авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

ГЛАВА VI

НЕАРИФМЕТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦИФРОВЫХ МАШИН

18. МЕХАНИЗАЦИЯ ФОРМАЛЬНЫХ ВИДОВ УМСТВЕННОГО ТРУДА

Математические вычисления и различного рода расчеты представляют собой только одну из областей

умственного труда человека. Ее особенностью является полная формализация работы, заключающаяся в наличии

алгорифмов — однозначных правил, определяющих в каждом конкретном случае характер и последовательность необходимых действий. Поэтому, а также ввиду чрезвычайной трудоемкости вычислительной работы, электронные цифровые машины появились впервые как средства механизации вычислений. Однако возможность их применения далеко не ограничивается областью вычислений и расчетов.

Машины могут быть применены для выполнения любой работы, для которой заданы алгорифмы или известны условия и правила их определения. В частности, машины можно использовать как средства механизации многих видов умственной работы, выполняемой при научных исследованиях, при решении технических задач, при решении некоторых вопросов экономики, военного дела и т. д. Классическим примером умственного труда, выполняемого по строго определенным правилам, является решение задач формальной логики.

В отличие от существенно творческих процессов интеллектуальной деятельности, в которых решающую роль играют вдохновение и интуиция, например, таких процессов как литературное или музыкальное творчество, виды умственной работы, подчиненные четким, заранее установленным однозначным правилам, можно объединить под общим названием формальных видов умственного труда.

В настоящее время разрабатываются вопросы формализации различных областей умственной работы, т. е.

изыскиваются закономерности и связи, определяющие процессы выполнения той или иной работы. Если для выполнения какой-либо умственной работы устанавливаются четкие однозначные правила, то появляется возможность механизации этой работы с помощью электронных цифровых машин.

Мы уже познакомились с одним из важнейших видов неарифметического применения электронных цифровых машин — применением машин для автоматического составления программ для решения математических задач на машинах. В настоящей главе рассмотрим другие примеры неарифметического использования электронных цифровых машин. Сфера неарифметических применений машин в настоящее время непрестанно расширяется.

Усиленно ведутся изыскания в области формализации работы экономико-статистического и комбинаторного характера, такой как: составление расписаний для железнодорожного, воздушного и другого транспорта, планирование производства и снабжения, управление производственными предприятиями и прочее.

Несомненно, неарифметические применения электронных цифровых машин имеют важное значение и широкие перспективы развития для повышения производительности умственного труда людей и дальнейшего развития многих областей науки и техники.

Машинный перевод Перевод с одного языка на другой, особенно научных и технических текстов, относится к одному из весьма трудоемких и однообразных видов умственного труда. Перевод выполняется по определенным правилам, которые могут быть представлены в виде программы для электронной цифровой машины.

Обычно работа по переводу с одного языка на другой состоит из двух частей: собственно перевода и его редактирования. Между этими частями нет резкой границы;

в зависимости от того, насколько переводчик знает оба языка и насколько знаком с предметом, являющимся содержанием переводимого текста, он в большей или меньшей степени кроме перевода осуществляет и его редактирование. Идеальным может считаться случай, когда переводчик дает перевод, полностью отредактированный по содержанию и в литературном отношении. При выполнении перевода можно пользоваться помощью и весьма неквалифицированных работников, поручая им отыскание в словаре неизвестных слов. Совершенно ясно, что вопрос механизации работы такого рода, т. е.

отыскание с помощью машины необходимых слов в словаре, не представляет особых трудностей.

Действительная проблема лежит посредине между этими двумя крайними случаями. Необходимо обеспечить получение с помощью машины более или менее связного и в основном правильного в смысловом отношении перевода текста, т. е. такого текста, который был бы понятен соответствующему специалисту, не знающему языка, с которого сделан перевод, и пригоден для окончательного редактирования.

При составлении программы для машинного перевода возникает две основные трудности:

а) если переводимому слову на другом языке отвечают несколько эквивалентов, нужно добиться, чтобы машина выбирала тот из них, который требуется по смыслу текста;

б) после того, как слова одного языка заменены словами другого языка, последние должны быть грамматически достаточно правильно согласованы между собой и объединены в предложения. Эти трудности, вообще говоря, играют основную роль и при обычном переводе в связи с чрезвычайно большим разнообразием грамматических правил, наличием большого количества исключений и зависимостью смысла отдельных слов от контекста. Решение этих задач требует большой совместной работы специалистов по программированию и специалистов в области языкознания.

