Синтез комбинированных вычислительных устройств для систем автоматизированного управления реального времени

Актуальность Во всех отраслях народного хозяйства широко применяются системы управления, построенные на основе электронных вычислительных устройств. Развитие систем автоматизированного управления (САУ) выдвигает ряд проблем, связанных с необходимостью удовлетворения постоянно возрастающим требованиям, предъявляемым к САУ, таким как точность, время решения задачи управления, габариты, надежность и др.

Существуют системы автоматизированного управления с использованием в качестве вычислительной части аналоговых вычислительных средств. Однако аналоговые управляющие вычислители имеют ряд существенных недостатков. Структурно-аналоговый принцип построения аналоговых вычислителей приводит к возрастанию габаритов системы и, кроме того, лишает эти системы программной гибкости. Реализуемый алгоритм определяется структурным решением, что существенно усложняет процесс настройки системы управления, и любые изменения исходных задач требуют схемотехнической и конструкторской переработки вычислительных средств.

Развитие цифровой вычислительной техники выявило ее преимущества по отношению к аналоговым устройствам. Программная реализация алгоритмов, высокая точность решения, развитое математическое обеспечение объясняют желание многих разработчиков систем управления использовать ЦВМ в качестве вычислительной части САУ. В настоящее время современные вычислительные системы САУ не являются чисто аналоговыми или чисто цифровыми. Все с большим основанием их можно считать комбинированными, аналого-цифровыми.

В системах автоматизированного управления реального времени информация представлена в смешанной (аналоговой и цифровой) форме. Следствием этого, вне зависимости от типа вычислительного устройства (АВМ, ЦВМ) является необходимость включать входные и выходные преобразователи информации в состав вычислителей САУ. Преобразователи информации предназначены для обеспечения требуемой формы представления информации на входе вычислительного устройства САУ, а также требуемой формы представления выработанных этим вычислительным устройством управляющих воздействий. То есть преобразователи информации, входящие в состав САУ, не несут, как правило, вычислительной нагрузки. Наличие преобразователей информации, не несущих вычислительной нагрузки, можно рассматривать как аппаратную избыточность вычислительных устройств для САУ. Аппаратная избыточность ухудшает характеристики вычислительных устройств САУ (габариты, вес, надежность, стоимость и др.). Кроме того, вычислительные устройства САУ должны обеспечивать приемлемую производительность и точность решения задач управления, что также требует аппаратной поддержки. Поэтому разработка и исследование методов неизбыточного синтеза вычислительных устройств САУ является актуальной. В данной работе рассмотрены возможности уменьшения аппаратной избыточности вычислительных устройств САУ и времени реализации ими алгоритмов управления. При этом аппаратная избыточность связана как с наличием блоков, не несущих вычислительной нагрузки, так и с аппаратной поддержкой невостребованных функциональных возможностей вычислительных блоков, например, с их излишней разрядностью.

Современные вычислительные системы САУ не являются чисто аналоговыми или чисто цифровыми. Все с большим основанием их можно считать комбинированными, аналого-цифровыми. Одним из подходов к построению комбинированных вычислительных структур является использование, так называемых, вычислительных преобразователей информации (ВПИ), которые способны выполнить отдельные арифметические операции (ЦАП — умножение, АЦП — деление) (Смолов В. Б., Чернявский Е. А., Фомичев В. С. и другие [1,., 4]). Арифметические возможности ВПИ могут быть использованы при реализации алгоритма управления. Например, аналого-цифровое вычислительное устройство (АЦВУ) [5,., 11], которое относится к классу комбинированных вычислителей, построено на основе ВПИ.

Решение задачи управления на АЦВУ является эффективным с точки зрения стоимости, энергопотребления и аппаратурных затрат. Вместе с тем актуальным для АЦВУ является повышение точности вычислений. Один из методов повышения точности вычислений основан на принципе разделения исходных операндов [12,., 15] на две или более частей с последующим восстановлением результата по вычисленным частям. Такой подход позволяет использовать вычислительные устройства с ограниченной точностью вычислений, например, аналого-цифровые вычислительные устройства. При этом обеспечение требуемой точности вычислений достигается за счет дополнительных затрат времени и памяти при восстановлении полного результата из частичных результатов. Для этого требуется регистровая память с двойной и более разрядностью, что приводит к увеличению разрядности (аппаратным затратам), а также затратам на адресацию, запись и считывания информации в этой многоразрядной регистровой памяти.

