close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

шпоры по МИУС

код для вставкиСкачать
Вопрос 1.
Структура систем управления .
Функционирование любой системы можно представить вектор-функцией состояний S(t), значения которой в моменты времени t0, t1,...tn определяют состояния системы S(t0), S(t1),...S(tn). Каждое состояние характеризуется множеством величин, описывающих влияние внешней среды и процессов, протекающих в системе. Процесс управления в этом случае можно представить следующим образом (рис.1.1):
Рис.1.1. Процесс управления
Управляющие воздействия на объект управления (вектор Х), вырабатываемые устройствами управления, зависят от цели управления, имеющихся в системе ресурсов, состояния объекта в данный момент времени и воздействий внешней среды на объект управления. Воздействия внешней среды можно разделить на два вектора: контролируемые (вектор Z) и неконтролируемые (вектор F). Контролируемые воздействия внешней среды принимаются во внимание при принятии решений, неконтролируемые воздействия могут привести к неожиданным (не запланированным) изменениям состояния объекта.
Процесс управления представляет собой совокупность трёх процессов: оценка состояния объекта управления и контролируемых воздействий окружающей среды, принятие решений, обусловленных целью управления, возможностями системы управления (ресурсами) и состоянием объекта и внешней среды, и формирование внешних воздействий на объект. Для выполнения этих функций система управления должна содержать датчики, контролирующие состояние объекта и внешней среды, и устройства сбора и обработки сигналов от датчиков. При принятии решения о воздействии на объект необходимо знать реакцию объекта на те или другие воздействия.
Управляющая система совместно с объектом управления образует систему управления. Системы, в которых человек не принимает участие, называются системами автоматического управления (САУ). Если человек активно участвует в принятии решения, то такую систему называют автоматизированной системой управления (АСУ).
В зависимости от функционального назначения системы управления можно разделить на:
- системы стабилизации управляющей величины, когда требуется с заданной точностью поддерживать постоянными те или иные характеристики объекта;
- системы программного управления, в которых некоторые характеристики объекта управления должны изменяться по определённому закону;
- следящие системы - воздействие на систему должно соответствовать изменению некоего контролируемого параметра.
Наиболее совершенными и наиболее сложными являются адаптивные системы, в которых управляющие воздействия или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для оптимизации процесса управления. При этом реакция объекта управления на внешние воздействия как F, так и Z, а также и на воздействия вектора Х заранее неизвестны.
Таким образом, управляющая система должна постоянно решать следующее уравнение: X(t)=Ф(Z, F, Y, t),
где Z, F - векторы воздействий окружающей среды;
Y - вектор контролируемых параметров объекта управления;
Ф - закон управления.
Управляющие системы, по сравнению с информационными, как правило, имеют более сложные алгоритмы управления и более жёсткие ограничения во времени решения задач управления, что обусловлено высокой скоростью изменения возмущений, действующих на объект управления.
При управлении сложными объектами приходится решать задачи с использованием больших объёмов информации. При этом, естественно, возникает задача сбора, обработки, хранения и поиска необходимой информации. В этом случае информационная система может входить как составная часть в АСУ. Такие системы называют информационно-управляющими. Важнейшими показателями управляющих систем, характеризующими любой процесс управления, являются:
- количество контролируемых параметров, к которым относятся векторы параметров входных воздействий X(t), и Z(t) и вектор контролируемых параметров объекта управления Y(t), а также некоторые параметры объекта управления, не изменяющиеся в процессе управления или редко изменяющиеся и вводимые в систему управления как константы. С ростом числа контролируемых параметров объекта или увеличение числа контролируемых воздействий внешней среды.
- зависимость регулируемых величин от входных воздействий. Характер и математическая формулировка этой зависимости определяет сложность алгоритмов и программ этого управления. В некоторых случаях эта зависимость описывается системой дифференциальных уравнений с нелинейными параметрами, в других - набором функций алгебры логики, описывающих алгоритм управления объектами;
- динамические характеристики системы управления. Динамические характеристики системы определяются скоростью изменения воздействий на неё. Пусть ti и ti+1 моменты времени, в которые произошли возмущения системы Zi и Zi+1. Для реакции на них система должна выработать вектор управляющих воздействий Xi+1, который изменит состояние объекта, при этом изменится вектор контролируемых параметров объекта Yi+1. За время ti+1 -ti система должна обработать необходимую информацию, принять решение (возможно и с привлечением человека), выдать управляющие воздействия на объект, и при этом к моменту времени ti+1 процесс изменения состояния объекта должен быть закончен. Отсюда следует, что сумма времён принятия решения tпр и реакции системы на управляющие воздействия должна быть меньше разности (ti+1 -ti). Отсюда время реализации алгоритма обработки информации и принятия решения tра  t - tр. Из этого несложного рассуждения следует, что основным параметром, определяющим скорость всех процессов в системе управления, является величина времени реакции системы tр, определяющая время переходных процессов в объекте управления (для самолётов - доли секунды, для поездов - десятки секунд, для предприятия - несколько суток). Этот анализ позволяет обосновать способ принятия решения (автоматический или автоматизированный). Особенностями системы управления, работающей в режиме реального времени являются:
а) чрезвычайно малое время, отведённое для принятия решений, соизмеримое со временем переходных процессов в системе;
б) сложность алгоритмов решения задач управления и практически немедленное использование результатов решений;
в) недопустимость, как преждевременной выдачи управляющих сигналов, так и их запаздывания;
- точность управления. Под точностью управления в данном случае понимается степень отклонения фактических параметров управляемого объекта от расчётных и своевременность выдачи управляющих воздействий на объект;
- распределённость системы в пространстве: вся система управления может находиться в одном месте, отдельные её части могут находиться на значительных расстояниях и даже на подвижных объектах (локомотивах, самолётах и т.д.);
- надёжность и безопасность системы. Эти показатели особенно актуальны для систем управления железнодорожным транспортом.
Вопрос 2.
Краткий обзор систем управления ,комплекс горочный микропроцессорный.
Блок принятия решений (БПР). Устройство управления (УУ). Блок адаптации БА. Банк моделей БМ. Блок адаптации модели БАМ.
Системы, совмещающие в себе все перечисленные свойства (рис.1.2,е), называют системами интеллектуального функционирования [1].
В качестве примера может служить система автоматического управления замедлителями на сортировочной горке, структурная схема:
О - объект управления (отцеп); БМ - банк моделей; БРМ - блок расчёта моделей; БС1и БС2 - блоки сравнения объекта и моделей; блок предварительного расчёта режима скатывания и управления; БКУ и БКМ - блоки корректировки процесса управления и модели. Цифрами над стрелками показаны режимы работы системы управления:
1 - режим обучения системы. В этом режиме путём анализа статистических данных, полученных при испытаниях отцепов на сортировочных горках, определяются решающие правила классификации отцепов, модели рассчитываются в блоке БРМ и создаётся банк моделей БМ;
2 - режим предварительного расчёта процесса управления. На основании данных об отцепе, вводимых в систему в момент его нахождения на горбе горки, выбираются модели скатывания по различным участкам горки, на основании которых в БПРУ рассчитывается (до отрыва отцепа) оптимальный алгоритм управления замедлителями, который потом реализуется устройством управления. При этом блок БС2 сравнивает реальное скатывание с предварительно рассчитанным (скорость роспуска, скорости входа в замедлители, скорости выхода из замедлителей, управляющие воздействия);
3 - режим управления и коррекции, осуществляемые в реальном времени при движении отцепа по горке;
3а - корректировка управления при отклонении реального процесса скатывания от расчётного;
3б - корректировка моделей при систематических ошибках.
Оперативное звено (ОЗ) контролирует правильность функционирования системы и принимает меры при обнаружении ошибок системы.
Вопрос 3.
Классификация информационных систем.
Автоматизированная информационная система - это совокупность технических и программных средств, обеспечивающая сбор, передачу, хранение, обработку и представление информации. Отличия: много пользователей, много информации (каждому в своём виде).
Информационно-управляющие системы предназначены для сбора, обработки, хранения и представления информации, необходимой при управлении организацией, предприятием, отраслью и т.п.
Системы поддержки принятия решений служат для накопления данных, необходимых для принятия решений в различных сферах деятельности исследователей.
Информационно-поисковые системы используются для поиска информации, содержащейся в различных базах данных, различных вычислительных системах, разнесённых, как правило, на значительные расстояния. Примером могут служить поисковые системы (серверы) в сети Internet, автоматизированные системы поиска научно-технической информации (АСНТИ) и др. Информационно-поисковые системы разделяются на документальные, предназначенные для поиска документов, и фактографические, служащие для сбора фактов.
Информационно-справочные системы - это автоматизированные системы, работающие в интерактивном режиме и обеспечивающие пользователей справочной информацией. Примером могут служить системы информационного обслуживания пассажиров на железнодорожных вокзалах.
К системам обработки данных относятся системы, предназначенные для обработки хранения больших объёмов данных.
По виду деятельности автоматизированные информационные системы можно разделить на автоматизированные системы управления предприятием (АСУП), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные обучающие системы (АОС).
По характеру обслуживания пользователей различают:
- режим индивидуального пользования, при котором все ресурсы вычислительной системы предоставляются в распоряжение одного пользователя;
- режим пакетной обработки, предусматривающей обработку данных или выполнение заданий, накопленных заранее таким образом, что пользователь не может вмешаться в процесс обработки, пока она не завершится;
- режим коллективного пользования - это форма обслуживания, при которой возможен одновременный доступ нескольких независимых пользователей к ресурсам вычислительной системы. Коллективное пользование в режиме вопрос-ответ предполагает, что система обслуживает запрос каждого пользователя без прерываний. В режиме разделения времени для обслуживания каждого пользователя выделяется определённое время, по истечении которого система переходит к обслуживанию следующего пользователя.
По характеру взаимодействия с пользователями информационные системы делятся на работающие в диалоговом и интерактивном режимах.
Диалоговый режим - это такой режим взаимодействия оператора с системой обработки информации, при котором оператор обменивается с системой информацией в темпе, соизмеримом с темпом обработки информации человеком.
Интерактивный режим - режим взаимодействия человека и системы в темпе, определяемом информационной системой. По режиму функционирования информационные системы разделяются на однопрограммные и многопрограммные.
Однопрограммный режим предусматривает поочерёдное решение задач от начала до конца. После завершения решения очередной задачи сначала подготавливаются данные для следующей задачи (переменные и константы), затем осуществляется переход к программе её решения.
Многопрограммный (мультипрограммный) режим работы вычислительной системы предусматривает параллельное решение нескольких задач. Вариантом мультипрограммного решения является поочерёдное решение нескольких задач по частям. Для решения каждой задачи отводится определённое время. Если за это время задача не решена, она прерывается и начинается решение следующей задачи. После решения части последней задачи, осуществляется переход к первой ранее прерванной задаче.
