Аналого-цифровая вычислительная система

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для моделирования непрерывнодискретных процессов и систем управления в-реальном и ускоренном масштабах времени. Целью изобретения является повьшение быстродействия и расширение класса решаемых задач эа счет решения нелинейных дифференциальных уравнений. Аналого-цифровая вычислительная система содержит ЦВМ, блок памяти верхнего уровня, селектор адреса верхнего уровня, блоки обмена информацией верхнего уровня, блоки моделирования дифференциальных уравнений блок связи, соединения Исходная задача сводится к определению значений у, f X|,k, ..., x-.,if х,,х„, где у - функция качества исследуемого объекта, X j, х, 1,2,.,., п, X „ - переменные состояния, получаемые при моделировании динамических процессов, заданных, дифференциальны- { ми уравнениями вида х., а „ х. + :.., + +...+ а,„х + Ц + ф,; ..., х„-« ,+ ... + + ... + + + bvfl при известных начальных ус (Л с ловиях х-(0), где Ф нейные функции, а .. 6 ил. 1 i., нели - коэффициенты. ю со со со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„Л0„, 14291 (5д ф С 06 .1 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К Д BTOPCHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4190702/24»24 (22) 02.02.87

{46) 07.10.88. Бюл. Ф 37 (71 ) Отдел энергетической киберчетики

АН МССР (72) И.Я.Шор, А.А.Журавлев, М.Г.Левин, А.С.Трахтенберг, В.Н.Асанов, С.П.Наук и А.М.Бурчаков (53) 681.325 (088.8)

{56) Авторское свидетельство СССР

Р 1259303, кл. G 06 J 1/00, 1986.

Пухов Г.Е., Самойлов В.Д., Аристов В.В. Автоматизированные аналогоцифровые устройства моделирования.

Киев: Техника, 1974, с.172, рис.7в. (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ

СИСТЕМА (57) Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для моделирования непрерывнодискретнык процессов и систем управления в-реальном и ускоренном масштабах времени. Целью изобретения является повышение быстродействия и расширение класса решаемых задач эа счет решения нелинейных дифференциальных уравнений. Аналого-цифровая вычисли тельная система содержит ЦВМ, блок памяпи верхнего уровня, селектор адреса верхнего уровня, блоки обмена информацией верхнего уровня, блоки моделирования дифференциальных уравнений, блок связи, соединения. Исход ная задача сводится к определению с л значении у, i х,, „х -, х,..., I

1 х„,х „, где у„ — функция качества исследуемого объекта, х ., x 1,2,..., 1 и х „ — переменные состояния, получа-. емые при моделировании динамических процессов, заданных. дифференциальны- ф ми уравнениями вида х., = а „,х,, +:...4

+ а„.x,:+...+ а х„+ Ь +ф; ..., х ащ,х,+ ... + а„.х- + ... + а®х„+

I 1 )

+ b +Ф, при известных начальных ус- С

Ф ловиях х (О), где Ф; f — келию нейные функции, а .. — коэффициенты.

6 К)

1429139 у f(< х ..., х, х э ° ° ° э хп х11) 5О

М 19 функция качества исследуемого объекта,х., х.= 1,2, 55 переменные состояния, получаемые при моделировании динамических процессов,загде у„

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть исполь зовано для моделирования непрерывно1 дискретных процессов и систем управления в реальном и ускоренном масштабах времени.

Цель изобретения — повышение быстродействия и расширения класса решаемых задач за счет решения нелиней- 10 ных дифференциальных уравнений.

На фиг. 1 и 2 показан пример реализации аналого-цифровой вычислительной ! системы; на фиг. 3 — блок-схема блока интегрирования; на фиг. 4 блок-схема второго блока памяти; на фиг. 5 и 6— блок-схемы алгоритма функционирования аналого-цифровой вычислительной системы.

Система содержит ЦВМ 1, блок 2 па- 20 мяти верхнего уровня, селектор 3 ад: реса верхнего уровня, блоки 4 обмена ! информацией верхнего уровня, блоки 5

1моделирования дифференциальных уравнений, блок 6 связи, соединения 7-9.

