Назначение, сферы применения и принципы устройства аналоговых вычислительных машин (АВМ), цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и гибридных вычислительных машин (ГВМ).

Содержание:

1 Введение

В данном реферате по теме “ Назначение, сферы применения и принципы устройства аналоговых вычислительных машин (АВМ), цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и гибридных вычислительных машин (ГВМ).”

Разберу каждую из 3 вышенаписанных машин и сделаю выводы.

2 Основная часть

Параграф 1 АВМ

Итак, прежде чем рассматривать назначение и применение той или иной машины, нужно понять собственно, что это такое.

Итак, АВМ –это аналоговая вычислительная машина, в которой каждому мгновенному значению переменной величины, участвующей в исходных соотношениях, ставится в соответствие мгновенное значение другой (машинной) величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции над машинными величинами, как правило, соответствует некоторый физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе решающего элемента (например, законы Ома и Кирхгофа для электрических цепей, выражение для эффекта Холла, лоренцовой силы и т. д.). Пример АВМ (Рисунок 1)

Рисунок 1

  Особенности представления исходных величин и построения отдельных решающих элементов в значительной мере предопределяют сравнительно большую скорость работы АВМ, простоту программирования и набора задач, ограничивая, однако, область применения и точность получаемого результата. АВМ отличается также малой универсальностью (алгоритмическая ограниченность) — при переходе от решения задач одного класса к другому требуется изменять структуру машины и число решающих элементов.

Итак, узнав, что такое АВМ, стоит посмотреть для чего эта машина придумана и где она, используется.

АВМ в основном применяется при решении следующих задач. Контроль и управление. В системах автоматического управления АВМ пользуются, как правило, для определения или формирования закона управления, для вычисления сводных параметров процесса (кпд, мощность, производительность и др.). Если задано математическое выражение, определяющее связь сводного параметра или управляющего воздействия с координатами объекта, АВМ служат для решения соответствующего уравнения. Результат вычислений поступает либо на исполнительный механизм (замкнутая система), либо к оператору. В последнем случае АВМ работает как информационное устройство. Например, АВМ широко распространены для оценки экономической эффективности энергетических систем, и те же АВМ могут управлять исполнительными механизмами, т. е. служить автоматическими регуляторами. Когда закон управления заранее не определён, а заданы лишь некоторый критерий оптимальности и граничные условия, АВМ применяются в системах поиска оптимального управления и служат математической моделью объекта.

  Опережающий анализ, основанный на быстродействии. Многократно решая систему уравнений, описывающих управляемый процесс, учитывая его текущие характеристики, АВМ за короткое время «просматривает» большое число вариантов решений, отличающихся значениями параметров, подлежащих изменению при управлении процессом. Намного опережая ход процесса, АВМ прогнозирует сигналы управления, которые могут обеспечить необходимое качество протекания процесса. Найденные машиной значения передаются на регулирующие устройства, например, в виде положений их уставок, после чего поиск наилучшего варианта продолжается. В режиме опережающего анализа АВМ выполняют функции либо машин-советчиков, когда оператор пользуется результатами полученных на машине расчётов для ручного или полуавтоматического управления, либо управляющих машин, автоматически учитывающих текущие характеристики процесса и управляющих им по оптимальным показателям. Выбор наилучшего режима технологического процесса осуществляется также самонастраивающимися математическими машинами в режиме опережающего анализа.

  Экспериментальное исследование поведения системы с аппаратурой управления или регулирования в лабораторных условиях. С помощью АВМ воспроизводится та часть системы, которая по каким-либо причинам не может быть воспроизведена в лабораторных условиях. Связь АВМ с аппаратурой управления или регулирования в основном осуществляется преобразующими устройствами, в которых машинные переменные изменяются по масштабу и форме представления.

В зависимости от физической природы машинных величин различают механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электронные АВМ. Наиболее распространены электронные АВМ, отличающиеся значительно более широкой полосой пропускания, удобством сопряжения нескольких машин между собой и с элементами аппаратуры управления. Эти машины собираются из готовых радиотехнических узлов и полуфабрикатов. Решающие элементы АВМ строятся в основном на базе многокаскадных электронных усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии и глубокой отрицательной обратной связью. В зависимости от структуры и характера входной цепи и цепи обратной связи операционный усилитель выполняет линейную или нелинейную математическую операцию или комбинацию этих операций.