Качество информационных процессов оценивается временными показателями (среднее время и дисперсия времени выполнения информационного процесса и продолжительность временного интервала, в течение которого информационный процесс завершится с заданной вероятностью) и характеристики качества результирующей информации на выходе информационного процесса: достоверность, целостность и безопасность данных. Вопрос 4
Классификация моделей, задачи, решаемые при моделировании.
Моделированием называется изучение свойств объекта путём разработки физической или математической модели этих устройств и исследование этой модели.
При физическом моделировании модель воспроизводит изучаемый процесс или объект с сохранением его физической природы. Математической моделью реальных устройств называется описание их на каком-либо формальном языке, позволяющее исследовать их поведение в определённых ситуациях. Различают детерминированные и вероятностные (стахостические) модели. Детерминированные модели, представляющие собой совокупность неслучайных соотношений, дают возможность однозначно определить поведения объекта управления (технологического процесса) через его параметры, воздействующие внешние силы и внешние воздействия. Вероятностные модели используются для моделирования таких объектов управления, у которых внутреннее состояние, их характеристики и внешние силы, воздействующие на объекты, носят случайный характер. В этом случае при расчёте модели получаются вероятностные оценки характеристик, которые только с определённой вероятностью отражают их фактическое значение.
В некоторых случаях детерминированную систему целесообразно представить в виде вероятностной. Например, время выполнения программы.
Модель создаётся в зависимости от цели исследования и определяет:
- перечень воспроизводимых характеристик Y= {y1...ym}. Состав характеристик Y определяется в зависимости от свойств моделируемого объекта и должен гарантировать полноту отображаемых свойств;
- перечень входных параметров X={x1...xN}. В состав вектора параметров X включаются только параметры, существенно влияющие на значения параметров выходных характеристик;
- точность модели - допустимую погрешность воспроизведения выходных параметров при определённых значениях входных величин.
Модели информационных потоков позволяют рассчитать оптимальную сеть передачи данных.
Моделирование управляющей системы в целом используется для определения её надёжности и производительности. Под производительностью понимается точность системы (ошибки выходных параметров, ошибки по скорости или ускорению и т.д.), устойчивость работы в экстремальных условиях и др. Моделирование производительности системы особенно важно в системах реального времени, поскольку позволяет производить корректировку алгоритма работы системы, перераспределение задач между процессорами и др. Вопрос 5
Аналитические модели.
Аналитические методы исследования объектов управления, технологических процессов и вычислительных систем сводятся к построению математических моделей, которые представляют физические свойства как математические зависимости между выходными и входными параметрами. При использовании аналитических моделей оператор F, устанавливающий зависимость = F() между характеристиками и параметрами объекта, представляется совокупностью математических выражений (формул). При построении аналитических моделей свойства объекта описываются исходя из свойств составляющих - физических элементов и элементарных процессов. При этом создаются математические выражения, связывающие параметры элементов между собой. Пример: F=m·a
Уравнение движения поезда: fk - удельная сила тяги локомотива
w - удельное сопротивление движению
bT - тормозная сила
Чаще всего аналитическая модель системы представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых, особенно в системах, работающих в режиме реального времени, вызывает большие затруднения. Для упрощения решения уравнений обычно выполняется частично-кусочная аппроксимация зависимостей, вследствие чего при решении модели приходится иметь дело с системой линейных дифференциальных уравнений. зависимости, полученные аналитическим путём, являются строго доказанными и такие модели не требуют доказательств их адекватности (с учётом указанных выше допущений). Часто аналитические модели используются для доказательства адекватности моделей, построенных с использованием других принципов;
- аналитические модели могу использоваться для изучения свойств объектов (например, поведение объектов в экстремальных ситуациях, определение предельных значений параметров, эффективность влияния изменений входных сигналов и др.);
- аналитические модели вычислительных систем имеют общую познавательную ценность, поскольку позволяют предсказать поведение подобных систем при любых сочетаниях входных параметров.
- При входных сигналах любой формы как правило вычисляют коэфф. Передачи, для исследования переходных процессов используются ступенчатая и еденичная ф-я. При гармонич.вх.сигн.использ. АЧХ, ФЧХ, АФЧХ.
Вопрос 6.
Регрессионный анализ.
Случайные величины, соответствующие входным и выходным параметрам, могут представляться на разных уровнях, среди которых наиболее часто используются следующие четыре:
- задана статистическая выборка a1..an, определяющая случайную величину набором значений, имеющих место в некоторой реализации случайного процесса;
- известен закон распределения случайной величины;
- заданы математическое ожидание и дисперсия;
- известно только математическое ожидание.
Статистические методы - это совокупность способов сбора, анализа и интерпретации данных о свойствах объекта или совокупности объектов с целью получения теоретических или практических выводов.
Сущность статистических методов заключается в следующем. На основе эмпирических представлений о свойствах исследуемого объекта и в соответствии с целью исследования определяется состав и тип входных параметров х1,...хn и перечень выходных характеристик y1,...ym. Затем проводится эксперимент, целью которого является получение достаточно большой выборки связей между входными параметрами и выходными характеристиками объектов. Естественно полученные в результате эксперимента данные являются случайными числами. На основании этой выборки выбирается тип статистической модели (математические выражения, структура) и рассчитываются параметры модели.
Математическая статистика предлагает обширный набор моделей и методов установления статистических закономерностей, присущих исследуемым объектам. Наиболее распространённым из них является регрессионный анализ.
1)
y=f(x,z,F) - Случайная модель в которой переход из одного состояния в другое происходит в случайные моменты времени и непредсказуемы2)
y=f(x,z)+ε - детерминированный автомат, однозначно описываемый функцией, но имеются ошибки учитывающие влияние F
"-" доказать адекватность можно только испытав в реальных условиях.3)
y=f(x)+ε - учитывают только управляющие воздействия
"-" недостаточно точна не учитывает внешние воздействия
"+" можно испытать в лаборатории
Основная - вторая модель!
Модели объектов учитывают целенаправленные управляющие воздействия исполнительных устройств и контролируемые воздействия окружающей среды. Неконтролируемые воздействия окружающей среды приводят к появлению ошибок (в модели указываются в виде шума ). Уравнение, связывающее входные переменные с выходными, выглядит следующим образом:
y=f(x1,...,xk,b1,...,bk)+ (1),
где xi-i-тая входная переменная,
bi - i-тый параметр регрессионного уравнения, i=1..k.
Если функция f(x1,...,xk,b1,...,bk) линейна относительно искомых параметров b1,...,bk, она может быть представлена в следующем виде: f(x1,...xk,b1,...bk)=φi (x), (2)
где I(x) - некоторая заданная функция от хi, i=1..k .
Для удобства обычно принимают 1=1.
Чаще всего регрессионное уравнение представляют в виде степенного полинома конечной степени:
Введём фиктивные переменные: х1=1, х2k+1=xk+1,..., x2k=x2k-1, x2x3=x2k,...
В этом случае уравнение регрессии будет иметь следующий вид:
Вопрос 7.
Нахождение коэффициентов регрессионного уравнения.
Точное значение коэффициентов bi регрессионного уравнения возможно только при бесконечно большом объёме выборки. Поэтому при ограниченном объёме выборки определяют оценки этих коэффициентов i. Исследуемое выражение будет иметь следующий вид:
где βi - оценка математического ожидания, х1=1.
I - находим по выборке, используя метод наименьших квадратов.
Функция наименьших квадратов имеет следующий вид:
где j - экспериментальное значение выходной величины в j-том эксперименте, xij - значение i-той входной переменной в в j-том эксперименте. m - число слагаемых, N - Число эспериментов.
Нужно найти минимум I, тогда найдём коэфф.
В данном выражении неизвестными являются коэффициенты i. Рассматривая эти коэффициенты как независимые переменные, и приравняв к нулю частные производные от I по i , получим m уравнений с m неизвестными, решив которые и найдём эти коэффициенты.
Пример 1. Определим зависимость основного удельного сопротивления движению отцепа от температуры. Результаты эксперимента с наиболее лёгким отцепом (22 тонны).
Удельное сопротивление движению
woТемпература наружного воздуха, оСВыше 0-5-15-25-352,564,203,584,274,33Пусть регрессионное уравнение имеет вид: wo=1+2t+3t2.
В результате дифференцирования этого уравнения по i получим три линейных уравнения, решив которые и найдём искомые коэффициенты.
Решив эту систему уравнений, получим следующую зависимость удельного сопротивления движения отцепа от температуры:
wo(t)= 3.133 - 0,061 t - 7.3510-4 t2
Удельное сопротивление движению woТемпература наружного воздухаВыше 0-5-15-25-353.1333.4173.914.1994.368Выбор типа регрессионного уравнения
Как слишком упрощенные, так и слишком усложнённые модели являются неточными.
Для построения подходящей регрессионной модели рекомендуется использовать метод пошаговой регрессии. Разработчик априорно намечает перечень входных переменных k и составляет k уравнений вида y=1+2xi, i=1..k. Методом наименьших квадратов для каждого уравнения определяют оценки параметров 1 и 2. и среднеквадратичные отклонения I.
Среднеквадратичное отклонение вычислялось по формуле:
По минимуму среднеквадратичного отклонения выбирают наиболее информативный фактор (обозначим его буквой m). Затем составляют k-1 уравнений вида y=1+mxm+Ixi, i=1..k, im.
Определяют оценки параметров уравнения  и по минимуму среднеквадратичного отклонения определяют следующий фактор и т.д. Процесс повторяют до тех пор, пока полученная модель не будет иметь достаточную точность, о которой можно судить по величине среднеквадратичной ошибки.
Потом добавляются остальные факторы, в качестве произведения, и так, и опять считают всё снова.
Проверка значимости регрессионного уравнения.
После очередного включения следующего слагаемого в регрессионное уравнение необходимо проверить значимость полученного уравнения. Для этого можно использовать различные критерии, например, Пирсона, Стьюдента, Колмогоров. Но чаще всего при определении значимости регрессионного уравнения используют критерий Фишера. Уравнение считается значимым, если соблюдается следующее неравенство:
где I1 - суммарное квадратичное отклонение, учитываемое уравнением;
I2 - суммарное квадратичное отклонение, не учитываемое уравнением;
k1 , k2 - степени свободы;
k1=m, k2 =N - m - 1;
N - количество экспериментов;
m - число учтённых в модели факторов.
Число не учитываемых уравнением квадратов отклонений определяется по формуле:
Для подсчёта числа квадратов отклонений, учитываемых уравнением, необходимо подсчитать общее число квадратов отклонений I и вычесть из него I2.
Вопрос 8.
Модели, построенные с применением теории массового обслуживания.
