Software de simulación

El software de simulación modela un fenómeno real mediante un conjunto de fórmulas matemáticas . Permite al usuario visualizar los resultados de una acción sin realizarla físicamente. Este software se utiliza ampliamente para diseñar equipos, de modo que el producto final se ajuste lo máximo posible a las especificaciones de diseño. El software de simulación en tiempo real se usa con frecuencia en videojuegos, pero también tiene importantes aplicaciones industriales. Cuando las consecuencias de un funcionamiento incorrecto son graves, como al pilotar un avión o al operar una central nuclear, se conecta una réplica del panel de control real a una simulación en tiempo real de la respuesta física, lo que permite una valiosa capacitación sin consecuencias.

Los programas informáticos avanzados pueden simular el comportamiento de los sistemas de energía , ^{[ 1 ]} las condiciones meteorológicas , los circuitos electrónicos , las reacciones químicas , la mecatrónica , ^{[ 2 ]} las bombas de calor , los sistemas de control de retroalimentación , las reacciones atómicas, la luz e incluso procesos biológicos complejos . En teoría, cualquier fenómeno que pueda reducirse a datos y ecuaciones matemáticas puede simularse en una computadora. La simulación puede ser difícil porque la mayoría de los fenómenos naturales están sujetos a un número casi infinito de influencias o a fuentes de causas desconocidas. Parte del desarrollo de simulaciones útiles consiste en determinar cuáles son los factores más importantes que afectan a la simulación.

Además de imitar procesos para observar su comportamiento en diferentes condiciones, las simulaciones también se utilizan para probar nuevas teorías. Tras formular una teoría de relaciones causales, el teórico puede codificar dichas relaciones en un programa informático. Si el programa se comporta de la misma manera que el proceso real, es probable que las relaciones propuestas sean correctas.

Los paquetes de simulación generales se dividen en dos categorías: simulación de eventos discretos y simulación continua . Las simulaciones de eventos discretos se utilizan para modelar eventos estadísticos, como la llegada de clientes a las colas de un banco. Al correlacionar adecuadamente las probabilidades de llegada con el comportamiento observado, un modelo puede determinar el número óptimo de personas en la cola para mantener los tiempos de espera en un nivel específico. Los simuladores continuos se utilizan para modelar una amplia variedad de fenómenos físicos, como trayectorias balísticas, respiración humana, respuesta de motores eléctricos, comunicación de datos por radiofrecuencia, generación de energía en turbinas de vapor, etc. Las simulaciones se utilizan en el diseño inicial del sistema para optimizar la selección de componentes y las ganancias del controlador, así como en sistemas de diseño basado en modelos para generar código de control embebido. La operación en tiempo real de la simulación continua se utiliza para la capacitación de operadores y el ajuste del controlador fuera de línea.

Existen cuatro enfoques de simulación principales y reconocidos: el método de programación de eventos, el escaneo de actividades, la interacción de procesos y el enfoque de tres fases. En comparación, se puede observar lo siguiente:

El método de programación de eventos es más simple y solo tiene dos fases, por lo que no hay C ni B, lo que permite que el programa se ejecute más rápido ya que no hay escaneo de eventos condicionales. Todas estas ventajas también nos dicen algo sobre las desventajas del método, ya que solo hay dos fases, entonces todos los eventos están mezclados (sin B ni C) entonces el método no es parsimonioso, lo que significa que es muy difícil de mejorar (Pidd, 1998). El enfoque de escaneo de actividades también es más simple que el método de tres fases, ya que no tiene calendario y admite el modelado parsimonioso. Sin embargo, este enfoque es mucho más lento que el de tres fases, ya que trata todas las actividades como condicionales. Por otro lado, el ejecutivo tiene dos fases. Por lo general, este enfoque se confunde con el método de tres fases (Pidd, 1998). La interacción de procesos "comparte dos ventajas comunes, primero, evitan programas que se ejecutan lentamente. Segundo, evitan la necesidad de pensar en todas las posibles consecuencias lógicas de un evento" (Pidd, 1998). Sin embargo, como afirma Pidd (1998), este enfoque sufre del problema de DEADLOCK, pero resulta muy atractivo para los modeladores novatos. Aunque Schriber et al. (2003) afirma que "la interacción de procesos solo era comprendida por un grupo selecto de individuos y estaba fuera del alcance de los programadores comunes". De hecho, Schriber et al. (2003) añade: "Se hablaba de aplicaciones multihilo en las clases de informática, pero rara vez se utilizaban en la comunidad en general". Lo que indica que la implementación de la interacción de procesos era muy difícil de implementar. La contradicción obvia en la cita anterior se debe a la confusión entre el enfoque de interacción de procesos y el enfoque de flujo de transacciones. Para ver la idea completa de los orígenes del flujo de transacciones, mejor lo expresa Schriber et al. (2003): Esta fue la sopa primordial de la que surgió el simulador Gordon. La visión del mundo del flujo de transacciones de Gordon era una forma ingeniosamente disfrazada de interacción de procesos que puso el enfoque de interacción de procesos al alcance de los usuarios comunes. Gordon realizó uno de los mejores trabajos de empaquetado de todos los tiempos. Ideó un conjunto de bloques de construcción que podían combinarse para crear un diagrama de flujo que representara gráficamente el funcionamiento de un sistema. Bajo este paradigma de modelado, el flujo de elementos a través de un sistema era fácilmente visible, ya que ese era el objetivo principal del enfoque. El enfoque de tres fases permite "simular el paralelismo, evitando el interbloqueo" (Pidd y Cassel, 1998). Sin embargo, el enfoque de tres fases requiere escanear el cronograma en busca de actividades vinculadas y luego escanear todas las actividades condicionales, lo que lo ralentiza. Aun así, muchos renuncian al tiempo invertido a cambio de resolver el problema del interbloqueo. De hecho, el enfoque de tres fases se utiliza en sistemas distribuidos, ya sea hablando de sistemas operativos, bases de datos, etc., bajo diferentes nombres, entre ellos confirmación de tres fases (véase Tanenbaum y Steen, 2002). ^{[ 3 ]}

El software de simulación electrónica utiliza modelos matemáticos para replicar el comportamiento de un dispositivo o circuito electrónico real. Los simuladores electrónicos integran un editor de esquemas , un simulador SPICE y formas de onda en pantalla. Simular el comportamiento de un circuito antes de construirlo puede mejorar la eficiencia y proporcionar información valiosa sobre el comportamiento y la estabilidad de los diseños de circuitos electrónicos. La mayoría de los simuladores utilizan un motor SPICE que simula circuitos analógicos, digitales y mixtos A/D para lograr una potencia y precisión excepcionales. Además, suelen contener amplias bibliotecas de modelos y dispositivos. Si bien estos simuladores generalmente permiten exportar a placas de circuito impreso (PCB), esta función no es esencial para el diseño y las pruebas de circuitos, que es la aplicación principal de la simulación de circuitos electrónicos.

Si bien existen simuladores de circuitos electrónicos estrictamente analógicos ^{[ 4 ],} algunos incluyen capacidades de simulación digital tanto analógica como basada en eventos ^{[ 5 ] , y se conocen como simuladores de modo mixto [ 6 ]} . Esto significa que cualquier simulación puede contener componentes analógicos, basados ​​en eventos (digitales o de datos muestreados) o una combinación de ambos. Un análisis completo de señales mixtas puede derivarse de un único esquema integrado. Todos los modelos digitales en los simuladores de modo mixto proporcionan una especificación precisa del tiempo de propagación y de los retardos de subida/bajada.

El algoritmo basado en eventos que ofrecen los simuladores de modo mixto es de propósito general y admite tipos de datos no digitales. Por ejemplo, los elementos pueden usar valores reales o enteros para simular funciones DSP o filtros de datos muestreados. Dado que el algoritmo basado en eventos es más rápido que la solución de matriz SPICE estándar, el tiempo de simulación se reduce considerablemente para los circuitos que utilizan modelos basados ​​en eventos en lugar de modelos analógicos. ^{[ 7 ]}

La simulación en modo mixto se gestiona en tres niveles: con elementos digitales primitivos que utilizan modelos de temporización y el simulador de lógica digital integrado de 12 o 16 estados, con modelos de subcircuitos que utilizan la topología real de transistores del circuito integrado y con expresiones lógicas booleanas en línea .

