ББК 32.973.2 П 79 УДК 681.33 Ю. М. Смирнов, Г. Н. Воробьев, Е. С. Потапов, В. В, Сюзев Рецсизентьг кафедра вычислительной техники Московского ин- ститута электронной техники (зав. кафедрой проф. Л. Н. Прссну- -хнн); проф. П. П. Сыпчук (Московский институт электронного ма- шиностроения) Проектирование специализированных информацнон- П79 но-вычислительных систем: Учеб. пособие по спец. ЭВМ и АСУ / Смирнов Ю. М., Воробьев Г. Н., Потапов Е. С., Сюзев В. В.; Под ред. Ю. М. Смирнова.—М.: Высш. шк., 1984. — 359 с., ил. В пер.: 1 р. 20 к. В кш!ге рассмотрены структура и состав специализ-ированных информа- шюнно-вычислитсльиых систем (СИВС) различного назначения; задачи, под- лежащие решению в СИВС; методы и алгоритмы их решения и основные характеристики алгоритмов, являющиеся 6a30E'i для обоснования технических требований к вычислительным средствам и их ресурсам; особенности архи- юктуры вычисли гсльных средств, используемых в C1IBC. Теоретический материал иллюстрируется примерами. - 2405000000—334 " -001(01)-о4 139-84 ББК 32.973.2 6Ф7 Издательство «Высшая школа», 1984 -ПРЕДИСЛОВИЕ Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года предусматри- вается совершенствование вычислительной техники, ее элементной базы и математического обеспечения, средств и систем сбора,.пере- дачи н обработки информации. В СССР в 1961 г. впервые в мире была успешно применена циф- ровая вычислительная машина для прямого управления технологи- ческим процессом (цифровой регулятор «Автооператор»). В даль- нейшем в СССР был налажен серийный выпуск управляющих ЭВМ широкого назначения, таких, как «Днепр», УМ-1, ВНИИЭМ-3 н др. В настоящее время выпускается большая номенклатура совре- менных вычислительных средств, а также развернуты исследования для удовлетворения массовых потребностей в применении средств вычислительной техники для народного хозяйства со значительным расширением областей системного использования и автономных вы- числительных работ. Однако в ближайшие годы предстоит выпол- нить огромный объем работ по созданию средств вычислительной техники для управления технологическими процессами, широкой номенклатуры датчиков и исполнительных устройств, средств связи и отображения ин4гормации. На важность этой работы указал в сво- . ем выступлении на июньском (1983 г.) Пленуме ЦК КПСС Ю. В. Андропов: «Предстоит осуществить автоматизацию производ- ства, .обеспечить широчайшее применение компьютеров и роботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новой продукции». Решение этих задач требует подготовки квалифицированных специ- алистов в области проектирования и эксплуатации информационно- управляющих и вычислительных комплексов. Настоящее учебное пособие подготовлено в соответствии с про- граммами дисциплин «Основы теории специализированных вычис- лительных комплексов» и «Проектирование специализированных вычислительных комплексов». Оно знакомит читателя со структу- рой специализированных информационно-вычислительный систем (СИВС), решаемыми ими задачами, методами их решения, особен- ностями организации управляющих вычислительных средств и средств обмена с источниками информации и объектов управления. Особенность данного пособия'состоит в том, что в нем особое внимание уделено способам представления н алгоритмам обработки информации в реальном масштабе времени, поскольку характери- стики алгоритмов являются базой для обоснования требований, предъявляемых к вычислительным средствам н их ресурсам. Наиболее близкими к настоящему учебному пособию по составу рассмотренных вопросов являются учебное пособие коллектива ав- торов «Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления» под редакцией проф. Л. Н. Преснухина (М., Предисловие 4 Предисловие и машин управления» под редакцией проф. Л. Н. Преснухина (М., Высшая школа, 1970) и учебник коллектива авторов «Специализиро- ванные ЦВМ» под редакцией В. Б. Смолова (М., Высшая школа, 1981). Однако в первой книге рассматриваются методы и алгоритмы решения - задач управления, реализованных на аналоговых элементах. Во второй книге не рассматриваются цифровые методы решения функциональных задач применительно к особенностям использования СИВС. Поэтому данное пособие, где достаточно полно представлены цифровые методы обработки информации и большое внимание уделено специфике взаи- модействия ЭВМ с объектами управления и исследования, можно рас- сматривать как дополнение к указанным книгам. В основу его положе- ны материалы лекций, читаемых авторами студентам специальностей «Электронные вычислительные машины» и «Автоматизированные сис- темы управления» в МВТУ им. Н. Э. Баумана, и результаты научных работ авторов. Авторы приносят искреннюю признательность коллективу кафедры ^Вычислительная техника» Московского института электронной тех- ники, а также проф. П. П. Сыпчуку за критические замечания, выска- занные в процессе рецензирования рукописи.. Все замечания и пожелания по книге, за которые авторы заранее благодарны читателям, направляйте по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа». Авторы ВВЕДЕНИЕ Одно из важнейших нпправлений современного научно-технического прогресса—комплексное развитие работ по .автоматизации измере- ний, контроля и управления технологическими процессами в различ- ных областях промышленности и народного хозяйства. Оно обуслов-- лено потребностям!? в непрерывном росте производительности промыш- ленного и технологического оборудования, в увеличении-масштабов его выпуска и степени сложности, частой смене и.расширении номенкла- туры выпускаемых изделий, усложнении внутрипроизсюдственных и _межпроизводственных связей. Поэтому возрастают потоки информа- ции, подлежащие обработке, усложняются технические средства авто- матизации, разрабатываются новые принципы построения систем уп- равления, основанные на использовании электронных вычислитель- ных машин (ЭВМ). Можно отметить следующие тенденции в использовании ЭВМ для контроля и управления: — рост сложности алгоритмов обработки информации для получе- ния управляющих воздействий; — увеличение (в том числе и в процессе эксплуатации систем) чис- ла функциональных задач, подлежащих решению; .— повышение требований к основным техническим и эксплуата- ционным характеристикам ЭВМ (производительности, информацион- ным объемам запоминающих устройств, надежности, энергопотребле- нию, весам, габаритам и др.), входящим в те или иные системы управ- ления в качестве составного звена. - • Отражением этих тенденций является стремление разработчиков создавать ЭВМ, используемые в составе систем управления и контроля различного назначения, по модульному принципу, позволяющему на- ращивать их производительность и вычислительные ресурсы. Проблема построения систем на базе ЭВМ имеет комплексный ха- рактер. Это означает необходимость обоснования характеристик и.