ГИБРИДНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

— вычислительная машина, в которой сочетается ряд особенностей цифровых и аналоговых вычислительных устройств. Идея создания Г. в. м. связана со стремлением преодолеть недостатки, свойственные аналоговым и цифровым вычислительным машинам (ЦВМ), и объединить их достоинства: быстродействие параллельно работающих устр-в аналоговых вычислительных машин (АВМ) и их способность решать целые классы задач неалгоритмическим путем с высокой точностью ЦВМ и их возможностями выполнять различные функциональные операции, к которым относятся вычисления в соответствии с заданной последовательностью выполнения операций, логические решения и итерационные вычисления.

Первые попытки сочетать свойства АВМ и ЦВМ были вызваны чрезвычайной сложностью проблем, возникших при моделировании в реальном масштабе времени таких задач, как полет космических аппаратов и управление производственными процессами. Возможности чисто аналоговых и чисто цифровых машин для решения таких задач оказались недостаточными. Это привело к их объединению в один вычисл. комплекс с помощью аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя информации. ЦВМ в таких комплексах производит ту часть вычислений, выполнение которых с ее помощью наиболее целесообразно: точное преобразование координат, вычисление параметров траектории, моделирование цифровой аппаратуры управления. АВМ же используется для моделирования динамики объекта и управляющих воздействий, где требуется большое быстродействие и где допустима меньшая точность. Вопрос оптим. распределения вычисл. работ между аналоговой и цифровой частями Г. в. м. является чрезвычайно важным, так как в случае неправильного его решения в большой гибридной модели проявляются и отрицательные свойства вычисл. машин обоих типов. Ошибки и трудности, связанные с набором задачи, дополняют осложнения, связанные с конечностью темпа выборки в устр-ве аналого-цифрового преобразования, или с запаздыванием, определяемым временем выполнения вычислений в ЦВМ. Поэтому основными среди Г. в. м. являются машины, спроектированные именно в виде единой гибридной системы. В таких системах, содержащих достаточно мощные аналоговые и цифровые части, целесообразно, чтобы общая программа совместной работы аналоговой и цифровой части предусматривала осн. затраты времени на проверку и подготовку их к работе отдельно друг от друга. Кроме того, необходимо, чтобы в этих системах была предусмотрена возможность независимого использования аналоговой и цифровой частей. Так, при подготовке аналоговой части системы цифровая часть этой системы должна быть занята решением других задач до того момента, когда потребуется ее участие в решении общей задачи. Для эффективного использования таких машин требуется высокая квалификация обслуживающего персонала и хорошо разработанная система матем. обеспечения. При решении задач оптимизации, статистической обработки и др. необходимы отработанные стандартные программы управления комплексом.

Опыт, накопленный в области гибридного аналого-цифрового моделирования, позволил определить путь создания другого типа Г. в. м. Для задач, при решении которых можно ограничиться умеренной точностью вычислений, использование аналоговых подпрограмм в составе программы, выполняемой цифровым автоматом, приводит к значительной экономии машинного времени и снижению требований к объему оперативной памяти. К такому же результату приводит и замена в некоторых специализированных ЦВМ медленно выполняемой чисто цифровой программы умножения обращением к гибридному цифро-аналого-цифровому устр-ву, реализующему операцию умножения. Более существенную экономию времени дает применение аналоговых арифметических блоков, управляемых цифровым способом, в которых выполняются аналоговые операции умножения и сложения. Аналоговое устр-во, оформленное в виде подпрограммы, которое либо вычисляет значения ф-ций либо решает алгебр, или дифф. ур-ния, позволяет отказаться от использования многих команд и от наличия дополнительного цифрового

запоминающего устройства с малым циклом обращения.

Очень эффективным является применение аналоговых подпрограмм при итеративном решении ур-ний в частных производных. Схема возможной гибридной системы для решения двумерных ур-ний в частных производных с нелинейным членом приведена на рис. 1, где ПФП — переключаемый функциональный преобразователь, АЦП и ЦАП — аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. В схеме в качестве аналоговой части взята резисторная сетка Гершгорина, являющаяся моделью ур-ний Лапласа и Пуассона.