На вход системы массового обслуживания в случайные промежутки времени поступают заявки, подлежащие обслуживанию системой. Время обслуживания также является случайным. Обслуживать заявки может один канал (одноканальная система) или несколько каналов (многоканальная система). Если все каналы заняты, поступающая заявка становится в очередь. Заявки из очереди могут обслуживаться как в порядке их поступления, так и в определённой последовательности (существует определённый порядок сортировки очереди - дисциплина обслуживания).
Таким образом, система массового обслуживания характеризуется следующим набором параметров:
- распределением длительности интервалов между заявками входящего потока Р(а),
- числом обслуживающих приборов (каналов),
- дисциплиной обслуживания очереди,
- распределением длительности обслуживания заявок приборами (каналами) Р(b).
Указанный набор параметров полностью определяет порядок функционирования системы. Процесс её функционирования количественно оценивается следующим набором основных характеристик:
- загрузка - математическое ожидания числа занятых обслуживанием каналов (для одноканальной системы - доля времени, в течение которого канал занят обслуживанием заявок);
- длина очереди - математическое ожидание числа заявок, ожидающих обслуживания;
- число заявок, находящихся в системе (обслуживаемых и в очереди);
- число заявок, находящихся в очереди;
- время ожидания обслуживания - время от момента поступления заявки до начала её обслуживания;
- время нахождения заявки в системе (время нахождения заявки в очереди плюс время обслуживания).
Моделирование одноканальной системы массового обслуживания.
Рассмотрим наиболее простой случай применения теории массового обслуживания в моделировании: - поток заявок простейший и определяется интенсивностью их поступления ;
- поток обслуживания заявок тоже простейший, интенсивность обслуживания - .
Поскольку потоки поступления заявок и их обслуживания простейшие, за достаточно малое время t в систему может поступить только одна заявка и покинуть систему тоже может только одна заявка.
За время t с вероятностью t поступит одна заявка и с вероятностью t очередная заявка будет обслужена. Очевидно с вероятностью 1-t ни одна заявка в систему не поступит и с вероятностью 1-t ни одна заявка не будет обслужена.
Обозначим через Рn (t) вероятность того, что в момент времени t в системе будет ровно n заявок. Рассчитаем вероятность того, что в момент времени t+t в системе окажется ровно n заявок. Возможны четыре ситуации, приводящие к этому исходу:
- в момент времени t в системе было n-1 заявок, за время t поступила одна заявка и ни одна не была обслужена. Вероятность этого события равна: Pn-1(t)t(1-t);
- в момент времени t в системе n заявок, ни одна не поступила и ни одна не обслужена: Pn(t)(1-t)(1-t);
- в момент времени t в системе n заявок, одна поступила и одна обслужена: Pn(t) tt;
- в момент времени t в системе n=1 заявка, ни одна не поступила, одна обслужена: Pn+1(t)(1-t)t;
Вероятность того, что в момент времени t+t в системе останется ровно n заявок, равна сумме указанных выше вероятностей:
Pn(t+t)=Pn-1(t)t(1-t)+ Pn(t)(1-t)(1-t)+
+ Pn(t) tt+ Pn+1(t)(1-t)t.
Раскроем скобки, исключим слагаемые, в которых содержится t в квадрате (величины второй степени малости), перенесём влево Pn(t) и разделим левую и правую части на t.
Устремив t к нулю, получим следующее дифференциальное уравнение:
Это уравнение описывает все возможные ситуации, кроме случаев, когда n=0. Возможны два независимых случая, когда в момент времени t+t в системе нет заявок:
- в момент времени t в системе нет заявок, за время t они не поступали. Вероятность этого события равна: P0(t)(1-t);
- в момент времени t в системе одна заявка, она обслужена, другие заявки не поступали: P1(t)(1-t)t.
Следовательно, P0(t+t)= P0(t)(1-t)+ P1(t)(1-t)t.
Выполнив такие же аналогичные преобразования, получим второе уравнение:
В установившемся режиме вероятности Pn(t) не зависят от времени, поэтому их производные по времени равны нулю. В результате этого получим систему алгебраических уравнений:
-P0+P1=0, n=0,
Pn-1 - Pn(+ + Pn+1, n0.
Введём обозначение: . Из первого уравнения получим P1=P0.
Пусть n=1, тогда второе уравнение примет вид: Преобразовав его, получим P2=P0 2. Приняв n=2, получим P3=P0 3. Постепенно увеличивая n, получим Pn=P0 n.
ПосколькуPn=1, получим Pn= P0  n=1. Поскольку , под знаком суммы находится геометрическая прогрессия, её сумма равна 1/(). В результате этого получим: P0=, Pn=n1 .
Определим перечисленные выше характеристики системы:
- вероятность занятости канала (доля времени, в течение которого канал занят) - Рож=1-Р0 =;
- вероятность наличия очереди (n ) равна Р n = 1 - Р0 - Р1 =  2;
- среднее число заявок, находящихся в системе:
nср=nPn= (1-)nn=(1-)nn-1=(1-)  n =
=(1-) (1 / (1-)) =  /(1-).
Обратите внимание на то, что после выноса  за знак суммы, под знаком суммы оказалась производная от n;
- среднее число заявок, ожидающих обслуживания (длинна очереди), равно nож= nср - 1;
- среднее время нахождения заявки в системе (ожидающих в очереди и обслуживаемых) - Tср=nср/;
- среднее время ожидания обслуживания - Тож= Тср-1 / .
Вопрос 9.
Модели многоканальных информационных систем с интенсивностью потока заявок, не зависящих от состояния системы.
Обозначим через  интенсивность входного потока заявок и через  - интенсивность обслуживания заявки одним каналом. Очевидно, система может устойчиво работать, если   k. При соблюдении этого условия в системе существует стационарный режим, при котором вероятности состояний остаются неименными во времени.
Поскольку длина очереди не ограничена, граф состояний системы будет иметь сколько угодно вершин. Максимальная интенсивность обслуживания заявок системой равна k, при числе заявок в системе, большем k, интенсивность обслуживания остаётся неизменной. Граф состояний k-канальной СМО:
Уравнение Колмогорова: , где Pi - вероятность нахождения системы в i-том состоянии, справа - , имеющая столько слаг., сколько имеется переходов из данного сост., и в данное сост., слагаемое является произведением интенсивности перехода на вероятность состояния, из которого осуществляется переход.
Не трудно видеть, что это граф эргодического Марковского процесса. Описывается этот граф системой алгебраических уравнений.
n=0: 0 = - p0 + p1
0 = - pi( + i) + pi-1 + (i+1)pi+1 , 0  i  k
0 = - pj( + k) + pj-1 + k pj+1  , >j k
Система решается.
Вопрос 10.
Модели, построенные с применением поглощающих Марковских цепей.
Поглощающая Марковская цепь имеет поглощающее состояние, достигнув в которого процесс прекращается. Из какого бы состояния процесс ни начинался, при бесконечно большом числе переходов он окажется в поглощающем состоянии с вероятностью, равной единице. Матрица вероятностей перехода поглощающей Марковской цепи имеет следующий вид:
Граф, моделирующий надёжность дублированной системы с постоянно включенным резервом и обслуживанием. Поскольку отказы устройств и процессы восстановления устройств после отказа подчинены экспоненциальному закону, возле стрелок в место вероятностей указаны интенсивности переходов из одного состояния в другое ( - интенсивность отказа,  - интенсивность восстановления). Эта Марковская схема отображает функционирование системы до её отказа. При этом в первом состоянии исправны и работают оба блока, во втором - отказал один из блоков, в третьем - отказали оба блока, т.е. отказала система (поглощающее состояние). Над стрелками указаны интенсивности переходов их одного состояния в другое. Для описания работы этого графа используется система уравнений А.Н. Колмогорова. Система уравнений содержит столько уравнений, сколько вершин имеет граф (за исключением поглощающих). Слева записывается производная вероятности нахождения системы в данном состоянии, справа - многочлен, содержащий столько слагаемых, сколько стрелок входит в данное состояние или выходит из него. Если стрелка направлена из данного состояния, соответствующий член имеет знак "минус", в данное состояние - "плюс". Каждое из слагаемых равно произведению интенсивности перехода на вероятность нахождения системы в состоянии, из которого осуществляется переход. В рассматриваемом случае указанный на рис.2.5 граф описывается двумя уравнениями:
Умножим оба уравнения на dt и проинтегрируем их в пределах [0, ].
В результате решения этих уравнений получим:
ТСР=Т0+Т1
Математическое ожидание времени от момента включения системы до её отказа будет равно: ТСР=Т0+Т1
Вопрос 11.
Модели, построенные с использованием эргодических Марковских цепей.
Марковский процесс называется эргодическим (возвратным), если из любого состояния в любое другое состояние можно перейти за конечное число шагов. Эргодический Марковский процесс никогда не завершается, а постоянно переходит из одного состояния в другое с различной частотой, зависящей от вероятностей переходов. Эргодическая Марковская цепь описывает установившиеся процессы в системе. Характерной особенностью этой цепи является то, что вероятности пребывания системы в каком-то состоянии не зависит от времени и численно равно математическому ожиданию доли времени пребывания системы в этом состоянии. Поэтому уравнения А.Н. Колмогорова превращаются в алгебраические.
Эргодические Марковские цепи широко используются для составления моделей надёжности систем, а также в качестве математического аппарата для расчёта других более сложных моделей (см. ниже).
Рассмотрим применение поглощающей Марковской цепи на конкретном примере. Граф, моделирующий надёжность дублированной системы, работающей в установившемся режиме с постоянно включенным резервом и обслуживанием.
Если составить уравнения для всех трёх состояний, то получится система связанных между собой уравнений (любое из этих уравнений можно получить путём комбинации остальных двух). Для получения независимых уравнений составим их для любых двух состояний, например для первого и второго. Третье уравнение - сумма вероятностей нахождения системы во всех состояниях равна единице.
-P0  + P1  = 0;
Р0-()Р1+Р2=0;
-P2  + P1  = 0.
Р0+ Р1+ Р2 = 1.
Коэффициент готовности системы равен: KГ = Р0 + Р1.
Вопрос 12.
Использование теории распознавания образов в моделировании.
Распознавание образов представляет собой процесс принятия решения, устанавливающего принадлежность распознаваемого объекта к некоторому классу, путём сравнения его характеристик с характеристиками ранее изученных объектов.
Основными понятиями теории распознавания образов являются: объект, признак, класс, решающее правило, решающая функция, обучающая последовательность объектов.
Объект - предмет или явление, исследуемое в конкретной задаче. Каждый объект характеризуется некоторым набором параметров или свойств. Параметры, с помощью которых любой объект можно отличить от другого объекта, называются признаками. Таким образом, каждый объект можно описать с помощью некоторого набора признаков x1, x2,...,xn,которые образуют вектор признаков объекта X=(x1, x2, ...,xn). Признаки делятся на количественные и качественные:
Чаще всего эти признаки центрируют:
Классом называется совокупность объектов, обладающих некоторыми общими признаками. Решающее правило - алгоритм, позволяющий по совокупности признаков отнести объект к тому или другому классу.