вы- бора ЭВМ для использования в проектируемой системе по совокупно- сти критериев качества (производительности, точности, надежности, стоимости и др.) и сопрягаемых с ней технических средств измерения,. передачи и отображения информации. Не менее важным представляется и создание математического и программного обеспечения, разработку которых часто приходится ориентировать на ограниченные вычисли- тельные ресурсы ЭВМ и ее ограниченное быстродействие. Поэтому большое значение придается" выбору соответствующих математичес- ких методов решения задач и методов аппаратной или программной реа- лизации наиболее часто встречающихся функциональных зависимос- тей. Опыт проектирования систем на базе ЭВМ как в нашей стране, так h за рубежом показывает, что основное внимание концентрируется не в области разработки аппаратных средств, а в области создания матема- тического и программного обеспечения, поскольку трудоемкость, сто- имость,сроки проектирования и освоения системы в целом все в боль- Введение шей мере определяются этими же показателями разработки математи- ческого и программного обеспечения. Особенно это относится к систе- мам, функционирующим в реальном масштабе времени, которые рас- сматриваются в данной книге. Выбор тех или иных математических методов для решения функцио- нальных задач в подобных системах обусловливается, в свою очередь, свойствами сигналов, полученных от датчиков, регистрирующих пара- метры рассматриваемых процессов. При этом точность представления и вычисления данных, частота их квантования по времени дол-жны быть согласованы как с параметрами процесса, так и с характеристиками датчиков, измеряющих эти параметры. Характеристики и параметры сигналов, полученных в результате измерения и фиксации их датчика- ми, во многом .определяют и характеристики вычислительных средств. Развитию и производству вычислительных средств для систем уп- равления различного назначения в нашей стране уделяется большое внимание. О перспективах их производства в докладе товарища А. Н. Тихонова XXVI съезду КПСС «Основные направления экономи- ческого и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» отмечается, что значительно расширится производство миниатюрных электронных управляющих машин как составной части основного технологического оборудования, приборов, различных сис- тем и средств управления и контроля. Эти обстоятельства вызывают необходимость изучения общих прин- ципов построения систем управления и контроля на базе ЭВМ (в по- собии они определяются как специализированные информационно-вы- числительные системы), основных свойств сигналов и типовых методов их обработки. Большое внимание уделяется способам представления и алгоритмам обработки сигналов, поступающих от 4мзнческих объек- тов и процессов в реальном масштабе времени, поскольку параметры алгоритмов являются определяющими при проектировании или выборе ЭВМ и других аппаратных средств для конкретной системы, а также ее структуры и взаимодействия с внешней средой. 1. Общая характеристика сивс § 1.1 Состав и структура § 1.2. Примеры СИВС различного назначения § 1.3. Задачи, решаемые СИВС § 1.4. Проблемы, возникающие при проектировании СИВС § 1.1. Состав и структура Для систем, использующих в своем составе ЭВМ для контроля и управле- ния (такие ЭВМ часто называют уп- равляющими), не сложилось к настоя- щему времени однозначной термино- логии. В научно-технической литера- туре такие системы в зависимости от области их применения, -а также от класса решаемых задач называются цифровыми системами контроля и регулирования, информационно-вы- числительными системами, измери- тельно-вычислительными комплекса- ми, информационно-управляющими системами, автоматизированными си- стемам!! управления технологически- ми процессами, управляющими вычис- лительными комплексами и т. п. Такое разнообразие названий, очевидна, объясняется многообразием областей применения управляющих ЭВМ, ре- жимов их работы н решаемых задач. Однако для подобных систем с управ- ляющими ЭВМ можно выделить неко- торые общие функции: сбор информа- ции об объекте управления (контро- ля) и внешней среде и преобразова- ние ее к виду, удобному для переда- чи; передача информации для обра- ботки в ЭВМ или от ЭВМ к потребите- лям; обработка информации в ЭВМ в реальном .масштабе времени в соот- ветствии с предписанными алгоритма- ми, реализованными в виде програм- много обеспечения ЭВМ. Применительно к кругу вопросов, изложенных в настоящем учебном по- собии, рассматриваемые системы удоб- но называть специализированными ин- формационно-вычислительными систе- мами (СИВС)*, под которыми пони- * СИВС предназначена для решения сравнительно узкого класса задач, сохра- няющего погтоянство в течение, жнзнеч- мого цикла системы. § S.I. Состав и структура дается комплекс технических средств, предназначенный для управ- ления некоторым технологическим процессом (процессами) или объек- IOM (объектами) в реальном масштабе времени, включающий в себя уп- равляющую ЭВМ (одну или несколько), средства сбора, преоб.разова- пия, передачи и отображения информации, а также специальное ма- тематическое и программное обеспечение. В общем виде структура такого комплекса представлена на рис. 1.1.1. На вход управляющей ЭВМ через систему ввода — вывода поступает измеренная с помощью датчиков Д^, ..., Дщ информация .,- -I 'ft'^,,—, У-~*тЛ^Г~^,1 ' И^ВЧ -L- f', С - с. ПУЗВМ ^to?.§-• р^„ll-3 •t, ' 1 ' \ р, • ОУ rii—h— г ' 1 ^ -? •?Q^->-( 3-S^ о. •^ &:^^и S о к а о-, 56=° 0,\ ^ ь о -Щ и а м>Sl U и) -»-f> 3:^.^ S ^-Q U3 ^ ^^3 5 ;с N^• i—'•—,^mуя-- ' sc зг ^ х;' Ь'прсВл,'~№ -щая SBM, ' U't i ,. 11 1-. У 0 И Рис, 1.1.1 л"1,..., л',ц о текущем состоянии объекта управления (объекта исследова- ния) или технологического процесса. В большинстве случаев на выходе датчиков образуются аналоговые сигналы в виде электрического на- пряжения или тока, которые подлежат аналого-цифровому преобра- зованию для ввода их в ЭВМ. Для сокращения объема аппаратуры мо- жет использоваться общий аналого-цифровой преобразователь АЦП. Тогда коммутатор К. поочередно подключает выходы датчиков ко входу АЦП. На основе поступившей информации от объекта управления и внешней среды ЭВМ в соответствии с предписанным алгоритмом выра- батывает управляющие сигналы VI, которые через цифроаналоговый преобразователь ЦАП и коммутатор поступают на исполнительные уст- ройства ИУ^,..., ИУ^ и воздействуют определенным образом на объект управления ОУ. Превышение регулируемыми величинами объекта допустимых значений, сигналы об аварийных ситуациях фиксируются ин- дикаторами сообщений ИС^,..:, HCt и в виде релейных сигналов вос- принимаются системой прерывания ЭВМ для осуществления перехо- да на соответствующие программы обслуживания. Временные циклы вычислений управляющих воздействий для подключения тех или иных программ выполняются по сигналам таймер.а Г (таймер может быть Глава 1. Обшач харакюрнстика СИВС реализован и программным способом). Режимы работы ЭВМ и системы задаются оператором с пультов управления ПУ ЭВМ и объекта; конт- роль за работоспособностью системы, ее'элементов и ЭВМ осуществля- ется оператором по показаниям индикаторов устройств отображения информации У О И. ' В процессе работы СИВС основные задачи, которые она решает, пе- риодически повторяются. Время периода для разных задач за&исит от скорости изменения измеряемых параметров технологических процес- сов и от динамических характеристик объекта управления (в частности, от его полосы пропускания). Приспособление СИВС к решению задач заданного класса, т. е. ее специализация, достигается специализацией ЭВМ и других вычисли- тельных средств разными путями: 1) аппаратурной реализацией вычислительных алгоритмов, т. е. созданием. специализированных вычислителей или ЭВМ, наиболее •эффективно решающих задачи заданного класса. Этот путь наиболее целесообразно использовать, в двух случаях: а) при реализации функциональных задач в период создания СИВС, когда выпускающие- ся серийно вычислительные средства не обладают необходимыми тех- ническими и эксплуатационными'характеристиками-(в частности, бы- стродействием, надежностью). В качестве примера можно привести за- .