Технические средства моделирования (информационно-управляющая среда)

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
К.А. Пупков, Т.Г. Крыжановская
Технические средства моделирования
(информационно-управляющая среда)
Рекомендовано
Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2014

УДК 621.332(075.8)
ББК 32.965
П88
Рецензенты: И.В. Баскаков, Ю.Н. Павлов
П88
Пупков К. А.
Технические
средства
моделирования
(информационноуправляющая среда) : учеб. пособие / К. А. Пупков, Т. Г. Крыжановская. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. —
152, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3800-6
Приведено описание технических средств моделирования интеллектуальных систем при использовании современной элементной базы. К таким средствам относятся микропроцессоры, транспьютеры,
сигнальные процессоры, нейрокомпьютеры и оптические процессоры. Рассмотрены интегрированная среда моделирования и моделирующие комплексы (аналоговые и аналого-цифровые). На конкретных
примерах описаны стенды для физического и полунатурного моделирования. Автоматизация моделирования также рассмотрена на примере описания интеллектуальных технологий в автоматизации проектирования систем управления базами моделей. Рассмотрены интеллектуальные средства моделирования сети Интернет: электронная
почта, доски объявлений, телеконференции. Приведены оценки качества и эффективности работы систем, а также требования к техническим средствам стендов с точки зрения обеспечения надежности их
работы.
Для студентов старших курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Моделирование и испытание систем автоматического управления».
УДК 621.332(075.8)
ББК 32.965
ISBN 978-5-7038-3800-6
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АВМ — аналоговая вычислительная машина
АВУ — автоматическая виброиспытательная установка
АЛУ — арифметико-логическое устройство
АРМ — автоматизированное рабочее место
АСУ П — автоматизированная система управления предприятием
АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим процессом
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
БИС — большая интегральная схема
БПФ — быстрое преобразование Фурье
ВС — вычислительная система
ВТ — вычислительная техника
ГВМ — гибридная вычислительная машина
ГОС — генерация и обработка сигналов
ДШР — двуногий шагающий робот
ЗУ — запоминающее устройство
ИМС — интегральная микросхема
ИПС — информационно-поисковая система
ИС — интегральная схема
ИСС — информационно-справочная статья
КП — коробка передач
ЛПР — лицо, принимающее решения
МП — микропроцессор
ОВВПВ — оптический вычислитель внешнего произведения
векторов
ОВМ — оптическая вычислительная машина
3

ОВМП — оптический вектор-матричный перемножитель
ОММП — оптический матрично-матричный перемножитель
ОПЛА — оптический процессор линейной алгебры
ОС — операционная система
ПАЦМК — персональный аналого-цифровой моделирующий
комплекс
ПВЭМ — персональная вычислительная электронная машина
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПК — персональный компьютер
ПЛИС — программно-логическая интегральная схема
ПО — программное обеспечение
САР — система автоматического регулирования
САУ — система автоматического управления
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
СППР — система поддержки принятия решения
СТО — сложный технический объект
СУБМ — система управления базами моделей
УВВ — устройство ввода-вывода
УВХ — устройство выборки-хранения
УУ — устройство управления
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦВМ — цифровая вычислительная машина
ЦИС — цифровая информационная система
ЦОП — цифро-оптический процессор
ЦОС — цифровая обработка сигнала
ЦСП — цифровой сигнальный процессор
ЭМ — элементарная машина

ПРЕДИСЛОВИЕ
Содержание учебного пособия «Технические средства моделирования (информационно-управляющая среда)» охватывает все
разделы дисциплины «Моделирование и испытания систем автоматического управления», состоящей из двух частей.
В первой части дисциплины основное внимание уделено моделям объектов для различных систем управления (линейных, нелинейных, интеллектуальных) и управляющих комплексов. Во второй части рассмотрены вопросы, связанные с испытаниями систем
автоматического управления (САУ).
Математические модели объектов линейных САУ могут быть
представлены с помощью действительных или комплексных величин, векторов и матриц, неравенств, функций или функционалов, разностных, дифференциальных или интегральных уравнений и т. д. В системах робастного, нейронечеткого и адаптивного
управления объект определяется неполными, нечеткими и неточными описаниями характеристик объекта и окружающей среды.
Таким образом, модель объекта является нечеткой. Неопределенность объекта зависит от неопределенности входных сигналов, отражающих различную природу действующих на систему возмущений.
Для наиболее эффективной автоматизации процессов управления в предварительных научно-технических исследованиях и
расчетах на ЭВМ необходимы углубленные знания технических
средств моделирования, а также информационных технологий.
В учебном пособии рассматриваются технические средства моделирования различных САУ на базе современной вычислительной
5