Аналоговые электронные компьютеры основываются на задании физических характеристик их составляющих. Обычно это делается методом включения-исключения некоторых элементов из цепей, которые соединяют эти элементы проводами, и изменением параметров переменных сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей в цепях.

Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового компьютера, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить необходимый конечный коэффициент передачи.

До появления мощной и надёжной цифровой аппаратуры аналоговые вычислители широко применялись в авиационной и ракетной технике, для оперативной обработки различной информации и последующего формирования сигналов управления в автопилотах и различных более сложных системах автоматического управления полётом, или другими специализированными процессами.

Помимо технических применений (автоматические трансмиссии, музыкальные синтезаторы), аналоговые компьютеры используются для решения специфических вычислительных задач практического характера. Например, кулачковый механический аналоговый компьютер, изображённый на фото, применялся в паровозостроении для аппроксимации кривых 4 порядка с помощью преобразований Фурье.

Механические компьютеры использовались в первых космических полётах и выводили информацию с помощью смещения индикатора поверхностей. С первого пилотируемого космического полета до 2002 года, каждый пилотируемый советский и российский космический корабль из серий Восток, Восход и Союз был оснащен компьютером

“Глобус”, показывающим движение Земли через смещение миниатюрной копии земного шара и данные о широте и долготе.

В военной технике исторически выработалось ещё одно название аналоговых вычислительных устройств для управления огнём артиллерии, высотного бомбометания и других военных задач, требующих сложных вычислений — это счётно-решающий прибор. Примером может служить прибор управления зенитным огнём.

Аналоговая техника интересна для военных двумя чертами: она крайне быстра, и в условиях помех работоспособность машины восстановится, как только помеха пропадёт.

Сейчас аналоговые компьютеры уступили своё место цифровым технологиям, системам автоматики и обработки сигналов на основе некоторых микросхем FPGA для «смешанных» цифровых и аналоговых сигналов.

Параграф 2 ЦВМ

Рассмотрев, что такое АВМ, стоит прейти к следующий машине, а точнее к ЦВМ. Всё так же сначала надо дать определение, а после посмотреть, где она применяется и для чего была создана.

Итак, ЦВМ - это  вычислительная машина, преобразующая величины, представленные в виде набора цифр (чисел). Простейшие преобразования чисел, известные с древнейших времён, — это арифметические действия (сложение и вычитание). Но арифметические операции — лишь частный случай преобразований величин, заданных в цифровой форме, и в современных ЦВМ они составляют лишь небольшую часть всего набора операций, которые машина выполняет над числами. (Пример ЦВМ рисунок 2)

Рисунок 2

Информация в ЦВМ (буквы, цифры, спец. знаки) представляется в большинстве случаев в двоично кодированном виде, а числа — в двоичной системе счисления. Это связано прежде всего с наличием надежных, экономичных и быстродействующих элементов с двумя устойчивыми состояниями. Кроме того, в двоичной системе счисления технически просто реализуется выполнение операций. В устройствах ввода — вывода информации используется двоично-восьмеричная, двоично-десятичная и др. системы счисления. В некоторых ЦВМ {напр., «МИР») двоично-десятичная система применяется в качестве основной при выполнении арифм. операций. Единицей информации, с которой оперирует машина, в ЦВМ является машинное слово. Им может быть команда, число или группа буквенно-цифровых знаков. Число двоичных разрядов, отводимых под машинное слово, обычно составляет несколько десятков разрядов. В некоторых машинах длина слова является переменной и измеряется числом байтов (8 двоичных разрядов).

В ЦВМ используются две формы представления двоичных чисел: с фиксированной и с плавающей запятой. Представление чисел в форме с фиксированной запятой позволяет при простой структуре АУ получить высокое быстродействие ЦВМ. Однако для ЦВМ с фиксированной запятой усложняется процесс программирования в связи с необходимостью введения масштабных коэффициентов для исключения возможности перевыполнения разрядной сетки. Применение чисел в форме с плавающей запятой увеличивает время выполнения арифм. операций и усложняет АУ, но программирование в этом случае значительно проще ввиду того, что, как правило, нет процедуры масштабирования.

