Автоматизовані системи наукових досліджень

Лекція №9. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

 

Автоматизація наукових досліджень і обробки експерименту АСНД на сучасному етапі науково-технічної революції стала об'єктивною необходімостью, Це пов'язано з вимогою отримання результатів у стислі терміни і з високою достовірністю, з урахуванням складних взаємозв'язків досліджуваних об'єктів, розширенням діапазону і мікроЕОМ, що мають великі технічні можливості та широку сферу застосування, значною мірою сприяло прогресу в області автоматизації наукових досліджень. Під АСНД зазвичай розуміють сукупність технічних, програмних засобів, методичного забезпечення і математичних методів, необхідних для проведення експерименту, обробки і аналізу отриманих результатів.

У автоматизації наукових досліджень, пов'язаних з проведенням експерименту, виділяються два рівні в єдиній системі автоматизації: об'єктний (коли основні вимоги до АСНД задаються об'єктом досліджень) і інструментальний, на якому основним є теоретична база даної предметної області, інформаційна база і засоби обробки інформації. ЕОМ першого рівня в рамках АСНД колективного користування є по суті інформаційно-обчислювальним ресурсом системи в цілому, а також об'єктом інтеграції АСНД в ширші системи і мережі (наприклад, в обчислювальну мережу колективного користування). На першому рівні в АСНД повинні входити головні обчислювальні засоби (ГОЗ) для складних видів обробки і накопичення інформації і управління засобами відображення. До таких обчислювальних засобів відносяться ЕОМ. Другий рівень складають локальні системи автоматизації експериментів ─ об'єктні термінали, що мають вихід через стандартний інтерфейс на об'єкти досліджень і мікроЕОМ, а також системи КАМАК.

Міжнародна система КАМАК має сукупність стандартів на логічну, електричну і конструктивну реалізацію пристрою сполучення і обміну інформацією між вимірювальною апаратурою і ЕОМ. Вона має модульну структуру і конструктивно виконується у вигляді автономного блоку (крейта) ─ сховище функціональних модулів (аналого-цифрові перетворювачі, лічильники імпульсів, генератори імпульсів, цифроаналогові перетворювачі, регістри і т. д.) і контроллера крейта. Контроллер крейта здійснює зв'язок з ЕОМ і управляє функціональними модулями за допомогою стандартного канала передачі даних, організованого в КАМАК. Залежно від складності експериментів, що проводяться, для їх автоматизації КАМАК дозволяє компонувати різні конфігурації пристрою сполучення для експериментального устаткування в АСНД.

Об'єктні термінали по використанню обчислювальних засобів і КАМАК розподіляються на ряд типів залежно від складності експерименту, що проводиться.

При автоматизації простого експерименту, що проводиться за конкретною програмою, використовується однокрейтовая система, управління якої реалізує автономний програмований контроллер (АПК) за програмою, що знаходиться в постійному запам’ятовуючому пристрої (ПЗП) у вигляді послідовності КАМАК-команд, що задається експериментатором. Автономні контролери, що серійно випускаються, допускають підключення до чотирьох модулів ПЗП обсягом 64 КАМАК-команди кожен (всього 256 Камак-команд) з можливістю організації програмних циклів. Інформація, що отримується з об'єкту, який стикує по шинах даних магістраль крейта і канал (загальну шину ─ ЗШ) ЕОМ, передається в ЕОМ за допомогою паралельного обміну даними за схемою, показаній на рис. 9.1. Для автоматизації експериментів, що вимагають складних програм управління, рекомендується об'єктний термінал ТОТ-КАМАК па базі мікроЕОМ з мінімальним набором периферійних пристроїв. Зв'язок мікроЕОМ з магістраллю крейта здійснюється через посередництво крейт-контроллера.

Як об'єктні термінали для автоматизації експериментів з великим об'ємом передачі інформації, складною обробкою і комплексним відображенням результатів експерименту можуть використовуватися інформаційно-обчислювальні комплекси (ІОК) ІОК-2, ІОК-3 та інші на базі міжнародної системи СМ ЕОМ і КАМАК.