техники. К ним относятся микропроцессоры, транспьютеры, сигнальные процессоры, нейронные и оптические процессоры. Рассмотрена интегрированная среда моделирования и моделирующие
комплексы (аналоговые и аналого-цифровые). Описаны стенды для
физического и полунатурного моделирования. Автоматизация моделирования рассмотрена на конкретном примере описания интеллектуальных технологий в автоматизации проектирования систем
управления базами моделей. Рассмотрены вопросы информационных технологий в моделировании и услуги сети Интернет (электронная почта и электронные доски объявлений, теле- и видеоконференции, сайты научных и образовательных учреждений России).
Приведены оценки качества и эффективности работы САУ
, а также требования к техническим средствам стендов с точки зрения
обеспечения надежности их работы.

1. МИКРОПРОЦЕССОРЫ, ТРАНСПЬЮТЕРЫ
И СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ
1.1. Микропроцессоры
Микропроцессором (МП) называется процессор, выполненный на основе нескольких больших интегральных схем (БИС) или
одной сверхбольшой интегральной схемы (СБИС); МП является
основой центрального процессора (Central Processing Unit, CPU)
микроЭВМ (персональной ЭВМ (ПЭВМ), или персонального компьютера (ПК)) [1]. При этом под ЭВМ понимают аппаратурный
(Hardware) и программный (Software) комплекс, предназначенный
для автоматического выполнения логико-вычислительной работы:
для ввода (сбора), обработки, хранения и вывода (передачи вне)
информации [2].
Микропроцессор представляет собой главный элемент ПК —
это его мозг. Понятие «персональный компьютер» обычно ассоциируется с представлением определенной аппаратуры (к ней относятся процессор, память, устройства ввода-вывода) и программного обеспечения. Аппаратура — это часть компьютера, его внешняя оболочка или, как ее принято называть, «жесткая оснастка»,
с которой пользователь общается в процессе работы. Второй необходимой частью любого компьютера является его программное
обеспечение, или «мягкая оснастка», представляющая собой набор различных по назначению программ. Программное обеспечение — это фундаментальная основа организации и ведения вычислительного процесса на компьютере, оно не только управляет процессом обработки информации и работой всей аппаратуры,
но и регламентирует взаимодействие пользователя с компьютером.
7

Взаимосвязанную совокупность аппаратной части и программного обеспечения компьютера называют вычислительной системой
(ВС), обеспечивающей обработку информации при решении задач
определенного класса. Обе части системы согласованы между собой по параметрам и структуре, совместимы друг с другом и не
могут использоваться каждая по отдельности.
В вычислительной системе МП является основным устройством ПК, отвечающим за процессы управления и вычисления,
т. е. МП осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств ПК; делает
это со скоростью несколько десятков или сотен миллионов операций в секунду. При этом электронная схема МП имеет небольшие
размеры — всего несколько сантиметров.
Развитие микропроцессоров. В схемотехнике ЭВМ в качестве
первичных понятий различают электрорадиоэлементы, являющиеся частью интегральной схемы (ИС). Элементы МП появились с
развитием интегральной технологии в микроэлектронике, которая
дала возможность создавать на одной пластине группы схемносоединенных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов,
диодов, резисторов, конденсаторов, индуктивностей и внутрисхемных соединений). Первая ИС (или чип — chip) была изобретена в
1959 г. Робертом Нойсом (будущим основателем фирмы Intel).
Интегральная схема представляет собой микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и
обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов [3, 4].
Характерной особенностью интегральных микросхем (ИМС)
являются их малые габариты. Такие схемы состоят из функциональных узлов, выполненных по интегральной технологии. Технологический процесс изготовления ИМС ведется на пластине
площадью в несколько квадратных сантиметров или на кубике
со стороной несколько миллиметров. Кроме малых габаритов к
особенностям ИМС относятся: простота производства благодаря
единой технологии изготовления; низкая стоимость при массовом
производстве; высокая надежность в результате уменьшения числа сварных соединений; автоматизация технологических операций и снижение вероятности выхода из строя отдельных элемен8

тов, изготовленных в едином технологическом цикле; небольшое
потребление энергии по причине малых габаритов, малой массы и
повышенной механической прочности [3].
Приведем сравнительные ИС характеристики по быстродействию и мощности потребления [4]:
• сверхбыстродействующие (до 5 нс, 10. . .100 мВт);
• быстродействующие (5. . .10 нс, 10. . .50 мВт);
• среднего быстродействия (10. . .50 нс, 1. . .30 мВт);
• медленно действующие (50 нс, 0,01. . .1,00 мВт).
По функциональному назначению ИС делят на аналоговые и
цифровые.
К аналоговым относят схемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.
К цифровым интегральным схемам (ЦИС) относят схемы, с
помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы,
выраженные в двоичном коде. Аналоговые и цифровые ИС разрабатываются и выпускаются предприятиями-изготовителями в
виде серий. Серия содержит несколько ИС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивнотехнологическое исполнение и предназначены для совместного
применения.
Элемент ЭВМ — электронная схема, представляющая собой
некоторую совокупность компонентов и выполняющая определенную функцию: логическую, хранения информации, вспомогательную или специальную (иногда элемент может выполнять несколько
функций) [4]. Вместо термина «элемент ЭВМ» часто применяют
термин «цифровая интегральная схема».
Элементной базой ЭВМ третьего поколения стали ИС малой
степени интеграции на кристалле.
Начало 1970-х годов ознаменовалось переходом к компьютерам
четвертого поколения, основанным на СБИС в исполнении средней и большой степени интеграции на кристалле. Отличительным
признаком ЭВМ четвертого поколения стало резкое изменение архитектуры. Появился абсолютно новый элемент ЭВМ — микропроцессор. В 1971 г. возникла идея ограничения возможностей процессора путем заложения в него набора операций, микропрограммы которых заранее введены в постоянную память. Исследования
9

показали, что использование постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) с объемом памяти 16 килобит позволяет заменить 100—
200 стандартных ИС. Так возник МП, который можно создать на
одном кристалле, а программу записать в его память навсегда [2].
В настоящее время выпускается несколько сотен различных
МП, но наиболее распространенными и популярными являются
МП фирмы Intel и Intel-подобные. Для Intel-микропроцессоров используются два наименования: полное и сокращенное, например,
Intel 80486 и i486, Intel 80860 и i806.
Развитие МП шло в разных направлениях, важнейшим из которых стало увеличение разрядности. В этой области за довольно
короткое время были достигнуты существенные результаты. Так,
в 1976 г. фирма Texas Instruments выпустила 16-разрядный МП
TMS9900, а в 1980 г. рынок МП пополнился 32-разрядными приборами компании Motorola MC68000.
Первый однокристальный 64-разрядный МП 80860 создан фирмой Intel.
Классы вычислительных машин. К середине 1970-х годов
четко выделились две концепции развития ЭВМ. Первая концепция была реализована на суперкомпьютерах (большие компьютеры, или многопроцессорные ЭВМ), а вторая — на персональных
ЭВМ. С точки зрения аппаратных средств две концепции развития
ЭВМ породили два класса вычислительных машин.
К первому классу относятся традиционные компьютеры с архитектурой фон Неймана. Они состоят из четырех блоков (рис. 1):
арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и устройства вводавывода (УВВ).
Устройства ЭВМ имеют следующее функциональное назначение: АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций над данными (операндами: числами или словами, в
частности буквенными последовательностями), а также операций
условного и безусловного переходов; ЗУ используется для хранения программ и данных, УВВ — для ввода-вывода программ и данных (для вывода любой информации, в частности результатов); УУ
координирует работу всех устройств при выполнении программ.
В машине фон Неймана ЗУ представляет собой общую память,
где хранятся команды программы и данные. Совокупность АЛУ
10