книги из ГПНТБ / Ретман А.А. Автоматика и автоматизация портовых перегрузочных работ учебник

лента может также считываться с помощью фотоэлектрических устройств. В этом случае с одной стороны ленты находится источник света, а с другой — фотоэлемент. При попадании свето­ вого потока через отверстия на фотоэлемент в его цепи создает­ ся импульс тока.

Кроме стандартной телеграфной ленты, запись программы перфорированием может осуществляться на лентах из различных материалов и разной ширины. Ширина перфоленты определяется максимальным количеством дорожек.

Запись программы на магнитной ленте дает возможность мон­ тировать программу из фрагментов. При записи программы на стандартной магнитофонной ленте шириной 6,25 мм использу­ ются различные тональные частоты.

На одну дорожку можно записать шесть и более команд. Ос­ новное преимущество использования магнитофонной ленты в ка­

рать» и записывать на той же ленте новую. Одна кассета с лен­

разгрузки краном одного трюма. Записать программу можно так­ же на магнитном барабане и на магнитном диске.

Для записи программы может быть использована девятидо­ рожечная кинолента шириной 35 мм. В этом случае программа для каждого механизма кодируется на одной дорожке различны­ ми тональными частотами с помощью частотных генераторов. Неудобство этой системы заключается в том, что нужна специ­ альная девятидорожечная магнитная головка, а лентопротяжный механизм довольно громоздкий.

Запись на киноленте не получила широкого распространения из-за трудностей, связанных с ее обработкой, и невозможности стирания старой и нанесения новой записи. Кинолента отличает­ ся большой механической прочностью, поэтому ее целесообраз­ но применять в качестве программоносителя при необходимости многократного использования. В этом случае программа на ки­ ноленту наносится методом перфорации.

Г Л А В А V

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

§11. АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Внекоторых самонастраивающихся автоматических системах устройства поиска экстремума и самонастройки являются по су­ ществу вычислительными устройствами.

Автоматические вычислительные системы могут быть механи­ ческими, электромеханическими и электрическими (электронны­ ми). В настоящее время наиболее распространены электромеха­ нические и особенно электронные системы.

90

Автоматические вычислительные системы делятся на две группы:

электронные вычислительные устройства непрерывного дейст­

структуре, дешевле, быстродейственны и соединяются с управля­ емым объектом. В них числовые значения интегрируются как значения физических величин. В зависимости от схемы устройст­ ва в качестве физических величин используются механическое перемещение, скорость, напряжение электрического тока, сопро­ тивление, емкость и т. д. Физическая величина, которая может принимать различные значения, как бы моделирует переменную или функцию. Поэтому устройства этой группы называются еще

зующему состояние системы, соответствует переменная или функ­ ция. Задача математического описания физической системы за­ ключается в установлении связи, т. е. математических соотноше­ ний, между параметрами, которые выражаются либо с помощью конечных формул, либо с помощью дифференциональных или интегральных уравнений, либо другими способами.

Автоматические вычислительные устройства непрерывного действия могут решать только специальные, сложные инженер­ ные и математические задачи, для которых они сконструированы. Точность вычислений их низкая — до 3—4 знаков. Операции вы­ полняются с большой скоростью, и это дает возможность исполь­ зовать их для управления технологическими и производственны­ ми процессами. Информация о состоянии управляемого объекта поступает на входы аналоговой машины и параллельно с управ­ ляемым процессом перерабатывается. С выходов машины в уп­ равляющие органы объекта передается корректирующая инфор­ мация, благодаря которой объект или процесс поддерживается в заданном режиме работы.

Эти вычислительные системы называются электрическими (электронными), потому что осуществляют электрическое (элек­ тронное) моделирование протекания процессов, т. е. создают ана­ логию процесса. В некоторых случаях создаются математические модели и решается математическая задача. На машине такой группы набирается электрическая (электронная) модель управ­ ляемого объекта и системы автоматического управления им, ко­ торая представляет собой структурную схему, т. е. набор соеди­ ненных между собой типовых звеньев (см. § 2).

Аналоговые машины конструктивно представляют собой набор блоков, каждый из которых выполняет определенную математи­ ческую операцию: сложение, умйожение, интегрирование и т. д. При решении конкретной инженерной задачи эти блоки соединя­ ются в необходимой последовательности.

91

Конструкция аналоговой машины зависит от сложности задач, которые она должна решать, например решение только систем ал­ гебраических уравнений, только дифференциальных уравнений и т. п.

Основными блоками электрических аналоговых устройств яв­ ляются: функциональные преобразователи для построения задан­ ных математических функций; блоки суммирования переменных для выполнения операций сложения и вычитания; блоки умно­ жения переменной величины на постоянной коэффициент; блоки умножения и деления переменных; блоки дифференцированная и интегрирования. Эти блоки выполняются из обычных и специаль­ ных элементов автоматики. К основным специальным элементам относятся: решающие (операционные) усилители, диодные функ­ циональные преобразователи, потенциометры, вращающиеся трансформаторы и др.