В данной диссертации разработан метод восстановления результата вычислений, не требующий дополнительных разрядов [16] регистровой памяти.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи информации являются неотъемлемой частью любой комбинированной вычислительной системы [17] САУ реального времени. Как отмечено выше, преобразователи информации могут быть использованы в таких системах либо по прямому назначению, либо в качестве арифметических устройств. И в том, и в другом случае уменьшение времени преобразования может уменьшить как время выполнения отдельных арифметических операций так и время реализации алгоритма управления в целом. В диссертации разработан и исследован метод уменьшения времени аналого-цифрового преобразования за счет сокращения количества тактов подбора результирующего кода.

На основании данного метода в диссертации разработана методика синтеза устройства для выполнения арифметической операции деления и некоторых других операций на аналого-цифровом вычислительном устройстве с уменьшенным количеством тактов [18,., 22].

Проведенные исследования по верификации результатов диссертации иллюстрируют эффективность их применения в системах автоматизированного управления.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование методов уменьшения аппаратной избыточности и времени решения задач управления в комбинированных вычислительных устройствах систем автоматизированного управления реального времени.

Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс научных, технических, прикладных и экспериментальных задач исследований:

• Исследование принципа разделения операндов на части, не требующего дополнительных разрядов при восстановлении полного результата операции.

• Метод уменьшения количества микрокоманд при организации арифметической операции деления в АЦВУ.

• Разработка преобразователя информации с уменьшенным количеством тактов в цикле преобразования.

• Разработка эффективного алгоритма выполнения арифметической операции деления в аналого-цифровом арифметическом устройстве.

• Моделирование вычислительных операций АЦВУ в среде Lab View.

Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе применения теоретико-множественного аппарата, теории вероятностей, теории вычислений по принципу разделения операндов и теории имитационного моделирования.

Структура и объем работы. Представленная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 138 страниц, 54 рисунка, 4 таблицы, список использованных источников из 55 наименований." .

Выводы по главе 4.

• Произведено моделирование алгоритма выполнения арифметической операции деления с уменьшенным временем выполнения в среде Lab View.

• При сравнении методов выполнения арифметической операции деления АЦВУ в среде Lab View очевидно, что предлагаемый метод уменьшает время выполнения операции деления АЦВУ за счет уменьшения количества тактов по сравнению с традиционным методом.

• Программная верификация показала сходимость теоретических и практических результатов от 1% до 3% в зависимости от разрядности преобразования.

Заключение

.

В результате выполнения данной диссертационной работы решена задача уменьшения аппаратной избыточности и времени решения задач управления в комбинированных вычислительных устройствах систем автоматизированного управления реального времени. Основные результаты сводятся к следующему.

1. При сравнении технических характеристик различных комбинированных множительно-делительных устройств очевидно, что смешанное использование (в аналоговой и в цифровой) форме представления информации позволяет не только повысить точность, быстродействие, но и осуществить совместную работу вычислительных устройств непрерывного и дискретного принципа действия: создать комбинированные вычислительные устройства.

2. При использовании принципа разделения операндов на части не только в исходных операндах, но и в частичных произведениях, формируется метод, не требующий дополнительных разрядов при восстановлении результата.

3. Разработана и исследована схема аналого-цифрового преобразователя с уменьшенным количеством тактов преобразования.

4. Сформулированы и доказаны теоремы о значении разрядов результирующего кода.

5. В разработанном аналого-цифровом преобразователе среднее время преобразования уменьшается на 7 ч- 21%.

6. Разработан алгоритм выполнения арифметической операции деления с уменьшенным временем выполнения в аналого-цифровом вычислительном устройстве.

7. Разработана методика синтеза аналого-цифрового устройства для выполнения арифметической операции деления с уменьшенным количеством тактов.

8. Программная верификация показала сходимость теоретических и практических результатов от 1% до 3% в зависимости от разрядности преобразования.