Большая Советская Энциклопедия (АН)
Шрифт:
Экспериментальное исследование поведения системы с аппаратурой управления или регулирования в лабораторных условиях. С помощью АВМ воспроизводится та часть системы, которая по каким-либо причинам не может быть воспроизведена в лабораторных условиях. Связь АВМ с аппаратурой управления или регулирования в основном осуществляется преобразующими устройствами, в которых машинные переменные изменяются по масштабу и форме представления.
Анализ динамики систем управления или регулирования. Заданные уравнения объекта решаются в выбранном масштабе времени с целью нахождения основных параметров, обеспечивающих требуемое протекание процесса. Особо важны быстродействующие АВМ, с помощью которых в ускоренном масштабе времени можно решать некоторые итеративные задачи, задачи оптимизации, а также реализовать Монте-Карло метод, требующий многократного решения стохастических дифференциальных уравнений. Здесь АВМ резко сокращает время проведения расчётов и делает наглядными результаты.
Решение задач синтеза систем управления и регулирования сводится к подбору по заданным техническим условиям структуры изменяемой части системы, функциональных зависимостей требуемого
Решение задач по определению возмущений или полезных сигналов, действующих на систему. В этом случае по дифференциальным уравнениям, описывающим динамическую систему, по значениям начальных условий, известному из эксперимента характеру изменения выходной координаты и статистическим характеристикам шумов в измеряемом сигнале определяется значение возмущения или полезного сигнала на входе. АВМ может также служить для построения приборов, автоматически регистрирующих возмущения и вырабатывающих сигнал управления в зависимости от характера и размера возмущений.
АВМ состоят из некоторого числа решающих элементов, которые по характеру выполняемых математических операций делятся на линейные, нелинейные и логические. Линейные решающие элементы выполняют операции суммирования, интегрирования, перемены знака, умножения на постоянную величину и др. Нелинейные (функциональные преобразователи) воспроизводят нелинейные зависимости. Различают решающие элементы, предназначенные для воспроизведения заданной функции от одного, двух и большего числа аргументов. Из этого класса обычно выделяют устройства для воспроизведения разрывных функций одного аргумента (типичные нелинейности) и множительно-делительные устройства (см. Перемножающее устройство). К логическим решающим элементам относятся устройства непрерывной логики, например предназначенные для выделения наибольшей или наименьшей из нескольких величин, а также устройства дискретной логики, релейные переключающие схемы и некоторые др. специальные блоки. Для связи устройств непрерывной и дискретной логики широко пользуются гибридными логическими устройствами (например, компараторами). Все логические устройства обычно объединяются в одном, получившем название устройства параллельной логики. Оно снабжается своим наборным полем для соединения отдельных логических устройств между собой и с остальными решающими элементами АВМ.
В зависимости от физической природы машинных величин различают механические, пневматические, гидравлические, электромеханические и электронные АВМ. Наиболее распространены электронные АВМ, отличающиеся значительно более широкой полосой пропускания, удобством сопряжения нескольких машин между собой и с элементами аппаратуры управления. Эти машины собираются из готовых радиотехнических узлов и полуфабрикатов. Решающие элементы АВМ строятся в основном на базе многокаскадных электронных усилителей постоянного тока с большим коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии и глубокой отрицательной обратной связью. В зависимости от структуры и характера входной цепи и цепи обратной связи операционный усилитель выполняет линейную или нелинейную математическую операцию или комбинацию этих операций.
Вследствие неидеальности работы отдельных решающих элементов, неточности установки их коэффициентов передачи и начальных условий, решение, найденное с помощью АВМ, имеет погрешности. Результирующая погрешность зависит не только от перечисленных первичных источников, но и от характера и особенностей решаемой задачи. Как правило, погрешность увеличивается с ростом числа решающих (особенно нелинейных) элементов, включенных последовательно. Практически можно считать, что погрешность при исследовании устойчивых нелинейных систем автоматического управления не превышает нескольких %, если порядок набираемой системы дифференциальных уравнений не выше 10-го.
По структуре различают АВМ с ручным и с автоматическим программным управлением. В первом случае решающие элементы перед началом решения соединяются между собой в соответствии с последовательностью выполнения математических операций, задаваемых исходной задачей. В машинах с программным управлением последовательность выполнения отдельных математических операций меняется в процессе решения задачи в соответствии с заданным алгоритмом решения. Изменение в ходе решения порядка выполнения отдельных операций обусловливает прерывистый характер работы машины: период решения сменяется периодом останова (для выполнения требуемых коммутаций). При таком режиме АВМ должна снабжаться аналоговым запоминающим устройством.
Наличие памяти и дискретность характера работы машины дают возможность организовать многократное использование отдельных решающих элементов и тем сократить их число, не ограничивая класса решаемых задач, правда, за счёт снижения быстродействия.
Значительный интерес представляют машины: с большой частотой повторения решения (30—1000 гц) в связи с созданием систем автоматического управления, а также с необходимостью организации поиска оптимальных в некотором смысле структур и параметров систем управления.
