Computer hibrid , computer hibrid , sistem analog-digital - un tip de sistem de calcul hibrid (HCS), care combină proprietățile dispozitivelor de calcul analogice și digitale [1] .
Apariția sistemelor de calcul hibride a fost asociată cu faptul că nici metodele analogice, nici cele digitale nu au fost suficiente pentru o serie de probleme apărute în inginerie în modelarea sistemelor complexe.
Aceste sarcini au fost:
Mașini digitale ale epocii corespunzătoare[ când? ] nu avea suficientă viteză pentru a procesa matrice de date emergente în timp real, iar mașinile analogice nu au permis realizarea întregii varietăți posibile de situații simulate.
Prin urmare, s-a găsit o soluție pentru a împărți procesul de calcul în mai multe clase de operații, după care cea mai complexă procesare funcțională a semnalului este atribuită modulelor analogice ale sistemului, în timp ce algoritmii de luare a deciziilor, scenariile și stabilirea condițiilor inițiale și finale sunt atribuite modulelor digitale.
Toate acestea au făcut posibilă reducerea costului puterii de calcul a calculatoarelor digitale utilizate și creșterea vitezei sistemelor hibride rezultate.
Într-un sistem de calcul hibrid, multe dintre dezavantajele inerente fiecărui tip de computer separat au fost eliminate, iar avantaje precum [1] [2] sunt combinate :
Pentru interacțiunea nodurilor analogice și digitale ale GVM , sunt utilizate dispozitive speciale de conversie, în special un convertor analog-digital (ADC) și un convertor digital-analogic (DAC), amplificatoare controlate, comutatoare etc. [2]
Sistemele de calcul hibride sunt construite din următoarele elemente:
Un complex hibrid eficient poate fi creat doar ca urmare a unui studiu amănunțit al domeniului subiectului, clarificarea tuturor caracteristicilor aplicației și o analiză detaliată a sarcinilor tipice. Prin urmare, este fundamental greșit să vorbim despre o singură arhitectură a sistemelor de calcul hibride.
Calculatoarele hibride, ca și computerele analogice, pot fi împărțite în două grupuri principale:
Există, de asemenea, sisteme de calcul hibride orientate analog, digital și echilibrate.
Sistemele hibride rezolvă în mod eficient următoarele grupuri principale de sarcini:
Una dintre sarcinile tipice ale primului grup este modelarea sistemului de control al unei laminoare. În acest caz, computerul analogic reproduce dinamica proceselor în moara în sine, iar mașina de control este modelată de un computer de uz general cu un program special. Durata scurtă a proceselor tranzitorii în drive-urile morii și interconectarea unui număr mare de cantități atunci când încercați să le simulați în întregime pe un computer în timp real ar necesita utilizarea calculatoarelor de ultra-înaltă viteză, în timp ce acuratețea modelării celor mai critice , procesele rapide ar fi determinate în primul rând de erori de discretizare.
Această clasă de sarcini este tipică pentru controlul instalațiilor militare, de exemplu, sisteme de apărare aeriană sau formațiuni militare.
Al doilea grup include două subgrupe de sarcini:
Misiuni de reședințăEle se caracterizează prin faptul că traiectoria mișcării se formează în procesul de mișcare în sine ca urmare a controlului și a influențelor externe. Pe măsură ce obiectul se apropie de țintă, rata de modificare a unor parametri devine atât de mare încât utilizarea soluțiilor pur digitale necesită o viteză ultra-înaltă, iar o soluție pur analogică nu este capabilă să acopere o gamă dinamică mare de valori măsurate cu precizie acceptabilă. În plus, o mașină analogică nu poate procesa corect nicio situație de „ limită ”.
În acest caz, sistemul hibrid vă permite să compensați deficiențele ambelor tehnologii și să „ieșiți” din condiții anormale.
Simulatoare complexeConstrucția părții computaționale a simulatoarelor complexe a arătat că cea mai mare precizie a modelării se obține dacă ecuațiile de mișcare în jurul centrului de greutate sunt atribuite părții analogice, iar mașina digitală se ocupă de mișcarea centrului de greutate în spațiul și toate relațiile cinematice.
Acest grup include de obicei sarcini care sunt rezolvate prin procesarea rezultatelor implementării multiple a unui proces aleatoriu.
Exemple:
Implementarea unui proces aleatoriu de către o mașină analogică, în primul rând, nu necesită o creștere proporțională a costurilor energetice cu o creștere a vitezei și, în al doilea rând, permite (spre deosebire de algoritmii digitali ) reducerea repetabilității secvențelor generate, mai ales dacă acestea sunt foarte lungi.