Каждая ЦВМ выполняет определенный набор операций. Система операций ЦВМ должна быть, как правило, алгоритмически полной и обеспечивать простое и экономное программирование. Операции, выполняемые ЦВМ, условно разделяются на арифметические, логические, операции управления, ввода — вывода и др. Обычно в ЦВМ используется от нескольких десятков до нескольких сотен различных операций в соответствии с выбранной команд системой.

По назначению ЦВМ делят на вычисл. машины общего назначения (универсальные) и специализированные. Первые предназначены для решения широкого класса задач, они имеют разветвленную систему операций, иерархическую структуру ЗУ и развитую систему ввода — вывода информации. Специализированные ЦВМ предназначены для решения узкого круга задач. Характеристики специализированных ЦВМ и их структура определяются спецификой решаемых задач и поэтому эти ЦВМ решают такие задачи более эффективно, чем машины общего назначения. Специализированные ЦВМ широко применяются в качестве основного звена автоматизированных систем управления (АСУ) и обеспечивают управление по заданным алгоритмам различными объектами и процессами (см. Управляющая вычислительная машина, Специализированная вычислительная машина).

Параграф 3 ГВМ

Итак, узнав, что такое АВМ и ГВМ, осталось рассмотреть, что такое ГВМ? Как и с предыдущими машинами сначала стоит дать определение, а после разобрать, где ГВМ применяется и для чего была создана. Итак, ГВМ(Гибридная вычислительная машина) – это, аналого-цифровая вычислительная машина, комбинированная вычислительная машина, комбинированный комплекс из нескольких электронных вычислительных машин, использующих различное представление величин (аналоговое и цифровое) и объединённых единой системой управления. В состав Г. в. с., кроме аналоговых и цифровых машин (АВМ и ЦВМ) и системы управления, обычно входят преобразователи представления величин, устройства внутрисистемной связи и периферийное оборудование. В состав г. в. с. — комплекс ЭВМ, в этом её главное отличие от гибридной вычислительной машины, названной так потому, что она строится на гибридных решающих элементах, либо с использованием аналоговых и цифровых элементов. (Пример ГВМ рисунок 3)

Рисунок 3

Расчленение вычислительного процесса в ходе решения задачи на отдельные операции, выполняемые АВМ и ЦВМ в комплексе, уменьшает объём вычислительных операций, возлагаемых на ЦВМ, что при прочих равных условиях существенно повышает общее быстродействие Г. в. с.

  Различают аналого-ориентированные, цифро-ориентированные и сбалансированные Г. в. с. В системах первого типа ЦВМ используется как дополнительное внешнее устройство к АВМ, предназначенное для образования сложных нелинейных зависимостей, запоминания полученных результатов и для осуществления программного управления АВМ. В системах второго типа АВМ используется как дополнительное внешнее устройство ЦВМ, предназначенное для моделирования элементов реальной аппаратуры, многократного выполнения небольших подпрограмм.

  Создание эффективных гибридных комплексов требует в первую очередь уточнения основных областей их применения и детального анализа типичных задач из этих областей. В результате этого устанавливают рациональную структуру гибридного комплекса и формируют требования к его отдельным частям.

Задачи, которые эффективно решаются на Г. в. с., можно разбить на следующие основные группы: моделирование в реальном масштабе времени автоматических систем управления, содержащих как аналоговые, так и цифровые устройства; воспроизведение в реальном масштабе времени процессов, содержащих высокочастотные составляющие и переменные, изменяющиеся в широком диапазоне; статистическое моделирование; моделирование биологических систем; решение уравнений в частных производных; оптимизация систем управления.

  Примером задачи первой группы может служить моделирование системы управления прокатного стана. Динамика процессов в нём воспроизводится на аналоговой машине, а специализированная управляющая станом машина моделируется на универсальной ЦВМ среднего класса. Вследствие кратковременности переходных процессов в приводах прокатных станов, полное моделирование таких процессов в реальном масштабе времени потребовало бы применения сверхбыстродействующих ЦВМ. Аналогичные задачи часто встречаются в системах управления военными объектами.