Проблема машинного перевода, помимо практического значения, имеет и большой теоретический интерес, так как для программирования необходима полная формализация процесса перевода, что требует доведения до предельной отчетливости способов описания выражений одной и той же мысли на различных языках.

Для машинного перевода, прежде всего, должен быть составлен специальный машинный словарь. Учитывая трудности проблемы, на начальном этапе составляются отдельные словари для определенных областей науки и техники, и лишь по мере накопления опыта будет совершаться переход в дальнейшем к переводу обыденной речи с ее алогизмами* и неожиданными словами.

Особенности машинного словаря обусловлены особенностями обоих связываемых им языков. Так, словарь для перевода с русского языка на английский содержит в качестве переводимых слов иногда лишь корни слов, иногда слова во множественном числе (например, слово «мысли»), некоторые глаголы повторяются в нем по * Алогизм — несоответствие синтаксического и смыслового движения речи, логические разрывы ее и т.д.

несколько раз в различных временах и с разными личными окончаниями. Отдельно включены в него падежные окончания существительных. Составление такого словаря требует большой работы в области языкознания.

На основе анализа значений и способов применения отдельных слов в предложениях нужно установить однозначные (для машины) правила, по которым чаще всего и в наиболее важных случаях используются слова на втором языке. В словаре указывается для каждого переводимого слова один или несколько эквивалентов и, кроме того, для каждого слова даются так называемые дополнительные коды (условные числа), определяющие характер использования этого слова в предложениях (в типовых случаях). Например, дополнительными кодами могут определяться: связь данного слова с предыдущими или последующими словами, рекомендации по целесообразному выбору одного из нескольких эквивалентов данного слова, связь с предлогами и др. Эти дополнительные условные числа необходимы для управления автоматической работой машины в процессе перевода.

Программа работы машины по автоматическому переводу чрезвычайно сложна (она содержит несколько тысяч команд). По своему характеру она до некоторой степени напоминает универсальную программирующую программу, предназначенную для автоматического составления машиной рабочих вычислительных программ.

Из сказанного ясно, что основная трудность при осуществлении машинного перевода относится к области языкознания. После того, как составлен машинный словарь и разработана система четких правил для работы машины, составление самой программы машинного перевода, несмотря на ее чрезвычайную громоздкость, не представляет принципиальных трудностей.

Таблица VI. Английский эквивалент Коды Русские слова I II I II III 2 3 4 5 к to for 121 000 Кислороди— oxygen 000 000 — Лишени — deprival 000 222 — Материал — material 000 000 — Мы we 000 000 — Мысли thoughts 000 000 — Мног — many 000 000 — Медь copper 000 000 — Мест — place site 151 000 Механическ — mechanical 000 242 — Международн — international 000 000 — На on for 121 000 Нападени — attack attacks 121 000 Наука a science 000 242 — Обработка processing 000 000 — Объект objective objectives 121 000 Офицер an officer the officer 000 000 — ого of 131 000 — — ом bv 131 000 — Определяет determines 000 000 Определяется is determined 000 000 — Оптическ — optical 000 000 — Орудие gun 000 241 — Отдел — section 000 000 — Отделение devision squad 121 242 Отношение relation the relation 151 000 В настоящее время работы по переводу с одного языка на другой с помощью электронных цифровых машин находятся в начальной стадии, однако полученные уже в этом направлении результаты показывают практическую осуществимость в ближайшем будущем такого рода работы. В январе 1954 г. в Нью-Йорке была проведена первая экспериментальная публичная демонстрация перевода с русского языка на английский с помощью электронной цифровой машины ИБМ-701 [12, 13].

Для испытания был специально подготовлен словарь из 250 русских слов, применяемых в области политики, юстиции, математики, химии, металлургии, связи и военного дела, записанных латинскими буквами (машина ИБМ-701, как упоминалось выше, обладает способностью воспринимать непосредственно печатный, буквенный текст в латинском алфавите). Слова были подобраны так, чтобы каждое русское слово имело один или два английских эквивалента. Каждому слову были приписаны в словаре три дополнительных кода. Иллюстрация строения подобного словаря приведена в табл. VI.1.

