книги из ГПНТБ / Нечаев А.Н. Устройство и работа электронных цифровых машин

Раньше такие Задачи решались й течение ряда лет боль­ шим коллективом вычислителей. Например, для того что­ бы произвести 1000 умножений десятиразрядных чисел

спомощью карандаша и бумаги, требуется одна неделя,

спомощью арифмометра — один день, с помощью счет­ но-перфорационной машины — один час, а на электрон­ ной цифровой машине эту работу можно выполнить в одну секунду.

Спомощью ЭЦМ можно решать такие задачи, поста­

новка которых ранее считалась нецелесообразной из-за невозможности быстро получить результаты с высокой степенью точности.

Решение многих задач было невозможно вследствие необходимости широкого использования одними вычис­ лителями промежуточных результатов, полученных дру­ гими вычислителями. Это требовало чрезвычайной гиб­ кости и организованности в работе и было крайне непро­ изводительным, так как большую часть времени зани­ мал обмен информацией (промежуточными результата­ ми между вычислителями). Применение быстродействую­ щих вычислительных машин, имеющих запоминающие устройства емкостью в несколько миллионов чисел и пе­ редающих числа из одного устройства в другое за мил­ лионные доли секунды, в значительной степени упростило эту проблему.

В настоящее время уже трудно назвать такую область науки или техники, в которой в той или иной степени не использовались бы электронные вычислительные ма­ шины. Применение их дало возможность более глубоко изучать явления, происходящие при атомном распаде раз­ личных радиоактивных веществ, производить расчеты траекторий электронов и заряженных частиц под воздей­ ствием магнитных и электрических полей различной кон­ фигурации и напряженности; значительно облегчается также проектирование новой испытательной аппаратуры для исследований в области ядерной физики.

Много сложных задач уже решено на электронных машинах для геодезии, гидравлики, газовой динамики, метеорологии, баллистики, механики и различных обла­ стей техники.

Особенно велика помощь электронных цифровых ма­ шин в освоении космического пространства. На всех эта­ пах конструирования, изготовления, подготовки ракет к

192

запуску и управления их полетом приходится иметь дело с трудоемкими расчетами, которые успешно выполняют ЭЦМ. Вычисления траекторий и обработка многочислен­ ных телеметрических данных, получаемых с борта косми­ ческих кораблей, позволяют обеспечивать высокую точ­ ность и безопасность полетов.

Конструирование современных сложных агрегатов, станков и приборов, повышение производительности обо­ рудования в металлургической, нефтяной, топливной, хи­ мической и ряде других отраслей промышленности также требуют решения разнообразных математических задач. Наиболее просто и быстро это может быть сделано на машинах.

Применение электронных вычислительных машин по­ зволило провести анализ динамической устойчивости мощных энергетических систем, описываемой сложной системой дифференциальных уравнений, вычислить фор­ мулы потерь, рассчитать наиболее экономичное распреде­ ление нагрузок между станциями системы в различных режимах работы.

На транспорте вычислительные машины используют­ ся при проектировании железнодорожных линий, новых типов подвижного состава, для выполнения тяговых и тепловых расчетов, расчетов потребляемой электроэнер­ гии и затрачиваемой механической работы, обрабаты­ ваются экспериментальные данные, позволяющие опре­ делить наиболее экономичный порядок замены железно­ дорожного оборудования действующих линий.

В последние годы все больше внимания уделяется ис­ пользованию электронных цифровых управляющих ма­ шин в системах автоматического управления, т. е. в таких комплексах машин, устройств и аппаратов, которые по­ зволяют без непосредственного участия человека осуще­ ствлять различные функции управления производствен­ ными и другими процессами. Человек в таких комплек­ сах лишь ведет общий контроль за работой системы.

Дело в том, что физиологические возможности чело­ века не позволяют ему достаточно быстро воспринять, запомнить и осмыслить всю массу поступающих к нему

принять правильное и наилучшее решение о необходи­ мых изменениях режима их работы. Поэтому в тех слу-

чаях, когда управление нельзя разделить между несколь­ кими людьми по тому же принципу, по которому обычно осуществляете» разделение труда;1человек становится самым несовершенным «элементом» в системе управле­ ния им же созданной техникой. В этих случаях деятель­ ность человека необходимо заменить работой управляю­ щих машин, так как они могут быстрее и точнее обраба­ тывать большое число поступающих в них сведений и выбирать оптимальные варианты необходимого воздей­ ствия на систему.

Возможность применения автоматизирующих уст­ ройств (в том числе управляющих машин) зависит от непрерывности технологических процессов, степени осна­ щенности производства конвейерами, поточными линия­ ми^ В промышленности управляющие машины приме­ няются для автоматического управления работой отдель­ ных высокопроизводительных агрегатов, станков, поточ­ ных линий и полностью автоматизированных заводов. В настоящее время уже создан ряд автоматических заво­ дов, цехов и поточных линий, управление которыми осу­ ществляется с помощью электронных цифровых машин или устройств.

На небольших заводах, не имеющих автоматических поточных линий, автоматизируются, как правило, отдель­ ные станки. В этих случаях действия системы «управ­ ляющая машина — станок» определяются заранее состав­ ленной программой последовательности работы органов управления станкоз. Коды команд управления предвари­ тельно записываются на перфорационную или магнит­ ную ленту. При работе системы они выдаются цифровым управляющим устройством и воздействуют на силовые агрегаты, перемещающие деталь и режущие инструмен­ ты. Программа работы управляющего устройства может быть составлена по записанным на ленту действиям наи­ более искусного рабочего высокой квалификации, исполь­ зующего прогрессивные методы и приемы работы. Такая программа выполняется устройством автоматически, а скорость работы станка в этом случае значительно выше, чем при ручном управлении.

В случае изготовления деталей сложной конфигура­ ции (например, лопастей газовой турбины) обработка их ведется по профилю, вычисляемому цифровой маши­ ной, управляющей фрезерным станком. Детали, изготов1-'

ленные такой системой, отличаются высокой точностью, а производительность труда фрезеровщика повышается

внесколько раз.

Вхимической, металлургической, нефтеперерабаты­

вающей и других отраслях промышленности с непрерыв­ ным технологическим процессом применение управляю­ щих машин наиболее эффективно. При автоматизации управления процессами здесь особое внимание уделяет­ ся организации контроля основных параметров, характе­ ризующих состояние процесса на различных его фазах. Результаты'Измерений и анализов, проводимых с требуе­ мой частотой и точностью, преобразуются в цифровую форму и специальным, устройством вводятся в машину. Управляющая машина, произведя соответствующие вы­ числения, вырабатывает сигналы, воздействующие на исполнительные органы системы, и вносит нужные но*- правки в процесс.

- Управляющие машины крайне полезны для современ­ ных мощных энергетических систем. Управление такими системами очень сложно вследствие разнообразия усло­ вий работы предприятий — потребителей энергии в раз­ личных районах, большой протяженности сетей и необхо­ димости перераспределять энергию между районами в те­ чение суток и года. Правильное, с учетом изменения этих условий, перераспределение нагрузок, между электро­ станциями такой системы дает значительный экономиче­ ский эффект. Применение машин для управления круп­ ными энергетическими системами быстро окупает затра­ ты на разработку и создание всего комплекса автомати­

ческого управления.

В технике связи электронные вычислительные и уп­ равляющие устройства позволяют повысить скорость ра­ боты аппаратуры (а следовательно, и ее пропускную способность), а также значительно уменьшить ее габа­ риты. Вычислительные машины, применяемые на между­ городных телефонных станциях, автоматически выбирают ряд обходных соединений, если прямая линия занята'. Тем самым повышается эффективность использования линии связи и упрощается подключение новых, линий и подстанций к общей системе. Специальным вычислитель­ ным устройством, расположенным на станции, автомати­ чески рассчитывается тарифное время и оплата телефон­ ных разговоров.

Можно привести еще очень много примеров использо­ вания управляющих машин в различных отраслях народ­ ного хозяйства, где они дают огромный экономический

эффект.

Углубление разделения общественного труда, разви­ тие кооперирования предприятий, создание сложной си­ стемы связи между ними вызвали необходимость совер­ шенствования методов управления народным хозяйством. Потребность в научном обосновании принимаемых реше­ ний обнаружилась во многих областях практической дея­ тельности, связанной с организацией и управлением про­ мышленностью, строительством и транспортом. Этой по­ требности отвечает развившееся за последние годы на­ правление в научной организации производства, получив­ шее название исследования операций, или операционные исследования.

В методах исследования операций используются по­ следние достижения различных разделов математики—• теории вероятности, математической статистики, теории массового обслуживания, теории игр и т. д. Применение подобного аппарата позволяет внести в практику опера­ тивных решений элементы логической и математической строгости суждений, что поднимает эти решения с уров­ ня интуитивных до уровня научных.

Под словом «операция» в исследованиях операций понимают организованную деятельность в любой обла­ сти жизни, проводимую под руководством и по плану и имеющую характер повторяемости, т. е. многократности. Такое определение подразумевает наличие в исследуемых процессах общего и устойчивого, а также возможность установления закономерности. Все это позволяет произ­ водить исследования количественных факторов операций научными методами статистики, теории вероятности и данных различных наук — физики, математики, электро­ техники, химии, биологии, экономики и др.

Промышленность, торговля, транспорт, экономика представляют собой такие области деятельности, в кото­ рых организация, руководство и план являются основой, а повторяемость характеризуется массовостью производ­ ства, обращения товаров и транспортировки. Поэтому они могут быть объектами исследований.

Математический аппарат, применяемый при исследо­ вании операции, предназначен в основнбм не для выра­

196

ботки окончательных решений или рекомендаций, а для предварительной количественной ориентировки, на осно­ ве которой может быть принято рациональное решение с учетом ряда других соображений. Действительно, то или иное техническое или организационное решение зача­ стую представляет собой компромисс, в котором учиты­ ваются не только количественные факторы, вытекающие из анализа эффективности, но и ряд других. Отступле­ ния от оптимального решения могут быть допущены из инженерных, конструктивных, экономических и других соображений.

Такие отступления допустимы, так как в подобных за­ дачах обычно наблюдаются очень пологие, слабо выра­ женные максимумы показателя эффективности. Поэтому решение может изменяться около оптимального в сравни­ тельно широких пределах без существенного снижения эффективности.

Основное место в исследованиях операций занимает линейное программирование, которое представляет собой специальную прикладную математическую методику ре­ шения задач наилучшего распределения наличных ресур­ сов или возможных усилий по направлениям их исполь­ зования. Это могут быть природные, трудовые или мате­ риально-технические ресурсы, которые находятся в рас­ поряжении народного хозяйства. Под оптимальным рас­ пределением ресурсов понимается получение наилучшего результата для определенного, заранее выбранного кри­ терия. Критерий оптимальности может отражать мини­ мальные затраты денежных и материальных средств, обо­ рудования, времени и т. п. на единицу продукции или услуги.

Оптимальный вариант плана распределения ресур­ сов— один из множества возможных. Большое число ва­ риантов обусловлено тем, что задачи линейного програм­ мирования приходится решать относительно многих пере­ менных, по каждой из которых надо установить значения, которые в совокупности приводят всю систему к жела­ тельному результату. При этом все переменные взаимо­ зависимы, отчего малейшее изменение любой из них отражается на ряде других.

Даже постановка простых задачнередко приводит к столь большому количеству вариантов, что определение оптимального.плана путем пересчета всех возможных ва­

197

риантов практически неосуществимо даже с использова­ нием современных быстродействующих электронных цифровых машин. Линейное программирование и дает как раз ту научную методику, которая позволяет нахо­ дить лучшее решение, не прибегая к проверке и сравне­ нию всех возможных вариантов.

Последовательное приближение к оптимальной вели­ чине, основанное на анализе и систематическом улучше­ нии ряда вариантных решений, позволяет обходиться без чрезвычайно сложных вычислений. При использовании такого метода задачи линейного программирования мож­ но решать на электронных вычислительных машинах без существенного ограничения переменных.

Общий принцип всех методов линейного программи­ рования заключается в следующем: выбирается некото­ рый исходный вариант распределения и использования ресурсов. Эти, заведомо не оптимальные, исходные дан­ ные должны удовлетворять поставленным в задаче огра­ ничениям. Затем этот вариант подвергается анализу по установленным правилам, которые позволяют выявить признаки неоптимальности и пункты наибольшего откло­ нения от оптимума. Тем самым определяется возмож­ ность улучшения исходного варианта. На основе этого анализа составляется новый вариант, подвергаемый даль­ нейшему улучшению по тем же правилам.

Народнохозяйственные задачи, решаемые методами линейного программирования, по области их примене­ ния можно условно разделить на три группы: использо­ вание производственных мощностей, использование сырья

иматериалов, транспортные задачи.

Кпервой группе задач относятся, например, составле­ ние планов рациональной загрузки станочного парка заводов, распределение заданной программы по станкам

ит. п. Вот типичный пример постановки подобной зада­ чи. На' некотором заводе имеется определенный станоч­ ный парк. Известно (или задано) время работы каждо­ го станка. Задана программа выпуска некоторых изделий для изготовления «а этих станках. Известны нормы про­ изводительности каждого станка при изготовлении каж­ дого изделия. Требуется составить оптимальный план загрузки станков, т. е. так распределить время обработ­ ки каждого изделия на каждом станке, чтобы общий рас­ ход рабочего времени на выполнение всей заданной

Г98

программы был минимальным или чтобы выпуск продук­ ции в течение определенного периода времени был макси­ мальным. Вариант распределения, удовлетворяющий это­ му требованию, и будет оптимальным.

Во второй группе задач, связанных с использованием сырья и материалов, требуется составить наиболее деше­ вую смесь заданного состава из ряда компонентов, в ко­ торых нужные элементы или вещества находятся в раз­ личных пропорциях и цены на которые также различны. К этой группе относятся, например, задачи на составле­ ние наиболее дешевого кормового набора заранее опре­ деленной питательности, смешивание бензинов разных марок для получения наиболее дешевым спбсобом горю­ чего, удовлетворяющего заранее заданным техническим условиям или свойствам, раскрой различных промышлен­ ных материалов (листовой стали, кожи, ткани и т. п.) и ряд аналогичных задач.

Третью группу задач линейного программирования составляют транспортные задачи, которые заключаются в составлении оптимального плана перевозок, т. е. такого плана, при котором переброска нужного количества гру­ зов из определенных пунктов отправления в те или иные пункты назначения осуществляется с минимальной за­ тратой времени или с минимальными транспортными издержками (с использованием наименьшего количества транспортных средств, по наикратчайшим маршрутам

ит. д.).

Помимо этого, методами линейного программирова­ ния решаются и другие задачи, связанные с отыскива­ нием оптимального севооборота, оптимальным сезонным регулированием объема производства и занятости в про­

роднохозяйственное значение и может быть выполнено достаточно быстро и точно только путем использования электронных цифровых машин.

.. ц. * .*

В настоящее время многочисленные научно-исследова­ тельские и промышленные организации в Советском Сою­ зе и за рубежом Интенсивно проектируют и производят новые типы вычислительных, управляющих, и информа­ ционно-логических машин.

199,

Дальнейшие работы в области электронной цифровой вычислительной техники идут в нескольких направле­

ниях.

Разрабатываются методы эффективного использова­ ния электронных цифровых машин различных типов. Эти методы основаны на выборе оптимального состава, струк­ туры и параметров ЭЦМ, проведении мероприятий по по­ вышению надежности работы устройств и эффективности контроля за функционированием машин.

Рациональное использование мощных электронных цифровых систем предполагает возможность одновремен­ ного решения на них нескольких, различных по своему характеру задач — научных и других математических расчетов, принятия логических решений, сбора и обоб­ щения всевозможного рода информации и вычислений в истинном масштабе времени при управлении различны­ ми технологическими и производственными процессами. Разнообразие задач, в свою очередь, вызывает необходи­ мость расширения состава устройств машин, обеспечения большей гибкости системы при приеме и обработке боль­ ших массивов информации, для ввода и вывода информа­ ции наиболее экономичным и удобным способом.

Много внимания уделяется построению высокопроиз­ водительных вычислительных систем. Современные вы­ числительные системы включают в себя несколько одно­ временно работающих машин, построенных на базе ис­ пользования новых сверхбыстродействующих элементов. Раздробление оборудования этих машин позволит увели­ чить количество одновременно выполняемых операций. Применение более сложных по структуре команд сократит число команд, необходимое для решения задач.

Разрабатываются вычислительные и управляющие машины и системы на основе применения совершенно но­ вых физических, биологических, химических и других принципов.

Отыскиваются пути расширения области применения вычислительной техники для'управления производствен­ ными и технологическими процессами, решения информа­ ционно-логических задач, задач планирования и стати­ стики.

Всего десять лет назад быстродействие в 2—5 тыс. математических операций в секунду считалось высоким техническим показателем электронной цифровой маши­

200

ны. В настоящее время в серийном производстве нахо­ дятся машины с быстродействием в десятки и сотни ты­ сяч операций в секунду, а у некоторых образцов машин оно достигает миллионов операций в секунду.

В ближайшие годы можно ожидать создания вычис­ лительных машин с еще большим быстродействием и большей емкостью запоминающих устройств и, следова­ тельно, большей производительностью. Применение в но­ вых быстродействующих машинах методов многопро­ граммного управления позволит использовать одну и ту же машину для одновременного решения задач различ­ ных классов, в том числе по переработке информации, поступающей по многочисленным каналам связи.

Чрезвычайно перспективно создание и использование таких элементов электронной вычислительной техники, как полупроводниковые приборы, ферриты, сегнетоэлектрики, малогабаритные и вибростойкие электронные лам­ пы, обладающие большой надежностью работы и дли­ тельным сроком службы. Применение этих элементов позволит во много раз повысить быстродействие, надеж­ ность и экономичность машин, а также существенно уменьшить их размеры. Выполнение монтажа элементов электронной машины методом печатных схем позволит изготовлять и собирать отдельные узлы и блоки машины на автоматизированных поточных линиях.

Другая важнейшая проблема — миниатюризация и микроминиатюризация. Применение микроминиатюрных функциональных блоков, построенных на основе дости­ жений полупроводниковой электроники, позволит в десят­ ки и сотни раз уменьшить объемы, вес и потребление энергии радиоэлектронной аппаратурой.

Использование так называемых твердых схем позво­ лит строить электронные вычислительные машины весом

в несколько сот граммов.

Микроминиатюризация резко сокращает потребление материалов, позволяет автоматизировать большинство технологических процессов. Она ведет к коренным преоб­ разованиям в конструировании, производстве и эксплу­ атации радиоэлектронной аппаратуры.

Для широкого внедрения управляющих машин в про­ мышленность и на транспорте необходимо решить ряд сложных инженерных и теоретических вопросов, связан­ ных с обеспечением специфических для таких машин тре­

2 0 1