Под возмущающими воздействиями объект выходит из нормального состояния (режима), а САУ возвращает его в требуемый (нормальный) режим работы. Процесс управления протекает в реальном масштабе времени, т. е. со скоростью, определяемой характером физических процессов. Если управляющие воздействия запаздывают во времени либо чрезмерны, то может возникнуть неустойчивый режим работы системы, при котором координаты объекта могут принять недопустимые значения и либо сам объект, либо отдельные устройства системы выйдут из строя − возникнет аварийный режим. Поэтому в теории САУ основными являются проблемы обеспечения устойчивости и точности управления.

Большинство из перечисленных преобразований могут быть выполнены с помощью цифровых микроэлектронных устройств. Полностью цифровым является УУ, когда оно строится на основе управляющих микроЭВМ либо на цифровых микросхемах.

На цифровых микросхемах выполняются цифровые датчики физических величин, а также частично аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.

1.2. Системы передачи информации (СПИ)

Важнейшим скачком в истории развития передачи информации стало использование цифровых систем передачи данных (рис. 1. 2). Использование аналоговых сигналов требует большой избыточности информации, передаваемой в системе, а также обладает таким существенным недостатком, как накапливание помех. Различные формы кодирования для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, их хранения, передачи и преобразования обратно в аналоговую форму начали свое бурное развитие во второй половине XX в. и к началу XXI в. практически вытеснили аналоговые системы.

Рис. 1.2. Система передачи информации

Основная проблема, которую необходимо решить при проектировании СПИ, была впервые сформулирована Клодом Шенноном в 1948 г. [14]–[17]:

11

«Главное свойство системы связи заключается в том, что она должна точно или приближенно воспроизвести в определенной точке пространства и времени некоторое сообщение, выбранное в другой точке. Обычно это сообщение имеет какой-то смысл, однако это совершенно неважно для решения поставленнойинженернойзадачи.Самоеглавноезаключаетсявтом,чтопосылаемое сообщение выбирается из некоторого семейства возможных сообщений».

Такаяточнаяияснаяпостановкапроблемыпередачиоказалаогромноевоздействие на развитие средств связи. Возникла новая научная отрасль, которая сталаназыватьсятеориейинформации.Главнаяидея,обоснованнаяШенноном, заключается в том, что надежные СПИ должны быть цифровыми, т. е. задачу связи следует рассматривать как передачу двоичных цифр (битов). Появилась возможность однозначно сравнить переданную и принятую информацию.

Заметим, что любой физический канал передачи сигналов не может быть абсолютно надежным. Например шум, который портит канал, вносит ошибки в передаваемую цифровую информацию. Шеннон показал, что при выполнении некоторых достаточно общих условий имеется принципиальная возможность использовать ненадежный канал для передачи информации со сколь угодно большой степенью надежности. Поэтому нет необходимости пытаться очистить канал от шумов, например, повышая мощность сигналов (это дорого и зачастую невозможно). Вместо этого следует разрабатывать эффективные схемы кодирования и декодирования цифровых сигналов.

Задача кодирования канала (выбор сигнально-кодовой конструкции) заключается в построении на основе известных характеристик канала кодера, посылающего в канал входные символы, которые будут декодированы приемником с максимальной степенью надежности. Это достигается с помощью добавлениявпередаваемуюцифровуюинформациюнекоторыхдополнительных проверочных символов. На практике каналом может служить телефонный кабель, спутниковая антенна, оптический диск, памятькомпьютера или еще чтото. Задачей кодирования источника является создание кодера источника, который производит компактное (укороченное) описание исходного сигнала для передачи адресату. Источником сигналов может служить текстовый файл, цифровое изображение, оцифрованная музыка или телевизионная передача. Этосжатоеописаниесигналовисточникаможетбытьнеточным,тогдаследует говорить о расхождении между восстановленным после приема и декодирования сигналом и его оригиналом. Это обычно происходит при преобразовании (квантовании) аналогового сигнала в цифровую форму.

12

Прямая теорема [14]: «Если скорость передачи сообщений меньше пропускной способности канала связи, то существуют кодыи методы декодирования такие, что средняя и максимальная вероятности ошибки декодированиястремятсякнулю,когдадлинаблокастремитсякбесконечности.Иными словами, для канала с помехами всегда можно найти такую систему кодирования, при которой сообщения будут переданы со сколь угодно большой степенью верности, если только производительность источника не превышает пропускной способности канала».

Обратная теорема: «Если скорость передачи больше пропускной способности, то не существует таких способов передачи, при которых вероятностьошибки стремитсяк нулюпри увеличении длиныпередаваемого блока».

