1. Обзор современного состояния и направления развития автоматики и
вычислительной техники 7
1.1 Этапы развития автоматики и вычислительной техники 7
1.1.1 История развития автоматики 7
1.1.2 Направления развития вычислительной техники 8
1.2 Классификация систем автоматики и вычислительной техники 10
1.3 Переход в автоматике и вычислительной технике к гибридным
технологиям 12
1.3.1 Аналоговые технологии 12
1.3.2 Цифровые технологии 14
1.3.3 Гибридные технологии 16
1.3.4 Квантовые технологии 17
2. Принципы построения и особенности функционирования элементов
автоматики и вычислительной техники на основе взаимосвязанных осцилляторов 22
2.1 Физическая и математическая модели пьезоэлектрического
измерительного преобразователя с двумя степенями свободы 22
2.2 Общая характеристика динамических процессов в многоэлементных
системах 26
2.3 Описание режимов работы измерительного преобразователя с двумя
степенями свободы 31
2.3.1 Синхронный режим работы ИП с двумя степенями свободы
экспериментальные исследования 31
2.3.2 Примеры практической реализации ИП с двумя степенями свободы .. 39
3. Имитационное моделирование 44
3.1 Переключательные режимы работы ИП с двумя степенями свободы 44
3.2 Аналоговые режимы работы ИП с тремя степенями свободы 50
3.3 Переключательные режимы работы ИП с тремя степенями свободы 62
3.4 Переключательные режимы в многоэлементных системах 66
3.5 Принципы построения многоэлементных логических устройств 67
Заключение 71
Список использованной литературы 72
Усовершенствование автоматики и вычислительной техники является приоритетным направлением развития производства и экономики нашей страны. С каждым годом все больше и больше растут объемы информации (большие данные), возрастает сложность решаемых задач. Необходимо повышать производительность и быстродействие вычислительной техники; уменьшать энергию, потребляемую датчиками; разрабатывать новые принципы получения и способов обработки первичной информации; создавать новые аппаратные средства и расширять вычислительные способности систем обработки информации; применять для этой цели новые математические методы и подходы (нечеткую логику, теорию фракталов и др.). В связи с этим в настоящее время является актуальной задача поиска новых принципов построения элементов автоматики и вычислительной техники (ЭАиВТ).
Одним из таких подходов может быть использование принципов построения и функционирования биологических систем (человека, животных, растений). В таких системах выделяют функции получения информации, обработки и выработки управляющей информации. Причем, у животных преимущественно лучше развиты системы получения первичной информации (органы чувств) и слабее интеллект, а у человека наоборот.
В технике также первоначально более интенсивно развивались устройства получения первичной информации (измерительная техника, автоматика). При этом преобладало использование аналоговых средств. В настоящее время в этой области происходит переход к более широкому использованию цифровых технологий.
Вычислительная техника стала интенсивно развиваться гораздо позже, причем в ней быстрее произошел переход от аналоговой к цифровой технике. В настоящее время эти два направления в технике объединяются, создаются кибернетические системы. Они включают в себя этапы получения информации, ее передачу, обработку, хранение, выработку управляющей информации. Для обеспечения работоспособности таких систем все шире используют программную часть и упрощают аппаратную часть. При этом достигли определённых пределов в миниатюризации аппаратной части и сильно усложнили программную часть.
Одним из подходов к решению этой проблемы может стать создание сенсорных и вычислительных систем по аналогии с биологическими системами. В области измерительной техники, автоматики это - создание интеллектуальных датчиков, сенсорных самоорганизующихся систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных сенсоров (глаз, нос, ухо представляют собой многоэлементные сенсорные системы). В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию таких сложных многоэлементных устройств.
С другой стороны и вычислительная техника развивается в сторону перехода к биологическим аналогам мозга человека. Идет бурное развитие в области использования квантовых технологий, создания квантовых компьютеров. Принципы работы таких устройств, так же, приближаются к принципам функционирования мозга, его построению.
Недостатком квантовых компьютеров и квантовых сенсоров является то, что они дорогие, сложные, требуют использования низких температур, решают узкий круг задач.
Решением данной проблемы может служить создание нейроноподобных устройств на основе более простых классических осцилляторов, применимых для тяжелых условий эксплуатации, например, электромеханических резонаторов (пьезорезонаторов, пьезотрансформаторов). Такие устройства способны обеспечивать получение больших объемов первичной измерительной информации и ее обработку, причем параллельным способом с высокой производительностью. Они конструктивно просты, дешевы, технологичны, применимы для тяжелых условий эксплуатации. С их помощью можно будет решать задачи измерения, обработки информации, выработки управляющих сигналов. Создание таких устройств предлагается начать с разработки простейших элементов автоматики и вычислительной техники.
Цель работы: разработать принципы построения и исследовать особенности функционирования элементов автоматики и вычислительной техники (ЭАиВТ), основанных на использовании связанных колебаний осцилляторов.
Задачи исследований:
1. Произвести аналитический обзор научно-технической литературы по данной теме.
2. Исследовать динамику нелинейных процессов в
многоосцилляторных ансамблях с использованием методов имитационного моделирования.
3. Предложить конкретные варианты построения ЭАиВТ на основе взаимосвязанных осцилляторов.
Научная новизна и практическая значимость:
1. Предложено использовать аналоговые и переключательные режимы связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы для реализации логических и вычислительных операций.
2. Установлено, что системы с малым числом степеней свободы лучше использовать для построения ЭА, а более сложные ансамбли из взаимосвязанных осцилляторов - для создания элементов ВТ.
3. Предложены варианты построения датчиков, применимые для тяжелых условий эксплуатации, и режимы работы многоэлементных составных пьезотрансформаторов, применимые для выполнения вычислительных и логических операций.
В ходе написания выпускной квалификационной работы были решены задачи:
1. Проведен аналитический обзор научно-технической литературы по теме исследований.
2. Обоснована возможность создания элементов автоматики и вычислительной техники на основе взаимосвязанных осцилляторов.
3. Проведено имитационное моделирование систем с малым числом степеней свободы и получены упрощенные аналитические зависимости, применимые для инженерного расчета простейших элементов автоматики.
4. Исследована динамика дискретных (переключательных) режимов связанных колебаний в системах различной сложности.
5. Предложены принципы построения и возможные области практического применения элементов автоматики и вычислительной техники на основе взаимосвязанных осцилляторов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