 

Рис. 9.1. Схема передачі інформації в ЕОМ

 

При використанні в АСНД промислових цифрових пристроїв (вольтметр, частотомір, комутатор та ін.) за помірних вимог і швидкості обробки інформації доцільне застосування типового об'єкту термінала TOT-ПІ та засобів приладового інтерфейса-МЕК.

Загальною тенденцією розвитку АСНД, зв'язаною з використанням засобів обчислювальної техніки, є підвищення продуктивності і призначених для користувача можливостей об'єктових машин. Це досягається збільшенням об'єму їх оперативних запам’ятовуючих пристроїв, оснащенням мікроЕОМ комплектними накопичувачами з великою ємністю. Розвиток засобів технічного забезпечення АСНД йде у напрямі мініатюризації обчислювальних систем при збереженні архітектури і програмного забезпечення. Враховуючи успіх розвитку мікроелектроніки і мікропроцесорної техніки, можна припустити, що еволюція АСНД прямує до децентралізації традиційних функцій ЕОМ всіх рівнів, коли завдання багатоцільової обробки інформації реалізовуватимуться на інтерфейсному рівні шляхом застосування мікроЕОМ і мікропроцесорів, вбудованих в інтерфейсні блоки.

Математичним забезпеченням АСНД є сукупність математичних методів і алгоритмів, що реалізовують експеримент, накопичення, обробку, аналіз і інтерпретацію результатів експерименту, а також методи і алгоритми ухвалення рішень. Програмне забезпечення включає набір програмних засобів, що забезпечує необхідні експлуатаційні характеристики АСНД за наявного набору технічних засобів. Програмне забезпечення підрозділяється на системне (загальне) і спеціальне (прикладне) (рис. 9.2). У завдання загального програмного забезпечення входить: забезпечення універсальності застосування ЕОМ, її високої продуктивності, адаптації до можливих змін конфігурації апаратних засобів, до введення нових програм, що реалізовують ті або інші можливості.

У обчислювальній системі можливе використання декількох різних режимів роботи, що відрізняються один від одного організацією обчислювального процесу, способом обміну інформацією з об'єктами досліджень, принципами взаємодії дослідника з ЕОМ. Операційна система повинна бути достатньо розвиненою, щоб допускати реалізацію декількох різних режимів.

Вимоги, що пред'являються до операційних систем ЕОМ нижнього і верхнього рівнів АСНД, повинні бути різні. Для ЕОМ нижнього рівня, де основним є режим реального часу, в операційні системи включаються програмні засоби, що забезпечують взаємодію ЕОМ і експериментальної установки (об'єкту дослідження). Для ЕОМ верхнього рівня операційні системи повинні включати програми, що забезпечують створення і обробку баз даних, машинну графіку, взаємодію ЕОМ різного рівня (прикладне програмне забезпечення систем автоматизації наукових програм загального призначення; пакети сервісних програм технічного обслуговування; пакети спеціалізованих програм; проблемно-орієнтовані програми).

 

 

Рис. 9.2. Програмне забезпечення

 

Пакети програм загального призначення включають набір програм, призначених для вирішення найбільш поширених завдань математичного характеру: вирішення систем лінійних алгебричних та диференціальних рівнянь, обчислення елементарних функцій, статистичний аналіз та ін. Пакети сервісних програм технічного обслуговування ─ це сукупність тестових і діагностичних програм.

Пакети спеціалізованих програм розробляються відповідно до кожної конкретної АСНД. Вони створюються з урахуванням особливості завдань, що вирішуються системою автоматизації, і, як правило, властиві тільки даній АСНД.

Проблемно-орієнтовані програми розробляються для групи споріднених систем автоматизації, призначених для роботи в деяких близьких областях науки і техніки.

Для обробки великих масивів експериментальних даних і отримання результатів з високою точністю використовуються комплекси на базі ЕС ЕОМ з відповідними пакетами прикладних програм. Малі ЕОМ (СМ ЕОМ) використовуються для управління експериментом, збору експериментальних даних і виконання первинної їх обробки. У спеціальне програмне забезпечення малих ЕОМ входять як пакети прикладних програм, так і діалогові системи (див. рис. 9.2). Нижче наводяться короткі відомості про пакет прикладних програм ПЛАНЕКС та діалоговій системі ДІПЛЕКС. Цей пакет призначений для планування експерименту і статистичної обробки експериментальних даних в наукових дослідженнях. Модулі пакету забезпечують ефективне вирішення завдань, пов'язаних з побудовою математичних моделей об'єкту при розробці АСУ ТП (технологічних процесів) і систем управління якістю, дозволяють оптимізувати технологічні процеси. Пакет розширює програмне забезпечення автоматизованих систем наукових досліджень на базі ЕС ЕОМ і може застосовуватися при перевірці статистичних гіпотез, вивченні законів розподілу випадкових величин, аналізі даних вимірювань; при проходженні оцінок параметрів математичних моделей заданої структури і статистичному аналізі отриманих оцінок; при оптимальному плануванні експерименту для забезпечення бажаних властивостей моделі.

 

 

Рис. 9.3. Структура пакета прикладних програм ПЛАНЕКС

 

ПЛАНЕКС є комплексом програм, що включає керуючу програму, складається з аналізатора вхідного завдання і генератора робочої програми, бібліотеку модулів, архіви даних, програми обслуговування (рис. 9.3). До функцій аналізатора входять введення вхідного завдання на проблемно-орієнтованій мові, ідентифікація поставленого завдання, формування даних у внутрішньому представленні тексту. Генератор робочої програми здійснює програмування і трансляцію нових модулів і складання програми для вирішення поставленого завдання відповідно до вибраної обчислювальної схеми. Керуюча програма тексту включає блоки, що здійснюють консультаційну допомогу при постановці завдання. В деяких випадках рішення задачі можливе навіть за відсутності в завданні явної вказівки на необхідний алгоритм розрахунків: обчислювальна схема вибирається або за наявними початковими даними, або за відповідями користувача на питання спеціальної анкети.

Використання мов програмування при роботі з пакетом прикладних програм ПЛАНЕКС не є обов'язковим. Простота і зручність застосування досягаються завдяки запису завдань на розрахунки у вільній неалгоритмічній формі на проблемно-орієнтованій мові, близькій до природної мови предметної області.

Діалогова система ДІПЛЕКС призначена для планування експерименту, обробки результатів вимірювань методами математичної статистики, оптимізації параметрів і умов роботи різних об'єктів шляхом використання пошукових процедур, а також для навчання користувачів. Може використовуватися при створенні автоматизованих систем експериментальних досліджень, розробці систем управління технологічними процесами і так далі.

Система ДІПЛЕКС може працювати в консультаційному режимі, розрахованому на користувачів, що мають малий досвід роботи з системою або зазнають ускладнень у формулюванні свого завдання в терміналах планування експерименту або у виборі методу розв’язування задачі, і в бібліотечному режимі, розрахованому на користувачів, що знають методи розв’язування задачі і що мають достатній досвід роботи з системою. Для вирішення завдань за допомогою системи від користувача не вимагається знання алгоритмічних мов програмування. Необхідні лише початкова підготовка в області планування експерименту і знання клавіатури термінала. Діалог користувача з ЕОМ здійснюється за допомогою термінала, призначеного як пульт оператора. Результати розрахунків виводяться на алфавітно-цифровий друкуючий пристрій (АЦДП).

Стандартні інтерфейси систем автоматизації експерименту КАМАК призначені для широкого класу систем автоматизації експерименту, забезпечують вирішення завдань вимірювання, обробки результатів експерименту, управління експериментальним устаткуванням досить різного призначення. Як вже наголошувалося, КАМАК ─ це модульна система, що складається з окремих блоків (модулів), які виконують певне функціональне навантаження і можуть бути об'єднані для виконання більш складних функцій. Всі модулі можуть бути розділені на два великі класи: функціональні і такі, що управляють (контроллери). Функціональні модулі служать для виконання певних операцій перетворення, зберігання інформації, зв'язку і можуть працювати тільки в режимі керованих пристроїв. Модулі, що управляють, призначені для управління функціональними модулями і зв'язку з ЕОМ або спеціалізованими обчислювальними пристроями.