дачу спектральной обработки физических сигналов в реальном масшта- бе времени, основанной на использовании алгоритмов быстрого преоб- -разования Фурье (БПФ). Быстродействие серийной.ЭВМ может ока- заться недостаточным для выполнения операций БПФ (например, для обработки радиолокационных сигналов в реальном масштабе времени), поэтому приходится создавать специализированные процессоры или ЭВМ; б) когда алгоритмы, подлежащие реализации в СИВС, сравни- тельно просты и имеющиеся в распоряжении, проектировщиков ЭВМ принципиально могут обеспечить решение всех задач, возлагаемых на систему, но при этом данная ЭВМ оказывается избыточной по аппара- турным затратам и вычислительным ресурсам, чрезмерно дорога и по- этому экономически не оправдывается ее применение в качестве управ- ляющей в разрабатываемой СИВС. При этом часто целесообразнее соз- давать специализированные аналоговые или комбинированные (цифро- аналоговые) вычисли-тели. В обоих отмеченных случаях, как правило, приходится создавать и специализированную подсистему обмена (ввода — вывода) информацией; '• 2) использованием серийной управляющей ЭВМ (обеспечивающей некоторые универсальные вычислительные возможности) за счет соз- дания специализированной подсистемы обмена (ввода — вывода), в на- ибольшей степени учитывающей конкретный состав объектов управле- ния, датчиков и преобразователей, циклы решения отдельных функцио- нальных задач, алгоритмы и процедуры обмена информацией между внешними абонентами и ЭВМ; 3) разработкой математического и программного обеспечения. Комплекс управляющих программ, хранящийся на машинных носите- 10 $ 1.2. Примеры СНвС различного назначения лях, вводится в оперативную память ЭВМ. В качестве примера можно привести отечественные комплексы АСВТ (М-6000, СМ-1 и др.), на базе которых создаются СИВС различного назначения и проблемной ориен- тации. В управляющих бортовых ЭВМ и ЭВМ специального назначе- ния комплекс управляющих программ хранится, как правило, в дол- говременных запоминающих устройствах (ДЗУ). Благодаря относи- тельной простоте внесения изменений в программное обеспечение и до- кументацию, не затрагивающих аппаратные средства, этот путь спе- циализации применяется широко. Современное состояние элементной базы, появление интегральных схем высокой степени интеграции, реализованных в виде микропроцес- сорных наборов, тенденции их развития позволяют проектировщику обеспечивать гибкую специализацию информационно-управляющих си- стем как в аппаратурном, так и в программном обеспечении, § 1.2. Примеры СИВС различного назначения Рассмотрим примеры реализации СИВС, отражающие наиболее типичное и рас простране.нное их применение в различных сферах: военном деле, промышленно сти и научных исследованиях. СИВС самолета-штурмовика «Ягуар». Рассмотрим бортовую систему управления самолетом-штурмовиком «Ягуар» с одной ЭВМ f8]. По назначению, составу бортозых подсистем, выполняемым функциям, решаемым задачам и ' ' 1 1 17/77/?/7/f/ Пилотажная подсистема Ha8u&nu,uoHHGn подсистема 1, , ,ИцЯ' кг " h • f И Высоты ндикаторы с^с^ Pf^- Бортовая управляющаяЭВМ о5а5щенШ1Ч информации обстановки В горизонгапь-наИ пласкасти наВига-цианниш | 1 ' ' Подсистема прицели8ания и управления Вооружением Подсистема управления попетом самолета Рис. 1.2. принципам построения ее можно отнести в соответствии с введенным выше оп- ределением к СИВС (в военной технике часто такие системы называют также бо- евыми информационно-управляющими системами — БИУС). Рассматриваемая СИВС (рис. 1,2.1) включает следующие основные взаимо- связанные через бортовую управляющую ЭВМ подсистемы: навигационную; пилотажную; прицеливания и управления вооружением; управления полетом самолета. /.' чпва 1. Общая характеристика СИВС В пилотажную нодспсгему входят датчики температуры, полного стагиче' ского дзиленпя, углов атаки и скольжения, гчромапштиый .компас, аналоговый вычислитель воздушных данных, радиовысотомер. Данные ог этих приборов по- ступают на индикаторы: высоты, скорости, обобщенной информации ii.'i лобо- вом стекле и радиовысотомера. Полуавтономнзя часть подсистемы навигации определяет две координаты самолета. Для получения третьей коордяиагы ис- пользуются показания радиовысотомера. Данныг этой подсистемы отобрдж-ают- ся такж," на нндикагоре обстановки в горизонтальной плоскости. Автономная часть подсистемы навигации использует показания акселерометров, установлен- ных на инерциальной платформе. Даниыг акселерометров интегрирует бортовая С/ D J*i. Данные с навигационной подсистемы поступают на обобщенный индикатор на лобовом стекле и навигационный индикатор с проецируемой картон местно- сти. В п'одсистему прицеливания и управления вооружением входят: оптиче" ский дальномер с целеуказателем, обобщенный индикатор сметками для бомбо- метания, стрельбы ц пуска ракет, пульт управления оружием. Подсистема управления полетом самолета состоит из контуров демпфирова- ния и стабилизации, получающих команды управления от бортовой ЭВМ. Отметим некоторые характерные особенности рассмотренной СИВС. Она включает в себя большое число датчиков аналоговых сигналов, основанных на различных физических принципах работы,'что обусловливает необходимость использования аналого-цифровых преобразователей различной разрядности и быстродействия. При этом частота выдачи управляющих воздействий, например на многочисленные индикаторы систем оружия или информационных сообще- ний, различна, а необходимость в их выдаче может возникать в случайные мо- менты времени. Это требует наличия в вычислительной машине развитой системы , прерывания, обеспечивающей ее реакцию на многочисленные внешние запросы в соответствии с принятой дисциплиной их обслуживания. Кроме того, задачи н алгоритмы обработки информации для различных подсистем СИВС, которые необходимо решать в реальном масштабе времени, разнообразны и сложны. Эти обстоятельства предъявляю? жесткие требования к производительности ЭВМ, а также к ее системе команд, которая должна обеспечивать решение широ- кого круга научно-технических и логических задач, т. е. быть алгоритмически универсальной. Рассмотренная система явллется.специализированной, так как, во-первых, она работает с вполне определенным специфическим составом внеш- них устройств сбора и отображения информации и, во-вторых, программы функ- ционирования подсистем и их взаимодействия друг с другом жестко прошиты в долговременных запоминающих устройствах ЭВМ. Корабельная СИВС BMG Францчя тип! SENIT. В военно-морских силах основных капиталистических государств большое внимание уделяется созданию и совершенствованию корабельных СИВС, позволяющих существенно повысить эффективность использования боевых сил флотов. Эти системы осуществляют сбор и отображение необходимых данных о тактической, воздушной, надводной и подводной обстановке, оценку степени угрозы, создаваемой различными бое- выми средствами противника, выработку рекомендаций по применению различ- ных систем оружия и выдачи на них целеуказанин. Причем подобны» системы создаются для автоматизации боевых действий как оперативных соединении ВМС, так и отдельных кораблей. Основой корабельной СИВС является ЭВМ (или группа ЭВМ) большой производительности. По заданной программе ЭВМ опре- деляет параметры движения целей и степень их опасности, решает задачи выбора ору/кия н применения средств радиоэлектронного подавления. Первичная информация поступает от различных корабельных и воздушных средств разведки (РЛС обнаружения воздушных и надводных целен, станцш"^ радиотехнической разведки, аппаратуры опознавания, гидроакустических стан-' Ций, инфракрасных, лазерных и телевизионных устройств набчюдения), накапли- вается в C'iBC и отображается на индикаторах внешней обстановки. 