Решающая функция - аналитическое уравнение, принимающее максимальное значение при подстановке в него признаков объекта данного класса.
Обучающая последовательность - выборка объектов с указанием их признаков и принадлежности к классам.
Типы задач, решаемых с применением методов теории распознавания объектов: - автоматическая классификация объектов;
- выбор наиболее информативных признаков;
- распознавание объектов (определение того, к какому классу они относятся);
- прогнозирование значений отдельных параметров по косвенным признакам (в случаях, когда непосредственное измерение параметров затруднено);
- техническая диагностика видов неисправностей и пр. Последние три задачи используют одни и те же методы, а именно, метод распознавания объектов.
Все алгоритмы построения решающего правила разделяются на две группы: детерминистические и вероятностные. Особенность детерминистических - классы чётко разделяются друг от друга и не пересекаются, а объект с какими-либо признаками с вероятностью 1 относится к какому-то классу.
Вопрос 13
Метод ближайшего представителя (ближайшего соседа).
Метод заключается в том, что ищется объект обучающей последовательности, находящийся наиболее близко к исследуемому объекту и считается, что класс нового объекта совпадает с классом объекта обучающей последовательности. Исследуемый объект Х(х1,х2,...хk) и объекты обучающей последовательности можно представить в виде точек k-мерного пространства. При этом могут быть разными методы определения расстояния между объектами. Наиболее распространенными из них являются: Верхняя формула предусматривает определение обычного (евклидового) расстояния между объектами, с помощью второй формулы определяются признаки, разница между которыми максимальна, третья формула позволяет определить суммарную разность признаков сравниваемых объектов. Выбор той или иной формулы определяется условиями эксперимента. В каждом случае рассчитывается расстояние от заданного объекта до всех объектов обучающей последовательности и выбирается объект, расстояние до которого минимально. "+" простота
"-" обучающая последовательность должна быть исчерпывающей, без ошибок, ее нужно хранить в памяти ЭВМ. Алгоритм занимает довольно много времени. Классы должны четко разделяться.
Метод k-ближних представителей.
До эксперимента, оговаривается k представителей, расстояние до которых определит принадлежность исследуемого объекта к тому или другому классу. Метод заключается в том, что рассчитывается расстояние (1, 2 или 3) от исследуемого объекта до каждого из объектов обучающей последовательности и выбирается те k объектов, до которых расстояние минимально. Объект принадлежит к тому классу, к которому принадлежит большинство из k ближних представителей (минимальное значение 4):
где kj - число объектов среди k, принадлежащих классу j;
"+" допускаются ошибки в обучающих последовательностях
"-" теже
Вопрос 14
Метод эталона
Этот метод заключается в том, что для каждого класса определяется эталон - объект, являющийся центром тяжести точек каждого класса. Свойства (параметры) эталонов находятся путём усреднения свойств объектов обучающей последовательности, принадлежащих к соответствующему классу. Ниже приведена формула, позволяющая вычислить xi-й параметр j-того класса.
где kj - число объектов обучающей последовательности, принадлежащих j-тому классу.
Принадлежность исследуемого объекта к тому или другому классу определяется по минимальному расстоянию этого объекта до эталонов.
"+" не нужно хранить обучающую последовательность в памяти
Алгоритм сокращается
"-" границы четко определены
Используется если объекты класса группируются вокруг центра тяжести.
Придумать рисунок!
Объект описываемый вектором х может принадлежать только одному классу.
Вопрос 15.
Байесовское решающее правило
Недостатком рассмотренных выше методов является то, что они могут применяться только тогда, когда классы чётко разделяются друг от друга. На практике часто встречаются случаи, когда объекты, имеющие совпадающие свойства, относятся к разным классам. Примером могут служить ходовые свойства отцепов. Как правило, тяжёлые отцепы являются хорошими бегунами, а лёгкие - плохими. Но бывает наоборот, тяжёлый бегун оказывается плохим бегуном, а лёгкий - хорошим. Таким образом, объект, имеющий вектор Х свойств, может быть отнесён, с какой-то вероятностью, к любому классу. Обозначим через P(Vi/X) вероятность того, что объект, имеющий вектор свойств Х, принадлежит классу Vi и через Cij - потери, вызванные тем, что объект, принадлежащий классу Vi, ошибочно отнесён к классу Vj. Так как объект Х может принадлежать любому из k классов, математическое ожидание потерь, вызванное отнесением этого объекта к классу Vj, будет равно:
Эта величина называется условным средним риском или условными средними потерями.
Вычислим условные средние потери для каждого класса R1(X), R2(X), ...,Rk(X). Минимальное значение условных средних потерь при отнесении объекта к какому-нибудь классу можно считать признаком того, что объект принадлежит этому классу.
Воспользовавшись формулой Байеса
выражение расчёта условной средней потери можно представить в следующем виде:
Поскольку выражение 1/P(X) входит в качестве множителя во все формулы вычисления условных средних потерь, его можно отбросить.
Для упрощения рассуждений будем считать, что Cij=0, если i=j (класс определён правильно, потери равны нулю), и Cij =1, если i  j (потери одинаковы при любой ошибке). Представим функцию потерь в следующем виде: Сij=1-ij,, где ij =1, если i = j, и ij=0, если i  j.
В этом случае математическое ожидание потерь будет равно:
Поскольку суммирование ведётся по всем классам сумма произведений вероятности класса и вероятности объекта в классе равна вероятности объекта:
Если объект принадлежит классу Vi, должно соблюдаться неравенство:
Отбросив P(X), получим: Таким образом, решающее правило будет иметь вид:
При этом объект зачисляется в класс Vi, если qi(x) qj(x), j =1..k, j i.
P(Vi)= ni/n, n - общее число объектов обучающей последовательности, ni - число объектов обучающей последовательности, принадлежащих классу Vi.
Ri (X)=P(X)P(Vi /X). Как и в предыдущем случае, Р(Х) можно отбросить. Таким образом, основной можно считать решающую функцию: Ri (X)= P(Vi /X).
В отличие от предыдущей функции её можно использовать даже при сравнительно небольшой выборке объектов обучающей последовательности. Ri (X)>0,5 - объект принадлежит классу V1, иначе к V2.
Вопрос 16
Определение коэффициентов решающей функции
Если число классов равно двум, то R2(X)=P(V2/X)=1-P(V1/X)= 1-R1(X). В связи с этим достаточно знать только функцию R1(X) (в дальнейшем её будем обозначать R(X)).
Поскольку классы разделяются гиперплоскостями, решающую функцию будем искать в виде: где с - вектор коэффициентов решающей функции, с= (с0,с1,...,ck); х - вектор свойств объекта, х= (х0, х1,...,хk); х0=1;
Вероятностный алгоритм обучения представляет собой следующую рекуррентную процедуру.
Пусть после просмотра n-1 - го вектора объекта обучающей последовательности получено n -е приближение с(k) коэффициентов решающей функции и рассматривается n -й вектор. Тогда (k+1) -ое приближение коэффициентов определится следующим образом: Процесс вычисления коэффициентов с решающей функции заключается в следующем:
- первоначально коэффициентам с присваиваются произвольные значения, например, с0=с1=...=сk=0;
- поочерёдно в решающую функцию подставляют свойства вектора Х объектов обучающей последовательности и корректируют значения коэффициентов с с использованием указанных выше преобразований.
Для получения более точных значений коэффициентов объекты обучающей последовательности на вход алгоритма подаются многократно. Процедура заканчивается, если разность между одноимёнными коэффициентами двух очередных реализаций алгоритма не превышают значение ошибки  (обычно  =10-6).
Вопрос 17
Имитационные модели
Имитационное моделирование основано на представлении порядка функционирования системы или отдельного её узла в виде набора алгоритмов. Имитационные математические модели - это алгоритмические модели, отражающие развитие процесса (поведение исследуемого объекта) во времени при заданных внешних воздействий на процесс (объект).
Имитационное моделирование основано на прямом описании моделируемого объекта. Существенной характеристикой таких моделей является структурное подобие объекта и модели. Это значит, что каждому существенному с точки зрения решаемой задачи элементу объекта ставится в соответствие элемент модели. При построении имитационной модели описываются законы функционирования каждого элемента объекта и связи между ними.
Имитационные модели представляют собой описание объекта исследования на некотором языке, которое имитирует элементарные явления, составляющие функционирование исследуемой системы, с сохранением их логической структуры, последовательности протекания во времени, особенностей и состава информации о состоянии процесса. Можно отметить имеющуюся аналогию между исследованием процессов методом имитационного моделирования и экспериментальным их исследованием.
Работа с имитационной моделью заключается в проведении имитационного эксперимента. Процесс, протекающий в модели в ходе эксперимента, подобен процессу в реальном объекте. Поэтому исследование объекта на его имитационной модели сводится к изучению характеристик процесса, протекающего в ходе эксперимента.
Ценным качеством имитационных моделей является возможность управлять масштабом времени, создавать экстремальные ситуации, которые затруднительно или даже невозможно создать при экспериментальном испытании объекта.
При построении имитационных моделей, как привило, используется агрегатный метод, Для этого вся система разбивается на отдельные агрегаты, выполняющие сравнительно небольшой круг задач. Агрегаты могут соответствовать элементам и узлам моделируемого устройства (например, процессор, ОЗУ, устройства обмена информацией и т.д.). В качестве агрегатов могут выступать математические объекты, с помощью которых описывается работа отдельных узлов устройства. По существу агрегат представляет собой описание функций объекта, соответствующих цели исследования. Агрегаты задаются в параметрической форме, т.е. указываются параметры, характеризующие конкретный объект. Например, система массового обслуживания характеризуется дисциплиной обслуживания заявок, числом каналов и законом распределения длительности обслуживания (указываются параметры закона распределения). Функции агрегата (рис.2.19,а) представляются в алгоритмической форме - в виде процедуры Фq(a1,...ak, b1,...bl, cl,...cm), где параметры a1,...ak определяют состояние входов элемента, b1,...bl - режим его функционирования, и c1,...cm - состояние выходов. Таким образом, агрегат представляет собой устройство, преобразующее поток информации, поступающий на его входы А(а1,...аn), в выходной поток C(c1,...cm) по алгоритму, определяемому состоянием входов B(b1,...bm).
Имитационная модель собирается путём соединения выходов одних агрегатов с входами других (рис. 1.19,б). Состав агрегатов, структура связи ними и наборы параметров агрегатов и определяют имитационную модель. Таким образом, имитационные модели воспроизводят процесс функционирования и свойства исследуемых систем исходя из априорно известных свойств элементов системы за счёт объединения моделей элементов в структуру, соответствующую исследуемой системе, и имитации функционирования элементов в их взаимодействии.
