPS-Systeme sind von Natur aus teuer und Ausfallzeiten sind oft sehr kostspielig. Darüber hinaus kann eine falsch programmierte SPS zu Produktivitätsverlusten und gefährlichen Bedingungen führen. SPS-Simulationssoftware ist ein wertvolles Werkzeug, um SPSen zu verstehen und zu lernen und dieses Wissen auf dem neuesten Stand zu halten. Die SPS-Simulation bietet Benutzern die Möglichkeit, Programme zu schreiben, zu bearbeiten und zu debuggen, die in einem Tag-basierten Format geschrieben wurden. Viele der gängigsten SPS verwenden Tags, die eine leistungsfähige, aber auch komplexere Methode zur Programmierung von SPS sind. Die SPS-Simulation integriert Tag-basierte Ladder-Logic-Programme mit interaktiven 3D-Animationen, um die Lernerfahrung des Benutzers zu verbessern. Diese interaktiven Animationen umfassen Ampeln , Stapelverarbeitung und Abfülllinien.

Durch die Verwendung der SPS-Simulation haben SPS-Programmierer die Freiheit, alle "Was-wäre-wenn"-Szenarien auszuprobieren, in denen Leiterlogik- Befehle und -Programme geändert werden, und dann die Simulation erneut auszuführen, um zu sehen, wie sich Änderungen auf den Betrieb und die Leistung der SPS auswirken. Diese Art des Testens ist mit festverdrahteten SPS, die Prozesse im Wert von oft Hunderttausenden – oder Millionen Dollar – steuern, oft nicht durchführbar.

Blechumformung

Die Simulationssoftware für die Blechumformung verwendet mathematische Modelle, um das Verhalten eines tatsächlichen Blechherstellungsprozesses zu replizieren. Im Wesentlichen ist es ein Computerprogramm , das einen Computer in eine voll funktionsfähige Vorhersageeinheit für die Metallherstellung umwandelt . Die Simulation der Blechumformung schützt Metallfabriken vor Fehlern in ihren Produktionslinien und reduziert Tests und teure Fehler und verbessert die Effizienz des Umformprozesses.

Metallguss

Die Metallgusssimulation wird derzeit von einer Finite-Elemente-Methode- Simulationssoftware durchgeführt, die als Fehlervorhersagewerkzeug für den Gießereiingenieur entwickelt wurde, um seinen Gießprozess zu korrigieren und/oder zu verbessern , noch bevor Prototypenversuche produziert werden. Die Idee ist, Informationen zu verwenden, um Ergebnisse auf einfache und effektive Weise zu analysieren und vorherzusagen, um Prozesse zu simulieren wie:

• Schwerkraftsandguss
• Schwerkraft-Druckguss
• Schwerkraftkippgießen
• Niederdruck-Druckguss

Die Software hätte normalerweise die folgenden Spezifikationen:

• Grafische Benutzeroberfläche und Mesh-Tools
• Formfülllöser
• Erstarrungs- und Kühllöser: Thermisch und thermomechanisch (Gussschrumpfung).

Netzwerkprotokolle

Die Interaktion zwischen den Netzwerkinstanzen wird durch verschiedene Kommunikationsprotokolle definiert . Netzwerksimulationssoftware simuliert das Verhalten von Netzwerken auf Protokollebene. Die Software für die Netzwerkprotokollsimulation kann verwendet werden, um Testszenarien zu entwickeln, das Netzwerkverhalten gegenüber bestimmten Protokollnachrichten zu verstehen, die Einhaltung neuer Protokollstapelimplementierungen und Protokollstapeltests zu unterstützen. Diese Simulatoren basieren auf Architekturspezifikationen für Telekommunikationsprotokolle, die von internationalen Normungsgremien wie der ITU-T , IEEE usw. entwickelt wurden. Die Ausgabe von Protokollsimulationssoftware kann detaillierte Paketverfolgungen, Ereignisprotokolle usw. sein.

Siehe auch

Verweise