4.5. Организация прогона многомодульных моделей
В данном разделе рассматривается реализация многомодульной модели с точки зрения времени прогона tR.
При интерпретации модели на ЭВМ одной из проблем является организация прогона (взаимной синхронизации) многомодульной модели на одном (или, реже, нескольких) процессорах. Суть этой проблемы в том, что модулей много, но в каждый момент времени может быть активизирован только один из них. Для активизации всех модулей, нужно установить некоторую последовательность, в которой это должно происходить. Фактически всю разветвленную сеть модулей и потоков информации между ними нужно отобразить в линейную цепочку последовательных вызовов и обменов. При этом важно понимать, что время прогона tR - это совершенно другая величина, нежели модельное время tM. Это облегчает преобразование последовательности вызовов к линейной цепочке, так как неактивные модули могу "подождать" столько, сколько нужно. Принципиальные трудности могут быть только в связи с наличием замкнутых петель обратной связи. Проблема взаимной синхронизации прогона отдельных модулей решается в некотором мониторном программном модуле, который в процессе моделирования осуществляет последовательный вызов (активизацию) отдельных подпрограмм (процедур), соответствующих отдельным модулям, и управляет обменом сигнальными массивами между ними. В простейших программах с жесткими связями между модулями взаимная синхронизация между ними осуществляется тем, в каком порядке будут записаны в тексте программы вызовы соответствующих процедур.
В решении проблемы прогона многомодульных моделей возможны два крайних подхода:
1. Последовательный прогон всех модулей на каждом шаге Δt. На каждом шаге Δt последовательно (порядок активизации - это отдельная проблема) активизируется каждый модуль, его модельное время продвигается ("оживляется") на один шаг, при этом в межмодульном обмене фактически участвуют одноэлементные (по времени) массивы. Другими словами, на каждом шаге Δt модули обмениваются по одному элементу из каждого сигнального массива. Весь интервал модельного времени последовательно покрывается путем многократного повторения таких элементарных шагов.
Достоинство: продвижение сигнальных массивов через модули осуществляется минимальными порциями (по одному элементу), что позволяет с максимальной точностью (при выбранном Δt) отследить распространение переходных процессов вдоль цепочки последовательно соединенных модулей. Это важно при наличии петель обратной связи.
Недостаток - большой объем вычислительных затрат на диспетчеризацию (переключение вызовов) модулей, так как эту работу приходится делать для каждого элементарного шага Δt.
2. Последовательный прогон всех модулей на всем интервале модельного времени tM. В отличие от предыдущего случая, здесь каждый модуль активизируется только по одному разу и для него прогоняются все шаги модельного времени (от начала до конца). После полного прогона одного модуля, активизируется следующий и т.д. При этом модули обмениваются сигнальными массивами, длина которых соответствует всему интервалу модельного времени.
Достоинство: минимизируются затраты машинного времени на диспетчеризацию модулей - за все время прогона многомодульной модели каждый модуль активизируется только по одному разу.
Недостаток - возникновение нежелательных эффектов в моделях с обратными связями. У некоторых модулей в качестве входов используются выходы других модулей, которые к этому времени еще не были активизированы (см., например, Рис. 4 .41). Причем избежать такой коллизии нельзя при любом порядке активизации модулей.
Покадровая обработка многомодульных моделей
Итак, имеются две крайние возможности со взаимно противоречивыми достоинствами и недостатками. В тех случаях, когда требуется работать с многомодульными моделями с обратными связями и одновременно имеются жесткие ограничения на время прогона модели, можно попытаться отыскать некоторое "примиряющее" решение. В качестве хорошего компромисса можно предложить метод покадровой обработки.
Его суть состоит в том, что весь интервал модельного времени tM. разбивается на кадры обработки длиной TK. На каждом кадре осуществляется циклический прогон всех модулей, при этом обмен между модулями осуществляется отрезками массивов, соответствующих длине кадра TK. Весь процесс моделирования мыслится как прокрутка "фильма", состоящего из таких кадров. Варьируя в процессе конфигурирования модели величину TK, можно в каждом конкретном случае достигать нужного компромисса между временем прогона модели tR и влиянием паразитных эффектов из-за наличия петель обратной связи в структуре модели. Чтобы это было возможным алгоритмы всех модулей должны быть представлены в соответствующей "покадровой" форме, в которой длительность кадра TK входит в число настроечных параметров.
Для нединамических блоков (функциональных преобразователей, сумматоров, умножителей, масштабирующих звеньев и пр.) фактически никаких преобразований алгоритмов их работы для перехода к покадровой форме не требуется. Все решается на уровне обмена сигнальными массивами - просто их длина приводится в соответствие с заданной длительностью кадра обработки. TK. Для динамических блоков ситуация несколько сложнее. Связано это с тем, что реакция динамического блока в каждый момент времени t0 определяется не только состоянием входного воздействия в тот же момент t0, но и предысторией во все предшествующие моменты времени t < t0. Поэтому модель динамического блока в покадровой форме должна обеспечивать передачу необходимой информации (предыстории) с каждого текущего кадра на следующий (как эстафетную палочку). Следовательно, при переводе в покадровую форму модель (алгоритм) каждого динамического блока следует модифицировать таким образом, чтобы во первых, явно выделить минимальную информацию, подлежащую передаче на следующий кадр; во вторых, передать эту информацию с одного кадра на другой; и, в третьих, обеспечить правильное "сшивание" выходов, полученных на разных последовательных кадрах. Анализ показывает, что это можно сделать практически всегда, но требует определенных усилий на этапе алгоритмизации. Хорошей основой для такой модификации может служить представление исходных описаний динамических модулей в пространстве состояний. В этом случае возможен общий стандартный прием для представления алгоритма любого динамического блока в "покадровой" форме. Общая идея такого преобразования и конкретный пример ее реализации рассматривается в следующем подразделе при рассмотрении представления динамических систем в пространстве состояний.
|