Предварительная работа по машинному переводу велась в течение полутора лет институтом языкознания Джорджтаунского университета и специалистами по электронным цифровым машинам лабораторий фирмы ИБМ.

Разработаны были 6 основных синтаксических правил, которые при помощи упомянутых трех дополнительных кодов, указанных в словаре, обеспечивают возможность формального перевода правильно построенных стандартных фраз научного или политического характера. Как указывается в литературе, для перевода произвольного русского текста на английский язык потребуется около 100 правил такого рода. Указанные основных правил формулируются следующим образом.

1. П е р е с т а н о в к а. Если первый код переводимого слова есть 110, то производится проверка третьего кода предыдущего полного слова. Если он равен 21, то надо изменить порядок этих слов (т. е. слово с третьим кодом 21 должно следовать за словом с первым кодом 110), если он не равен 21, то порядок сохраняется. В обоих случаях для слова с первым кодом 110 берется первый английский эквивалент. Например, русское выражение «генерал-майор» по-английски должно быть переведено как «major general». Для получения такого результата слово «генерал» снабжено в словаре третьим кодом 21, а слово «майор» первым кодом 110.

2. В ы б о р по п о с л е д у ю щ е м у т е к с т у. Если первый код данного слова есть 121, то проверяется, чему равен второй код следующего полного или части слова (корня или окончания). Если этот второй код равен 221, то для слова с кодом 121 берется первый английский эквивалент;

если второй код следующего слова равен 222, то берется второй английский эквивалент. В обоих случаях порядок слов сохраняется. Так, например, в указанном в табл. VI.2 переводе фразы в качестве эквивалента слова «угол—» взято слово «angle», а не «coal».

3. В ы б о р с п е р е с т а н о в к о й. Если первый код данного слова есть 131, а третий код предыдущего полного слова или части слова (корня или окончания) равен 23, то для слова с кодом 131 надо взять второй английский эквивалент и сохранить порядок следования слов. В противном случае для слова с кодом 131 нужно взять первый английский эквивалент и изменить порядок следования слов на обратный.

4. В ы б о р по п р е д ы д у щ е м у т е к с т у. Если первый код данного слова есть 141, а второй код предыдущего полного слова или предыдущей части слова (корня или окончания) есть 241, то для данного слова берется первый английский эквивалент, если же второй код равен 242, то берется второй эквивалент. В обоих случаях сохраняется прежний порядок слов. Например, русское выражение «наука о» должно быть переведено по-английски словами «science of». В словаре отдельно стоит слово «наука», имеющее один английский эквивалент «science», и слово «о», имеющее два английских эквивалента: «of» и «about». Для правильного перевода слову «наука» в словаре приписан второй код 242, а слову «о» — первый код 141. Тогда указанное правило обеспечивает выбор для слова «о» первого английского эквивалента «of» и сохранение порядка слов.

5. В ы б о р с п р о п у с к о м. Если первый код данного слова есть 151, а третий код следующего полного или части слова (корня или окончания) равен 25, то для слова с первым кодом 151 берется второй английский эквивалент, в противном случае берется первый эквивалент. В обоих случаях порядок слов сохраняется.

6. Р а з д е л е н и е. Если первый код данного слова есть 000, то для этого слова берется первый английский эквивалент и сохраняется порядок по отношению к предыдущему слову.

В качестве примера, поясняющего применение этих правил, приводится перевод предложения: «величина угла определяется отношением длины дуги к радиусу».

В табл. VI.2 записаны выбранные из словаря слова и части слов, соответствующих заданному предложению, с указанием английских эквивалентов и дополнительных управляющих кодов. В последней колонке для пояснения указаны номера применявшихся правил.

Т а б л и ц а VI. Английский эквивалент Коды Какое правило Русские слова применено I II I II III 1 2 3 4 5 величина magnitude — 000 000 00 угол — coal angle 121 000 25 —а of — 131 222 25 определяется is determined — 000 000 00 the relation отношени — relation 151 000 00 — ем by — 131 000 00 длин — length — 000 000 00 — и* of — 131 000 25 дуг — arc — 000 000 00 of —и — 131 000 25 to for к 121 000 23 радиус — radius — 000 221 00 —у to 131 000 00 — * Русские окончания Ы и И при переводе не различаются.