Важнейшие свойства имитационных моделей:
- с помощью имитационных моделей можно исследовать системы любой степени сложности. Усложнение объекта исследования приводит только к увеличению числа данных, вводимых в модель, усложнению алгоритма их обработки и увеличение времени решения модели. При этом структура модели остаётся неизменной.
- Метод имитации не ограничивает уровень детализации. С помощью алгоритмов можно воспроизводить любые сколь угодно своеобразные взаимосвязи между элементами системы и процессы функционирования. Более детальное представление организации системы сказывается только на объёме алгоритмического описания модели (программы) и затратах времени на моделирование.
- Имитационные модели являются неограниченным источником данных о поведении исследуемой системы, особенно в экстремальных ситуациях. При этом могут быть получены характеристики как системы в целом, так и отдельных её узлов и элементов.
К недостаткам имитационных моделей следует отнести:
- большие затраты времени, необходимые для создания модели и частный характер полученных результатов;
большие затраты времени, необходимые для испытания модели. Опыт создания имитационных моделей сложных систем показывает [9], что для одной реализации модели ЭВМ требуется выполнить 108...1012 операторов. Поскольку при исследовании модели требуется её многократная прогонка, исследование модели может длиться несколько суток.
Вопрос 18
Структура системы управления и контроля. Классификация средств переработки информации.
Управляющие сигналы х1..хn передаются на объекты управления через исполнительные устройства, которые необходимы для преобразования энергии и, как правило, неотделимы от объектов управления. Средства измерения служат для контроля параметров объектов управления (y1...yk) и чаще всего представляют собой аналого-цифровые преобразователи. Контроль состояния объектов может осуществляться путём введения дискретной информации, получаемой с помощью пороговых датчиков или реле. Широкими стрелками показаны пути передачи потоков информации.
Переработка информации осуществляется с помощью микропроцессорного комплекса (ЭВМ), который имеет средства отображения информации и средства управления. Оператор имеет возможность вмешиваться в процесс управления, поэтому он должен получать необходимую информацию в удобной для восприятия форме и иметь удобные для управления средства.
Наряду с информационным контуром в системе существует и энергетический контур, в который входят: источник, преобразователи и линии передачи энергии.
В зависимости от исходных требований (в основном - ограничения по времени решения задачи управления, заданной надёжности и достоверности решения, времени обмена данными) структура средств переработки информации может быть различной. В настоящее время в управляющих вычислительных машинах могу применяться однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные вычислительные комплексы. Многомашинные системы в свою очередь могут быть сосредоточенными в одном месте и быть распределёнными в пространстве. Вторые в свою очередь могут представлять собой сеть ЭВМ или иметь удалённый доступ к ЭВМ, входящим в систему управления.
Вопрос 19
Однопроцессорная система обработки информации.
На этом рисунке показаны: ЦУУ - центральное управляющее устройство; АЛУ - арифметическо-логическое устройство; ООЗУ- основное оперативное запоминающее устройство; СОЗУ - сверхоперативное запоминающее устройство; Т - набор таймеров; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; БУ - блок управления; СК, МК - селекторные и мультиплексные каналы связи; МПУ - местный пульт управления, ИУ - исполнительные устройства; ИИ - источники информации; СОИ - средства отображения информации; СУ - средства управления; СПД - средства передачи данных.
Обработка данных производится арифметическо-логическим устройством (АЛУ) под управлением центрального управляющего устройства (ЦУУ). АЛУ производит арифметические и логические операции над данными. Центральное управляющее устройство вырабатывает необходимые управляющие сигналы для выборки очередной команды из памяти, дешифрации кодов команды, формирования адресов операндов, выборки операндов из памяти, передачи их в АЛУ, выполнения в АЛУ операции, предусмотренной кодом команды, передачи полученного результата в память. Кроме того, ЦУУ инициирует работу внешних устройств по обмену информацией, обеспечивает работу процессора при запросе прерывания. Вырабатываемые ЦУУ последовательности управляющих сигналов вызывают выполнение в процессоре соответствующих микроопераций, а в оперативной памяти и устройстве обмена - соответствующих процедур, управляемых местными устройствами управления.
Для повышения быстродействия выполнения некоторых команд в процессоре устанавливается адресуемая местная память СОЗУ (КЭШ - память). Процессор обычно снабжается местным пультом управления, используемым для настройки и диагностики системы, и набором таймеров для тактирования вычислений.
Вопрос 20.
Последовательный порт.
Последовательный интерфейс используется для большинства периферийных устройств, таких, как плоттер, удалённый принтер, мышь, внешний модем и т.д. В настоящее время для последовательной связи используются адаптеры с интерфейсом RS-232Е (EIA/TIA-232Е). В современных компьютерах используется до четырёх последовательных портов, имеющих логические имена СОМ1, СОМ2, СОМ3 и СОМ4. Стандарт RS-232 в общем случае описывает четыре интерфейсные функции:
- определение управляющих сигналов через интерфейс;
- определение формата данных пользователя, предаваемых через интерфейс; - передачу тактовых импульсов для синхронизации потока данных;
- формирование электрических характеристик интерфейса.
Преобразование ТТЛ-уровня в уровни интерфейса и наоборот производится передатчиками и приёмниками, входящими в состав микросхем типа i1488 и i1489 или их аналогов.
Обычно передача данных осуществляется на одной из нескольких дискретных скоростей: от 50 до 1150200 Бод. Обычно 9600 Бод
В общих чертах работу приёмопередатчика можно описать следующим образом.
При передаче символа передатчик должен выполнить следующие операции:
- принять символ в параллельной форме через системную шину компьютера;
- преобразовать символ в последовательность битов;
- сформировать кадр сообщения (добавить стартовый, стоповый импульсы и импульс приоритета);
- передать кадр сообщения на интерфейс с требуемой скоростью;
- сообщить о готовности к передаче следующего кадра сообщения.
При приёме кадра УАПП выполняет обратные преобразования:
- принимает данные в последовательной форме;
- проверяет правильность построения кадра сообщения (число импульсов в кадре, наличие стартового и стопового импульсов). При обнаружении ошибки выдаёт сигнал ошибки;
- осуществляет проверку паритета; при обнаружении ошибки выдаёт сигнал ошибки приоритета;
- удаляет служебные биты и передаёт сообщение компьютеру;
- сообщает, что символ принят.
Вопрос 21.
Многопроцессорные системы преобразования данных
Как указывалось выше, в системах управления, работающих в режиме реального времени, на принятие решения часто отводится весьма мало времени. Характерным для систем управления также является параллельность протекания процессов, что, в свою очередь, вызывает необходимость организации параллельных вычислений. Появление быстродействующих микропроцессоров позволяет обеспечить параллельные вычисления при применении мультимедийного режима работы. Но задачи автоматизации растут, объёмы вычислений также существенно увеличиваются, таким образом, даже современный процессор порой не может справиться с поставленной задачей.
Как показывают исследования, большинство задач обработки сигналов в реальном масштабе времени могут быть сведены к набору операций над матрицами. В настоящее время созданы пакеты программ, основанные на вычислительных методах линейной алгебры, позволяющие решить эти задачи. Однако решить их в режиме реального времени не удастся даже на мощном и быстродействующем компьютере. Решить их можно, используя только параллелизм вычислений.
К недостаткам однопроцессорных систем следует отнести также высокую стоимость высокоскоростных процессоров.
В связи с этим в настоящее время находят применение многопроцессорные системы. Например, в корпоративных вычислительных сетях стали применять двух- и четырёхпроцессорные ЭВМ, построенные на базе микропроцессоров i486 и Pentium, что позволило отказаться от мини-ЭВМ и меинфреймов. Следует также отметить, что все методы построения многопроцессорных систем предусматривают использование недорогих процессоров, что, как правило, приводит к снижению стоимости системы.
Методов построения многопроцессорных систем весьма много, ниже рассмотрены наиболее распространённые. Многопроцессорная система с общей шиной (рис.3.7). Все устройства подсоединены параллельно к одной системной шине, и любой из процессоров может, используя её, обратиться к любому устройству. Поскольку массив информации содержит адрес устройства, информация будет принята нужным устройством. Такая структура возможна, поскольку процессор только на сравнительно короткое время занимает системную шину, основное время он занят обработкой информации. Для исключения столкновений при одновременном обращении нескольких процессоров к системной шине предусматривается устройство ("арбитр") обеспечивающее очерёдность использования шины. Максимальное число процессоров, которое можно включить в систему, определяется соотношением скоростей работы процессора и системной шины. Как указывалось выше, в современных микропроцессорах тактовая частота работы процессора превышает тактовую частоту системной шина в 2-4 раза, что снижает эффективность данного метода построения многопроцессорных систем (при большом числе процессоров или медленнодействующей системной шине определять быстродействие системы будет пропускная способность шины).
Структурная схема многопроцессорной системы с перекрёстной коммутацией. На рис.3.8. представлена многопроцессорная система с перекрёстной коммутацией, на которой точками показаны бесконтактные переключатели системной шины. Эта структура позволяет подсоединить любой процессор к любому блоку памяти или к любому устройству обмена, а через него и к любому устройству.
Между любыми двумя устройствами устанавливается физическая связь, причём одновременно может быть установлено несколько путей передачи информации. Это позволяет уменьшить задержки при обмене информацией, по сравнению с шинной структурой.
К достоинствам данного принципа построения системы является то, что возможны вариантные маршруты обмена информацией, если по какой-то причине нельзя использовать основной (какие-то участки шины заняты другими процессорами или участок шины неисправен).
МП - микропроцессор, БП - блок памяти, УО - устройства обмена, О1, О2, О3 - объекты К недостаткам этого принципа построения многопроцессорной системы следует отнести большое число коммутаторов.
Система с конвейерной обработкой данных. Обычная однопроцессорная ЭВМ поочерёдно выбирает команду из памяти, дешифрирует и выполняет её. Таким образом, время выполнения алгоритма, содержащего K команд, будет равно tср K, где tср - среднее время считывания, дешифрации и выполнения команды. В конвейерной многопроцессорной системе каждый процессор выполняет одну и ту же команду (или несколько команд) над последовательностью данных, проходящих через систему. Скорость обработки информации увеличится в d K раз (d - коэффициент, учитывающий ускорение обработки, поскольку не требуется считывать очередную команду и её дешифрировать, d 1). Системы с конвейерной обработкой получили название - много команд и один поток данных (МКОД).
Конвейерная обработка эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствуют максимальной производительности конвейера.