12 § f.2. Примеры СИВС различного назначения r.iciea I. Общая характеристика Cf-IRC После обнаружения и захвата целей производится их сопровождение (ав- томатически или полуавтоматически). При сопровождении вычисляются их те- кущие координаты и параметры движения, осуществляется автоматизированный . выбор, средств поражения и защиты, находящихся на корабле, а также режимы их работы. В качестве примера (рис. 1.2.2) можно привести СИВС SENIT-5 ВМС Фран- ции [10], которой оснащаются корабли малого и среднего водоизмещения (2000— 6000 т). Источниками информации для нее служат РЛС различного назначе- ния, средства навигации, гидроакустические станции, электронно-оптические средства. На каждом индикаторе системы одновременно может отображаться до Злектронно-опт ичвскиг средства Р/1Собнаружения РЛС сопровом -' дения Гидраакус-тичвскиг станции Средства навигации 1 J - 1 • •\ Управляющие ЭВМ („Ирис-Зо^"] | Обобщенные 1 индикаторные ^спройства Индикаторы .цепе указа и и я Подсистема управления торпедной стрельбой Подсистема упрадпвчия pQHgrrJHbi'-^ U протидзлздоч- Hbni оои^ием Рис. Подсистема управления артиллерий- ской стзельЬои HoOcuums управлении саед^Зз- Р35 .2.2 96 различных символов (70 отметок о целях в виде символов с векторами скоро- стей, 20 дополнительных символов, один маркер, один контрольный символ, а также буквенно-цифровая информация). В состав СИВС входят три ЭВМ типа <'Ирис-35М» с периферийным оборудованием. Система SENIT-5 способна одно- временно обрабатывать данные о 40 целях и выдавать целеуказанпя в подсисте- мы управления ракетным, противолодочным оружием, стрельбой торпедами, ар- тиллерийскими установками (100 и 35 мм), а также в подсистему управления средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Этому типу СИВС присущи те же особенности, что и СИВС самолета-штурмовика, однако вследствие большего объема задач система SENIT-5 содержит более мощные вычислительные средст- ва: СИВС космического аппарата. В настоящее время электронные шаровые вычислительные машины используются на борту космического аппарата (КА) в качестве основного звена'обработки информации и управления его подсисте- мами [24]. Их использование существенно повышает производительность, точность и достоверность вычислений. С помощью ЭВМ на борту КА могут быть решены основные задачи: -управления пространственным положением КА и функциони- рованием аппарата; контроля за состоянием экипажа, а также за состоянием и работой систем КА; перестройки программы на борту при выходе отдельных эле- ментов из строя; предварительной обработки экспериментальных данных, пере- даваемых в наземные центр.ы обработки информации. Положительный опыт использования СИВС с ЭВМ на борту КА приводит к необходимости решения в перспективе следующих задач: минимизации расхо- да топлива при решении задяч коррекции и маневра; опти- мального перераспределения энергоресурсов в процессе по- лета; учета при управлении в процессе полета изменяющих- ся.статических и динамических характеристик КА; прогнози- рования поведения систем ап- парата. К ЭВМ, работающей в со- ставе СИВС' КА, предъявляют жесткие требования, главными •из которых являются следую- щие: 1) возможность ввода в ЭВМ сигналов различных ти- пов, как аналоговых, так и цифровых; 2) высокая производитель- ность ЭВМ, обеспечивающая возможность решения опреде- ленных задач в реальном мас- штабе времени; 3) гибкость системы мате- матического обеспечения, поз- воляющая наращивать число решаемых задач, каналов вво- да—вывода и объема поступаю- щей на обработку информации; 4) высокая надежность, малые масса ^ и энергопотреб- ление; 5) возможность восстанов- ления программы с Земли; 6) наличие в бортовых ЭВМ удобных пультов обще- ния операторов с вычислитель- ной машиной, 0'беспечиваю- щих дублирование при управ- лении КА. В качестве примера СИВС КА можно привести бортовой комплекс командного (КМ) и лунного (,ЛМ) модулей косми- ческого корабля «Аполлон». В состав бортового комплекса КМ (рис. 1.2.3, а) входят: блок инерциальных измерений;бор- товая ЭВМ с индикаторами и пультом управления; оптиче- ские средства (секстант); сред- ства управления и двигатели ориентации; средства связи с наземными пунктами слеже- ния. . В состав ЛМ (рис. 1.2.3, б) входит ряд аналогичных уст- а 11 § 1.2. Примеры СИВС различного назначения ройств. Бортовая машина КМ и ЛМ является основным элементом управляю- щего комплекса и выполняет следующие задачи: навигацию и наведение на всех этапах полета; рациональное управление угловым положением; выработку сиг- налов для синхронизации работы различных систем; информационный обмен с космонавтами через клавишный пульт и световые указатели; связь с наземны- ми станциями слежения по каналам щ^ровои шкрормации. Бортовые ЭВМ КА «Аполлон» обладают большими вычислительными воз- можностями при малых габаритах и массе. Их отличительные особенности — возможность решения различных задач в реальном масштабе времени в одном центральном процессоре на приоритетной основе; поступление большого числа сигналов на бортовой вычислитель от различных Систем 1<А. Обмен ин4)0рмациен с системами КА составляет значительную часть времени работы бортовой управ- ляющей ЭВМ. Природа информации, передаваемой от систем к машине и от ма- шины к системам, различна. Большая часть поступающей в ЭВМ информации представлена в инкрементиом виде (информация в приращениях). Поступающая информация преобразуется в инкрементную форму в аналого-цифровых блоках связи корабля, куда поступают сигналы с электрических датчиков угла. При передаче сигналов из ЭВМ на элементы корабля также часто используется иикре- нентпая передача управляющей информации. • Члены экипажа КА осуществляют связь с ЭВМ с помощью индикатора и пульта управления. В программах ЭВМ предусмотрены ситуации, возникающие при ложных сигналах с пульта управления, которые могут появиться при оши- бочном нажатии на клавиши. В этом случае на пульте возникает сигнал «Ошибка оператора», указывающий космонавту на необходимость повторения операции. Предусмотрена и другая логика выявления ошибки, которая автоматически за- ставляет ЭВМ повторить вычисления. На борту ЛМ помимо основной ЭВМ уста- новлена дополнительная ЭВМ аварийной системы управления, которая может использоваться как резервная для управления движением КА на любой фазе полгта за пределами атмосферы Земли.' Информационно-вычислительная система промышленного робота. Основные цели автоматизации технологических процессов в промышленности'—сниже- ние трудоемкости производства, улучшение качества изделий, создание таких условий труда, которые бы экономили физические и интеллектуальные силы че- ловека, исключали бы проявление факторов, вредно влияющих на здоровье че- ловека. Отсутствие в промышленности универсальных средств автоматизации и ме- ханизации основных и вспомогательных технологических и транспортных опе- рации (особенно на участках с тяжелыми или опасными условиями труда) при наличии большой номенклатуры и частой сменяемости