Т а б л и ц а 1

Позиционное идеальное (безынер­ ционное) суммирующее: рычаг без учета его упругости: редуктор без учета его упругости и люфта: уси­ литель напряжения на сопротивле­ ниях без учета емкости и индуктив­ ности; некоторые типы датчиков

92

Решающие (операционные) усилители постоянного тока с от­ рицательной обратной связью являются универсальными элемен­ тами, на которых выполняются электронные аналоговые устрой­ ства. Они используются как для моделирования, так и для ре­ шения уравнений.

Для того чтобы набрать на аналоговой машине электронную модель линейной системы автоматического регулирования, необ­ ходимо ее типовые звенья представить в виде структурной схе­ мы. В этом случае независимо от того, какой принцип действия и конструкции заложен в типовые звенья, они могут быть смодели­ рованы с помощью операционных усилителей.

и

Рис. 75. Диодный функциональный преобразователь:

а •—электрическая схема; б — аппроксимированная функция

В табл. 1 представлены некоторые типы звеньев, которые мо­ гут быть заменены в структурной схеме, т. е. смоделированы соответствующими схемами операционного усилителя.

Модель линейной САР собирается по структурной схеме и за­ меняется последовательно воздействующими друг на друга бло­ ками, содержащими операционные усилители, которые модели­ руют звенья системы.

Схемы с решающими усилителями часто используются для решения линейных математических уравнений. Решающие усили­ тели могут выполнять операции умножения на постоянный коэф­ фициент, меньший или больший единицы, суммирование, диффе­ ренцирование и интегрирование. Применение усилителей, у кото­ рых напряжение на выходе равно напряжению на входе, позво­ ляет производить любое число математических операций и пото­ му позволяет решать все необходимые задачи.

Для учета нелинейности автоматических регуляторов и реше­ ния нелинейных уравнений применяются диодные функциональ­ ные преобразователи, которые не содержат подвижных частей (рис. 75, а). Диодные функциональные преобразователи предназ­ начены для моделирования произвольной нелинейной зависимо­

93

сти между выходным и входным напряжением. При этом модели­ руемая зависимость заменяется близкой к ней зависимостью (ку­ сочно-линейной аппроксимацией функций) и изображается гра­ фически ломаной линией из прямолинейных отрезков (рис. 75,6). Отклонение аппроксимированной (приближенной) функции от точной измеряется достаточной малой величиной.

Диодный функциональный преобразователь представляет со­ бой диодную ячейку, в которую входит либо двойной вакуумный диод, либо полупроводниковые диоды, потенциометры и переклю­ чатели. 10—12 диодных ячеек и операционный усилитель состав­ ляют блок нелинейности, который может моделировать немоно­ тонную функцию. Диодные функциональные преобразователи при­

Потенциометры служат для преобразования механической ве­ личины линейного или углового перемещения в электрическую. Если потенциометры соединить со следящей системой, можно преобразовать электрическую величину в механическую. Соответ­

ния двух переменных, одна из которых является механической, а другая — электрической величиной (напряжение). Произведение выражается величиной напряжения.

Нелинейные функциональные зависимости можно получать не­ линейным функциональным потенциометром, у которого каркас неравномерной ширины или отдельные участки зашунтированы, Потенциометр широко используется в аналоговых вычислитель­ ных системах для различных целей. Его недостатком является наличие движущихся частей, что снижает быстродействие и на­ дежность по сравнению с чисто электрическими элементами ана­ логовых систем.

Поворотные (вращающиеся) трансформаторы применяются для получения синус-косинусных функций в электромеханических вычислительных устройствах, работающих на переменном токе. Поворотный трансформатор по конструкции напоминает асин­ хронный двигатель с обмоткой на роторе или сельсин, который на статоре и роторе имеет по две одинаковые обмотки, располо­ женные под углом 90°. G помощью поворотного трансформатора можно решать, например, взаимно-обратные тригонометрические задачи: определение катетов прямоугольного треугольника по ги­ потенузе и углу и определение гипотенузы и угла по двум ка­ тетам.

Тахогенераторы постоянного тока с возбуждением от посто­ янного магнита служат для получения мгновенного значения ча­

94

стоты вращения, т. е. дифференцирования угла поворота по вре­ мени, и называются иногда интегрирующим приводом.