25 .Каждый блок 5 моделирования дифференциальных уравнений содержит блок

10 управления, соединения 11-13 адреса, первый блок 14 памяти, блок 15 обмена информацией, селектор 16,. вто- 30 рой блок 17 памяти, блок 18 интегрирования, таймер 19, блок 20 прерываний, блоки. 21 и 22 коммутации, блоки

23 вычисления нелинейных функций.

Блок 18 интегрирования содержит 35

ЦАП 24 и 25, m умножающих ЦАП (УЦАП)

26, сумматоры 27 и 28, интегратор 29, блоки 30 и 31 ключей, АЦП 32, блок

33 контроля и управления, в который входят регистр 34 и коммутаторы 35 40 и 36, соединения 37 и 38.

Второй блок 17 памяти содержит запоминающее устройство 39, мультиплексоры 40-42, дешифраторы 43 и 44, арбитр 45 шин, шинные формирователи 45

46 и 47.

Исходная задача сводится к определению значений данных дифференциальными уравнениями вида х. = а „х +...+а„. х + ...+а х„+Ь,+ Ф1;

11 j х.= а. х +...+а ° х.+ ...+а х +Ь + Ф;

11 1 1j i 1Р 1 1 х = а х+...+а х+ ...+а х+Ь+ф„;

1 hj } (2) при известных начальных условиях

% х (О), причем ф. = » f — нелиней1 3 ные функции, a; — коэффициенты.

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии регистр 34 блока 33 обнуляется и на первом и втором входах регистра 34 формируется код 01, в соответствии с которым все интеграторы 29 аналоговых ячеек устанавливаются в режим "Исходное положение". Исходное состояние остальных блоков произвольное.

На этапе подготовки загружается в ЦВМ 1 составленная пользователем программа определения у в соответ% ствии с (1), вводятся значения коэффициентов Ь. и а " и описания функ1 1) ций f, . в уравнениях (2). Программными средствами автоматизации программирования аналоговой части задачи по коэффициентам Ь;и а; уравнений (2) по известной методике определения коэффициентов передач интеграторов

29 и сумматоров 28 рассчитываются и k1 для УЦАП 26, определяются

1 коды узловых точек аппроксимации нелинейных функций f, вычисляются массивы кодов управления теми коэффициентами УЦАП 26, которые изменяются в функции времени либо в зависимости от значений х;, определяются

jÞ коды управления блоками 6 автоматической связи модулей и блоками 21 и

22 коммутации.

Под управлением операционной системы ЦВМ 1 производится загрузка через блоки 4 и 15 в блок 14 программы управления блоками 5, а также пользовательских подпрограмм, реализующих логические зависимости. В блок 14 передаются коды рассчитанных на ЦВМ

1 коэффициентов, коды узлов точек нелинейных функций, коды управления блоками 21 и 22.

1429139

Работа программ управления блоками 5.происходит по инициативе программы ЦВИ 1, обеспечивая набор схемы моделирования с помощью блоков 6, 21 и 22, установку коэффициентов в УЦАП

26, задание режима работы в процессе решения задачи интегратором 29 каждого из блоков 18 интегрирования. Установка коэффициентов УЦЛП 26 и началь- 10 ных условий интеграторов 29 через

ЦАП 24 по шине 12 производится с помощью селектора 16. В процессе установки значений коэффициентов k; на

УЦАП 26 коммутатор 35 подключает к 15 входу соответствующего УЦАП 26 опорные напряжения П „ . После записи значения коэффициента k 1 в УЦАП 26 ocyl ществляется контроль записанного значения с помощью АЦП 32, вход которого 20 коммутатором 36 подключен к выходу сумматора 28. При этом управление коммутаторами 35 и 36 осуществляется с третьего и четвертого выходов ре-. гистра 34, информация в который поступает с блока 10 управления, Таким образом, с помощью блока 33 устраняется погрешность, вносимая внешними соединительными цепями, так как контроль коэффициентов 1 " осу- 30

1j ществляется непосредственно на выходе сумматора 28. С помощью блока 30 ключей входы сумматоров 28 аналоговой ячейки подключаются к выходам УЦАП 26 ,или к нулевой шине, причем управление Зб каждым ключом осуществляется от блока

10 что позволяет параллельно менять значения а в процессе решения, если а 1,,принимает значение "0" либо "1".