Наиболее мощный из построенных к концу прошлого века конвейеров является конвейер многопроцессорной системы Cyto Computer, специализированный на обработке изображений. Он содержит 113 довольно простых микропроцессоров. Система с матричной структурой (рис.3.10). Эта система содержит большое число сравнительно простых микропроцессоров, соединённых между собой так, что они образуют матрицу. Показанная на рис.3.10 система предусматривает, что все процессоры одновременно выполняют одну и ту же команду (допускается пропуск выполнения команды отдельными процессорами), но над разными потоками данных. Такие системы называются "один поток команд и множество потоков данных - ОКМД". Микропроцессоры в матрице тоже могут соединяться по-разному: - каждые процессор соединён с четырьмя соседними по горизонтали и вертикали;
- процессоры соединяются с соседними процессорами по диагонали;
- каждый процессор соединён с шестью соседними процессорами.
Кроме того, каждый процессор соединён с общей памятью (на рис.3.10 не показано) и с памятью соседних процессоров.
Такие большие матричные системы возможны только благодаря тому, что каждый процессор выполнен настолько простым, на сколько это только возможно, и все они выполняют одну и ту же команду (необходим только один контроллер). Чаще всего для подобных систем используются одноразрядные микропроцессоры. При этом каждый процессор нуждается в сравнительно небольшом объёме памяти (от 32 до 4096 бит на процессор). Таким образом, матричная система требует значительно меньше памяти по сравнению с однопроцессорной системой, имеющей такую же производительность.
Возможна также структура матричной системы, в которой каждый столбец микропроцессоров получает свой поток команд (множество потоков команд - множество потоков данных - МКМД).
Вопрос 22.
Многомашинные вычислительные комплексы.
Многомашинные средства переработки информации, в отличие многопроцессорных, содержат несколько ЭВМ, каждая из которых имеет свою внутреннюю память и работает под управлением своей операционной системы, и средства обмена информацией между ними. Многомашинные вычислительные комплексы предназначены не только для проведения параллельных вычислений, но и позволяют нескольким операторам одновременно работать с системой.
Построение многомашинных средств переработки информации из серийных ЭВМ со стандартным программным обеспечением проще, чем построение многопроцессорных систем с общим полем памяти и специальной операционной системой.
По степени связи между ЭВМ многомашинные вычислительные комплексы разделяются на несвязанные и связанные. В несвязанных комплексах нет непосредственного физического соединения между ЭВМ, объединение осуществляется путём переноса носителя информации (перфокарты, перфоленты, cd-диска и др.) или переключения внешних запоминающих устройств. Такая система получила название системы пакетной обработки и имеет тот недостаток, что результат вычислений выдаётся с задержкой времени, выдача результатов проводится сразу для всего пакета заданий. У этих систем, как правило, отсутствует интерактивный режим работы, что не позволяет оператору руководить процессом обработки своих данных (одна ошибка в перфокарте приводит к тому, что весь процесс вычислений надо начинать сначала).
В информационных и управляющих системах используются связанные многомашинные комплексы, в которых ЭВМ соединены между собой электрически или совместно используют общие аппаратные средства.
В зависимости от требований к скорости обработки информации и её объёма применяются различные системы связи и соответствующие системные средства, обеспечивающие обмен информацией:
- использование каналов прямого доступа к памяти, позволяющих осуществить прямую передачу данных из оперативной памяти одной ЭВМ в оперативную память другой ЭВМ. Эта связь чаще всего используется для передачи управляющей информации;
- через общую оперативную память (рис. 3.11). Между системными шинами обеих ЭВМ включается двухпортовая оперативная память, каждой ЭВМ выделяется массив, предназначенный для записи информации, предназначенной для другой ЭВМ, и по две управляющие ячейки. Записав в массив данные, ЭВМ записывает об этом сообщение. Вторая ЭВМ периодически контролирует эту ячейку, обнаружив там запись, считывает сообщение, помещает во вторую ячейку код квитирования. Этот способ связи ЭВМ друг с другом широко используется в системе автоматизации работы сортировочной горки КГМ;
- применение разделённых блоков управления внешней памятью. Примером использования этого метода может служить система резервирования железнодорожных билетов, в которой три ЭВМ (одна из них находится в горячем резерве) работают с использованием одной базы данных;
Связь ЭВМ через двухпортовую оперативную память
- обмен информацией через центральную ЭВМ. Центральная ЭВМ исполняет роль диспетчера, распределяющего работу между остальными ЭВМ, принимает массив данных от ЭВМ и передаёт его по назначению. Подобная система имеет повышенную надёжность, т.к. при отказе одной из ЭВМ, работа автоматически перераспределяется между остальными машинами (при отказе центральной ЭВМ её роль начинает выполнять одна из рядовых ЭВМ). Часто подобные системы называют системами с функциональной обработкой информации [11]. Каждая из ЭВМ специализируется на вычислении отдельных алгоритмов, например, в микропроцессорных системах управления стрелками и сигналами на станции - управление движением поездов в определённом районе станции;
- через адаптер "канал-канал", когда имеется прямая связь между селекторными каналами двух ЭМВ. Простейший случай взаимодействия двух компьютеров показан на рис. 3.12. При этом используются Сом-порты этих компьютеров (такое соединение часто называют нуль-модемным). Естественно, компьютер не может непосредственно обратиться к ресурсам второго компьютера (как показано на рис.3.12, например, к cd-диску). Это может сделать компьютер В по заданию переданному компьютером А, если у них есть соответствующие программы (на рис.3.12 названы приложениями); Через адаптер "канал-канал"
- через коммутатор каналов. В случае любое периферийное устройство (принтер, плоттер и пр.) может быть подключено к любому компьютеру;
- связь ЭВМ с помощью вычислительных сетей. При этом могут использоваться локальные, корпоративные или глобальные вычислительные сети. Этот способ построения многомашинных систем в настоящее время является основным и перспективным. В связи с этим сети ЭВМ будут более подробно рассмотрены ниже.
Вопрос 23.
Обеспечение безопасности принятия решений
Системы железнодорожной автоматики и телемеханики, служащие для управления и обеспечения безопасности движения поездов, должны решать две проблемы: параллельность вычислений и безопасность принятия решений.
Реализация параллельных процессов обеспечивается последовательной, функциональной, конвейерной, матричной и мультиплексорной обработкой информации, которые достаточно подробно были рассмотрены выше.
Безопасность микропроцессорных систем железнодорожной автоматики и телемеханики должна быть такой, чтобы одиночные отказы аппаратуры и сбои программы не приводили к опасным последствиям. Сбои программы должны устраняться путём автоматического перезапуска программы, отказы обнаруживаться при работе системы или тестирования.
Безопасность систем достигается благодаря резервированию аппаратных и программных средств, организации внутрипроцессорного и внешнего контроля аппаратных и программных средств.
Существует большое разнообразие безопасных структур систем железнодорожной автоматики и телемеханики, построенных с применением вычислительной техники.
Одноканальная система с одной программой (рис. 4.1,а). Правильность работы микроЭВМ контролируется с помощью самопроверяемых средств внутреннего контроля ССВК, безопасная передача воздействий на объекты управления гарантируется безопасными выходными схемами БВС. При обнаружении отказа или сбоя программы ССВК вырабатывает сигнал Y, выключающий ЭВМ и отключающий объекты управления (с помощью БВС). Безопасность этой структуры зависит от эффективности способов самопроверки. Тестирование системы должно выполняться довольно часто, прикладные программы не должны иметь ошибок, целесообразно применение самопроверяемого программного обеспечения.
Одноканальная система с дублированной программой (рис.4.1,б). В этой системе предусматривается использование двух программ, реализующих одну и ту же задачу, но существенно отличающихся друг от друга (написаны разными бригадами программистов, желательно, чтобы алгоритмы тоже отличались). Результаты вычислений сравниваются безопасной схемой сравнения БСС, управляющие воздействия передаются объектам при полном совпадении результатов расчёта. Уровень безопасности зависит от степени различия программ и от интервала времени между считыванием данных для первой и второй программ. Безопасные структуры систем железнодорожной автоматики
Дублированная система со слабыми связями (рис.4.1,в). Система состоит из двух микроЭВМ, при этом первая микроЭВМ реализует алгоритм управления объектами, вторам микроЭВМ контролирует правильность вычислений и выключает БВС при обнаружении ошибки. Синхронизация работы микроЭВМ не обязательна. Контроль работы микроЭВМ1 осуществляется по шине W. Дублированная система со средними связями (рис.4.1,г). Эта система содержит две, работающие по одинаковым программам, микроЭВМ. Результаты обработки информации сравниваются БСС и при полном совпадении передаются объектам управления. Прикладные программы не должны иметь ошибок при загрузке, система исключает одиночные ошибки.
Дублированная система с сильными связями (рис.4.1,д). МикроЭВМ этой системы совершенно одинаковы и работают от одного тактового генератора. Устройство БСС1 осуществляет потактовую проверку работы обеих микроЭВМ, сравнивая сигналы в контрольных точках. При этом проверяется работа, как процессора, так и памяти. В случае обнаружения ошибки выключается схема БСС2 и оказывается воздействие на компьютеры (блокируются оба канала). Структура обладает высоким уровнем безопасности, опасные ситуации могут возникнуть при одинаковых программных ошибках.
Дублированная система с тестированием и сильными связями (рис.4.1,е). И отличие от предыдущей структуры данная система содержит датчик тестов ГТ и мультиплексор МКС, отключающий от микроЭВМ входы и подключающий датчик тестов. Такая структура целесообразна в том случае, когда наборы входных переменных не могут обеспечить достаточную глубину проверки исправности системы. Данный принцип используется также тогда, когда система длительное время находится в ждущем режиме, и входные переменные не изменяются.
Самопроверяемая дублированная система (ж). Система содержит синхронно работающие микроЭВМ, каждая из которых контролируется с помощью самопроверяемых средств внутреннего контроля (ССВК1 и ССВК2). Сигналы контроля W1 и W2 сравниваются ССВК3. Выходные сигналы микроЭВМ контролируются безопасной схемой сравнения БСС. Если ССВК3 обнаружит ошибку, она выключит БСС и остановит работу микроЭВМ. Минимальная кратность необнаруженных отказов равна четырём, по два отказа в каждом канале, которые не обнаруживаются ССВК и одинаково искажают выходные сигналы Z1 и Z2. Мажоритарная система (рис.4.1,з). Число каналов должно быть нечётным, безопасный мажоритарный элемент БМЭ выдаёт объектам управления сигналы, имеющиеся на выходах большинства каналов. Чаще всего эта структура имеет три канала (как показано на рисунке). Безопасность такой системы примерно соответствует дублированной системе с умеренными связями, но отказоустойчивость существенно выше.
Вопрос 25.
Безопасный интерфейс с объектами.
Классификация элементов сопряжения.
