Hibrid számítógép , hibrid számítógép , analóg-digitális rendszer - a hibrid számítástechnikai rendszer (HCS) egy típusa, amely az analóg és digitális számítástechnikai eszközök tulajdonságait ötvözi [1] .
A hibrid számítástechnikai rendszerek megjelenése azzal függött össze, hogy sem az analóg, sem a digitális módszerek nem voltak elegendőek a komplex rendszerek modellezése során felmerülő számos mérnöki probléma megoldására.
Ezek a feladatok a következők voltak:
A megfelelő korszak digitális gépei[ mikor? ] nem volt elegendő sebessége a kialakuló adattömbök valós idejű feldolgozásához, és az analóg gépek nem tették lehetővé a szimulált helyzetek teljes lehetséges változatának elérését.
Ezért megoldást találtunk arra, hogy a számítási folyamatot több műveleti osztályra bontsuk, majd a legbonyolultabb funkcionális jelfeldolgozást a rendszer analóg moduljaihoz rendeljük, míg a döntéshozatali algoritmusokat, forgatókönyveket, valamint a kezdeti és végső feltételek beállítását. digitális modulokhoz rendelve.
Mindez lehetővé tette a használt digitális számítógépek számítási teljesítményének csökkentését és az így létrejövő hibrid rendszerek sebességének növelését.
Egy hibrid számítástechnikai rendszerben az egyes számítógéptípusokban rejlő számos hátrányt külön-külön kiküszöböltek, és az olyan előnyöket kombinálják, mint [1] [2] :
A GVM analóg és digitális csomópontjainak interakciójához speciális átalakító eszközöket használnak, különösen egy analóg-digitális átalakítót (ADC) és egy digitális-analóg átalakítót (DAC), vezérelt erősítőket, kapcsolókat stb. [2]
A hibrid számítástechnikai rendszerek a következő elemekből épülnek fel:
Hatékony hibrid komplexum csak a témakör alapos tanulmányozása, az összes alkalmazási jellemző tisztázása és a tipikus feladatok részletes elemzése eredményeként jöhet létre. Ezért alapvetően helytelen hibrid számítástechnikai rendszerek egyetlen architektúrájáról beszélni.
A hibrid számítógépek, az analóg számítógépekhez hasonlóan, két fő csoportra oszthatók:
Léteznek analóg-orientált, digitális-orientált és kiegyensúlyozott hibrid számítástechnikai rendszerek is.
A hibrid rendszerek hatékonyan oldják meg a következő fő feladatcsoportokat:
Az első csoport egyik jellemző feladata egy hengermű vezérlőrendszerének modellezése. Ebben az esetben az analóg számítógép reprodukálja magában a malomban a folyamatok dinamikáját, a vezérlőgépet pedig egy általános célú számítógép modellezi speciális programmal. A malomhajtásokban a tranziens folyamatok rövid időtartama és a nagyszámú mennyiség összekapcsolása, amikor ezeket teljes egészében valós idejű számítógépen próbálják szimulálni, ultra-nagy sebességű számítógépek használatát igényelné, míg a modellezés pontossága a legkritikusabb. , a gyors folyamatokat elsősorban a diszkretizálási hibák határoznák meg.
Ez a feladatcsoport katonai létesítmények, például légvédelmi rendszerek vagy katonai alakulatok irányítására jellemző.
A második csoport a feladatok két alcsoportját tartalmazza:
Homing missionsJellemzőjük, hogy a mozgás pályája magában a mozgás folyamatában alakul ki az irányítás és a külső hatások hatására. Ahogy az objektum közeledik a célhoz, egyes paraméterek változási sebessége olyan nagyra nő, hogy a tisztán digitális megoldások használata rendkívül nagy sebességet igényel, és a tisztán analóg megoldás nem képes lefedni a mért értékek nagy dinamikus tartományát . elfogadható pontossággal. Ezenkívül egy analóg gép nem tud megfelelően feldolgozni semmilyen " határhelyzetet ".
Ebben az esetben a hibrid rendszer lehetővé teszi, hogy kompenzálja mindkét technológia hiányosságait, és „kikerüljön” az abnormális körülményekből.
Komplex szimulátorokA komplex szimulátorok számítási részének felépítése megmutatta, hogy a modellezés legnagyobb pontosságát akkor érjük el, ha a tömegközéppont körüli mozgásegyenleteket az analóg részhez rendeljük, és a digitális gép a tömegközéppont mozgásával foglalkozik. tér és minden kinematikai reláció.
Ebbe a csoportba általában olyan feladatok tartoznak, amelyeket egy véletlenszerű folyamat többszöri megvalósításának eredményeinek feldolgozásával oldanak meg.
Példák:
A véletlenszerű folyamat analóg géppel történő megvalósítása egyrészt nem igényli az energiaköltségek arányos növekedését a sebesség növekedésével, másrészt lehetővé teszi (a digitális algoritmusokkal ellentétben ) a generált sorozatok megismételhetőségének csökkentését, különösen, ha nagyon hosszúak.