выпускаемых изделий сдерживало в определенной степени повышение производительности труда, В настоящее время положение меняется. Для механизации и автоматизации ряда трудоемких работ применяют роботы-манипуляторы [20], в развитии которых можно выделить несколько поколений по степени участия человека. Наиболее перспективные из них — роботы в полном смысле слова (так называемые разум- ные или интеллектуальные роботы). Они могут «видеть», «осязать», «анализи- ровать» обстановку с помощью ЭВМ и изменять свои действия при изменении окружающих условий. Обобщенная структура робота, взаимодействующего с окружающей средой, представлена на рис. 1.2.4. В общем случае робот состоит из следующих под- систем: информационно-измерительной («сенсорика»), управляющей (емозг»), связи с человеком или другими роботами; исполнительной («моторика»). И н ф о р м а ц II о и н о - и з м е р и т е л ь и а я подсистема — это искусственные органы чувств робота, обеспечивающие восприятие и преоб- разование информации о состоянии внешней среды н робота. В качестге элемен- тов этой подсистемы робота обычно используются телевизионные н оптико-элек- тронные устройства, лазерные и ультразвуковые дальномеры, тактильные и кои- чактные датчики, датчики положения, тахометры, аскелерометры и т, и. Глава I. Общая характеристика CHRC Управляющая подсистема робота ..'лужит для выработки закона управления приводами (дзчгятелямн) механизмов исполнительной под- системы на основе сигналов обратной связи от ннформационно-измерчтелыюи подсистемы, а гакже для ирганизацин общения робота с человеком на том или ином языке. «Мозг» роботов обычно реализуется на базе управляющих ЭВЛ1, имеющих большой набор входных и выходных преобразователей и каналов свя- зи (от нескольких десягков до нескольких сотен), по которым могут передавать- ся дискретные и аналоговые сигналы. Управляющие ЭВМ для роботов выпол- няются в малогабаритном исполнении н должны обладать повышенной надеж- ностью. Интеллектуальные способности робота определяются главным образом алгоритмическим и программным обеспечением его управляющей подсистемы. ' Ро5от Подсистема связи- „язык' у Г~ t ^ ^шрор^ационнв-изиерите^ьчая подсистема -- „GEHCopura " Управляющая г.адсисгпрмп -- „ ИОЗГ" Исполни тельная rsScucfne^a --„ ^оторика " 1 1 , Внешняя среда 1 Рис. 1.2.4 Подсистема связи робота необходима для организации обмена информацией между роботом и человеком или другими роботами. Цель такого обмана — формулировка человеком заданий роботу, организация диалога меж- ду человеком и роботом, контроль за функционированием робота, диагностика неисправностей и регламентная проверка робота и т. п. При этом используются, как правило, 41изическце.возде1"ктвия (нажатие человеком кнопки или клавиши, ключа телеграфного аппарата, вращение или перемещение рукояток и рычагов управления и т. п.). Разрабатываются устройства речевого общения, а также ввод информации с помощью биопотенциалов. Информация от робота к человеку по- •ступает в виде световых и звуковых сигналов. Для этого используются различ- ные табло, цифровые индикаторы, дисплеи, телекамеры и др. 11 с п о л н и тельная подсистема робота, определяющая ;'го способности совершать разнообразные движения, служит для отработки управ- ляющих сигналов, формируемых управляющей подсистемой, и воздействия на окружающую среду. В качестве исполнительных устройств обычно используются механические руки (манипуляторы), механические ноги (педипуляторы), само- ходные тележки, сингезагоры речи, графопостроители, а также их различные комбинации. В настоящее время в мире эксплуатируется большое число прлмышленныч интеллектуальных роботов с ЭВМ в контуре управления. Такие роботы созданы как в нашей стране, так и в ведущих капиталистических странах — Японии, США, Великобритании, ФРГ и др. Система автоматизации научно-технических эксперчментоз (САНТЭ). Разви- тие науки и техники приводит и необходимости исследования все более сложных объектов н явлений. При проведении исследований часто возникает потребность в такой быстрой и точной регистрации характеристик изучаемого процесса, что lf> ,$ /.2. Примеры СИВС различного назначения человек вследствие ограниченности психофизиологических способностей не мо- жет обеспечить управление ходом эксперимента по заданной программе. Сложность исследуемых процессов и большой объем получаемой информации, динамический характер многих исследуемых процессов, их зависимость от из- меняющихся внешних условии приводят и необходимости усло/Ы|ения экспери- ментальной аппаратуры, что, в свою очередь, существенно влияет на ее стоимость, а следовательно, на стоимость эксперимента. [!a3cucms,---!J регистрации и хранения зкспври^е'1-'тйГ,а • тих данные [ aEcuofnsi-ia ^Зязи с B^i Ssp'nc-' зо иро3п.ч» \ Г Р.одсисте^а связи-с экспериментатором —С -it ~\ Управляющая ЭВМ Экспериментатор 1 •t t 1——41 а ро-упь- L3— ЛаЗсиапе!" Son i/ns^-TJU бания рез '"amaS noBdJs^iew связи с '• экспериментов Подсистема экспресс -- анализа ————}———— Объекты исследование При ручном способе обработки результатов эксперимента получаемые объе- мы экспериментальных данных us могут быть использованы полностью, продол- жительность анализа и осмысли- вания результатов испытаний и их учета для корректировки харак- теристик новых изделии, весьма значительна. Рис. 1.2.5 Одно из наиболее перспектив- ных направлении в области раз- работки технических средств ав- томатизации научно-технических экспериментов — создание унифи- цированных средств, обеспечиваю- щих связь систем с объектами ав- томатизации и внутрисистемные информационные связи между от- дельными вычислительными ма- шинами. Основой унификации является а грегатно-блоч н ыГг прин- цип построения, предполагающий создание технических средств в виде агрегатов, которые конструк- тивно состоят из самостоятельных блоков, выполняющих определен- ные функции. Путем различного сочетания таких блоков .в широ- ких пределах можно варьировать структуру и функции эксперимеи- тальнон установки. Наибольшее распространение в области химии, биологии, медицины, ядерных исследовании получил международный стандартизованный набор средств связи ЭВМ с объек-. тами эксперимента — САМАС (Computer Application to Measurement Acquisition and Control), который обеспечивает: высокий уровень организации средств вычислительной техники; унификацию и взаимозаменяемость основных элемен- тов — модулей, их совместимость по конструктивным и электрическим харак- теристикам; магистральную организацию этих модулей для сбора потоков информации; программное конфигурирование системы. На рис. 1.2.5 показана структура САНТЭ реального времени [14], характе- ризующихся наличием большого потока данных, поступающих с высокой ско- ростью непрерывно или дискретно, разнородностью экспериментальной инфор- мации, разнотипностью планов ведения эксперимента, недостаточным уровнем априорной информации об изучаемых процессах, сложно •тыо алгоритмов ин- терпретации результатов эксперимента и большим числом случайных факторов, влияющих на резучьтаты измерения характеристик объекта исследования. В общем случае САНТЭ должна содержать следующие основные подсисте- мы: связи с экспериментом;связи с экспериментатором; регистрации и хранения экспериментальных данных; экспресс-обработки экспериментальных данных (экспресс-анализа); документирования результатов; связи с ЭВМ верхнего уровня. Подсистема связи с э к с п е р и м е ч.