Неалгоритмические методы цифрового моделирования (стр. 2 )

Учитывая то, что создание названных проблемно-ориентированных ГВМ требует существенных дополнительных затрат, при построении технических средств САПР чаще используется более простой способ их организации путем объединения в вычислительный комплекс серийно производимых ЦВМ общего назначения и электронных аналоговых вычислительных машин (АВМ), построенных на операционных усилителях. ЦВМ и АВМ объединяются с помощью типового устройства преобразования и сопряжения (УПС), состоящего в основном из АЦП и ЦАП. Сложная решаемая задача рационально распределяется на 2 части между аналоговыми и цифровыми процессорами при программировании комплекса. Причем аналоговая часть чаще всего проблемно ориентируется на решение дифференциальных уравнений и используется в общем вычислительном процессе как быстрая подпрограмма.

2.3 Архитектура гибридных вычислительных комплексов (ГВК).

2.3.1. структура аналого-цифрового вычислительного комплекса (АЦВК)

ГВК или АЦВК – это вычислительный комплекс, состоящий из ЦВМ и АВМ общего назначения, объединенных с помощью УПС, и содержащей в цифровой части дополнительное программное обеспечение для автоматизации программирования аналоговой части, управления обменом информацией между аналоговой и цифровой частями, конотроля и тестирования аналоговой части, автоматизации процедур ввода-вывода.

Рассмотрим структурную схему АЦВК с простейшим УПС, построенном на одноканальных коммутируемых АЦП и ЦАП. Для создания предпосылок автоматизации программирования АВМ под управлением ЦВМ в составе технических средств АВМ вводятся следующие дополнительные блоки:

1.  Вручную регулируемые переменные сопротивления (потенциометры) на входах операционных усилителей в наборе операционных блоков (НОБ), известные Вам из лабораторных работ по ТАУ, заменяются на цифроуправляемые сопротивления (ЦУС), в качестве которых используются интегральные схемы ЦАП;

2. 

Для долговременного хранения кодов настройки ЦУС применяется блок буферных регистров (БФР), загружаемых при программировании АВМ цифровыми кодами коэффициентов передачи (КП) операционных блоков, вычисляемыми в ЦВМ по методике, изложенной в пункте 2.1; используя масштабные уравнения аналоговой модели;

3.  Автоматическое соединение операционных блоков в соответствии с составленной в ЦВМ схемой аналоговой модели (п. 2.1) осуществляется схемой автоматической коммутации (САК) по двоичному вектору коммутации ключей САК, образованному в ЦВМ и хранящемуся в течении решения задачи в регистре настроечной информации (РН) в УПС.

Режимы работы АВМ: подготовка, пуск, останов, возврат в начальное состояние, вывод резудьтатов на аналоговые периферийные устройства (самописцы, двухкоординатные планшетные регистрирующие приборы – ДРП) задаются со стороны ЦВМ через блок управления УПС (БУ УПС).

БУ УПС осуществляет также взаимную синхронизацию работы ЦВМ и АВМ : передает сигналы внешнего прерывания из аналоговой модели в цифровые программы ЦВМ, под управлением программ цифровой части синхронизует опрос точек в аналоговой модели, преобразование напряжений в этих точках в цифровые коды и передачу последних через БСК и канал ввода–вывода в оператиыную память ЦВМ; или аналогично обратное преобразование цифровых кодов в электрические напряжения и подачу последних в требуемые точки на входы операционных блоков аналоговой модели. Такой принцип функциональной организации взаимодействия цифровой и аналоговой частей аппаратно поддерживаемо блоками УПС : АЦП и ЦАП, АМ и АДМ – аналоговыми мультиплексором и демультиплексором, МЛ – входным и выходным блоками аналоговой памяти, построенными на множестве однотипных схем выборки хранения (СВХ). Входы входных СВХ (слева) подключаются к требуемым точкам схемы аналоговой модели (выходам соответствующих операционных блоков). В необходимые дискретные моменты времени под управлением ЦВМ с аналоговой модели снимаются отдельные выборочные ординаты аналоговых сигналов (электрических напряжений) и запоминаются в СВХ. Затем выходы СВХ опрашиваются мультиплексором АМ и их выходные напряжения преобразуются в АЦП в цифровые коды, которые в режиме прямого доступа как блок чисел (линейный массив) записываются в ОП ЦВМ.

При обратном преобразовании выходы СВХ второй группы выходной аналоговой памяти МЛ (справа) подключаются под управлением ЦВМ к требуемым входам операционных блоков аналоговой модели, а входы СВХ – к выходам аналогового демультиплексора, на вход которого подается выходное напряжение ЦАП. В режиме прямого доступа из ОП ЦВМ считывается блок чисел. Каждое из чисел преобразуется в ЦАП в электрическое напряжение, которое под управлением ЦВМ с помощью обегающего АДМ записывается на хранение в одну из СВХ. Полученный набор нескольких напряжений хранится в нескольких СВХ в течение заданного по программе ЦВМ интервала времени (например, во время решения задачи в аналоговой части) и обрабатывается аналоговыми операционными блоками.

