Роль электронно-вычислительных машин

Роль ЭВМ в АНИ При создании АНИ большое значение уделяется использованию средств вычислительной техники. При этом повышается эффективность научных исследований, которая заключается в следующем:

• 1. В несколько раз сокращается цикл исследований (экспериментов) за счет ускорения подготовки и проведения эксперимента, оперативного использования результатов экспресс-анализа, проводимого в реальном мас штабе времени, сокращения времени обработки и систематизации данных, уменьшения числа ошибок при измерении и обработке.
• 2. Увеличивается точность результатов и их достоверность, так как в АНИ возможно использование методов, снижающих влияние накапливающихся ошибок округления при вычислении промежуточных результатов. вычислительный архитектурный информация
• 3. Повышается качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров (по сравнению с «некомпьютерными» исследованиями) и более тщательной обработки данных.
• 4. При интерактивном взаимодействии с АНИ достигаются усиление контроля над ходом эксперимента и возможность его оптимизации.
• 5. Сокращается штат участников эксперимента, повышается производительность исследователя.
• 6. Очень важным является то, что результаты экспериментов структурируются и выводятся оперативно в наиболее удобной для оператора форме. Например, вместо просмотра километровых таблиц данных их структурируют в виде графических объектов. Так, зависимость от двух аргументов удобно представлять средствами трехмерной графики — в одну картинку интегрируют миллионы измерений.

Особенности использования ЭВМ в АНИ Отличительной особенностью использования ЭВМ в АНИ является выполнение большинства (или всех) операций в реальном масштабе времени. Термин «реальное время» используют в том случае, когда требуется оперативно реагировать на входные сигналы, причем задержка реакции должна быть конечной и не превышать определенного значения. В различных приложениях этот термин понимается по-разному — от долей секунд до минут. Главное, чтобы ответ пришел не позднее того времени, когда еще можно внести коррекции в исследуемый процесс. Для ЭВМ, используемых в АНИ, вычисление управляющих воздействий за время, больше требуемого, приравнивается к получению неправильного результата.

При использовании ЭВМ в АНИ можно решать следующие задачи.

• — принимать информацию от датчиков о состоянии среды и объекта;
• — рассчитывать в «реальном времени» управляющие воздействия и передавать их на исполнительные механизмы;
• — отображать информацию о текущем состоянии системы оператору

на дисплее в диалоговом режиме;

• — принимать и обрабатывать оператора по изменению условий эксперимента;
• — передавать или принимать информацию от других ЭВМ.

Каждая из этих задач решается с помощью своей программы, которая находится в памяти ЭВМ и выполняется по мере необходимости.

Архитектурная организация ЭВМ основных классов и типов В современной вычислительной технике (ВТ) основой представления информации являются электрические сигналы, допускающие две формы представления — аналоговую и дискретную. В первом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой измеряемой переменной: например, подача на вход напряжения в 1.942 В эквивалентна вводу числа 19.42 (при масштабе 0.1). Во втором случае — в виде нескольких различных напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной.

При аналоговом представлении информации значения измеряемых величин могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, т. е. представляется бесконечный спектр значений измеряемой величины на заданном отрезке. При дискретном представлении информации значения измеряемых величин носят дискретный (конечный) характер в измеряемом диапазоне.

Сравнительный анализ обоих форм представления информации показывает, что при создании ВТ аналогового типа требуется меньшее число компонентов, но сложность ее быстро возрастает за счет необходимости различать значительно большее число (вплоть до бесконечности) состояний сигнала. Аналоговая ВТ позволяет легко интегрировать сигнал, выполнять над ним любое функциональное преобразование и т. д. За счет этого и ряда других особенностей возможно решение некоторых классов задач во много раз быстрее, чем на дискретной ВТ.

Недостатками аналоговой формы представления информации является сложность реализации устройств для ее логической обработки, длительного хранения и высокой точности измерения. Поэтому аналоговые вычислительные машины (АВМ) предназначены в первую очередь для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: управление непрерывными процессами; моделирование в гидрои аэродинамике; исследование динамики сложных объектов и др.

Но АВМ не могут решать задач, связанных с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера; задач с высокой степенью точности и др., с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации. Положительные черты обоих типов совмещает гибридная ВТ, включающая как аналоговые, так и дискретные устройства обработки информации.