Электрические цепи, содержащие активные, емкостные и ин­ дуктивные сопротивления и источники э.д. с., могут быть исполь­ зованы для решения уравнений, которые моделируют зависимость между напряжениями, токами и сопротивлениями цепи. С помо­ щью соответствующих комбинаций активных, емкостных и ин­ дуктивных сопротивлений при построении электрической цепи с источником э.д. с. можно производить умножение на постоянный коэффициент, суммирование, интегрирование, дифференцирова­ ние. Применение этих цепей в вычислительных устройствах огра­ ничивается из-за влияния нагрузки и малых выходных напря­ жений.

Аналоговые автоматические устройства в экстремальных и самонастраивающихся системах дают возможность решать зада­ чи выбора параметров нелинейной САР и управлять ими.

§12. ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Вотличие от вычислительных систем непрерывного действия

вычислительные системы дискретного действия более сложны, хотя ограничиваются только выполнением четырех арифметиче­ ских и ряда логических операций по определенной заранее задан­ ной программе (последовательность команд). Скорость решения задач на цифровой машине меньше, чем на аналоговой, потому что в аналоговой все элементы, как правило, работают одновре­ менно. В цифровой машине решение задачи является результа­ том большого числа последовательных по времени арифметиче­ ских и логических операций, осуществляемых ею автоматически. Оператор должен только ввести в машину программу и прочи­ тать результаты.

Цифровые вычислительные устройства стали-применяться дав­ но. К ним относятся различные механические и электромехани­ ческие устройства, например счеты, арифмометры, различные ме­ ханические клавишные счетные машины и другие системы. Но в отличие от автоматических цифровых вычислительных устройств перечисленные устройства требуют участия человека в вычисле­ ниях, и скорость вычислений невелика. Для решения сложных задач необходимо быстродействие, которое достигается автома­ тизацией всего процесса решения с помощью программного уп­ равления, и большая скорость выполнения арифметических опе­ раций вследствие применения электронных элементов. Кроме того, электронные цифровые машины обладают возможностью хра­ нения (запоминания) большого количества исходных и промежу­ точных данных и способностью сравнивать их.

граммой автоматически выбирают в зависимости от промежуточ­ ных результатов направление дальнейших вычислений. Электрон-

95

ные цифровые вычислительные машины универсальны и обладают высокой точностью вычислений. Они способны решать слож­ ные математические и инженерные задачи, недоступные для ана­ логовых машин, и обработать в единицу времени большое коли­ чество информации.

Наряду с универсальными ЭЦВМ имеются более простые спе­ циализированные цифровые машины, которые предназначены для

решения более узких инженерных задач. Такие специализирован­

сначала преобразована методами численного анализа в последо­ вательность арифметических и логических операций.

Функциональная схема автоматической цифровой вычисли­ тельной машины представлена на рис. 76. Автоматическая цифро­ вая вычислительная машина состоит из следующих основных уст­ ройств, соединенных между собой каналами связи: устройства ввода данных; оперативного запоминающего устройства (ОЗУ): внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); устройства управле­ ния (УУ); арифметического устройства (АУ); устройства вывода данных.

96

рядок и правила вычислений, а также чисел, над которыми про­ изводятся вычислительные операции. Ввод информации может производиться с помощью электрифицированной пишущей маши­ ны или вручную с пульта управления машин. Последовательность выполняемых машиной операций называется алгоритмом решае­ мой задачи. Алгоритм, записанный в символах, «понятных» дан­ ной -машине, называется п р о г р а м м о й р е ш е н и я з а д а ч и .

Устройства ввода данных различаются в зависимости от вида носителя информации и способа чтения. Программоносителем мо­ жет быть перфокарта, перфолента, магнитная лента. Наиболее широкое применение получили перфокарты. Команда содержит указания, где находится число и какую операцию над ним следу­ ет произвести. При вводе программы в устройство ввода данных

В ЭЦВМ с помощью значений физических величин моделируются не сами числовые значения (как в аналоговых машинах), а зна­ чения разрядов чисел в какой-либо системе счисления.

Так, если представить значения чисел в исторически сложившейся деся­ тичной системе счисления, широко принятой в практике неавтоматических вы­ числений, то для изображения каждого разряда необходимо физическое уст­ ройство, которое может находиться в десяти строго определенных состояниях, т. е. в таких, что небольшие ошибки в работе устройства не могут послужить причиной перевода его из одного состояния в другое. Тогда каждое состояние устройства будет соответствовать одной из десяти цифр. Но это неудобно, так

десятичная. В этой системе любое число может быть представлено, как сумма произведений чисел единиц разряда на число 10 в степени, соответствующей

личество цифр, которое используется для выражения одного разряда чисел в- позиционной системе, носит название о с н о в а н и я с и с т е м ы с ч и с л е н и я .

В двоичной системе счисления для выражения одного разряда используют­ ся только две цифры, т. е. основание этой системы уже не десятичное, а дво­ ичное. Тогда, например, число 19 может быть представлено следующей суммой! произведений:

1Х24+0 Х 23+0 Х 22+ 1X24-1X2°= 16+ 0 + 0 + 2 + 1 = 19,

и это число в двоичной системе будет выражено, как 10011.

Для преобразования любого десятичного числа в двоичное необходимо по­ следовательно производить его деление на два.

Например, двоичный код числа 1933 можно получить, если:

1 Х 2‘° + 1Х29+ 1 Х 2 8+ 1 X27+ 0 X 2G+0!X25 + 0X 24+ 1 Х23+1;Х 2*+0Х 21+ 1 Х2°, или 11 110001 101.

Почти все отечественные ЭЦВМ являются дискретными авто­ матами, работающими тактами на двоичной системе счисления, так как большинство элементов, входящих в машину, по своей физической природе может находиться лишь в одном из двух устойчивых состояний, например электронная лампа может быть либо отперта, либо заперта, конденсатор может быть либо раз­ ряжен, либо заряжен.

В ЭЦВМ любое число в двоичной системе может быть пред­ ставлено либо в виде набора состояний цепочки триггеров, каж­ дый из которых изображает один двоичный разряд, либо в виде состояния намагниченности магнитных элементов, например фер­ ритовых колец, либо в виде последовательности импульсов тока или напряжения и интервалов между ними. Наличие импульса соответствует единице, а отсутствие — нулю.

Для изображения разрядов чисел в ЭЦВМ применяются бе­ зынерционные электронные и магнитные устройства, состояние которых (моделирующие значения разрядов) изменяется за столь малые промежутки времени, что каждая арифметическая опера­ ция выполняется за несколько микросекунд-и даже наносекунд •.

Существуют и другие системы счисления, например восьмерич­ ная, пятеричная, троичная, но принцип построения их не отлича­ ется от рассмотренных выше десятичной и двоичной систем. По­ этому кодирование заключается в замене команды типа: сложить число А (из ячейки 10) с числом В (из ячейки 201) и направить результат на устройство вывода данных или в определенную ячейку оперативного запоминающего устройства.

Двоичный код команды состоит только из нулей и единиц. Отверстие в перфоленте или в перфокарте означает единицу, а отсутствие его — нуль. В устройстве ввода данных перфокарта (перфолента) протягивается между источником света и чувстви­ тельным к свету элементом (фотоэлементом, фотосопротивлени­ ем). Таким образом, каждая команда преобразуется в последо­ вательность электрических импульсов, которые записываются в оперативном запоминающем устройстве.1

1 Наносекунда равна 10—9 с.

98

Наличие запоминающего устройства — одна из особенностей ЭЫВМ. Они бывают очень разнообразны, но должны удовлетво­

менно может храниться. Быстродействие запоминающего устрой­ ства обратно пропорционально его емкости (памяти).

ЭЦВМ обычно содержат .внешние и внутренние (оператив­ ные) запоминающие устройства. Внешние запоминающие устрой­ ства обладают большой емкостью, но менее быстродейственны, чем оперативные, и потому служат резервом для внутренних за­ поминающих устройств. Запоминающие устройства хранят и быстро выдают программы, исходный числовой материал и про­ межуточные материалы счета. Оперативные запоминающие уст­ ройства обычно выполняются на ферритовых тороидах. Типовой его объем свыше двух тысяч двоичных чисел. В качестве внеш­ них запоминающих устройств используются магнитные барабаны и магнитные ленты. Работа внешних запоминающих устройств напоминает работу обычного магнитофона с той разницей, что запись состоит из последовательных импульсов (единиц) и пауз (нулей). Каждое число или команда занимает одну -ячейку опе­ ративной или внешней памяти, причем каждая ячейка содержит одинаковое число элементов, равное максимальному количеству разрядов двоичного числа, с которыми данная машина работает. Ячейке присваивается номер, который в двоичном коде называет­ ся адресом.

Управляющее устройство обеспечивает автоматическое выпол­ нение программы, которая была введена в устройство ввода дан­ ных. Оно состоит из генератора, который выдает управляющие импульсы, определяющие ход работы машины. На функциональ­ ных схемах ЭЦВМ одинарными линиями связи обозначают пере­ дачу чисел, а двойными — передачу сигналов и для синхрониза­ ции. Управляющее устройство обеспечивает согласование работы

заданной программы.

Из устройства управления команды (адреса) поступают в опе­ ративное запоминающее устройство, а команды (код операции) в арифметическое устройство. В арифметическое устройство из запоминающего устройства также поступают числа и команды, и оно выполняет запрограммированные арифметические действия над введенными в него числами. После выполнения арифметиче­ ских действий результаты из арифметического устройства пере­ сылаются в запоминающее устройство и одновременно в управ­ ляющее устройство поступает признак результата операции. Как