  Типичными для второй группы являются задачи управления движущимися объектами, в т. ч. и задачи самонаведения, а также задачи, возникающие при создании вычислительной части комплексных тренажеров. Для задач самонаведения характерно формирование траектории движения в процессе самого движения. Большая скорость изменения некоторых параметров при приближении объекта к цели требует высокого быстродействия управляющей системы, превышающего возможности современных ЦВМ, а большой динамический диапазон — высокой точности, трудно достижимой на АВМ. При решении этой задачи на Г. в. с. целесообразно возложить воспроизводство уравнений движения вокруг центра тяжести на аналоговую часть, а движение центра тяжести и кинематические соотношения — на цифровую часть вычислительной системы.

  К третьей группе относятся задачи, решение которых получается в результате обработки многих реализаций случайного процесса, например, решение многомерных уравнений в частных производных методом Монте-Карло, решение задач стохастического программирования, нахождение экстремума функций многих переменных. Многократная реализация случайного процесса возлагается на быстродействующую АВМ, работающую в режиме многократного повторения решения, а обработка результатов, воспроизводство функций на границах области, вычисление функционалов — на ЦВМ. Кроме того, ЦВМ определяет момент окончания счёта. Применение Г. в. с. сокращает время решения задач этого вида на несколько порядков по сравнению с применением только цифровой машины.

  Аналогичный эффект достигается при использовании Г. в. с. для моделирования процессов распространения возбуждения в биологических системах. Специфика этого процесса заключается в том, что даже в простейших случаях требуется воспроизводить сложную нелинейную систему уравнений в частных производных.

  Поиск решения задачи оптимального управления для объектов выше третьего порядка обычно связан с большими, часто непреодолимыми, трудностями. Ещё больше они возрастают, если необходимо отыскать оптимальное управление в процессе работы системы. Г. в. с. в значительной степени помогают устранить эти трудности и использовать такие сложные в вычислительном отношении методы, как принцип максимума Понтрягина.

  Применение Г. в. с. эффективно также при решении нелинейных уравнений в частных производных. При этом могут решаться как задачи анализа, так и задачи идентификации и оптимизации объектов. Примером задачи оптимизации может служить подбор нелинейности теплопроводного материала для заданного распределения температур; определение геометрии летательных аппаратов для получения требуемых аэродинамических характеристик; распределение толщины испаряющегося слоя, предохраняющего космические корабли от перегрева при входе в плотные слои атмосферы; разработка оптимальной системы подогрева летательных аппаратов с целью предохранения их от обледенения при минимальной затрате энергии на подогрев; расчёт сети ирригационных каналов и установление оптимальных расходов в них и т.п. При решении этих задач ЦВМ соединяется с сеточной моделью, многократно используемой в процессе решения.

3 Заключение

Итак, рассмотрев все три машины, стоит сделать определённый вывод.

Все эти машины, несмотря на то, что были созданы для разных задач, были созданы для упрощения, работы человека. С развитием эти машины имели разные виды, но смысл в них не менялся. Хоть большинство из них может уже и устарело, но всё ещё вполне могут использоваться.

Список источников

1. Kriloff A., Sur un intégrateur des équations différentielles ordinaires, «Изв. Академии наук», 1904, сер. 5, т. 20, №1.

2) Гутенмахер Л. И., Электрические модели, М. — Л.

3) М. — Л., 1949; Тарасов В С., Основы теории и конструирование математических машин непрерывного действия, в. 1, Л., 1961;

4) Коган Б. Я., Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования, 2 изд., М., 1963

5) Китов А. И., Криницкий Н. А. Электронные цифровые машины и программирование. М., 1961 [библиогр. с. 567—568];

6) Папернов А. А. Логические основы цифровых машин и программирования. М., 1968 [библиогр. с. 583—585];

7) Современное состояние и особенности развития вычислительной техники за рубежом. К., 1968;

8) К., 1968; Грубов В. П., Кирдан В. С. Электронные вычислительные машины и моделирующие устройства. Справочник. К., 1969 [библиогр. с. 179—181].