Для аддитивного белого гауссова шума Шеннон получил выражение:

C = W log2(1 + S/N), где:

C – пропускная способность канала, бит/с; W – ширина полосы канала, Гц;

S – мощность сигнала, Вт;

N – мощность шума, Вт.

Теоремы Шеннона для канала с шумами (теоремы Шеннонадля передачи поканалусшумами)связываютпропускнуюспособностьканалапередачиинформации и существование кода, который возможно использовать для передачи информации по каналу с ошибкой, стремящейся к нулю (при увеличении длины блока).

Если скорость передачи сообщений меньше пропускной способности канала связи R < C, то существуют коды и методы декодирования такие, что средняя и максимальная вероятности ошибки декодирования стремятся к нулю, когда длина блока стремится к бесконечности [17].

Если же R > C, то кода, на основе которого можнодобитьсясколько угодной малой вероятности возникновения ошибки, не существует.

Теорема Шеннона–Хартли ограничивает информационную скорость (бит/с) для заданной полосы пропускания и отношения «сигнал/шум». Для увеличения скорости необходимо увеличить уровень полезного сигнала поотношению к уровню шума.

Если бы существовала бесконечная полоса пропускания, бесшумовой аналоговый канал, можно было бы передать неограниченное количество безошибочных данных по ней за единицувремени. Реальные каналы имеют ограниченные размеры и в них всегда присутствует шум.

13

Удивительно, но не только ограничения полосы пропускания влияют на количество передаваемой информации. Если комбинируется шум и ограничения полосы пропускания, действительно видно, что есть предел количества информации, которую можно передать, даже используя многоуровневые методы кодирования. В канале, который рассматривает теорема Шеннона–Хар- тли, шум и сигнал дополняют друг друга. Таким образом, приемник воспринимает сигнал, который равен сумме сигналов, кодирующего нужную информацию и непрерывную случайную информацию, которая представляет шум.

Это дополнение создает неуверенность относительно ценности оригинального сигнала. Если приемник обладает информацией о вероятности ненужного сигнала, который создает шум, то можно восстановить информацию в оригинальном виде, рассматривая все возможные влияния шумового процесса. В случае теоремы Шеннона–Хартли шум как таковой произведен гауссовскимпроцессомснекоторымиотклонениямивканалепередачи[14].Такой канал называют совокупным белым гауссовским шумовым каналом, так как гауссовский шум является частью полезного сигнала. «Белый» подразумевает равное количество шума во всех частотах в пределах полосы пропускания канала. Такой шум может возникнуть при воздействии случайных источников энергии, а также может быть связан с ошибками, возникшими при кодировании. Знание о вероятности возникновения гауссовского шума значительно упрощает определение полезного сигнала.

В книге А. К. Цыцулина [18] отмечено, что несмотря на сложность проблемы поиска оптимума при создании СПИ, можно выделить ключевую триаду, компоненты которой проектировщику в ходе проектирования необходимо учитывать одновременно:

•априорную информацию о передаваемых сообщениях;

•точность передачи информации (выраженную в критерии качества);

•сложность СПИ ( выраженную в виде совокупности ограничений).

1.3. Системы обработки информации (вычислительные системы)

Перечисленныетиповыезадачимогутбытьрешеныиформализованыматематическими и логическими методами. В свою очередь названные методы оперируют простейшими действиями (арифметическими или логическими), при выполнении которых над некоторыми исходными данными получается новыйрезультат,ранеенеизвестный.Этаобщностьметодоврешенияразнообразных задач по обработке информации позволила создать отдельный класс

14

устройств и систем, целевым назначением которых (первоначально) была автоматизация вычислительных процедур − электронные вычислительные машины (ЭВМ) [9], [10].

На современном этапе развития вычислительной техники ЭВМ «превратились» в компьютеры, на основе которых строятся современные компьютерные системы обработки и передачи информации. Обобщенная структурная схема некоторой вычислительной системы приведена на рис. 1.3.

отображает программу обработки данных, структурированы на определенное число частей, каждая из которых имеет определенное назначение. В простейшем случае имеются следующие части: 1) код операции, которую надо выполнить с двумя двоичными числами, отображающими значения данных и называемыми«операндами»,2)адреспервогооперанда,3)адресвторогооперанда. Совокупность этих частей образует команду.

РаботаЭВМзаключаетсявпоследовательномвыполнениикоманд,заданных программой. Координирует работу всех блоков во времени и управляет ими управляющее устройство УУ, а непосредственно логические и арифметические операции (действия) над операндами выполняет арифметико-логиче- ское устройство АЛУ, которое по сигналу от УУ Код операции каждый раз настраивается на выполнение конкретной операции.