Формальное применение указанных правил обеспечивает получение правильного перевода: «Magnitude of angle is determined by the relation of length of arc to radius». При проведении опытного машинного перевода составленный словарь из 250 слов был записан на перфокартах вместе с управляющими кодами, а затем введен в магнитное запоминающее устройство машины.

Программа машинного перевода, разработанная для машины ИБМ-701, содержала около 2400 одноадресных команд. Эта программа также была полностью введена в машину.

После этого в машину вводились русские предложения, подлежащие переводу. Предложения пробивались на перфокартах стандартным кодом ИБМ-701. Через 5—8 сек. после ввода данных машина печатала на выходном устройстве английский перевод.

В отчете о пробном машинном переводе на ИБМ-701 приводятся примеры переводов, показанные в табл. VI.3.

Таблица VI. Заданные для перевода русские фразы Перевод, выполненный машиной Качество угля определяется калорийностью The quality of coal is determined by calory content Крахмал вырабатывается механическим путем из Starch is produced by mechanical methods from картофеля potatoes Обработка повышает качество нефти Processing impoves the quality of crude oil Динамит приготовляется химическим процессом Dynamite is prepared by chemical process from из нитроглицерина с применением инертных nitroglycerine with admixture of inert compaunds соединений Международное понимание является важным International understanding constitutes an фактором в решении политических вопросов important factor in decision of political questions Проведенные опыты показывают полную возможность практического использования электронных цифровых машин для выполнения переводов с одного языка на другой, в первую очередь, для выполнения переводов научных и технических текстов. Последние характеризуются большим однообразием и правильностью в построении фраз и большей определенностью в использовании слов, чем художественная литература. Эта возможность обусловлена тем, что выполнение основной части работы по переводу удалось формализовать, т. е.

найти совокупность правил, однозначно определяющих процесс перевода.

Работа по применению машин для перевода с одного языка на другой успешно ведется в нашей стране в институте точной механики и вычислительной техники АН СССР и в математическом институте имени В. А.

Стеклова АН СССР.

В институте точной механики и вычислительной техники АН СССР при составлении программы для перевода с английского языка на русский, произведенного с помощью быстродействующей электронной счетной машины (БЭСМ), был избран путь, состоящий в воспроизведении работы, выполняемой переводчиком.

Эта работа слагается из следующих этапов:

1. Чтение английской фразы, подлежащей переводу.

2. Выявление тех слов переводимой фразы, которые знакомы переводчику. Выяснение некоторых грамматических признаков этих слов, как по их окончаниям, так и путем сопоставления их друг с другом и с остальными словами фразы.

3. Отыскание остальных слов фразы в словаре, получение отвечающих им русских слов и выяснение относящихся к ним грамматических признаков. Сюда относится:

— непосредственный перевод слов, имеющих один русский эквивалент;

— отыскание слов с отсылкой (т. е. слов, являющихся производными от других. Например, для перевода these в словаре делается отсылка к слову this);

— выбор значения слов, имеющих несколько русских эквивалентов, путем сопоставления этих слов с другими словами фразы.

4. Отбрасывание слов, которые не войдут в состав русской фразы (например, вспомогательных глаголов).

5. Составление русской фразы из найденных слов в соответствии с полученными грамматическими признаками.

6. Выявление английских слов, не входящих в состав применяемого словаря, для перевода их с помощью других средств.

7. Окончательное редактирование русской фразы.

Оставляя в стороне этап 7, являющийся литературной обработкой перевода, мы видим, что все операции, производимые переводчиком, можно описать с помощью системы правил, позволяющей выполнять их автоматически.

Однако и степень сложности правил, и необходимый объем словаря зависят от вида переводимого текста.

Так, для перевода художественной литературы нужен запас в несколько сот тысяч слов, и специальный словарь идиом (выражений, не допускающих дословного перевода на другой язык, вроде «съел на этом деле собаку» и т. п.). Кроме того, при выполнении такого перевода возникают еще трудности, обусловленные тем, что выражения, применяемые в художественной литературе, бывают тесно связанными с природой языка, а также с бытом и жизнью народа.

Напротив, для перевода научных и технических текстов требуется словарь приблизительно из двух тысяч слов, среди которых количество слов, имеющих по несколько эквивалентов на другом языке, относительно невелико.