Сравнительная характеристика АВМ и ЦВМ.

АВМ способны выполнять лишь ограниченный набор логических операций (выбор минимакса, условные переходы и др.), существенно уступая ЦВМ в решении задач логического характера. Однако АВМ имеют существенные преимущества перед ЦВМ при использовании их в системах автоматического регулирования и управления, т. е. при создании широкого класса АСУТП. Процесс подготовки задачи для решения на АВМ существенно проще аналогичной работы для ЭВМ, ибо не требует специальных знаний по программированию и методам алгоритмизации.

Краткая сравнительная характеристика АВМ и ЦВМ по наиболее интересным показателям приведена в таблицу.

Из сравнительного анализа следует, что АВМ (в отличие от ЦВМ) являются специализированной ВТ, наиболее приспособленной к работе в системах автоматического контроля и управления, а также при решении ряда важных задач математического и физического моделирования.

Аналоговая вычислительная техника (АВМ) Интенсивное развитие АВМ наступает в начале 50-х годов ХХ века, после создания стабилизированного операционного усилителя постоянного тока, который позволил создавать отвечающие необходимым требованиям функциональные блоки, выполняющие разнообразные математические операции: арифметические, интегрирование, дифференцирование и др.

В отличие от дискретной ЭВМ в основу АВМ заложен принцип моделирования, а не счета. При использовании в качестве модели некоторой задачи электронных цепей каждой переменной величине задачи ставится в соответствие определенная переменная величина электронной цепи. При этом основой построения такой модели является подобие исследуемой задачи и соответствующей ей электронной модели.

По своим вычислительным возможностям АВМ наиболее приспособлены для исследования объектов, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями, а также алгебраическими и некоторыми другими типами уравнений. Следовательно, относительно класса решаемых задач АВМ носят специальный характер, в отличие от универсального характера ЦВМ. Современные АВМ можно условно разбить на три класса: специального, общего и персонального назначений.

Специальные АВМ ориентированы на решение отдельных задач или одного класса задач, описываемых, как правило, обыкновенными дифференциальными уравнениями. АВМ этого типа имеют фиксированную или коммутируемую архитектуру. Класс специальных АВМ составляют в основном управляющие, бортовые и ориентированные на решение отдельных задач машины.

АВМ общего назначения служат для решения широкого класса задач моделирования, и их архитектура, как правило, базируется на использовании коммутационного метода, а также методов сеток или сплошных сред. Два последних метода позволяют решать класс задач, описываемых уравнениями в частных производных (задачи гидродинамики, теплопроводности, аэродинамики, моделирования атмосферы и др.).

Метод сеток базируется на использовании электрических сеток с сосредоточенными в узлах параметрами. При решении таких задач дифференциальные уравнения предварительно преобразуются в систему линейных алгебраических уравнений по методу конечных разностей. Метод сплошных сред базируется на использовании электрических процессов в некоторой сплошной проводящей среде (электропроводная бумага, электролит и др.); он достаточно точен и прост, но его использование носит более узкий характер.

АВМ общего назначения условно делятся на три класса по их вычислительным возможностям решать задачи, описываемые дифференциальными уравнениями n-го порядка: малые (n? 10; МН — 10 М, МПТ — 9 и др.), средние (10? n? 20; АВК — 32, PACER — 600 и др.) и большие (n > 20; АВК — 2 (5), ЭМУ — 200, PACER — 700 и др.).

В общем виде принципиальную структуру современной АВМ общего назначения можно представить в следующем виде (рис. 6). Кратко рассмотрим назначение основных компонентов АВМ.

Под системой понимается совокупность средств, предназначенных для обеспечения нормального функционирования АВМ. Служебная система включает электропитание, терморегуляцию и вентиляцию, остальные системы являются основными. Под блоком понимается устройство АВМ, имеющее определенное функциональное назначение. Основные блоки служат для выполнения различных математических операций.

Блок операционных усилителей содержит набор операционных усилителей (ОУ), являющихся усилителями постоянного тока с большим коэффициентом усиления. На базе ОУ в совокупности с пассивными элементами (резисторами, диодами, конденсаторами) выполняются практически все математические операции.