Воспроизведение нелинейных функ- 40 ций ф;. уравнений (2) обеспечивается блоками 23, подключение выходов которых к входам сумматора 27 производится блоком 31 ключей. Подача на вход блоков 23 переменных х. в составе .

1 блока 5 производится первым блоком 21 коммутации, а переменных с других блоков 5 через блок 22. Задание адресов и кодов управления блоков 21 и 22 производится блоками 10 управления В0 с помощью селектора 16.

После проведения этапа подготовки к решению уравнений (2) в блок 2 занесена программа решения уравнений (2), в блоки 14 занесены соответству- g5 ющие пользовательские программы; для блоков 5 проведена установка ко- эффициентов 1; на УЦАП 26 и их корректировка с помощью блока 33; набра-. на схема моделирования в блоках 18 с помощью блоков 21, 22, 6 и УПЛП; установлены необходимые начальные условия интеграторов 29; занесены необходимые функциональные зависимости в блоки 23 вычисления нелинейных функций.

При поступлении сигнала "Пуск" по инициативе программы ЦВМ l начинает" ся решение уравнений (2). При этом запускаются все блоки 10, в регистры

34 заносятся коды индивидуального управления интеграторами 29, которые переводятся s строго определенный режим работы (" Исходное положение", "Пуск", "Останов" ).

В таймер 19 предварительно заносится число, соответствующее необхо= димому временному интервалу, по истечении которого на выходе таймера 19 возникает сигнал, поступающий на вход блока 20 прерываний, Блок 10 производит обработку прерывания и пристугает к дальнейшему выполнению нрерванн -. ; программы. При необходимости в соответствии с программой блока 10 с выходного регистра таймера 19 считывается текущее время, которое заносится в фиксированную ячейку блока 17 и постоянно там обновляется. с заданной дискретностью.

Под управлением блока 10 осуществляется последовательный пуск АЦП 32 всех блоков 18 и: тегрирования, Х входам АЦП 32 предварительно через коммутатор 36 подключаются координаты х или х!. По cHrHa y "Конец реобразования" или согласно программе, введенной в микропроцессор, происхо-. дит считывание преобразованной информации и запись ее в соответствующие ячейки памяти второго блока 17 памяти. Время обращения к А?Д 32 выбирается таким образом, чтобы îí не

"простаивал", что достигается распараллеливанием выччслительного процесса и обслуживанием каждым блоком

10 огранкченного количества АЦП 32.

Таким образом, s о пределенных ячейках блока 17 информация о необходи4 мых координатах х;,, х постоянно об

% новляется с дискретностью t t. +

+ toó где tap — время преобразования АЦП 32; t — время обращения к

АЦП 32.

По мере необходимости ЦВМ 1 обращается к ячейкам блока 17, где нахо1429139 дятся текущие значения времени и переменных х; и х; необходимые для расчета функций (1).

В соответствии с программой, за5 поженной в блок 10, осуществляется изменение значения коэффициентов по заранее рассчитанным функциональным зависимостям определенных коэффициентов k; и k. во времени, что поз1! воляет получить i j функциональ-.

:ных зависимостей. Управляя работой, блока ключей, а также устанавливая, значение коэффициентов k,. и k;, рав,ными нулю или рассчитанному значению,15 возможно изменение схемы моделирова ния во времени.

Решение на предлагаемой системе уравнений вида (1) и (2) поясняется ,блок -схемой алгоритма (фиг.5). 20

На этапе начального диалога пользователь составляет с помощью стан дартных средств операционной системы

ЦВМ 1 программу для вычисления и оценки значений функции качества 25 исследуемого объекта в соответствии с конкретным видом выражения (1). С клавиатуры дисплея ЦВМ 1 вводятся конкретные числовые значения коэффициентов а,, Ь, входящих в уравнеЦ ния (2), и начальные значения переменных х (О). В случае использования

1 стандартных функций ф„ пользователь указывает только конкретный вид функции и требуемую погрешность аппроксимации. В случае использования нестан35 дартных функций 1польэователь задает координаты узловых точек аппроксимации. Далее пользователь указывает в явном виде разделение вычислительной нагрузки между блоками 5 при ре- . шении системы (2).