Идиомы в таких текстах совершенно отсутствуют. Построение фраз сравнительно простое.

Общая схема автоматического перевода научно-технических текстов состоит из четырех этапов.

Первый этап представляет собой ввод английского текста в машину. Второй этап состоит в анализе английского текста и переводе английских слов. Третий этап представляет собой синтез из полученных русских слов русского текста и наконец, четвертый, последний этап — вывод из машины русского текста.

Для ввода переводимого текста в машину каждая буква латинского алфавита заменяется определенным набором цифр. При этом каждое английское слово оказывается замененным некоторым числом.

По той же системе, в запоминающем устройстве машины записаны английские слова, входящие в словарь.

Отыскание слов в словаре легко производится с помощью операции сравнения.

Часто приходится встречаться со словами, которые не фигурируют в словаре непосредственно. Например, мы не найдем там слова equations потому, что оно имеет окончание —s, отвечающее множественному числу, тогда как в словаре приведены существительные в единственном числе. Кроме окончания —s могут встречаться и другие окончания, отличающие переводимое слово от слов, имеющихся в словаре, например —ing, —ed, —er, — est, —e, —у и т. д.

Если слово переводимого текста не совпадает в точности ни с одним из слов, приведенных в словаре, то производится проверка: не имеет ли слово одного из упомянутых выше окончаний. Найденное окончание отбрасывается, после чего снова производится поиск слова в словаре.

Словарь для автоматического перевода состоит из двух частей: английской и русской.

В английской части словаря каждое английское слово приведено в своем цифровом обозначении и снабжено порядковым (словарным) номером. Кроме номера соответствующего русского слова (или нескольких номеров, если имеется несколько русских эквивалентов), сюда включен также ряд признаков (тоже закодированных в виде чисел), относящихся к грамматике русского слова. Например, для существительного указаны его род, склонение, означает ли оно одушевленный предмет и т. п.

Выбор нужного русского слова, когда английскому слову соответствует несколько русских, производится с помощью отдельной части программы—дополнения к словарю. Эта часть программы представляет собрание правил, по которым проверяется связь переводимого слова с предыдущими и последующими словами. От нее и зависит, какое из русских слов должно быть выбрано. Если слово из переводимой фразы не будет найдено ни в словаре, ни с помощью дополнения к словарю, то это слово останется непереведенным.

Русская часть словаря состоит из русских слов, тоже записанных в виде чисел, получающихся заменой букв русского алфавита определенными наборами цифр.

После того как найден номер русского слова, составляется цифровой эквивалент слова (для записи которого в машине БЭСМ требуется 2 ячейки). В него входят: номер английского слова, номер русского слова, взятые из словаря грамматические сведения о русском слове. Эти грамматические сведения представлены в виде наборов цифр, каждый из которых записывается всегда в одних и тех же разрядах ячейки, что облегчает их нахождение.

На этом заканчивается работа первой части программы для перевода, осуществляющей анализ английского текста.

Вторая часть программы производит синтез русских предложений, видоизменяя русские слова, извлекаемые из словаря, в соответствии с правилами грамматики и расставляя их по местам.

В программу перевода входят еще подпрограммы, носящие названия: «синтаксис» и «изменение порядка слов». Первая из них расставляет знаки препинания, а вторая изменяет в русской фразе расположение слов по правилам русской грамматики.

Для опытов автоматического перевода на электронной счетной машине БЭСМ был составлен словарь из английских и 1073 русских слов, предназначенный для перевода математического текста.

Ниже приведены английский текст из книги Милна «Численное решение дифференциальных уравнений» и его русский перевод, произведенный машиной.

Introduction When a practical problem in science or technology permits mathematical formulation, the chances are rather good that it leads to one or more differential equations. This is true certainly of the vast category of problems associated with force and motion, so that wherever we want to know the future path of Jupiter in the heavens or the path of an electron in an electron microscope we resort to differential equations. The same is true for the study of phenomena in continuous media, propagation waves, flow of heat, diffusion, static or dinamic -electricity, etc., except that we here deal with partial differential equations".

«Введение Если практическая задача в науке или технике допускает математическую формулировку, шансы довольно велики, что это приводит к одному или более дифференциальным уравнениям. Это верно, безусловно, для обширной категории задач, связанных с силой и движением, так что хотим ли мы знать будущий путь Юпитера в небесах, или путь электрона в электронном микроскопе, мы прибегаем к дифференциальным уравнениям. То же верно для изучения явлений в непрерывной среде, распространения волн, потока тепла, диффузии, статического или динамического электричества, и т. д., за исключением того, что мы здесь будем рассматривать дифференциальные уравнения в частных производных».

Естественно, что формализация перевода, полученная в настоящее время, еще весьма далека от совершенства и не охватывает всех сторон процесса. Задача дальнейшей работы заключается в совершенствовании формализации, в разработке более полной и точной системы правил перевода.

Усложнение системы правил перевода приведет к дальнейшему увеличению и усложнению программы работы цифровой машины.

Как уже отмечалось, программа перевода, составленная для описанной выше простой системы правил, содержит свыше двух тысяч команд. В связи с этим возникает задача создания специализированных цифровых машин, предназначенных для автоматического перевода. Эти машины должны иметь большой объем внешних накопителей для хранения словаря, большой объем памяти для хранения программы, обладать быстродействием и выполнять основные логические операции. В то же время арифметическое устройство в машинах для автоматического перевода может быть значительно проще, чем в цифровых вычислительных машинах универсального назначения.

Решение логических задач Как уже было сказано (см. § 7), аппарат математической логики и, в частности, исчисление высказываний применяется для синтеза электронных вычислительных и управляющих схем. С другой стороны, электронные цифровые машины могут быть использованы для решения логических задач и, в частности, для анализа и проектирования различных релейно-контактных схем. Наряду с большими универсальными электронными машинами для этих целей используются малогабаритные специальные логические машины, построенные из электромеханических реле. Хотя скорость работы больших электронных цифровых машин во много раз больше, чем скорость работы релейных электромеханических машин, однако время решения логических задач на этих машинах получается примерно одинаковым. Это связано с тем, что подготовка программы и ввод исходных данных логической задачи в электронную универсальную машину требуют значительно больше времени, чем непосредственная установка логической задачи на специализированной машине. Кроме того, выполнению одной логической операции на специализированной машине может соответствовать выполнение нескольких десятков команд на универсальной машине (впрочем, последние выполняются за сотые доли секунды).

Для решения часто встречающихся комбинаторных и логических задач целесообразно строить специальные логические машины.

Рассмотрим принципы работы простой логической машины. Пусть А, В, С, D и т. д. — некоторые элементарные высказывания. Их значения истинности являются основными логическими переменными. Каждое из этих высказываний может быть или истинным или ложным. Напомним, что если высказывание истинно, то переменная равна 1, если же оно ложно, то переменная равна нулю.

Любое сложное высказывание может быть построено с использованием только трех основных логических связей: «не» (), «и» (), «или» (), однако практически удобнее применять большее количество различных логических связей в качестве элементарных. К рассмотренным нами в § 7 четырем логическим связям («не», «и», «или», «равнозначно», т. е. «если и только если») добавим еще две связи:

1) «А или иначе В» (или А или В — исключающее «или»), обозначающую неравнозначность, т. е. высказывание, которое истинно в том и только в том случае, когда истинно только одно из высказываний А или В;

2) «Если А, то В», обозначающую высказывание, которое ложно в том и только в том случае, когда А истинно, а В ложно.

В виде примера решения логической задачи рассмотрим высказывание: «Только рабочие или члены их семей имеют право пользоваться заводским клубом».

Обозначим следующим образом отдельные высказывания:

А — «право пользоваться клубом»;

В — «принадлежность к числу рабочих»;

С — «принадлежность к числу членов семей рабочих».

Тогда сложное высказывание может быть записано в виде: «А если и только если (В или С)». Обозначая это высказывание буквой R, можем записать логическую формулу:

Решение логической задачи заключается в том, чтобы найти такие комбинации основных переменных, при которых будет истинным сложное высказывание.

Обычный метод решения задачи заключается в том, что основным логическим переменным задаются всевозможные комбинации значений и для каждой комбинации производится проверка истинности сложного выражения. Комбинации значений основных логических переменных, при которых значение истинности сложного высказывания равно единице, записываются в качестве ответов.

В данном случае мы имеем всего 8 возможных различных комбинаций значений трех основных переменных, четыре комбинации являются ответами:

1) А = 1, В = 1, С = 1;

3) А = 1, В = 0, С = 1;

2) А = 1, В = 1, С = 0;

4) А = 0, В = 0, С = 0.

Этот метод решения может быть реализован и в логической машине. Каждая логическая переменная представляется в машине при помощи реле, которое может находиться в одном из двух устойчивых положений.

Истинное высказывание (значение логической переменной равно 1) представляется высоким уровнем напряжения, а ложное высказывание (переменная равна 0) представляется низким уровнем напряжения на выходной клемме данного реле.

На рис. VI.1 эти реле обозначены через P1, Р2, Р3, P4, P5, а выходные клеммы, с которых снимаются в виде напряжений значения логических переменных, обозначены буквами А, В, С, D, Е.

В машине имеется набор логических соединительных ячеек, каждая из которых реализует одну какую-либо логическую связь «не», «и», «или», «если и только если», «или иначе» и др.

Каждая из ячеек имеет выходную клемму и несколько входных клемм. На входные клеммы подаются значения основных логических переменных с соответствующих клемм реле P1, Р2, Р3, Р4, Р5. На входы ячеек могут подаваться также выходные значения от других логических ячеек. Логические соединительные ячейки служат для установки на машине условий решаемой логической задачи. Электрические схемы логических ячеек строятся таким же образом, как и схемы соответствующих логических элементов цифровых машин, рассмотренные в § 7.

Перед решением задачи выбираются необходимые логические соединительные ячейки и между ними устанавливаются соединения требуемые условиями решаемой логической задачи.

Схема соединений для решения задачи показана на рис. VI.1. После установки соединительных ячеек в машине при помощи специального переключателя производится систематическая проверка всех возможных комбинаций значений основных логических переменных А, В, С с целью определения таких комбинаций, при которых удовлетворяется заданное сложное логическое выражение. Изменение значений переменных целесообразно производить в определенной последовательности, например в порядке возрастания двоичных чисел. Для трех переменных А, В, С эта последовательность будет иметь вид: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Когда попадается комбинация, удовлетворяющая заданному логическому выражению, машина останавливается и фиксирует найденный ответ. Затем машина запускается для поиска следующих ответов.

Процесс продолжается до тех пор, пока не будут проверены все возможные комбинации исходных переменных и не найдены все ответы. Ясно, что по мере увеличения числа исходных логических переменных резко возрастает количество комбинаций, которые машина должна проверить для определения всех ответов (их число равно 2n, где п — количество основных переменных). Прибавление каждой новой переменной удваивает число возможных комбинаций. При большом числе переменных требуется не только повысить скорость работы машины, но и автоматизировать запись и выдачу результатов, так как количество ответов, вообще говоря, при увеличении числа переменных значительно возрастает.

В литературе [14] описана простая логическая машина, в которой применен интересный принцип, позволяющий быстро находить один из ответов задачи, не прибегая к систематическому просматриванию всех комбинаций основных логических переменных. Это усовершенствование основано на использовании избирательной обратной связи.

Рассмотрим принцип действия такой машины.

Пусть, например, требуется найти хотя бы одну комбинацию значений основных логических переменных, при которой одновременно удовлетворяются следующие три условия логической задачи:

«А или иначе В», «А если и только если В», «Если В, то С».

Предположим, что эта задача решается на описанной выше логической машине путем просматривания различных возможных комбинаций основных переменных. Схема настройки машины показана на рис. VI.2,a. На выходе схемы имеются три провода;

каждый из этих проводов выдает сигнал, показывающий удовлетворено или нет соответствующее частное условие задачи.

Теперь предположим, что эти выходные провода связаны обратной связью, как показано на рис. VI.2,б, с входными клеммами основных логических переменных, входящих в соответствующие частные логические условия, и что выходной сигнал каждого неудовлетворенного условия вызывает поочередно изменение значений одной из основных переменных, участвующих в данном условии. Если установленная в данный момент комбинация основных логических переменных является решением данной логической задачи, все частные условия будут удовлетворены одновременно и выходные сигналы не будут вызывать изменений установленных значений основных переменных, т. е. сигналы обратной связи будут отсутствовать. Если же комбинация не является ответом задачи, то некоторые условия не будут удовлетворены и по соответствующим линиям обратной связи будут передаваться сигналы, изменяющие значения основных логических переменных.