În acest caz, un AVM de mare viteză funcționează în modul de repetare multiplă a soluției, iar procesarea rezultatelor obținute la ieșirile sale, procesarea condițiilor limită și calculul funcționalelor sunt atribuite computerului. În plus, computerul digital este cel care stabilește criteriile și determină finalul calculului pe baza acestora.
Soluțiile hibride fac posibilă reducerea timpului de rezolvare a problemelor de acest tip cu mai multe ordine de mărime în comparație cu algoritmii pur digitali și, în unele cazuri, sporesc fiabilitatea rezultatelor obținute fără costuri semnificative.
Rezultate similare ca eficiență sunt obținute atunci când sistemele hibride studiază procesele de propagare a excitației în sistemele biologice. Specificul acestui tip de probleme, chiar și în varianta lor cea mai simplă, modelarea unui astfel de mediu constă în construirea unui sistem complex neliniar de ecuații în derivate parțiale.
Rezolvarea problemelor de control optim atunci când sunt aplicate la obiecte mai mari decât ordinul trei se confruntă cu dificultăți fundamentale.
Complexitatea modelării și obținerii unei soluții crește mai ales dacă trebuie căutat controlul optim pe un sistem care rulează.
Sistemele de calcul hibride fac posibilă eliminarea sau cel puțin minimizarea acestor dificultăți. Pentru a face acest lucru, cu ajutorul GVM, sunt implementate metode precum principiul maxim Pontryagin , care sunt extrem de complexe din punct de vedere computațional.
GVM-urile sunt, de asemenea, utilizate eficient în problemele în care principalul lucru este construcția și rezolvarea ecuațiilor diferențiale parțiale neliniare.
Acestea pot fi atât probleme de analiză, cât și probleme de optimizare și identificare.
Exemple de probleme de optimizare:
La rezolvarea acestor probleme, computerul digital este conectat la modelul de rețea, care este utilizat în mod repetat în procesul de rezolvare.
Creșterea puterii de calcul a microprocesoarelor cu mai multe ordine de mărime, miniaturizarea echipamentelor digitale au redus nevoia de a construi sisteme hibride pentru majoritatea sarcinilor descrise, iar în prezent pot fi utilizate soluții hibride:
Extrema este o familie de sisteme de calcul hibride desktop. În ceea ce privește viteza și metoda de setare a condițiilor, mașinile din această familie sunt aproape de computerele analogice . Cele mai recente modele au fost construite pe baza unui procesor analogic cu sisteme suplimentare pentru setarea valorilor inițiale ale variabilelor. Pentru controlul procesului de calcul s-a folosit un dispozitiv de afișare vizuală și un dispozitiv de măsurare și control a condițiilor problemei, generatoare de semnale de timp și ceas. Acestea au fost folosite pentru a rezolva sisteme de ecuații algebrice și transcendentale neliniare, sisteme de inegalități finite, sisteme de ecuații diferențiale ordinare și neliniare cu condiții inițiale date, găsirea coordonatelor maximului și minimului unei funcții a mai multor variabile cu diverse constrângeri, programare neliniară probleme , etc. [1] Principalele caracteristici ale celor mai recente modele:
Pe lângă avantajele „divizării muncii”, sistemele de calcul hibride au propriile provocări de proiectare care nu se găsesc atât în hardware-ul digital, cât și în cel analogic.
Problema principală este erorile de discretizare:
Deoarece există o comunicare bidirecțională multiplă între părțile analogice și digitale în sistemele hibride, cantitatea variabilă de întârziere introdusă de procesarea software poate duce la un feedback neliniar care nu este intenționat de model. Când lucrați cu un computer digital cu convertoare ADC și DAC, acest lucru nu provoacă probleme atât de semnificative, dar într-un sistem de calcul hibrid, acest lucru poate duce la o pierdere a stabilității și poate perturba performanța întregului sistem.
Pentru a estima eroarea unui anumit complex este necesară o analiză extrem de complexă a erorilor primare ale echipamentelor și a erorilor secundare introduse de transformări. Fără aceasta, este imposibil să se dezvolte sisteme de calcul precise.
În ciuda faptului că erorile primare ale AVM și computerului digital, din care sunt construite sisteme hibride, au fost studiate destul de bine, problema estimării erorii în rezolvarea problemelor neliniare folosind un complex hibrid nu a fost încă rezolvată.
În literatura de specialitate, există cazuri de atribuire eronată la sistemele de calcul hibride ale calculatoarelor analogice care au elemente separate de logică discretă:
Trebuie remarcat faptul că astfel de computere păstrează reprezentarea analogică ca principală, iar elementele digitale poartă doar funcții auxiliare.
| Cursuri de informatică | |
|---|---|
| Conform sarcinilor | |
| Prin prezentarea datelor | |
| După sistemul numeric | |
| După mediul de lucru | |
| Prin programare | |
| Supercalculatoare | |
| Mic și mobil | |