Повышение эффективности АВМ связано с внедрением в аналоговую технику цифровых методов, в частности цифровых дифференциальных анализаторов, у которых отдельные решающие элементы выполняют математические операции над приращениями переменных, представленных в одном из цифровых кодов, с передачей результатов от элемента к элементу по принципам АВМ. Применение цифровых дифференциальных анализаторов, особенно последовательных, для специальных АВМ, не требующих высокого быстродействия, снижает общий объём аппаратуры, хотя в остальных случаях они по всем техническим показателям и возможностям существенно уступают цифровым вычислительным машинам. Гораздо большими возможностями обладают гибридные вычислительные системы, у
которых исходные величины представлены одновременно в цифровой и аналоговой форме.Перспективны для полной автоматизации АВМ так называемые матричные модели. Их основной недостаток — большое количество аппаратуры — в связи с появлением интегральных схем уже не имеет решающего значения.
Основные технические характеристики некоторых типов электронных АВМ общего назначения, выпускаемых серийно в СССР, даны в таблице (стр. 570). Первые 5 типов установок — портативные малогабаритные настольные устройства. ИПТ-5 выполнена из отдельных блоков — из линейных решающих элементов. Блочную конструкцию имеет также ЭМУ-8, каждый блок которой состоит из 4 решающих элементов. Блоки ЭМУ-8 не требуют стабилизованных источников питания. ЛМУ-1 состоит из отдельных секций; ИПТ-5 и ЛМУ-1 в сочетании с набором нелинейных блоков позволяют решать также и нелинейные задачи. МН-7 (настольного типа) имеет ограниченный фиксированный состав решающих элементов, что ограничивает её применение. Установки-МН-8, МН-14, МН-17, ЭМУ-10 — многосекционные, рассчитанные на решение сложных задач. Так, МН-8 имеет 80 операционных усилителей и 28 нелинейных решающих элементов; МН-14 — 360 усилителей, 92 нелинейных решающих элемента; ЭМУ-10 —48 операционных усилителей, 30 нелинейных решающих элементов. Установки МН-14 и ЭМУ-10 снабжены сменными наборными полями, цифровыми вольтметрами, системой управления, облегчающей набор задачи и установку начальных условий. В МН-14 предусмотрена возможность управления от перфоленты. ЭМУ-10 отличается широкой полосой пропускания основных решающих элементов и снабжена решающими усилителями с тремя параллельными каналами усиления.
| Тип установки | Вид дифференц. уравнений, решаемых на установке | Макс. порядок дифференц. уравнений или число уравнений 1-го порядка в системе | Допустимая длительность решения (сек) | Габаритные размеры (мм) или площадь, занимаемая установкой (м") | Потребляемая мощность (кв-а) | Источники питания |
| ИПТ-5 | Линейные с пост. и перем. коэфф. | 9 | 150 | 2000'400 | 2,4 | Стабилизованный |
| ЛМУ-1 | Линейные с пост. и перем. коэфф. с типичными нелинейностями | 6—9 | 200—400 | 622'476'1230 | 2,1 | Стабилизованный |
| МН-7 | Линейные и нелинейные с небольшим числом нелинейных операций | 6 | 200 | 700 '440'380 | 0,73 | Стабилизованный |
| ЭМУ-8 | Линейные и нелинейные | Набор из стандартных блоков, каждый предназначен для решения уравнений 2-го порядка | 2000 | Размер блока 350'300'300 | 0,06 | Нестабилизованный |
| МН-11 | Линейные и нелинейные с автоматич. поиском решения по заданному критерию | 6—9 | Частота повторений решения 100'реш/сек | 15 | 10 | Стабилизованный |
| МН-8 | Линейные и нелинейные с большим числом перем. коэфф. и нелинейных решающих элементов | 32 | 1800 | 60 | 35 | Стабилизованный |
| МН-14 | Линейные и нелинейные с большим числом нелинейных решающих элементов | 30 | 10000 | 40 | 15 | Стабилизованный |
| ЭМУ-10 | Линейные и нелинейные с перем. запаздыванием. Решение задач автоматич. оптимизации | 24 | 2000 | 5 | 3,5 | Нестабилизованный с маломощным вспомогат. стабилизатором |
| МН-17 | Линейные и нелинейные с пост. коэфф. | 60 | От 0,1 до 1000 | 7520'2390'1024 | 5 | Сеть трёхфазного переменного тока 220/380 в, 50 гц |
Лит.: Kriloff A., Sur un int'egrateur des 'equations diff'erentielles ordinaires, «Изв. Академии наук», 1904, сер. 5, т. 20, №1; Гутенмахер Л. И., Электрические модели, М. — Л., 1949; Тарасов В С., Основы теории и конструирование математических машин непрерывного действия, в. 1, Л., 1961; Коган Б. Я., Электронные моделирующие устройства и их применение для исследования систем автоматического регулирования, 2 изд., М., 1963; Левин Л., Методы решения технических задач с использованием аналоговых вычислительных машин, пер. с англ., М., 1966; Корн Г. А., Корн Т. М., Электронные аналоговые и аналого-цифровые вычислительные машины, пер. с англ., ч. 1 — 2, М., 1967 — 68; Buvh V. A., The differential analyzer, a new machine for solving differential equations, «Journal of the Franklin Institute», 1931, v. 212, № 10; Fifer St., Analogue computation, L., 1961.