Hybridní počítač , hybridní počítač , analogově-digitální systém - typ hybridního výpočetního systému (HCS), kombinující vlastnosti analogových a digitálních výpočetních zařízení [1] .
Vznik hybridních výpočetních systémů byl způsoben tím, že analogové ani digitální metody nestačily na řadu problémů vznikajících v inženýrství při modelování složitých systémů.
Tyto úkoly byly:
Digitální stroje odpovídající doby[ kdy? ] neměl dostatečnou rychlost pro zpracování vznikajících datových polí v reálném čase a analogové stroje neumožňovaly dosáhnout celé možné rozmanitosti simulovaných situací.
Proto bylo nalezeno řešení rozdělit výpočetní proces do několika tříd operací, po kterých je analogovým modulům systému přiřazeno nejsložitější funkční zpracování signálu, zatímco rozhodovací algoritmy, scénáře a nastavení počátečních a konečných podmínek jsou přiřazeny digitálním modulům.
To vše umožnilo snížit náklady na výpočetní výkon použitých digitálních počítačů a zvýšit rychlost výsledných hybridních systémů.
V hybridním výpočetním systému bylo odstraněno mnoho nevýhod spojených s každým typem počítače zvlášť a výhody jako [1] [2] jsou kombinovány :
Pro interakci analogových a digitálních uzlů GVM se používají speciální převodní zařízení, zejména analogově-digitální převodník (ADC) a digitálně-analogový převodník (DAC), řízené zesilovače, spínače atd. [2]
Hybridní výpočetní systémy se skládají z následujících prvků:
Efektivní hybridní komplex lze vytvořit pouze na základě důkladného studia předmětné oblasti, objasnění všech vlastností aplikace a podrobné analýzy typických úkolů. Proto je zásadně špatné mluvit o jediné architektuře hybridních výpočetních systémů.
Hybridní počítače, stejně jako analogové počítače, lze rozdělit do dvou hlavních skupin:
Existují také analogově orientované, digitálně orientované a vyvážené hybridní výpočetní systémy.
Hybridní systémy efektivně řeší následující hlavní skupiny úkolů:
Jedním z typických úkolů první skupiny je modelování řídicího systému válcovny. V tomto případě analogový počítač reprodukuje dynamiku procesů v samotném mlýně a řídicí stroj je modelován univerzálním počítačem se speciálním programem. Krátké trvání přechodných procesů v pohonech mlýnů a propojení velkého množství veličin při pokusu o jejich úplnou simulaci na počítači v reálném čase by vyžadovalo použití ultrarychlých počítačů, zatímco přesnost modelování nejkritičtějších , rychlé procesy by byly určovány především chybami diskretizace.
Tato třída úkolů je typická pro řízení vojenských objektů, například systémů protivzdušné obrany nebo vojenských formací.
Druhá skupina obsahuje dvě podskupiny úkolů:
Naváděcí miseVyznačují se tím, že trajektorie pohybu se utváří v samotném procesu pohybu v důsledku kontroly a vnějších vlivů. Jak se objekt přibližuje k cíli, rychlost změny některých parametrů je tak vysoká, že použití čistě digitálních řešení vyžaduje ultravysokou rychlost a čistě analogové řešení není schopno pokrýt velký dynamický rozsah naměřených hodnot. přijatelná přesnost. Kromě toho analogový stroj nemůže správně zpracovat žádnou " hraniční " situaci.
Hybridní systém v tomto případě umožňuje kompenzovat nedostatky obou technologií a „vyváznout“ z abnormálních podmínek.
Komplexní simulátoryKonstrukce výpočetní části komplexních simulátorů ukázala, že největší přesnosti modelování je dosaženo, pokud jsou pohybové rovnice kolem těžiště přiřazeny analogové části a digitální stroj se zabývá pohybem těžiště v prostor a všechny kinematické vztahy.
Tato skupina obvykle zahrnuje úlohy, které jsou řešeny zpracováním výsledků vícenásobné implementace náhodného procesu.
Příklady:
Implementace náhodného procesu analogovým strojem za prvé nevyžaduje úměrné zvýšení nákladů na energii se zvýšením rychlosti a za druhé umožňuje (na rozdíl od digitálních algoritmů ) snížit opakovatelnost generovaných sekvencí, zejména pokud jsou velmi dlouhé.