1. Схема гибридной системы для решения двумерных уравнений в частных производных с нелинейным членом.

2. Схема гибридной вычислительной машины для решения обыкновенных дифференциальных уравнений.

3. Схема обратимого точечного интегратора первого порядка.

4. Схема классификации гибридных вычислительных машин.

Ввод токов в узлы сетки полностью автоматизирован путем присоединения ее через запоминающие источники к управляющему цифровому автомату (ЦА).

Весьма перспективно построение Г. в. м. для решения обыкновенных дифф. ур-ний с краевыми условиями по схеме, приведенной на рис. 2. Использование в ней аналоговой части, построенной на базе обратимых точечных интеграторов, позволяет реализовать краевые условия непосредственно в самих интеграторах. Точечным интегратором порядка одномерной ф-ции на отрезке модель ур-ния , в котором задаваемая, получаемая ф-ция, h — шаг дискретизации. Одна из возможных схем обратимого точечного интегратора первого порядка изображена на рис. 3. Обратимым он является потому, что все его полюсы являются равноправными в том смысле, что на каждом из них величины в виде напряжений можно и задавать и получать. В Г. в. м., изображенной на рис. 2, все нелинейные зависимости реализуются в управляющем ЦА. Точечные интеграторы (ТИ) играют в ней роль дискретного квазианалога системы ур-ний на заданном отрезке . Краевые условия вводятся в схемы интеграторов непосредственно. Роль ЦА сводится к образованию при помощи кодов Q требуемой схемы из интеграторов и к уравновешиванию вычисл. системы так, чтобы точечное изображение вектора соответствовало решаемой системе дифф. ур-ний (см. Уравновешивания методы).

Классификация Г. в. м. может быть проведена по схеме, приведенной на рис. 4. Существует несколько осн. типов таких машин. Аналоговые машины с цифровым управлением и цифровой логикой способны воспроизводить гораздо более сложные модели по сравнению со стандартными АВМ, сохраняя их положительные качества, в частности, возможность для исследователя активно вмешиваться в процесс поиска решения. На этих машинах могут автоматически выполняться последовательные решения, а результаты, полученные в предыдущих решениях, могут запоминаться и использоваться при выполнении последующих решений. Это дает возможность реализовать итеративный процесс решения, сходящийся к искомому результату, итеративный процесс оптимизации параметров и т. п. Первый удачный пример этого типа гибридизации представляет собой система «HYDAC» фирмы Electronic Associates (США).К машинам такого типа относятся и отечественные Г. в. м. «Аркус» и «Экстрема».

Существуют АВМ с ЦВМ в качестве периферийного оборудования. В таких системах небольшая цифровая машина используется вместе с большой аналоговой системой для

решения спец. задач, решить которые было бы трудно или вовсе невозможно с помощью чисто аналоговой аппаратуры.

Самыми мощными из существующих гибридных вычислительных систем являются сбалансированные цифро-аналоговые комплексы, включающие в себя универсальные цифровые и универсальные аналоговые вычислительные машины. Оба осн. компонента таких гибридных систем можно использовать и отдельно для решения широкого класса важных задач. Но при объединении их возникает еще более мощная вычисл. система.

Цифровой вычислительной машиной, которая использует аналоговые подпрограммы, является, напр., система «UCLA DSDT» (США) для решений ур-ний в частных производных, в которой аналоговая аппаратура используется лишь для обращения матриц, требуемого программой ЦВМ.

У цифровых вычислительных машин с аналоговыми арифметическими устройствами скорость вычислений больше, чем у чисто цифровой машины за счет параллельного выполнения некоторых операций с помощью аналоговой аппаратуры. Примером таких машин может служить система, разработанная в 1962 в Массачусетском технологическом институте (США).

К цифровым вычислительным машинам с программированием аналогового типа относятся цифровые дифференциальные анализаторы, которые по методу подготовки и решению задач можно отнести к АВМ, а по форме представления информации и по тех. выполнению — к цифровым электронным машинам (см. Цифровая интегрирующая машина).

Г. Е. Пухов, Г. П. Галузинский.