т о м обеспечивает по- ступление в систему информации от датчиков объекта исследования и эксперимен- тального оборудования (в том числе информации о состоянии внешней среды), Глаяа I. 0''>ч{ая характеристика С!!Г,С а также выдачу необходимых у()р;и;ля!ощ",х возд.ч"1С[»',]й в соотзеютвни с планом ведения эксперимента, Подсистема связи с э к с пер и мен та тором обеспечи- вает возможность проведения автоматизированного эксперимента — начала и ос- тановки его, контролирования хода °ксперимёнта. опасения необходимых кор- рективов с помощью пульта управления и сервисных устройств. Подсистема регистрации и хранения экспери- ментальных данных выполняет функции документирования первич- ной информации о ходе эксперимента и буферного хранения экспериментальных данных. П о д с. и с т е м а экспр-есс-обработки эксперимен- тальных данных выполняет предварительную («неглубокую») обработ- ку поступившей информации для оперативного представления исследователю сведений о ходе эксперимента. Подсистема документирования результатов осу- ществляет вывод и представление в требуемых формах результатов обработки экспериментальных данных. Подсистема связи с ЭВМ верх и его.уровня обес- печивает обмен информацией с САНТЭ, функционирующими в научных органи- зациях смежного профиля, и с системами более высокого уровня. § 1.3. Задачи, решаемые СИВС Чрезвычайно широкий спектр применений СИВС обусловливает и раз- нообразие задач, подлежащих решению. Задачи, решаемые СИВС, в большей или меньшей степени отражают цели ее функционирования. Достигаются эти цели посредством решения конкретных функциональ- ных задач, материализованных в виде вычислительных средств и про- граммного обеспечения СИВС. Задачи СИВС образуют некоторую ие- рархическую совокупность подзадач. Разделение на подзадачи произ- водится головным разработчиком системы, и на основании этого разде- ления составляется техническое задание на вычислительные средства н программное обеспечение СИВС. Разделение производится до уровня задач, которые удобно принять за элементарные, характеризующиеся зачастую единственным безаль- тернативным способом решения. Разнообразие СИВС затрудняет клас- сификацию задач и выбор классификационных признаков. Для СИВС, основным источником информации в которых служат сигналы о физи- ческих процессах безотносительно к их назначению и средствам полу- чения, решаемые задачи можно условно разделить на две группы: ос- новные (функциональные) и вспомогательные. . К основным относятся задачи, направленные на достижение целей функционирования СИВС, а к вспомогательным — задачи, направ- ленные на обеспечение наибольшей эффективности решения функцио- нальных задач. Функциональные задачи удобно разделить на уровни, на каждом из которых используются .специфические методы н соответ- ствующие им алгоритмы решения. На первом уровне решаются задачи сбора н первичной об- работки информации. К ним можно отнести: квантование аналоговых сигналов по времени и уровню; предварительную цифровую или ана- логовую фильтрацию сигналов; преобразование и вычисление спектров 18 § 1.3. Задачи, решаемые СИВС сигналов; нормализацию, усиление или ослабление сигналов, смеще- ние уровней; преобразование тока в напряжение и т. п. При решении задачи квантования аналоговых сигналов по времени и уровню выбираются частота и число уровней квантования (разряд- ность аналого-цифровых преобразователей). Указанные характеристи- ки зависят от вида спектра измеряемого физического процесса, чувст- вительности и точности первичных датчиков, требований по точности, предъявляемым к управляющей ЭВМ. Полезная информация об управляемом процессе содержится в пер- вичных сигналах датчиков. Эти сигналы искажены, как правило, по- мехами и ошибками измерения. Поэтому очень важны задачи 41ильтра- ции сигналов, выделение из них полезной составляющей, иснользуе- -мой на последующих этапах обработки. Фильтрация осуществляется во временной или спектральной областях в аналоговом или цифровом виде. Цифровая фильтрация часто предъявляет к устройствам первич- ной обработки сигналов повышенные требования по быстродействию и объемам вычислительных ресурсов (в первую очередь памяти). Цифро- вая фильтрация реализуется либо специальными вычислительными уст- • ройствами, либо программно. На в т о р о м у р о в н е решаются задачи обработки информации, называемой вторичной. Можно выделить следующие типичные задачи этого уровня: различные геометрические преобразования систем ко- ординат; определение текущих параметров измеряемых процессов (на- пример, скоростей и ускорений его протекания); совместное решение линейных и нелинейных систем уравнений, в том числе и рекуррент- ного типа; решение систем дифференциальных уравнений (в том числе в частных производных) численными методами; прогнозирование хода управляемых процессов; обращение матриц и вычисление определи- телей; интерполирование и экстраполирование вычисляемых функ- ций; цифроаналоговые преобразования и т. п. Теоретическая основа для решения задач этого уровня — числен- ные методы. На их основе разрабатываются алгоритмы и программы ре- шения для конкретных управляющих ЭВМ. Критериями для выбора того или иного численного метода могут служить затрачиваемый объ- ем оперативной памяти, число элементарных вычислительных опера- ций (типа сложения, умножения), скорость сходимости, определяе- мая числом итерационных циклов решения, инструментальные по- грешности вычислений (из-за округления, ограниченности разрядной сетки ЭВМ), наследственная погрешность и др. Большое значение имеют методы цифровой обработки на основе спектральных представлений сигналов, при этом очень важен выбор базисных функций для спектрального представления. На третьем уровне также решаются задачи обработки ин- формации, но основными при этом являются задачи оптимизации, т. е. поиска экстремума некоторой функции одной или нескольких перемен- ных, на которые наложены определенные ограничения. Методы реше- ния подобных задач разрабатываются в разделе прикладной матема- Глава 1. Общая характеристика СИВС тики, называемом математическим программированием. В зависимости от вида критерия оптимизации (целевой функции) и системы ограниче1 ний различают линейное, нелинейное (в частности, квадратичное, вы- пуклое), стохастическое, целочисленное, динамическое программиро- вание. Методам математического программирования посвящены много- численные монографии, учебные пособия и учебники. Поэтому в дан- ном учебном пособии эти методы не рассматриваются. На четвертом уровне решаются задачи представления информации в удобном для восприятия оператора виде, на основании. которой он может принять решение по введению тех или иных управ- ляющих воздействий в систему или по изменению режимов ее работы. Характер используемых методов решения таких задач зависит от кон- кретного состава н принципов организации устройств отображения ин- формации и.