Vysokorychlostní AVM v tomto případě pracuje v režimu vícenásobného opakování řešení a zpracování získaných výsledků na jeho výstupech, zpracování okrajových podmínek a výpočet funkcionálů je přiřazeno počítači. Navíc je to digitální počítač, který stanoví kritéria a na jejich základě určí konec výpočtu.
Hybridní řešení umožňují zkrátit dobu řešení problémů tohoto typu o několik řádů ve srovnání s čistě digitálními algoritmy a v některých případech zvýšit spolehlivost získaných výsledků bez výrazných nákladů.
Výsledky podobné účinnosti jsou dosaženy, když hybridní systémy studují procesy šíření excitace v biologických systémech. Specifičnost tohoto typu úloh, i v jejich nejjednodušší verzi, modelování takového prostředí spočívá v konstrukci složitého nelineárního systému rovnic v parciálních derivacích.
Řešení problémů optimálního řízení při aplikaci na objekty vyšší než třetího řádu naráží na zásadní potíže.
Složitost modelování a získávání řešení se zvláště zvyšuje, pokud je třeba hledat optimální řízení na běžícím systému.
Právě hybridní výpočetní systémy umožňují tyto obtíže eliminovat nebo alespoň minimalizovat. K tomu se s pomocí GVM implementují metody, jako je princip Pontryaginova maxima , které jsou extrémně výpočetně složité.
GVM se také efektivně používají v problémech, kde je hlavní věcí konstrukce a řešení nelineárních parciálních diferenciálních rovnic.
Mohou to být jak problémy analýzy, tak problémy optimalizace a identifikace.
Příklady optimalizačních problémů:
Při řešení těchto problémů je digitální počítač připojen k gridovému modelu, který je opakovaně využíván v procesu řešení.
Růst výpočetního výkonu mikroprocesorů o několik řádů, miniaturizace digitálních zařízení snížila potřebu budovat hybridní systémy pro většinu popsaných úloh a v současné době lze použít hybridní řešení:
Extrema je rodina desktopových hybridních počítačových systémů. Rychlostí a způsobem nastavení podmínek se stroje této rodiny blíží analogovým počítačům . Nejnovější modely byly postaveny na bázi analogového procesoru s dalšími systémy pro nastavení počátečních hodnot proměnných. Pro řízení výpočetního procesu bylo použito vizuální zobrazovací zařízení a zařízení pro měření a řízení stavu problému, generování časových a hodinových signálů. Používaly se k řešení soustav nelineárních algebraických a transcendentálních rovnic, soustav konečných nerovnic, soustav obyčejných a nelineárních diferenciálních rovnic s danými počátečními podmínkami, hledání souřadnic maxima a minima funkce mnoha proměnných s různými omezeními, nelineární programování problémy atd. [1] Hlavní charakteristiky nejnovějších modelů:
Kromě výhod „dělby práce“ mají hybridní výpočetní systémy své vlastní konstrukční problémy, které se nenacházejí v digitálním ani analogovém hardwaru.
Hlavním problémem jsou chyby diskretizace:
Vzhledem k tomu, že mezi analogovými a digitálními částmi v hybridních systémech existuje vícenásobná obousměrná komunikace, může proměnlivé množství časového zpoždění způsobeného softwarovým zpracováním vést k nelineární zpětné vazbě, kterou model nezamýšlel. Při práci s digitálním počítačem s ADC a DAC převodníky to nezpůsobuje tak výrazné problémy, ale v hybridním výpočetním systému to může vést ke ztrátě stability a narušení výkonu celého systému.
K odhadu chyby konkrétního komplexu je zapotřebí extrémně komplexní analýza primárních chyb zařízení a sekundárních chyb způsobených transformacemi. Bez toho je nemožné vyvinout přesné výpočetní systémy.
Navzdory skutečnosti, že primární chyby AVM a digitálního počítače, ze kterých jsou hybridní systémy stavěny, byly prostudovány poměrně dobře, problém odhadu chyby při řešení nelineárních problémů pomocí hybridního komplexu dosud není vyřešen.
V literatuře existují případy chybného připisování hybridním výpočetním systémům analogových počítačů, které mají samostatné prvky diskrétní logiky:
Je třeba poznamenat, že takové počítače si zachovávají analogovou reprezentaci jako hlavní a digitální prvky nesou pouze pomocné funkce.
| Počítačové kurzy | |
|---|---|
| Podle úkolů | |
| Prezentací dat | |
| Podle číselného systému | |
| Podle pracovního prostředí | |
| Po domluvě | |
| Superpočítače | |
| Malý a mobilní | |