Ebben az esetben egy nagysebességű AVM a megoldás többszöri ismétlésének módjában működik, és a kimenetein kapott eredmények feldolgozása, a peremfeltételek feldolgozása és a funkcionális számítások a számítógéphez vannak rendelve. Ráadásul a digitális számítógép az, amelyik meghatározza a kritériumokat, és ezek alapján határozza meg a számítás végét.
A hibrid megoldások a tisztán digitális algoritmusokhoz képest több nagyságrenddel csökkentik az ilyen jellegű problémák megoldásának idejét, és esetenként jelentős költségek nélkül növelik a kapott eredmények megbízhatóságát.
Hatékonyságban hasonló eredményeket érünk el, ha hibrid rendszerek vizsgálják a gerjesztés terjedési folyamatait biológiai rendszerekben. Az ilyen típusú problémák sajátossága, még a legegyszerűbb változatukban is, egy ilyen környezet modellezése egy komplex nemlineáris egyenletrendszer parciális deriváltokban való felépítéséből áll.
Az optimális szabályozási problémák megoldása harmadrendűnél magasabb objektumokra alkalmazva alapvető nehézségekbe ütközik.
A modellezés és a megoldás megszerzésének bonyolultsága különösen megnő, ha futó rendszeren kell az optimális szabályozást keresni.
A hibrid számítástechnikai rendszerek teszik lehetővé e nehézségek kiküszöbölését vagy legalább minimalizálását. Ehhez a GVM segítségével olyan módszereket valósítanak meg, mint a Pontryagin maximum elv , amelyek számításilag rendkívül összetettek.
A GVM-eket hatékonyan használják olyan feladatokban is, ahol a fő dolog nemlineáris parciális differenciálegyenletek felépítése és megoldása.
Ezek lehetnek elemzési és optimalizálási és azonosítási problémák egyaránt.
Példák optimalizálási problémákra:
Ezeknek a problémáknak a megoldása során a digitális számítógép a grid modellhez csatlakozik, amelyet a megoldási folyamat során többször is használnak.
A mikroprocesszorok számítási teljesítményének több nagyságrendű növekedése, a digitális berendezések miniatürizálása csökkentette a hibrid rendszerek kiépítésének szükségességét a legtöbb leírt feladathoz, és jelenleg hibrid megoldások alkalmazhatók:
Az Extrema asztali hibrid számítástechnikai rendszerek családja. Sebességében és beállítási módjában ennek a családnak a gépei közel állnak az analóg számítógépekhez . A legújabb modellek analóg processzorra épültek, további rendszerekkel a változók kezdeti értékeinek beállítására. A számítási folyamat vezérlésére vizuális megjelenítő eszközt, valamint a probléma körülményeinek mérésére és vezérlésére, idő- és órajelek generálására szolgáló eszközt használtak. Nemlineáris algebrai és transzcendentális egyenletrendszerek, véges egyenlőtlenségrendszerek, közönséges és nemlineáris differenciálegyenletrendszerek adott kezdeti feltételekkel történő megoldására, számos változó függvény maximumának és minimumának koordinátáinak megtalálására különféle korlátokkal, nemlineáris programozásra használták őket. problémák stb. [1] A legújabb modellek főbb jellemzői:
A "munkamegosztás" előnyei mellett a hibrid számítástechnikai rendszereknek megvannak a maguk tervezési kihívásai, amelyek nem találhatók meg a digitális és az analóg hardverben.
A fő probléma a diszkretizálási hibák:
Mivel a hibrid rendszerekben több kétirányú kommunikáció van az analóg és a digitális részek között, a szoftveres feldolgozás által bevezetett változó mértékű késleltetés nemlineáris visszacsatoláshoz vezethet, amelyet a modell nem kíván. ADC és DAC konverterekkel ellátott digitális számítógéppel végzett munka során ez nem okoz olyan jelentős problémákat, de egy hibrid számítástechnikai rendszerben ez a stabilitás elvesztéséhez és a teljes rendszer teljesítményének megzavarásához vezethet.
Egy adott komplexum hibájának becsléséhez a berendezés elsődleges hibáinak és a transzformációk által bevezetett másodlagos hibáknak rendkívül összetett elemzésére van szükség. E nélkül lehetetlen pontos számítástechnikai rendszereket fejleszteni.
Annak ellenére, hogy az AVM és a digitális számítógép elsődleges hibáit, amelyekből a hibrid rendszerek épülnek, meglehetősen jól tanulmányozták, a nemlineáris problémák hibrid komplexum segítségével történő megoldásában a hiba becslésének problémája még nem megoldott.
A szakirodalomban vannak olyan esetek, amikor hibásan hozzárendelnek olyan analóg számítógépek hibrid számítástechnikai rendszeréhez, amelyek különálló diszkrét logikai elemekkel rendelkeznek:
Meg kell jegyezni, hogy az ilyen számítógépek megtartják az analóg megjelenítést főként, és a digitális elemek csak segédfunkciókat hordoznak.
| Számítógépes órák | |
|---|---|
| Feladatok szerint | |
| Az adatok bemutatásával | |
| Számrendszer szerint | |
| Munkakörnyezet szerint | |
| Bejelentkezés alapján | |
| Szuperszámítógépek | |
| Kicsi és mobil | |