В состав операционных блоков, работающих совместно с ОУ, входят блоки линейных (суммирования, инвертирования, интегрирования) и нелинейных (умножения, деления, извлечения квадратного корня) операций. При решении задачи на АВМ операционные блоки посредством системы коммутации настраиваются на совместную работу с ОУ, образуя необходимые конфигурации для выполнения тех или иных функций или операций. Система масштабирования служит для задания постоянных и/или переменных масштабных коэффициентов при подготовке АВМ к решению задачи; от их выбора зависит точность результата решения задачи. Система коммутации обеспечивает необходимую информационную связь между блоками АВМ посредством кабелей, коммутируемых программно. Система контроля и индикации обеспечивает контроль состояния ОУ и операционных блоков; результаты работы системы регистрируются, как правило, на осциллографах, самописцах и плоттерах. Система управления обеспечивает синхронизацию работы всех узлов АВМ. Пользователь через пульт управления инициирует ее работу в одном из двух режимов: подготовки и решения задачи. В первом режиме производится настройка всех нужных блоков АВМ и их коммутация, а во втором — решение задачи с заданными условиями и вывод результатов. Служебная система поддерживает нужный терморежим для операционных блоков, а также стабильность напряжения и тока, необходимые для работы блоков. Так как изменение поступающих напряжений интерпретируется АВМ как изменение значений переменных решаемой задачи, то к стабильности напряжения предъявляются особые требования.

Основные характеристики АВМ. В отличие от ЦВМ (точность вычислений которой определяется разрядностью) точность вычислений на АВМ определяется качеством изготовления элементной базы и основных узлов. Поэтому точность решения задач на АВМ находится в пределах (0.1 — 6)% или в числовом диапазоне (0.0001 — 1), т. е. на уровне большинства физических и инженерно-технических задач. Для целого класса задач производительность АВМ существенно превышает аналогичный показатель для ЦВМ. Это объясняется параллельным принципом решения задач на АВМ, когда результат решения получается мгновенно и одновременно во всех точках модели. Данная особенность делает весьма целесообразным использование АВМ в замкнутых системах автоматического регулирования и для решения задач в режиме реального времени.

Архитектурная организация ЭВМ основных классов и типов В современной вычислительной технике (ВТ) основой представления информации являются электрические сигналы, допускающие две формы представления — аналоговую и дискретную. В первом случае величина напряжения является аналогом значения некоторой измеряемой переменной: например, подача на вход напряжения в 1.942 В эквивалентна вводу числа 19.42 (при масштабе 0.1). Во втором случае — в виде нескольких различных напряжений, эквивалентных числу единиц в представляемом значении переменной. При аналоговом представлении информации значения измеряемых величин могут принимать любые допустимые значения из заданного диапазона, т. е. представляется бесконечный спектр значений измеряемой величины на заданном отрезке. При дискретном представлении информации значения измеряемых величин носят дискретный (конечный) характер в измеряемом диапазоне.

Сравнительный анализ обоих форм представления информации показывает, что при создании ВТ аналогового типа требуется меньшее число компонентов, но сложность ее быстро возрастает за счет необходимости различать значительно большее число (вплоть до бесконечности) состояний сигнала. Аналоговая ВТ позволяет легко интегрировать сигнал, выполнять над ним любое функциональное преобразование и т. д. За счет этого и ряда других особенностей возможно решение некоторых классов задач во много раз быстрее, чем на дискретной ВТ.

Недостатками аналоговой формы представления информации является сложность реализации устройств для ее логической обработки, длительного хранения и высокой точности измерения. Поэтому аналоговые вычислительные машины (АВМ) предназначены в первую очередь для решения задач, описываемых системами дифференциальных уравнений: управление непрерывными процессами; моделирование в гидрои аэродинамике; исследование динамики сложных объектов и др. Но АВМ не могут решать задач, связанных с хранением и обработкой больших объемов информации различного характера; задач с высокой степенью точности и др., с которыми легко справляются цифровые вычислительные машины (ЦВМ), использующие дискретную форму представления информации. Положительные черты обоих типов совмещает гибридная ВТ, включающая как аналоговые, так и дискретные устройства обработки информации.