Hybriditietokone , hybriditietokone , analoginen-digitaalinen järjestelmä - eräänlainen hybridilaskentajärjestelmä (HCS), joka yhdistää analogisten ja digitaalisten laskentalaitteiden ominaisuudet [1] .
Hybridilaskentajärjestelmien syntyminen liittyi siihen, että analogiset tai digitaaliset menetelmät eivät riittäneet moniin monimutkaisten järjestelmien mallintamiseen liittyviin suunnitteluongelmiin.
Nämä tehtävät olivat:
Vastaavan aikakauden digitaaliset koneet[ milloin? ] ei riittänyt käsittelemään uusia tietoryhmiä reaaliajassa, eivätkä analogiset koneet mahdollistaneet kaikkia mahdollisia simuloituja tilanteita.
Siksi löydettiin ratkaisu jakaa laskentaprosessi useisiin operaatioluokkiin, minkä jälkeen monimutkaisin toiminnallinen signaalinkäsittely osoitetaan järjestelmän analogisille moduuleille, kun taas päätöksentekoalgoritmit, skenaariot sekä alku- ja loppuehdot asetetaan. kohdistettu digitaalisille moduuleille.
Kaikki tämä mahdollisti käytettyjen digitaalisten tietokoneiden laskentatehon kustannusten alentamisen ja syntyneiden hybridijärjestelmien nopeuden lisäämisen.
Hybridilaskentajärjestelmässä monet jokaiselle tietokonetyypille ominaisista haitoista on eliminoitu erikseen, ja edut, kuten [1] [2] , yhdistetään :
GVM :n analogisten ja digitaalisten solmujen vuorovaikutukseen käytetään erityisiä muunnoslaitteita, erityisesti analogia-digitaalimuunninta (ADC) ja digitaali-analogiamuunninta (DAC), ohjattuja vahvistimia, kytkimiä jne. [2]
Hybridilaskentajärjestelmät rakennetaan seuraavista elementeistä:
Tehokas hybridikompleksi voidaan luoda vain aihealueen perusteellisen tutkimuksen, kaikkien sovellusten ominaisuuksien selvittämisen ja tyypillisten tehtävien yksityiskohtaisen analyysin tuloksena. Siksi on pohjimmiltaan väärin puhua yhdestä hybridilaskentajärjestelmien arkkitehtuurista.
Hybriditietokoneet, kuten analogiset tietokoneet, voidaan jakaa kahteen pääryhmään:
On myös analogisia, digitaalisia ja tasapainotettuja hybridilaskentajärjestelmiä.
Hybridijärjestelmät ratkaisevat tehokkaasti seuraavat päätehtävät:
Yksi ensimmäisen ryhmän tyypillisistä tehtävistä on valssaamon ohjausjärjestelmän mallintaminen. Tällöin analoginen tietokone toistaa itse tehtaan prosessien dynamiikan ja ohjauskoneen mallinnetaan yleistietokoneella erikoisohjelmalla. Tehdaskäyttöjen transienttiprosessien lyhyt kesto ja suuren määrän yhteenliittäminen yritettäessä simuloida niitä kokonaan reaaliaikaisella tietokoneella vaatisi erittäin nopeiden tietokoneiden käyttöä, kun taas kriittisimpien mallien tarkkuus , nopeat prosessit määrittäisivät ensisijaisesti diskretisointivirheet.
Tämä tehtäväluokka on tyypillinen sotilaslaitosten, esimerkiksi ilmapuolustusjärjestelmien tai sotilaskokoonpanojen, ohjaamiseen.
Toinen ryhmä sisältää kaksi alaryhmää tehtäviä:
KotiutustehtävätNiille on ominaista se, että liikkeen rata muodostuu itse liikeprosessissa ohjauksen ja ulkoisten vaikutusten seurauksena. Kohteen lähestyessä kohdetta joidenkin parametrien muutosnopeus kasvaa niin suureksi, että puhtaasti digitaalisten ratkaisujen käyttö vaatii erittäin suurta nopeutta, eikä puhtaasti analoginen ratkaisu pysty kattamaan suurta dynaamista mittausarvojen aluetta . hyväksyttävä tarkkuus. Lisäksi analoginen kone ei pysty käsittelemään oikein mitään " rajatilannetta ".
Tässä tapauksessa hybridijärjestelmän avulla voit kompensoida molempien tekniikoiden puutteet ja "päästä pois" epänormaaleista olosuhteista.
Monimutkaiset simulaattoritMonimutkaisten simulaattoreiden laskennallisen osan rakentaminen osoitti, että mallinnuksen suurin tarkkuus saavutetaan, jos analogiselle osalle osoitetaan liikeyhtälöt painopisteen ympärillä ja digitaalinen kone käsittelee painopisteen liikettä. avaruus ja kaikki kinemaattiset suhteet.
Tämä ryhmä sisältää yleensä tehtäviä, jotka ratkaistaan käsittelemällä satunnaisen prosessin usean toteutuksen tuloksia.
Esimerkkejä:
Satunnaisprosessin toteuttaminen analogisella koneella ei ensinnäkään vaadi energiakustannusten suhteellista kasvua nopeuden kasvaessa, ja toiseksi se mahdollistaa (toisin kuin digitaaliset algoritmit ) vähentää generoitujen sekvenssien toistettavuutta, varsinkin jos ne ovat erittäin pitkiä.
Tässä tapauksessa nopea AVM toimii ratkaisun usean toiston tilassa ja sen lähdöissä saatujen tulosten käsittely, reunaehtojen käsittely ja funktionaalisten toimintojen laskenta kohdistetaan tietokoneelle. Lisäksi digitaalinen tietokone asettaa kriteerit ja päättää niiden perusteella laskennan lopun.