2.3.2. Методы организации аналого –

цифровых вычислений.

Принцип чередования режимов работы ЦВМ и АВМ, снижающий сложность УПС.

АЦВК применяются для аналого – цифрового моделирования сложгых систем автоматизации, содержащих управляющие ЦВМ, а также для ускорения решения сложных математических задач, требующих чрезмерного расхода ресурсов памяти и машинного времени ЦВМ. В первом случае на ЦВМ программно имитируются алгоритмы управления, а в АВМ программируется аналоговая математическая модель объекта управления, и АЦВК используется как комплекс для отладки и верификации алгоритмов управления с учетом нелинейности и динамики объекта управления, которые очень трудно учесть при разработке алгоритмов, если при этом постоянно не решать дифференциальные уравнения объекта для определения его реакции на каждое новое управляющее воздействие.

Во втором случае, например, при решении дифференциальных уравнений, общую громоздкую задачу приближенных вычислений разбивают на две части, помещая обычно в аналоговую часть вычислительно емкие расчеты для которых допустима погрешность 0.1…1%.

По принципу названного разделения задачи на две части и способу организации взаимодействия между АВМ и ЦВМ современные АЦВК подразделяются по 4 классам аналого–цифровых вычислений

 

Классы 1,2,3 могут быть реализованы на основе рассмотренной структурной организации АЦВК с упрощенным УПС, построенном наодноканальных АЦП и ЦАП.

Класс 1 наиболее простой по организации взаимодействия между АВМ и ЦВМ. Цифровая и аналоговая части работают в разное время, и поэтому не предъявляется высоких требований к синхронизации работы АВМ и ЦВМ и быстродействию ЦВМ и УПС.

Класс 2 требует особой организации чередования режимов работы АВМ, ЦВМ и УПС в каждом цикле вычислений и взаимодействия

Цикл	1	2	3
Фаза	А	В	А	В	– // –
АЧ	Вычисление	Останов.	Вычисл	Останов.	– // –
УПС	–	Передача данных	–	Передача данных	– // –
ЦЧ	Прерывание	Вычисление	Прерывание	Вычисление	– // –

Так как АЧ и ЦЧ одновременно не работают, нет проблем с их синхронизацией и не предъявляется высоких требований к быстродействию УПС и ЦВМ. Классы решаемых задач: оптимизация параметров аналоговой модели, параметрическая идентификация, моделирование случайных процессов методом Монте–Карло, аналого–цифровое моделирование САУ не в реальном масштабе времени, интегральные уравнения.

Класс 3 требует другой организации чередования режимов работы АВМ, ЦВМ и УПС.

Цикл	1	2	3
Фаза	А	В	А	В	– // –
АЧ	Вычисление	Останов.	Вычисл	Останов.	– // –
УПС	–	Передача данных	–	Передача данных	– // –
ЦЧ	Вычисление	Прерывание	Вычисление	Прерывание	– // –

В фазе А в АЧ и ЦЧ одновременно выполняются 2 частные задачи одной сложной задачи, совместимые по времени. В ЦЧ в фазе В чаще всего принимаются из АЧ и запоминаются дискретные величины аргументов функций, затем в фазе А по ним вычисляются, заготавливаются для АЧ, ординаты сложных функций, которые в следующей фазе В передаются в АЧ, где заносятся на хранение в аналоговые ЗУ (СВХ), а затем используются в следующей фазе А в аналоговых вычислениях, и т. д. Классы решаемых задач: итеративные вычисления, решение обыкновенных дифуров с заданными граничными условиями, динамических задач с чистым запаздыванием аргументов, интегральных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных. В классе 3 не предъявляется высоких ьребований к быстродействию ЦВМ и УПС, но требуется точная синхронизация работы АВМ и ЦВМ в фазе В, так как из–за останова цифрового процессора асинхронное управление передачи данных невозможно, а осуществляется синхронная передача блоков данных под управление контроллера прямого доступа в память (КПДП) через канал ввода–вывода ЦВМ.

Класс 4 – это чаще всего аналого–цифровое моделирование цифровых САУ в реальном масштабе времени для проверки и отладки программ управляющей ЦВМ в динамике. Он наиболее сложен по организации взаимодействия и синхронизации работы АВМ и ЦВМ, тпк как здесь фазы А и В совмещены, происходит постоянный взаимный обмен данными в процессе вычислений, и поэтому требуется применение ЦВМ и УПС максимального быстродействия.