Условно все устройства согласования с объектами (УСО) можно разделить на две группы: устройства вывода управляющих сигналов и устройства ввода информации. Для ввода и вывода сигналов, не связанных с безопасностью движения поездов, как правило, используются стандартные УСО, выпускаемые в составе управляющих ЭВМ и компьютеров. Для их построения используются специальные схемные решения. К УСО устройств железнодорожной автоматики и телемеханики предъявляются следующие основные требования: - обеспечение временнóго и энергетического согласования электронных схем с исполнительными объектами; - стабильность временных и энергетических параметров УСО в заданных пределах в течение всего срока эксплуатации; - максимально допустимая нечувствительность к электромагнитным помехам и влияниям; - высокая технологичность в производстве в сочетании с низкой стоимостью. Схемные решения устройств сопряжения с объектами, обеспечивающими безопасность движения поездов, не должны иметь опасных отказов, т.е. с определённой вероятностью должны исключать ложное включение исполнительных объектов при отказе элементов УСО. Обычно учитываются отказы, выражающиеся в появлении следующих событий: - короткого замыкания и обрыва в элементах и соединениях; - самовозбуждения электронных схем; - кратковременного или длительного отключения источников электропитания; - повреждения источников электропитания, при котором на его шинах появляется значительная переменная составляющая; - изменения параметров элементов или их режимов работы в установленных пределах; - появления двух и более отказов элементов или соединений между точками схемы, не выявленных за время нахождения схемы в статическом состоянии. Все безопасные УСО можно разделить на схемы, построенные с применением функциональных преобразователей (ФП) одного вида электрического тока в другой и самопроверяемые устройства. Наиболее широко применяют ФП с использованием реле первого класса надёжности, контакты которых рабочие цепи объектов управления. Такие устройства называют устройствами возбуждения исполнительных реле (УВИР). Преимуществами таких УСО является то, что реле имеют высокую устойчивость к электромагнитным помехам и перенапряжениям, являются идеальными элементами гальванической развязки с несимметричными отказами. Недостатками реле являются ограниченный срок службы и потребности в профилактическом обслуживании.
Бесконтактные УСО не требуют профилактического обслуживания, более технологичны в изготовлении, не содержат специализированных элементов. Однако проблема безопасности при этом решается более сложными методами, что определяет и более высокую их сложность. При этом усложняются и методы доказательства соответствия этих УСО требуемым уровням безопасности.
В настоящее время, в основном, используется первый вид УСО, однако считается, что бесконтактные УСО более перспективны.
Способы построения бесконтактных УСО (одноканальные, двухканальные и мажоритарные, с последовательным и параллельными способами включения контрольных элементов КЭ) и способы самоконтроля (программные, аппаратные и программно-аппаратные).
Устройства возбуждения исполнительных реле.
Существует довольно много способов построения УВИР, на рис. 4.3 показаны четыре из них, нашедшие наиболее широкое применение в системах автоматики на железных дорогах РФ.
На рис.4.3,а изображена трансформаторная схема УВИР. Поступающие на вход УВИР импульсы постоянного тока вызывают протекание импульсов тока по первичной обмотке трансформатора, что приводит к появлению ЭДС на вторичной обмотке. В результате этого заряжается конденсатор и возбуждается реле. Параметры схемы подобраны так, что напряжение срабатывания реле будет обеспечено только после приёма 7...10 импульсов (одиночные сбои не могут привести к срабатыванию реле). В этой схеме происходит двойное преобразование входного сигнала: трансформатор осуществляет дифференцирование, а диод и конденсатор интегрирование. Отказы любых элементов не могут привести к ложному срабатыванию реле. Недостатком данной схемы следует считать нетехнологичность изготовления трансформатора.
На рис.4.3,б показана конденсаторная схема преобразования импульсного сигнала в напряжение постоянного тока. При закрытом состоянии транзистора открывается диод VD1 и заряжается конденсатор С1 (полярность показана на рисунке). В момент открытия транзистора потенциал левой пластины конденсатора станет равным нулю, потенциал левой пластины - отрицательным (-Uc). При этом диод VD1 закроется, а VD2 - откроется. Конденсатор С1 начнёт разряжаться на обмотку реле и конденсатор С2. Реле возбудится только после поступления 7...10 импульсов. Конденсатор С1 осуществляет дифференцирование входного сигнала, а конденсатор С2 - его интегрирование. В этой схеме тоже отказы любых элементов не приводят к ложному возбуждению реле. Обратите внимание на то, что в качестве исполнительного реле применено поляризованное реле типа ПЛ, срабатывающее только при подаче на его обмотку соответствующей полярности постоянного тока (как показано на схеме).
Вопрос 26.
Схема умножения напряжения, мажоритарная схема УВИР.
Изображенное на рис.4.3,в устройство предназначено для работы в дублированной системе (со схемой удвоения напряжения). При этом первый компьютер выдаёт импульсы на вход Х, а второй - на вход. Схема работает следующим образом:
- в исходном состоянии на обоих входах отрицательный потенциал (нули), открыт транзистор VT3 и диоды VD4, VD5 и VD6, конденсаторы С4 и С6 заряжены до напряжения плюс 5 вольт (потенциал верхней пластины);
- при поступлении первого импульса закроется транзистор VT3 и откроются VT1 и VT2, к нижним пластинам конденсаторов С1 и С3 подключится отрицательный полюс источника питания, и они тоже зарядятся до напряжения 5 вольт (полярность показана на схеме);
- в интервале между импульсами откроется VT3, и закроются VT1 и VT2, потенциал нижней пластины конденсатора С1 станет равным +5 вольт и, поскольку конденсатор не может моментально разрядиться, потенциал верхней пластины возрастёт до +10 вольт. При этом откроется диод VD2, что приведёт к заряду конденсатора до напряжения +10 вольт;
- очередной импульс откроет транзисторы VT1 и VT2, потенциал верхней пластины конденсатора С4 станет равным -5 вольт, потенциал нижней пластины снизится до -10 вольт. При этом откроется диод VD5, и конденсатор С5 зарядится до напряжения 10 вольт (минусовой потенциал на нижней пластине);
- в интервале между импульсами опять откроется транзистор VT3, потенциал верхней пластины конденсатора С6 станет равным +5 вольт, откроется диод VD6, потенциал нижней пластины конденсатора С6 станет равным -10 вольт. Конденсатор С6 зарядится до напряжения 15 В;
- следующий импульс откроет транзисторы VT1 и VT2, потенциал нижней пластины конденсатора С3 снизится до -5 вольт, откроется диод VD3, потенциал верхней пластины станет равным +10 вольт, конденсатор С3 зарядится также до 15 В. Разность потенциалов между верхней пластиной конденсатора С3 и нижней пластиной конденсатора С6 будет равна 30 В.
Схема мажоритарного элемента УСО (рис. 4.3,г) используется в мажоритарных микропроцессорных системах. В исходном состоянии (импульсы на входы не поступают) выходные транзисторы оптопар VO1 и VO2 закрыты, конденсатор С4 заряжен, реле ИР обесточено. Реле ИР возбудится, если на все входы или на два любых входа будут периодически поступать положительные импульсы (единицы). Предположим, что на входы 1 и 2 поступают синхронно и синфазно положительные импульсы, на входе 3 постоянно присутствует отрицательный потенциал (ноль).
В результате поступления единицы на вход инвертора DD2, на его выходе появится отрицательный потенциал, откроется диод VD2 и зарядится конденсатор С2 (полярность показана на рисунке). В интервале между импульсами инвертор DD2 закроется, на его выходе появится положительный потенциал, потенциал левой пластины конденсатора С2 снизится до нуля, а потенциал левой пластины станет отрицательным. При этом закроется диод VD2 и откроются диод VD4 и светодиод оптопары VO2. Протекание тока через светодиод вызовет открытие выходного транзистора, что приведёт к разряду конденсатора С4 на обмотку реле и конденсатор С5.
Аналогично будет работать схема при поступлении импульсов на другие два входа. Если импульсы поступают на все три входа, заряжаются все конденсаторы и открываются выходные транзисторы обеих оптопар.
Вопрос 27.
Устройства согласования с объектами, построенные с применением бесконтактных функциональных преобразователей.
Примеры подобных УСО приведены на рис.4.4.
На рис.4.4,а показана мостовая схема преобразования постоянного тока в переменный. При этом исполнительный объект работает только от переменного тока и не работает при подаче на него постоянного тока любой полярности. Этот преобразователь управляется двумя парафазными импульсными последовательностями Х1 и Х2 (01 или 10). При подаче Х1 =1 открываются ключи К1 и К4 и через цепь ИО протекает ток одного направления, подача Х2 = 1 приведёт к изменению направления протекания тока. Если исполнительные объекты могут работать как от переменного, так и постоянного тока, схема должна предусматривать гальваническую развязку в виде трансформатора, защищающий исполнительный объект от протекания постоянного тока при повреждении ключей, как это сделано в схеме рис. 4,4,б. Рис. 4.4. Устройства согласования с объектами, построенные с применением ФП.
В схеме рис.4.4,б, как и в предыдущем случае, используются парафазные последовательности импульсов Х1 и Х2. Транзисторные ключи с конденсаторами на входе формируют достаточно короткие импульсы тока, не вызывающие насыщение сердечника трансформатора. Повреждение любого элемента этой схемы приведёт к обесточиванию исполнительного объекта.
Самопроверяемые бесконтактные УСО
Как указывалось выше, проверка бесконтактных УСО может осуществляться аппаратным, программным и программно-аппаратным способами. На рис. 4.5 приведены две схема УСО, исправность которых проверяется программно-аппаратными средствами.
Подача напряжения на исполнительный объект осуществляется путём открытия коммутирующих устройств КУ1 и КУ2, исправность которых проверяется контрольными элементами КЭ1 и КЭ2. В схеме рис.4.5,а контрольные элементы включены параллельно коммутирующим устройствам и реагируют на напряжение, в схеме рис. 4.5,б контрольные элементы включены последовательно и контролирует протекание тока в цепи исполнительного устройства. Таким образом, в схеме рис.4.5,а контрольные элементы срабатывают в том случае, когда оба коммутирующие устройства выключены и одно коммутирующее устройство включено или пробито, в второе - выключено или оборвано. Обратите внимание на то, что контрольные элементы содержат по две оптопары, реагирующие на положительную и отрицательную полуволны синусоиды напряжения, подаваемого на вход элемента. Поскольку выходные транзисторы оптопар включены параллельно, в ЭВМ будут подаваться однополярные импульсы с частотой 100 Гц. Таким образом, схема с параллельным включением контрольных элементов схемным путём контролируют отказ одного КУ (пробой или обрыв). Одновременный отказ обоих КУ осуществляется программным путём: - при выключенном исполнительном устройстве поочерёдно открываются КУ на время, меньшее времени срабатывания ИО; - при включенном ИО тоже кратковременно и поочерёдно КУ закрываются. Появление импульсов на выходах КЭ свидетельствует об исправности КУ.