На этапе начальной подготовки ЦВМ 1 производит численное интегрирование системы уравнений (2), определяя при этом максимальные значения переменных и производных. Затем в соответствии с известными методиками рассчитываются масштабы переменных, масштаб времени и значения коэффициен50 тов, устанавливаемых с помощью ЦАП

24 и 25 и УЦАП 26. Таким образом формируется схема моделирования, которая может быть отображена с помощью внешних устройств ЦВИ 1.

Формула изобретения

Аналого-цифровая вычислительная система, содержащая М- блоков интегрирования. (M — количество неизвестных в системе уравнений), блок управления, вход-выход которого соединен с информационным входом-выходом первого блока памяти, входы адреса и записи-считывания которого соединены с первым и вторым выходами блока управления соответственно, о т л и ч а ю щ а я— с я тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения класса решаемых задач за счет решения нелинейных дифференциальных уравнений, в нее дополнительно введены блок вычисления, блок памяти верхнего уровня, К блоков обм!:на информацией верхнего уровня (К вЂ” количество систем уравнений по

M уравнений в каждой системе), селектор адреса верхнего уровня, блок связи и К блоков моделирования дифференциальных уравнений, каждый из которых содержит блок обмена информацией, селектор, второй блок памяти, таймер,. блок прерываний, первый и второй блоки коммутации, Е блоков вычисления нелинейных функций (Š— количество нелинейных функций), информационные входы которых соединены с Е выходами первого блока коммутации, вход синхронизации которого соединен с выходом селектора, входами синхронизации

E блоков вычисления нелинейных функций, второго блока коммутации,И блоков интегрирования и таймера, информационный вход-выход которого соединен с входом-выходом блока управления, первым информационным входомвыходом второго блока памяти, с первыми информационными входами M блоков интегрирования, Е блоков вычисления нелинейных функций, управляющими входами первого и второго блоков коммутации и информационным входом-выходом блока обмена информацией, вход адреса которого соединен с первым выходом блока управления, первым информационным входом селектора и первым входом адреса второго блока памяти, первый вход записи-считывания которого соединен с вторым выходом блока управления и управляющими входами селектора и блока обмена информацией, информационный вход-выход которого соединен с информационным входом-выходом блока обмена информацией верхнего уровня, информационный вход-выход, вход записи-считывания и вход адреса которого соединены с одноименными входами блока

1429139 памяти верхнего уровня, (К-1) блоками обмена информацией верхнего уровня, вторыми одноименными входами второго блока памяти и являются одно5 именными входами блока вычисленйя, первый и второй информационные входы селектора адреса верхнего уровня соединены с входами записи-считывания и адреса блока вычисления, а выход сое- 10 динен с входом задания режима блока связи, информационный вход-выход которого соединен с информационным входом-выходом устройства, а выход блока связи соединен с первым инфор- 15 мационным входом второго блока коммутации всех К блоков моделирования дифференциальных уравнений, информационньФ выход второго блока коммутации соединен с первым информационным входом первого блока коммутации и вторыми информационными входами .И блоков интегрирования, информационный вход-выход блока интегрирования соединен с информационными входами-выходами И-1 блоков интегрирования, вторым информационным входом первого блока коммутации и информационным входом блока связи, выходы Е блоков вычисления нелинейных функций соединены с группой информационных входов второго блока коммутации, информационный вход блока прерываний соединен с выходом таймера, а выход — с входом синхронизации блока управления.

1429139

1429139

1429139

Параллельная работа ® Ц

Риа6

Составитель В.Никитин

Редактор Н.Бобкова Техред А.Кравчук

Корректор М.Васильева

Тираж .704 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5128/47

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4