Устройство управления расшифровывает поступившую от ЗУ команду (рис. 1.3 Очередная команда), код операции направляет на АЛУ, и оно готовится к выполнению соответствующей операции. Затем формирует сигналы

15

выборки из ЗУ операндов (см. сигнал Адреса данных) и определяет адрес очередной команды, которую следует выполнить на следующем такте работы ЭВМ (Адрес очередной команды). По сигналам от УУ из ЗУ считываются операнды, и АЛУ выполняет необходимые действия. При этом образуется промежуточный результат (Результат операции), который также сохраняет ЗУ. В зависимости от результата выполнения операции может появиться необходимость изменить последовательности выполнения команд: либо прекратить обработку данных, либо вывести оператору сообщения об ошибках. Для этой цели с АЛУ на УУ поступает сигнал Признак результата. Процесс обработки введенных данных (информации) продолжается до тех пор, пока не будет извлечена команда Конец вычислений, либо оператор по своему усмотрению не остановит процесс обработки данных.

Полученный результат обработки также хранится в ЗУ и может быть выведен через устройство вывода Увыв по окончании процесса обработки либо в ходе процесса, если это предусмотрено программой.

Для «общения» оператора с ЭВМ предусматриваются терминальные устройства ТУ, предназначенные для ввода оператором команд и сообщений, а также для вывода оператору сообщений от ЭВМ.

На рис. 1.3 не показаны связи управляющего устройства, обеспечивающие синхронизацию работы всех составных частей ЭВМ. Широкими стрелкамиотображаетсявозможностьпараллельнойпередачиданных(одновременной передачи всех разрядов многоразрядных двоичных чисел).

Практически все показанные на рис. 1.3 блоки (кроме терминальных устройств) могут быть полностью выполнены только на цифровых интегральных микросхемах (ИМС). В частности, УУ, АЛУ и часть ЗУ (регистровая память − СОЗУ) могут быть выполнены в виде одной ИМС большой степени интеграции. Названная совокупность блоков образует микропроцессор − центральный процессор ЭВМ, выполненный средствами интегральной технологии на одном кристалле полупроводника.

Устройства ввода и вывода данных, как правило, состоят из буферных запоминающих регистров, служащих для временного хранения вводимых и выводимых данных и согласования системы с внешними устройствами.

Запоминающее устройство ЗУ обычно разделяют на две части: оперативное ЗУ (ОЗУ) и постоянное ЗУ. Первое служит для хранения промежуточных результатов вычислений, его содержимое постоянно изменяется в процессе

16

обработки данных. ОЗУ работает в режимах считывания и записи данных. А второе, постоянное ЗУ (ПЗУ), служит для хранения стандартных подпрограмм и некоторых системных (служебных) подпрограмм, управляющих процессами включения и выключения ЭВМ. Как правило, ПЗУ выполняется на программируемых пользователем ИМС ПЗУ (ППЗУ) либо заранее запрограммированных на заводах-изготовителях ИМС ПЗУ, либо перепрограммируемых пользователем ПЗУ (РеПЗУ). Обычно это энергонезависимые запоминающие устройства, в которых записанная информация не «разрушается» даже при их отключении от источника питания.

В состав АЛУ входят одноименного названия ИМС, выполняющие логические и арифметические операции с двоичными числами, логические элементы и ряд других функциональных узлов: для сравнения чисел − цифровые компараторы, для увеличения быстродействия выполняемых арифметических операций – блоки ускоренного переноса и т. д.

В состав УУ входят таймерные устройства, задающие тактовую частоту работы системы и, в конечном итоге, определяющие ее производительность, дешифраторы кодов команд, программируемые логические матрицы, регистры, блоки микропрограммного управления, а также порты ввода–вывода.

Все перечисленные функциональные узлы выполняются в виде интегральных цифровых устройств.

Основными проблемами вычислительных систем являются, во-первых, повышение их производительности (быстродействия) и, во-вторых, обеспечение работы систем в реальном масштабе времени.

Первая проблема носит общесистемный характер и решается применением новой элементной базы и специальных методов обработки информации. Вторая проблема возникает при использовании вычислительных систем для управления производственными процессами и заключается в том, что скорости протекания производственных и вычислительных процессов должны быть согласованы. Действительно, функционирование вычислительной системы (ВС) происходит в так называемом «машинном» времени, когда за единицу времени принимается некоторый фиксированный и неделимый интервал времени, называемый тактом работы ЭВМ или компьютера, тогда как реальные физические процессы, например технологические, протекают в реальном времени, измеряемом в секундах, долях секунды, в часах и т. д. Чтобы применениеЭВМсталовозможным,необходимоскоростьобработкиинформациисделать не менее скорости протекания реальных физических процессов. Решение

17