Самопроверяемые устройства согласования с объектами с программно-аппаратным контролем исправности
При последовательном способе включения КУ и КЭ схемным путём контролируются обрывы обоих коммутирующих устройств и пробой одного из них (обнаруживается при выключенном ИО). Короткое замыкание обоих КУ обнаруживается программным способом путём поочерёдного кратковременного закрытия КУ. При выключенном состоянии исполнительного объекта исправность как КУ, так и КЭ не контролируется.
Вопрос 28.
Интерфейс безопасной дублированной системы. Безопасный ввод информации.
На рис.4.6 приведена схема безопасного интерфейса. Обе ЭВМ работают синхронно и синфазно от одного тактового генератора, и к каждой из них подключены совершенно одинаковые УСО. Исправность работы ЭВМ УСО проверяется с помощью компаратора К.. При обнаружении несоответствия выходов УСО прекращается поступление тактовых импульсов на ЭВМ. Исправность компаратора проверяется тестированием. Если в момент тестирования исполнительный объект включен, кратковременно выключается питание этого вывода сначала в УСОо, затем УСОк, соответствующий компаратор должен сработать (см. рис. 4.6,б). При выключенном исполнительном объекте на соответствующие выводы подключается напряжение.
Рис. 4.6. Интерфейс безопасной дублированной системы
Безопасный ввод информации
Для обеспечения необходимой достоверности контрольной информации о состоянии исполнительных объектов используются различные виды избыточного кодирования последовательного или параллельного вида.
Наиболее широко применяется парафазное импульсное представление информации (рис.4.7). Если реле Х возбуждено, на вход А поступает последовательность тактовых импульсов , а на вход В - последовательность Т. При обесточенном состоянии реле на вход А - последовательность Т, на вход В - последовательность . Схема рис. 4.7,б применяется в том случае, когда для контроля состояния реле можно использовать только один контакт контролируемого реле Х.
Вопрос 29.
Средства отображения информации и управления.
Средства отображения информации.
Средства отображения информации (СОИ) необходимы для предоставления оператору в удобной форме информации о состоянии системы управления и внешней среды. Средства отображения информации разделяются на регистрирующие и индикационные. Регистрирующие используются для записи информации на носитель и предназначены для длительного её хранения. Сюда относятся принтеры и плоттеры, применяемые для изготовления отчётной документации, и жёсткие диски (винчестеры), флоппи-диски, стримеры, накопители на компакт-дисках, используемые для архивирования информации.
Индикационные устройства предназначены для ограниченного времени хранения информации. Упрощенная функциональная схема устройств отображения информации изображена на рис.3.13.
Рис.3.13. Функциональная схема СОИ
Интерфейс служит для передачи в СОИ информации, необходимой для отображения. При этом данные содержат в закодированном виде сведения о символах, подлежащих отображению, и месте на экране, где их необходимо отобразить. По командам устройства управления генератор символов в соответствии с кодом символа управляет модуляцией потока световой или электрической энергии, проходящей от источника к экрану. Положение символа на экране устанавливается устройством задания и преобразования координат.
В современных управляющих и информационных системах чаще всего применяют традиционные для вычислительной техники средства отображения информации: мониторы, видеопроекторы, плазменные и электролюминесцентные панели.
Мониторы характеризуются следующими параметрами. Кадровая частота измеряется обычно в герцах и во многом определяет устойчивость изображения. Чем выше частота кадра, тем устойчивее изображение. Частота строк в килогерцах определяется произведением частоты кадровой развёртки на количество выводимых строк в одном кадре. Полоса видеосигнала измеряется в мегагерцах и определяется числом точек в строке и числом градаций цвета и интенсивности, необходимых для изображения точки.
У цветного монитора имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесён люминофор трёх основных цветов: красный, зелёный и синий. В цветном кинескопе имеется либо теневая маска, либо (в кинескопах Trinitron) так называемая апертурная решётка. Они служат для того, чтобы лучи электронных пушек попадали только в точки люминофора соответствующего цвета. Если теневая маска содержит систему отверстий, то апертурная решётка образует систему щелей, выполняющих ту же функцию. Чёткость изображения на мониторе тем выше, чем меньше размеры точек люминофора на внутренней поверхности экрана. Обычно говорят не о размерах точек, а о расстоянии между ними. Этот параметр для различных моделей мониторов лежит в пределах от 0,41 до 0,25 мм. Практически все современные мониторы мультичастотные, то есть обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхроимпульсов из некоторого заданного диапазона, например, 30 ÷ 64 кГц для строчной и 50 ÷ 100 Гц - для кадровой развёртки.
К недостаткам электронно-лучевых мониторов следует отнести мерцание экрана и электромагнитные излучения, сопровождающие работу монитора и оказывающие влияние на здоровье человека. В настоящее время выпускаются, в основном, мониторы с низким уровнем излучения LR-мониторы (Low Radiation). Снижение влияния мониторов на здоровье достигается путём применения защитных фильтров, которые выпускаются трёх модификаций: сеточные, плёночные и стеклянные. Все фильтры затемняют экран, однако стеклянные и плёночные повышают контрастность и чёткость изображения и, кроме того, уменьшают его мерцание. Сеточные и плёночные фильтры снижают электростатический заряд и предохраняют поверхность экрана от оседания пыли, но не защищают от низкочастотного электромагнитного излучения. Поэтому самой надёжной защитой являются стеклянные фильтры. Большинство фильтров "Полная защита" изготавливаются из специального многослойного стекла с добавками и дополнительными покрытиями.
Несомненным преимуществом плоских экранов является не только их небольшие размеры по толщине и малый вес, но и очень экономичное энергопотребление. Плоские экраны могут использовать различную технологию, например, газоплазменную, электолюминисценную и жидких кристаллов. К недостаткам газоплазменных дисплеев можно отнести необходимость использования высокого напряжения (около 200 В) и сравнительно небольшой срок службы. Электролюминесцентные дисплеи обладают хорошими характеристиками, но пока стоят дорого. Жидкокристаллические экраны в настоящее время применяются как для переносных, так и для настольных компьютеров. Жидкий кристалл представляет собой некоторое состояние, в котором вещество обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (например, анизотропией).
Для изготовления ЖК-экранов используются так называемые нематические кристаллы молекулы, которых имеют форму палочек или пластинок. ЖК-элемент помимо молекул-кристаллов включают в себя прозрачные электроды - поляризаторы. В отсутствие электрического поля молекулы нематических кристаллов образуют скрученные спирали, в результате чего плоскость поляризации проходящего через ЖК-элемент света поворачивается на некоторый угол. Если на входе и выходе этого элемента поместить поляризаторы, смещённые друг относительно друга на такой же угол, то свет беспрепятственно может проходить через этот элемент. Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется, поворота плоскости поляризации уже не происходит и выходной поляризатор не пропускает свет.
Экран ЖК-дисплея представляет собой матрицу ЖК-элементов. В настоящее время существуют два метода, используемых для адресации ЖК-элементов: прямой (или пассивный) и косвенный (или активный). В пассивной матрице каждая выбираемая точка изображения активизируется подачей напряжения на прозрачные проводники строки столбца. В данном случае невозможно получить качественное изображение, так как электрическое поле возникает не только в месте пересечения проводников. Качество изображения существенно улучшается при использовании технологии двойного сканирования, при котором одновременно обновляются две строки изображения. Но наилучший результат получается при применении активной матрицы, которые обычно реализуются на основе тонкоплёночных полевых транзисторов. В этом случае каждым ЖК-элементом управляет отдельный транзистор. Средства управления.
Средства управления (СУ) используются для ввода в систему управляющих воздействий и делятся на устройства с цифровым и непрерывным (аналоговым) сигналом. К первым относятся: кнопки, контакты реле, многопозиционные переключатели и пр. Примерами вторых устройств являются поворотные ручки, штурвалы и т.д.
Средства управления бывают с памятью и без памяти. Средства управления без памяти требуют немедленного обслуживания, средства управления с памятью обслуживаться в синхронном циклическом режиме.
Средства управления делятся на: - оперативные, постоянно используемые для управления системой;
- контрольные, которые применяются периодически для проверки работоспособности элементов системы;
- вспомогательные, используемые эпизодически для настройки, регулировки, выполнения регламентных работ.
Средства управления часто объединяются с устройствами отображения информации и представляют собой пульты управления.
В современных управляющих и информационных системах очень часто используют традиционные для вычислительной техники средства ввода информации: клавиатуру, мышь, трекбол, графический планшет (диджитайзер) и др.
Клавиатура пока является основным устройством ввода информации в компьютер. Это устройство представляет собой совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным образом определённую электрическую сеть. Внутри корпуса клавиатуры помимо датчиков клавиш находятся электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры. Связь компьютера с клавиатурой осуществляется по двухпроводной линии. Клавиатура содержит 60 клавиш с буквами, цифрами, знаками пунктуации и другими символами, встречающимися в текстах, и около 40 клавиш, предназначенных для управления компьютером и исполнения программ.
Наиболее известны следующие координатные устройства ввода информации в компьютер: мышь, трекбол, графический планшет (диджитайзер). Для ввода изображения текстов, рисунков, фотографий и др. широко используются сканеры.
Подавляющее большинство компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается покрытый резиной шарик, ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на осях с двумя датчиками. Оси вращения роликов перпендикулярны одна другой. Датчики представляют собой оптопары и располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мышки, частота следования импульсов - скорость.
В настоящее время можно выделить три основных способа подключения мыши к компьютеру: через последовательный порт RS-232, через специальный шинный интерфейс фирмы Microsoft и через порт "в стиле"PS/2. Беспроводные мышки используют передачу данных в радио- или инфракрасном диапазоне.
Трекбол представляет собой "перевёрнутую" мышку, т.к. у него приводится в движение не сам корпус, а только его шар.
Рычажный манипулятор типа "джойстик" является аналоговым координатным устройством. Его рукоятка связана с двумя переменными резисторами, изменяющими своё сопротивление при её перемещении. Один резистор определяет перемещение по оси Х, второй - по оси Y. Адаптер преобразует изменение сопротивления в соответствующий цифровой код.
Планшет (диджитайзер) обеспечивает ввод двумерного изображения в компьютер виде растровой таблицы. В состав устройства входит специальный указатель с датчиком. Специальный контроллер посылает импульсы по ортогональной сетке проводников, расположенных под плоскостью планшета. Получив два таких сигнала, котроллер преобразует их в координаты, передаваемые в компьютер. Компьютер переводит эту информацию в координаты точки на экране монитора. Планшет используется, в основном, для задач САПР.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
294
Размер файла
1 074 Кб
Теги
шпоры, миус
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа