Гібридна обчислювальна система
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Гібридна обчислювальна система

Гібридна обчислювальна система , аналого-цифрова обчислювальна машина, комбінована обчислювальна машина, комбінований комплекс з декількох електронних обчислювальних машин, що використовують різне представлення величин (аналогове і цифрове) і об'єднаних єдиною системою управління. До складу Р. ст с., окрім аналогових і цифрових машин (АВМ і ЦВМ(цифрова обчислювальна машина)) і системи управління, зазвичай входять перетворювачі представлення величин, пристрої внутрісистемного зв'язку і периферійне устаткування (див. структурну схему на мал.(малюнок) ). Р. ст с. — комплекс ЕОМ(електронна обчислювальна машина), в цьому її головна відмінність від гібридної обчислювальної машини, названої так тому, що вона будується на гібридних вирішальних елементах, або з використанням аналогових і цифрових елементів.

загрузка...

  В літературі часто к Г. ст с. відносять АВМ з паралельною логікою, АВМ з цифровим програмним управлінням і АВМ з багатократним використанням вирішальних елементів, забезпечені пристроєм, що запам'ятовує. Такого роду обчислювальні машини, хоча і містять елементи, використовувані в ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), але як і раніше зберігають аналоговий спосіб представлення величин і всі специфічні особливості і властивості АВМ. Поява Р. ст с. обумовлено тим, що для вирішення багатьох нових завдань, пов'язаних з управлінням рухомими об'єктами, оптимізацією і моделюванням систем управління, створенням комплексних тренажерів і ін., можливості окремо взятих АВМ і ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) виявляються вже недостатніми.

  Розчленовування обчислювального процесу в ході рішення задачі на окремі операції, що виконуються АВМ і ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) в комплексі, зменшує об'єм обчислювальних операцій, що покладаються на ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), що за інших рівних умов істотно підвищує загальну швидкодію Р. ст с.

  Розрізняють аналого-орієнтовані, цифро-орієнтовані і збалансовані Р. ст с. У системах першого типа ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) використовується як додатковий зовнішній пристрій до АВМ, призначений для утворення складних нелінійних залежностей, запам'ятовування отриманих результатів і для здійснення програмного управління АВМ. У системах другого типа АВМ використовується як додатковий зовнішній пристрій ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), призначений для моделювання елементів реальної апаратури, багатократного виконання невеликих підпрограм.

  Створення ефективних гібридних комплексів вимагає в першу чергу уточнення основних сфер їх застосування і детального аналізу типових завдань з цих областей. В результаті цього встановлюють раціональну структуру гібридного комплексу і формують вимоги до його окремих частин.

  Завдання, які ефективно вирішуються на Р. ст с., можна розбити на наступні основні групи: моделювання в реальному масштабі часу автоматичних систем управління, що містять як аналогові, так і цифрові пристрої; відтворення в реальному масштабі часу процесів, що містять високочастотні складові і змінні, що змінюються в широкому діапазоні; статистичне моделювання; моделювання біологічних систем; вирішення рівнянь в приватних похідних; оптимізація систем управління.

  Прикладом завдання першої групи може служити моделювання системи управління прокатного стану. Динаміка процесів в нім відтворюється на аналоговій машині, а спеціалізована машина, що управляє станом, моделюється на універсальній ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) середнього класу. Унаслідок короткочасності перехідних процесів в приводах прокатних станів, повне моделювання таких процесів в реальному масштабі часу зажадало б вживання надшвидкодіючих ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Аналогічні завдання часто зустрічаються в системах управління військовими об'єктами.

  Типовими для другої групи є завдання управління рухомими об'єктами, в т.ч.(у тому числі) і завдання самонаведенія, а також завдання, що виникають при створенні обчислювальної частини комплексних тренажерів. Для завдань самонаведенія характерне формування траєкторії руху в процесі самого руху. Велика швидкість зміни деяких параметрів при наближенні об'єкту до мети вимагає високої швидкодії системи, що управляє, що перевищує можливості сучасних ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), а великий динамічний діапазон — високій точності, важко досяжною на АВМ. При рішенні цієї задачі на Р. ст с. доцільно покласти відтворення рівнянь руху довкола центру тягаря на аналогову частину, а рух центру тяжіння і кінематичні співвідношення — на цифрову частину обчислювальної системи.

  До третьої групи відносяться завдання, вирішення яких виходить в результаті обробки багатьох реалізацій випадкового процесу, наприклад вирішення багатовимірних рівнянь в приватних похідних методом Монте-Карло, вирішення завдань стохастічемкого програмування, знаходження екстремуму функцій багатьох змінних. Багатократна реалізація випадкового процесу покладається на швидкодіючу АВМ, що працює в режимі багатократного повторення рішення, а обробка результатів, відтворення функцій на кордонах області, обчислення функціоналів — на ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Крім того, ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) визначає момент закінчення рахунку. Вживання Р. ст с. скорочує час вирішення завдань цього вигляду на декілька порядків в порівнянні з вживанням лише цифрової машини.

  Аналогічний ефект досягається при використанні Р. ст с. для моделювання процесів поширення збудження в біологічних системах. Специфіка цього процесу полягає в тому, що навіть в простих випадках потрібно відтворювати складну нелінійну систему рівнянь в приватних похідних.

  Пошук рішення задачі оптимального управління для об'єктів вище за третій порядок зазвичай пов'язаний з великими, часто непереборними, труднощами. Ще більше вони зростають, якщо необхідно відшукати оптимальне управління в процесі роботи системи. Р. ст с. в значній мірі допомагають усунути ці труднощі і використовувати такі складні в обчислювальному відношенні методи, як принцип максимуму Понтрягина.

  Вживання Р. ст с. ефективно також при вирішенні нелінійних рівнянь в приватних похідних. При цьому можуть вирішуватися як завдання аналізу, так і завдання ідентифікації і оптимізації об'єктів. Прикладом завдання оптимізації може служити підбір нелінійності теплопровідного матеріалу для заданого розподілу температур; визначення геометрії літальних апаратів для здобуття необхідних аеродинамічних характеристик; розподіл товщини шару, що випаровується, оберігає космічні кораблі від перегріву при вході в щільні шари атмосфери; розробка оптимальної системи підігрівання літальних апаратів з метою оберігання їх від обмерзання при мінімальній витраті енергії на підігрівання; розрахунок мережі іригаційних каналів і встановлення оптимальних витрат в них і т.п. При вирішенні цих завдань ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) з'єднується з сітковою моделлю, багато разів використовуваною в процесі рішення.

  Розвиток Р. ст с. можливо в двох напрямах: побудова спеціалізованих Р. ст с., розрахованих на вирішення лише одного класу завдань, і побудову універсальних Р. ст с., дозволяючих вирішувати порівняно широкий клас завдань. Структура такого універсального гібридного комплексу ( мал. ) складається з АВМ однократної дії, АВМ з повторенням рішення, сіткової моделі, пристроїв зв'язку між машинами, спеціального устаткування для вирішення завдань статистичного моделювання і периферійного устаткування. Окрім стандартного математичного забезпечення ЕОМ(електронна обчислювальна машина), що входять в комплекс, в Р. ст с. потрібні спеціальні програми, обслуговуючі систему зв'язку машин і підготовки, що автоматизують процес, і постановки завдань на АВМ, а також єдиний мова програмування для комплексу в цілому.

  Поряд з новими обчислювальними можливостями в Р. ст с. виникають специфічні особливості, зокрема з'являються погрішності, які в окремо працюючих ЕОМ(електронна обчислювальна машина) відсутні. Первинними джерелами погрішностей є тимчасова затримка аналого-цифрового перетворювача, ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) і цифро-аналогового перетворювача; помилка округлення в аналого-цифровому і цифро-аналоговому перетворювачах; помилка від неодночасної вибірки аналогових сигналів на аналого-цифровий перетворювач і неодночасної видачі цифрових сигналів на цифро-аналоговий перетворювач; помилки, пов'язані з дискретним характером видачі результатів з виходу ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). При автономній роботі ЦВМ(цифрова обчислювальна машина) з перетворювачами тимчасова затримка, наприклад, не викликає погрішності, а в Р. ст с. вона не лише може викликати істотні погрішності, але і порушити працездатність всієї системи.

  Аналіз погрішностей Р. ст с. має значення як для оцінки погрішності роботи комплексу при вирішенні певного класу завдань, так і для розробки методів підвищення точності і ефективності системи. Первинні погрішності тих, що автономно працюють АВМ і ЦВМ(цифрова обчислювальна машина), що входять в Р. ст с., досить добре вивчені, але оцінка погрішності при вирішенні за допомогою гібридного комплексу нелінійних завдань представляє ще недозволену проблему.

  Літ.: Дослідження кібернетичних проблем комплексу блюмінга, що обчислювальний-управляє, 1300, в кн.: Управління виробництвом. Праці III Всесоюзної наради по автоматичному управлінню (технічній кібернетиці), Одеса, 20—26 сент.(вересень) 1965, М., 1967; Гулько Ф. Би., Коган Би. Я., Райськина М. Е., Про можливе вживання обчислювальних машин для вивчення механізмів розвитку захворювання, «Автоматика і телемеханіка», 1967 № 8, с. 104—106; Soudack А. С., Little W. D., An economical hybridizing scheme for applying Monte-carlo methods to the solution of partial-differential equations, «Simulation», 1965, v. 5 № 1, р. 9—11; Bekey G. A., Karplus W. J., Hybrid computation, N. Y., 1968.

  Би. Я. Коган.

Структурна схема універсальної гібридної обчислювальної системи: суцільною лінією позначені інформаційні, а пунктирною — канали, що управляють.