конструкции органов управления, многообразие в которых чрезвычайно велико. Вспомогательные задачи не имеют такого соподчиненного, много- уровневого характера, когда результаты решения, полученные на одном уровне, служат в качестве исходных данных для решения задач другого уровня. Поэтому их удобно разделить на три независимые группы. Первую группу составляют задачи, направленные на расширение операционных ресурсов управляющей ЭВМ. Например, если в системе команд ЭВМ отсутствуют операции вычисления элементарных функ- ций, то приходится выбирать численные методы, удовлетворяющие по точности и скорости вычислений конкретным областям применения дан- ной ЭВМ. На основе этих методов и соответствующих алгоритмов сос- тавляются стандартные подпрограммы вычислений, хранящиеся в опе- ративной или долговременной памяти ЭВМ. Вторую группу составляют задачи, решение которых обеспечивает эффективную организацию вычислительного процесса в различных ре- жимах функционирования ЭВМ, а также эффективное использование технических ресурсов ЭВМ. Эти задачи реализуются комплексом про- грамм операционной системы, функцией которой является управление работами, ресурсами, данными, системой связи человек — машина. Третью группу составляют задачи, решение которых обеспечивает контроль правильности функционирования аппаратных и программных средств, облегчение и ускорение поиска и^устранения неисправностей как в аппаратуре ЭВМ, так и в аппаратуре сбора, передачи информа- ции и в объектах управления. § 1.4. Проблемы, возникающие при проектировании СИВС Проектирование СИВС — сложный многошаговый, многокритериаль- ный итерационный процесс, осуществляемый, как правило, большими коллективами людей под руководством опытных специалистов. При этом о проблемах и трудностях, возникающих при проектировании СИВС, можно составить представление по перечислению работ, выпол- няемых на разных его этапах ч стадиях. Этот процесс удобно предста- И § I •-!•• Пр;сй.' ••г. возникающее при проектировании С И ВС вить состоящим из двух взаимосвязанных и взашюобусловленных йтапов: внешнего (системного) и внутреннего проектирования. Работы, выполняемые на этапе внутреннего проектирования, разделяются на стадии, оговоренные ГОСТ 2.103—68, который регламентирует также виды и комплектность проектной документации. На-этапе внешнего проектирования на основе требований заказчика к эксплуатационным, экономическим и тактическим параметрам .определяется «идеология» системы, т. е. общие принципы построения СЙВС, критерии качества ее функционирования, проверяется-степень согласования этих крите- риев с целями функционирования СИВС, определяются перечень вход- ных и выходных сигналов СИВС, диапазон, форма и точность их пред- ставления, составляется далее перечень задач, решением которых до- стигаются цели функционирования СИВС и исследуются возможности их технической реализации. На этом же этапе определяется-состав 'СИВС, взаимосвязи между составляющими ее устройствами, режимы работы СИВС и временные диаграммы ее работы в различных режимах, требования к техническим характеристикам и параметрам устройств, входящих в СИВС, требования, к системе математического и програм- много обеспечения, к техническим средствам-обслуживання и ремонта, уточняются количество операторов, обслуж-иварэщих систему, и их обя- занности. Этап внешнего проектирования завершается разработкой частных технических заданий (ТЗ) на отдельные подсистемы СИВС и возможно, принятием решений о необходимости разработки новой или уникальной аппаратуры (соответственно и разработкой ТЗ на эту ап- паратуру) или проведения'1-ЕИР и 01\Р для определения возможности использования в СИВС тех или иных перспективных технических ре- шений, учитывающих тенденции развития Данной отрасли техники (разрабатываются ТЗ на эти НИР и ОКР). Общей методики внешнего проектирования СИВС вследствие многообразия областей их применения, а также неформального ха- рактера решаемых проблем пока не существует. Для обоснования ре- шений и требований технических заданий широко используются мето- ды системного анализа и исследования операции, математического мо- делирования с применением ЭВМ, теории автоматического управления. Обоснование требований к техническим характеристикам устройств, составляющих СИВС, облегчается, если последнюю представить со- вокупностью частей, обобщенно отражающих перечисленные основные функции 19]:. задающей, управляющей и объектовой. Задающая часть включает в себя датчики, преобразователи информации и некоторые устройства для предварительного преобра- зования. Основу управляющей части в-СИВС составляют управляющие ЭВМ или вычислительные системы, включающие комп- лекс управляющих ЭВМ. В общем случае объектовая част ь— совокупность некоторых разнородных объектов, траектории движения которых или их состояния зависят как от предыдущих сос- тояний этих объектов, так и от характера изменений внешних возму- щающих воздействий, причем траектории объектов реализуют целе- I лава !. Общая характеристика, С И ВС 21 BVK) функцию СИВС под воздействием множества управляющих сиг- налов, вырабатываемых управляющей частью. На практике СИВС проектируют под известные или выбранные характеристики объекто- вых частей и стараются при этом использовать серийно выпускаемые датчики и преобразователи. В этом случае необходимо определить требования к управляющей части. Основой такого определения явля- ются так называемые балансы требований по системным характерис- тикам, к важнейшим из которых при проектировании СИВС можно отнести балансы требований по времени (производительности), точно- сти, надежности и стоимости. • Баланс времени. Объектовая часть с точки зрения динамики представляет собой непрерывную систему, а поэтому часто задают- ся ее частотные свойства. Согласование частотных свойств непрерыв- ной части систем с цифровой управляющей базируется на теореме Ко- тельникова. Если принять, что f — частота наиболее высокочастотной составляющей на выходе непрерывной части системы, а Ту — период одного цикла управления (с таким периодом должны обновляться уп- равляющие воздействия), то должно удовлетворяться условие 7\,^1/(2Л. Для разных объектов управления, обслуживаемых одной управ- ляющей ЭВМ, значения Ту могут быть различны, что накладывает ограничения на организацию вычислительного процесса в ЭВМ, в част- ности на распределение сигналов прерывания по таймеру. Кроме того, значения Ту могут быть различны для объектовой и задающей частей, что также влияет на организацию вычислительного процесса. Чем мень- ше период Ту и сложнее алгоритмы выработки управляющих воздей- ствий в данном цикле, тем более жесткие требования предъявляются к ЭВМ по быстродействию. Следовательно, проблема выбора матема- тических методов решения задач управления, позволяющих обеспечить их решение при ограниченных вычислительных ресурсах, очень важ- на. Баланс точности (погрешностей). Проблема согласования устройств СИВС по точности ^ одна из. основных. Если характеризовать по- грешности системы и отдельных ее частей среднеквадратическими зна- чениями (СКП) и считать, что погрешности отдельных частей ситемы независимы, то баланс погрешностей можно представить выражением о == Уо^ + о,2 + а1 ., где о, о\,, Оз. о„ — значение СКП системы, управляющей, задающей, объектовой частей соответственно. Для управляющей части Оу = У a^-of -oS . ff 1.4. Проблемы, возникающие при проектировании СИвС Баланс надежности. Предполагая, что отказ каждой из составля- ющих частей приводит к отказу, всей СИВС и что отказы взаимонеза- висимы, баланс надежности можно описать выражением Н где Н, = HI (//з//о). Конкретный вид показателя надежности (наработка на отказ, вре- мя безотказной работы и пр.) выбирается проектировщиком исходя из назначения системы или оговаривается заказчиком. Баланс стоимости. Баланс стоимости можно представить выраже-' ни ем S (Г)-5.3+5, где Г — время жизненного цикла СИВС, включающего время на раз- работку, изготовление, амортизацию и эксплуатацию; S (Г), Sy, 5y, So — соответственно затраты по этим же составляющим для СИВС и ее составных частей, выраженные в денежных единицах. Тогда для управляющей части S, - S (Г) - S.3 - So. Так как рассмотренное деление на части СИВС не всегда совпадает с делением на функционально и конструктивно законченные изделия, то приведенная формула затрат, естественно, для каждого конкретного случая проектирования СИВС должна быть соответствующим образом модифицирована. Таким образом, на основе' приведенных балансов согласуются основные характеристики управляющей ЭВМ с техничес- кими средствами СИВС. 2. Методы и формы представления сигналов § 2.1. Сигналы и их характеристики § 2.2. Квантование непрерывных сигналов § 2.3. Формы аналитического описания сигналов § 2.4. Геометрическое представление сигналов и их преобразований § 2.5. Системы базисных функций § 2.6. Непрерывные системы базисных функций Ублша и их свойства § 2.7. Представление непрерывных сигналов в базисе Уолша § 2.8. Дискретные преобразования Уолша § 2.9. Генерирование базисных функции § 2.10. Аналого-цпфровое и цифроаналоговое преобразования сигнала § 2.11. Характеристики помех в каналах передачи сигналов и способы борьбы с ними § 2.1. Сигналы и их характеристики Извлечение, передача и обработка информации состаЕэляют существо многих задач, решаемых СИВС раз- .личного назначения. Основным сред- ством для извлечения информации и ее физическим носителем являются сигналы. Примерами сигналов могут служить ток в цепи микрофона при телефонном разговоре, яркость луча телевизора при приеме изображения, ток в антенне радиопередатчика, ра- диоизлучение, отраженное от движу- щегося объекта и несущее в себе признаки, позволяющие судить о по- ложении, скорости движения и кон- фигурации объекта. С физической точки зрения сиг- нал создается определенным процес- сом, протекающим чаще всего во вре- мени, например распространением электромагнитных или звуковых волн, движением электрических за- рядов, и может быть охарактеризо- ван законом изменения таких пара- метров, как напряженность электро- магнитного поля, звуковое давление, напряжение или ток в цепи, откло- нение светового луча на экране и т: п. Таким образом, сигнал — это объек- тивный процесс, протекающий в боль- шинстве практических случаев во- времени. В теории информационно-вычис- лительных систем рассматривают не сам процесс, а его математическую модель, использующую ту или иную форму аналитического описания сиг- нала. Чаще всего сигналы рассмат- ривают как функции, заданные в оп- ределенных физических координатах. В этом смысле различают одно- мерные (например, зависящие от времени), двумерные, за- данные на плоскости (примером мо- 24 § 2.1. Сигналы и их горчи:»' гут служить' различного рода изображения), трех м е р н ы е (характеризующие, например, пространственные объекты) сигналы. Математически такие сигналы описываются соответственно функ- циями одной, двух и трех переменных. При этом используются не только скалярные функции. Удобно применять и более сложные модели — комплексные и векторные функции. Например, для описания электромагнитного поля как сигнала удобно использовать комплекс- ные функции, а для описания цветных изображений — трех компонент- ные векторные функции. Реальные сигналы всегда являются функциями с ограниченным интервалом определения, поскольку их наблюдение, регистрация н обработка не могут выполняться бесконечно Долго. Так, например., од- номерный сигнал, являющийся функцией времени t, с ограниченным интервалом определения можно записать в виде х (t), t (Е [^min> ^niaxl. где ^,щ и ^тах — соответственно нижняя и верхняя границы интер- вала определения. Если - оо множитель \1Т в определении мощности существен и его опускать нельзя. Из ортогональности по энергии всегда следует ортогональность по 'мощности, но не наоборот. Следовательно, условие ортогональности •У 2 I. Сигнал;^ ч их характеристики ?']2 == 0 охватывает класс, сигналов, который является частью более обширного класса сигналов при условии ортогональности Р).; == 0. Ортогональность сигналов связана с интервалом их определения. Одни и те же сигналы могут быть ортогональны на одном интервале и неортогональны на другом. Поэтому, рассматривая ортогональность, указывают интервал, на котором она имеет место. •Все сигналы разделяют на две группы: детерминированные и слу- чайные. Обычно детерминированными называются сигналы, значения которых в любой точке интервала их определения являются известны- ми, а случайными — сигналы, значения которых внутри интервала оп- ределения являются случайными. Следует, однако, иметь в виду, что реальные сигналы, подлежащие обработке вСИВС, почти всегда явля- ются в какой-то мере случайными, поскольку полностью известный сигнал не несет никакой информации. Кроме того, даже полностью известгый сигнал, не несущий информации, подвергается дейс1В!;ю помех и искажений, присутствующих в реальных каналах передачи сигналов, что делает его, строго говоря, неопределенным. Поэтому в общем случае в ОИВС под детерминированным сигналом понимается сигнал, для которого полностью определен закон его изменения (па- пример, во времени), но параметры могут быть неизвестными. Напри- мер, для сигнала х (t) == A sin co^ известно, что закон его изменения име- ет синусоидальный характер, а параметры Л и о неизвестны и должны быть определены в процессе обработки. При рассмотрении же случай- ных сигналов подразумевается, что известны только их некоторые ста- тистические характеристики, которые описываются с помощью основ- ных понятий и теорем теории вероятностей. Математической моделью большинства случайных сигналов СИВС являются случайные функции. Приведем основные сведения из их теории [1б]. Случайной функцией называется функция {х (у, t), у ? Y, t ^ Т} двух аргументов, определенная как произведение У >< Т множества У возможных элементарных событий на множество Т значений неслу- чайного аргумента t. Для каждого значения аргумента функция х (у, (} является функцией только исходов испытаний у и, следовательно, представляет собой случайную величину. Дли любого фиксированного значения у функция х (у, 1} зависит только от / и является функцией одного действительного переменного. Каждая такая функция назы- вается юзможной реализацией или выборочной функцией. Таким об- разом, в зависимости от фиксированного аргумента случайную функ- цию можно представить либо как семейство случайных величин, либо как совокупность реализации, получаемых при различных у исходах. Обычно случайную функцию обозначают функцией одного аргумента, опуская символ у. Если Т — действительная прямая пли отрезок прямой, а аргумент i^T интерпретируется как время, то случайная функция называет- ся случайным процессом (вероятностным или стохастическим). Па множестве Т вещественной оси'задан случайный процесс, если каждому Глава 2. Методы и формы представления сигналов 27 1 ^_Т соответствует случайная величина х (i). По определению, слу- чайный процесс — частный случай случайной функции. Так как при каждом .значении аргумента t значения случайной функции х (t) являются случайной величиной, а случайные величи- ны определяются законами распределения, то и случайную функцию можно определить ее законами распределения—функциями распре- деления и плотностями вероятности — одно-, дву- и га-мерными. Под одномерной функцией распределения случайной функции х {t) понима- ется функция F,(x, t) == P[x(t)