Las representaciones exactas se utilizan principalmente en el análisis de problemas de integridad de línea de transmisión y señal , donde se requiere una inspección minuciosa de las características de entrada/salida de un circuito integrado. Las expresiones lógicas booleanas son funciones sin retardo que se utilizan para proporcionar un procesamiento eficiente de señales lógicas en un entorno analógico. Estas dos técnicas de modelado utilizan SPICE para resolver un problema, mientras que el tercer método, las primitivas digitales, utiliza la capacidad de modo mixto. Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y aplicaciones específicas. De hecho, muchas simulaciones (en particular las que utilizan tecnología A/D) requieren la combinación de los tres enfoques. Ningún enfoque por sí solo es suficiente.

Para comprender correctamente el funcionamiento de un controlador lógico programable (PLC), es necesario dedicar un tiempo considerable a programar , probar y depurar programas PLC. Los sistemas PLC son costosos y el tiempo de inactividad suele ser muy costoso. Una programación incorrecta también puede generar situaciones peligrosas. Simular los PLC con anticipación puede ayudar a prevenir estos problemas. ^{[ 8 ]} La simulación de PLC proporciona a los usuarios la capacidad de escribir, editar y depurar programas escritos utilizando un formato basado en etiquetas. Muchos de los PLC más populares utilizan etiquetas, que son un método potente de programación de PLC, pero también más complejo. La simulación de PLC integra programas de lógica de escalera basados ​​en etiquetas con animaciones interactivas en 3D para mejorar la experiencia del usuario. ^{[ 9 ]} Estas animaciones interactivas incluyen semáforos , procesamiento por lotes y líneas de embotellado. ^{[ 10 ]}

Mediante la simulación de PLC, los programadores pueden probar diversos escenarios, modificando las instrucciones y programas de lógica de escalera , y luego ejecutar nuevamente la simulación para observar cómo los cambios afectan el funcionamiento y el rendimiento del PLC. Este tipo de prueba a menudo no es factible con PLC cableados que controlan procesos esenciales para el funcionamiento de un sistema. ^{[ 11 ]}

El software de simulación de conformado de chapa metálica utiliza modelos matemáticos para replicar el comportamiento de un proceso real de fabricación de chapa metálica. Esta simulación previene defectos en las líneas de producción de las fábricas metalúrgicas, reduce las pruebas y los costosos errores, mejorando así la eficiencia del proceso de conformado.

Actualmente, la simulación de fundición de metales se realiza mediante software de simulación de elementos finitos, diseñado como una herramienta de predicción de defectos para el ingeniero de fundición , con el fin de corregir y/o mejorar su proceso de fundición , incluso antes de la producción de prototipos. La idea es utilizar la información para analizar y predecir resultados de manera sencilla y eficaz, simulando procesos como:

• Fundición en arena por gravedad
• Fundición por gravedad
• Vertido por inclinación de gravedad
• Fundición a presión baja

El software normalmente tendría las siguientes especificaciones:

• Interfaz gráfica y herramientas de malla
• Solucionador de llenado de moldes
• Solucionador de solidificación y enfriamiento: Térmico y termomecánico (Contracción de la fundición).

La interacción entre las entidades de la red se define mediante diversos protocolos de comunicación . El software de simulación de redes simula el comportamiento de las redes a nivel de protocolo. Este software se puede utilizar para desarrollar escenarios de prueba, comprender el comportamiento de la red frente a determinados mensajes de protocolo, verificar la conformidad de nuevas implementaciones de pilas de protocolo y realizar pruebas de pilas de protocolo. Estos simuladores se basan en las especificaciones de arquitectura de protocolos de telecomunicaciones desarrolladas por organismos de normalización internacionales como la UIT-T , el IEEE , etc. La salida del software de simulación de protocolos puede incluir trazas de paquetes detalladas, registros de eventos, etc.