Hybridiratkaisut mahdollistavat tällaisten ongelmien ratkaisemiseen kuluvan ajan lyhentämisen useilla suuruusluokilla puhtaasti digitaalisiin algoritmeihin verrattuna ja joissain tapauksissa lisäävät saatujen tulosten luotettavuutta ilman merkittäviä kustannuksia.
Samanlaisia tuloksia saavutetaan, kun hybridijärjestelmät tutkivat virityksen etenemisprosesseja biologisissa järjestelmissä. Tämän tyyppisten ongelmien spesifisyys, jopa niiden yksinkertaisimmassa versiossa, tällaisen ympäristön mallinnus koostuu monimutkaisen epälineaarisen yhtälöjärjestelmän rakentamisesta osittaisina derivaattaina.
Optimaalisten ohjausongelmien ratkaisu, kun sitä sovelletaan kolmannen kertaluvun korkeampiin objekteihin, kohtaa perustavanlaatuisia vaikeuksia.
Mallintamisen ja ratkaisun saamisen monimutkaisuus lisääntyy erityisesti, jos optimaalinen ohjaus on etsittävä käynnissä olevasta järjestelmästä.
Juuri hybridilaskentajärjestelmät mahdollistavat näiden vaikeuksien poistamisen tai ainakin minimoimisen. Tätä varten GVM:n avulla toteutetaan menetelmiä, kuten Pontryagin-maksimiperiaate , jotka ovat laskennallisesti erittäin monimutkaisia.
GVM:iä käytetään tehokkaasti myös ongelmissa, joissa pääasia on epälineaaristen osittaisdifferentiaaliyhtälöiden rakentaminen ja ratkaiseminen.
Nämä voivat olla sekä analyysiongelmia että optimointi- ja tunnistusongelmia.
Esimerkkejä optimointiongelmista:
Näitä ongelmia ratkaistaessa digitaalinen tietokone liitetään grid-malliin, jota käytetään toistuvasti ratkaisuprosessissa.
Mikroprosessorien laskentatehon kasvu useiden suuruusluokkien verran, digitaalisten laitteiden pienentyminen on vähentänyt tarvetta rakentaa hybridijärjestelmiä useimpiin kuvattuihin tehtäviin, ja tällä hetkellä hybridiratkaisuja voidaan käyttää:
Extrema on pöytätietokoneiden hybriditietokonejärjestelmien perhe. Tämän perheen koneet ovat nopeudeltaan ja olosuhteiden asettelutavaltaan lähellä analogisia tietokoneita . Uusimmat mallit rakennettiin analogisen prosessorin pohjalta, ja siinä on lisäjärjestelmiä muuttujien alkuarvojen asettamiseen. Laskentaprosessin ohjaamiseen käytettiin visuaalista näyttölaitetta sekä laitetta ongelman olosuhteiden mittaamiseen ja hallintaan, aika- ja kellosignaalien tuottamiseen. Niitä käytettiin ratkaisemaan epälineaarisia algebrallisia ja transsendenttisia yhtälöitä, äärellisten epäyhtälöiden järjestelmiä, tavanomaisten ja epälineaaristen differentiaaliyhtälöiden järjestelmiä tietyillä alkuehdoilla, useiden muuttujien funktion maksimi- ja minimikoordinaattien löytämiseen erilaisilla rajoituksilla, epälineaarinen ohjelmointi . ongelmia jne. [1] Uusimpien mallien tärkeimmät ominaisuudet:
"Työnjaon" etujen lisäksi hybridilaskentajärjestelmillä on omat suunnitteluhaasteensa, joita ei löydy sekä digitaalisista että analogisista laitteista.
Suurin ongelma ovat diskretisointivirheet:
Koska hybridijärjestelmissä analogisten ja digitaalisten osien välillä on useita kaksisuuntaisia kommunikaatioita, ohjelmistokäsittelyn aiheuttama vaihteleva aikaviive voi johtaa epälineaariseen takaisinkytkentään, jota malli ei ole tarkoitettu. ADC- ja DAC-muuntimilla varustetun digitaalisen tietokoneen kanssa työskenneltäessä tämä ei aiheuta niin merkittäviä ongelmia, mutta hybridilaskentajärjestelmässä tämä voi johtaa vakauden menettämiseen ja häiritä koko järjestelmän suorituskykyä.
Tietyn kompleksin virheen arvioimiseksi tarvitaan erittäin monimutkainen laitteiston ensisijaisten virheiden ja muunnosten aiheuttamien toissijaisten virheiden analyysi. Ilman tätä on mahdotonta kehittää tarkkoja laskentajärjestelmiä.
Huolimatta siitä, että AVM:n ja digitaalisen tietokoneen, joista hybridijärjestelmiä rakennetaan, ensisijaiset virheet on tutkittu melko hyvin, ei ole vielä ratkaistu epälineaaristen ongelmien estimointiongelmaa hybridikompleksin avulla.
Kirjallisuudessa on tapauksia, joissa analogisten tietokoneiden hybridilaskentajärjestelmiin viitataan virheellisesti, ja niissä on erilliset diskreetin logiikan elementit:
On huomattava, että tällaiset tietokoneet säilyttävät analogisen esityksen pääasiallisena ja digitaalisilla elementeillä on vain aputoimintoja.
| Tietokonetunnit | |
|---|---|
| Tehtävien mukaan | |
| Tietojen esittämisen avulla | |
| Numerojärjestelmän mukaan | |
| Työympäristön mukaan | |
| Ajanvarauksella | |
| Supertietokoneet | |
| Pieni ja mobiili | |