Гібридна обчислювальна система

Гібридна обчислювальна система - аналого-цифрова обчислювальна машина, інакше комбінована обчислювальна машина, іншими словами, комбінований комплекс, що складається з декількох електронних обчислювальних машин, що застосовують різне уявлення величин (цифрове та аналогове) і з'єднаних загальною системою управління. До складу гібридної обчислювальної системи, крім цифрових та аналогових машин та системи управління, як правило, входять пристрої внутрішньосистемного зв'язку, перетворювачі подання величин та зовнішнє обладнання. Гібридна обчислювальна система - комплекс ЕОМ, у цьому її основна відмінність від гібридної обчислювальної машини, що отримала таку назву тому, що вона базується на гібридних вирішальних елементах або із застосуванням цифрових та аналогових елементів.

У літературі часто до гібридних обчислювальних систем відносять АВМ з багаторазовим застосуванням вирішальних елементів, оснащені пристроєм, АВМ з цифровим програмним управлінням і АВМ з паралельною логікою. Подібного роду обчислювальні машини, хоч і мають елементи, що застосовуються в ЦВМ, але також зберігають аналоговий спосіб представлення величин і всі специфічні відмінності та властивості АВМ. Поява гібридних обчислювальних систем пояснюється тим, що для вирішення більшості нових завдань, пов'язаних з управлінням об'єктами, що переміщаються, створенням комплексних тренажерів, оптимізацією і моделюванням систем управління та ін, можливості окремо взятих ЦВМ і АВМ є вже недостатніми.

Поділ у ході вирішення завдання обчислювального процесу на окремі операції, які виконуються ЦВМ та АВМ у комплексі, скорочує обсяг обчислювальних операцій, що розв'язуються на ЦВМ, що за інших рівних умов сильно підвищуєзагальна швидкодія гібридних обчислювальних систем.

Існують збалансовані, цифро-орієнтовані та аналого-орієнтовані гібридні обчислювальні системи.

У системах першого виду ЦВМ застосовуються як додатковий зовнішній пристрій до АВМ, який необхідний освіти складних нелінійних залежностей, запам'ятовування підсумкових результатів й у виконання програмного управління АВМ. У системах другого виду АВМ застосовується як додатковий зовнішній пристрій ЦВМ, призначений для моделювання частин реальної апаратури, багаторазового здійснення невеликих підпрограм.

Винахід ефективних гібридних комплексів вимагає насамперед уточнення головних областей їх використання та ретельного аналізу стандартних завдань із даних областей.

У результаті встановлюють доцільну структуру гібридного комплексу та висувають вимоги до його окремих частин.

Завдання, які успішно вирішуються за допомогою гібридних обчислювальних систем, можна розділити на такі основні групи: моделювання автоматичних систем управління в реальному часі, що складаються з цифрових, так і аналогових пристроїв; відтворення в реальному часі дій, які містять високочастотні компоненти та змінні, які змінюються у широкому діапазоні; моделювання біологічних систем; статистичне моделювання; оптимізація систем керування; розв'язання рівнянь у приватних похідних.

Зразком завдання першої групи може бути моделювання системи керування прокатного стану. Динаміка процесів, які у ньому, відтворюється на аналогової машині, але в універсальної ЦВМ середнього класу моделюється спеціалізована керуюча станом машина. Внаслідок нетривалості перехідних процесів у приводахпрокатних станів, загальне моделювання подібних процесів у реальному часі вимагало б використання надшвидких ЦВМ. Подібні завдання часто зустрічаються в системах управління військовими об'єктами.

Стандартними для другої групи є завдання управління об'єктами, що переміщаються, у тому числі і завдання самонаведення, а також завдання, які виникають при створенні обчислювального елемента комплексних тренажерів. Для завдань самонаведення властиво формування траєкторії переміщення безпосередньо у процесі руху. Велика швидкість варіювання деяких параметрів при наближенні предмета до мети потребує високої швидкодії керуючої системи, що перевищує можливості нинішніх ЦВМ, і водночас великий динамічний діапазон вимагає високої точності, що важко досягти на АВМ. При вирішенні такого завдання на гібридних обчислювальних системах доцільно доручити моделювання рівнянь руху навколо центру тяжіння на аналогову частину системи, а рух самого центру ваги та кінематичні параметри – на цифрову частину обчислювальної системи.

До третьої групи можна віднести завдання, розв'язання яких утворюється в результаті обробки багатьох результатів випадкового процесу, наприклад розв'язання багатовимірних рівнянь у похідних приватних за допомогою методу Монте-Карло, знаходження екстремуму функцій декількох змінних, розв'язання задач стохастичного програмування. Багаторазове повторення випадкового процесу доручається швидкодіючій АВМ, яка працює у режимі багаторазового повторення рішення, а обробка підсумків, обчислення функціоналів, відтворення функцій на межах області – на ЦВМ. Крім цього, ЦВМ визначає момент закінчення обчислень. Застосування гібридних обчислювальних систем дозволяє скоротитичас вирішення завдань подібного виду на кілька порядків порівняно з використанням цифрової машини.

Подібний ефект досягається при застосуванні гібридних обчислювальних систем для моделювання процесів поширення дії в біологічних системах.

Особливість цього процесу у тому, що у елементарних випадках необхідно відтворювати складну нелінійну систему рівнянь у приватних похідних.

Пошук розв'язання задачі раціонального управління для завдань вище за третій порядок, як правило, пов'язаний з великими, непереборними перешкодами. Ще сильніше вони проявляються, якщо необхідно знайти оптимальне управління у процесі роботи системи.

Гібридні обчислювальні системи значною мірою сприяють усуненню подібних труднощів та застосуванню таких складних у обчислювальному плані засобів, як принцип максимуму Понтрягіна.

Застосування гібридних обчислювальних систем є ефективним у тому числі при вирішенні нелінійних рівнянь у приватних похідних. При цьому можна вирішувати задачі аналізу, так і задачі оптимізації та ідентифікації об'єктів. Як приклад задачі оптимізації можна навести: підбір нелінійності теплопровідного матеріалу, призначеного для заданого розподілу температур; розподіл товщини шару, що випаровується, який оберігає космічні кораблі від надмірного нагріву при вході в щільні шари атмосфери; розрахунок геометрії літальних апаратів для одержання необхідних аеродинамічних характеристик; винахід оптимальної системи підігріву літальних апаратів для захисту їх від зледеніння при мінімальному використанні енергії на підігрів; розрахунок мережі зрошувальних каналів, визначення оптимальної витрати в них і т.п.багаторазово застосовується у процесі рішення.

Розвиток гібридних обчислювальних систем можливий у двох напрямках: побудова спеціалізованих гібридних обчислювальних систем, які розраховані на вирішення тільки якогось одного класу задач, та побудова всеохоплюючих гібридних обчислювальних систем, що дозволяють вирішувати досить широкий клас задач. Структура подібного універсального гібридного комплексу складається з АВМ одноразової дії, сіткової моделі, АВМ із повторенням рішення, спеціального обладнання, призначеного для вирішення задач статистичного моделювання, пристроїв зв'язку між машинами та периферійного обладнання. Крім стандартного математичного забезпечення ЕОМ, що входять до комплекту, у гібридних обчислювальних системах необхідно використовувати спеціальні програми, які обслуговують систему зв'язку машин та автоматизують процес постановки та підготовки завдань на АВМ, а також універсальну мову програмування для комплекту загалом.

Паралельно з новими обчислювальними можливостями у гібридних обчислювальних системах з'являються специфічні особливості, наприклад, виникають похибки, які в окремих ЕОМ відсутні. Першоджерелами похибок можуть бути тимчасова затримка аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналогового перетворювача та ЦВМ; помилка від неодночасної подачі аналогових сигналів на аналого-цифровий перетворювач та неодночасної видачі цифрових сигналів на цифро-аналоговий перетворювач; помилка округлення в цифро-аналоговому та аналогоцифровому перетворювачах; помилки, пов'язані з дискретним характером отримання результатів із виходу ЦВМ. При незалежній роботі ЦВМ із перетворювачами тимчасова затримка не дає похибки, а в гібридних обчислювальних системах вона не тількиможе дати суттєві похибки, а й дезорганізувати працездатність усієї системи.

Аналіз похибок гібридних обчислювальних систем має значення і для оцінки, при вирішенні конкретного класу завдань, похибки роботи комплексу, та для винаходу методів підвищення ефективності та точності системи.

Первинні похибки незалежно працюючих ЦВМ і АВМ, які входять до складу гібридних обчислювальних систем, досить непогано вивчені, проте оцінка похибки під час вирішення питань з допомогою гібридного комплексу нелінійних завдань є ще невирішену проблему.