Таким образом, пребывание всей электрической системы, образующей данную логическую машину, в неизменном состоянии будет являться показателем того, что установленная комбинация есть решение задачи, и наоборот, непрекращающееся изменение значений основных переменных будет указывать на то, что решение задачи еще не найдено.

Для осуществления указанного процесса работы в описываемой машине с обратной связью, помимо логических соединительных ячеек, служащих для реализации основных логических связей, имеются специальные «чувствительные» элементы, которые проверяют, удовлетворены или нет частные логические условия задачи. На вход «чувствительного» элемента подается значение переменной с выхода соответствующей логической соединительной ячейки, представляющей собой частное логическое условие, а выход чувствительного элемента соединяется линиями обратной связи с теми входными клеммами схемы, с которых поступают основные логические переменные в данную логическую ячейку. Если данное условие не удовлетворено, то чувствительный элемент изменяет поочередно поступающие на вход данной* ячейки значения основных логических переменных между двумя их возможными значениями («да» или «нет»). Если частное условие удовлетворено, то чувствительный элемент не меняет входных значений логических переменных, т. е. данная ячейка находится в «равновесии».

Таким образом, вместо переключателя, применявшегося для систематического просматривания комбинаций основных переменных в простой логической машине, в данном случае изменение значений переменных осуществляется чувствительными элементами. Такой метод позволяет найти ответ значительно быстрее, чем это может быть сделано при систематической проверке всех комбинаций. Однако если требуется найти не один ответ, а все ответы, то этот метод не даст существенной экономии времени, так как для нахождения каждого нового ответа необходимо устанавливать более или менее подходящую исходную комбинацию значений основных переменных и заранее знать, сколько ответов имеет решаемая логическая задача. Кроме того, как это обычно бывает в системах с обратной связью, введение обратной связи приводит к возможности появления незатухающих колебаний, что в данном случае означает наступление непрекращающегося процесса изменения основных логических переменных.

Рассмотрим решение логических задач на электронных цифровых машинах общего назначения. Для конкретности изложения будем вести рассмотрение применительно к машине, описанной нами в гл. IV. Эта машина оперирует с 42-разрядными двоичными числами и может выполнять следующие поразрядные логические действия.

1. Логическое сложение, выполняемое по команде 07— Ф по правилу:

2. Логическое умножение, выполняемое по команде 06 — Н по правилу:

3. Отрицание равнозначности, выполняемое по команде 12 (сравнение) по правилу:

При помощи этих трех поразрядных логических операций можно выполнять любые другие логические операции («отрицание», «равнозначность»;

«если, то» и др.).

Порядок решения логических задач рассмотрим на примере известной нам задачи: «найти такие комбинации значений истинности основных высказываний А, В и С, при которых сложное высказывание истинно».

Для вычислений по этой формуле нам необходимо выполнить следующие действия: логическое сложение (\/) и равнозначность. Так как в машине в качестве элементарной операции имеется операция отрицания равнозначности, то последнее действие можно выполнить с помощью двух действий отрицания равнозначности по следующей формуле:

(VL1) В справедливости этой формулы убеждаемся путем непосредственной проверки (табл. VI.4).

Итак, исследуемая формула может быть переписана в следующем виде:

Решение этой задачи будет состоять в проверке восьми возможных комбинаций значений основных переменных А, В и С, приведенных в табл. VI.5.

Таблица VI. Номера комбинаций 0 1 2 3 4 5 6 А 0 1 0 1 0 1 0 В 0 0 1 1 0 0 1 С 0 0 0 0 1 1 1 В этой таблице в каждой колонке расположены двоичные числа, соответствующие порядковым номерам колонок, стоящим в верхней строчке. Всю таблицу располагаем в трех ячейках памяти;

в каждой ячейке размещается одна строчка таблицы А, В или С.

Проверку производим для всех вариантов одновременно;

в результате проверки должно получиться двоичное число, имеющее единицы в тех разрядах, которые соответствуют колонкам, являющимся решениями задачи, а нули будут стоять в тех разрядах, которые не подходят в качестве решений.

Программа имеет чрезвычайно простой вид, показанный в табл. VI.6.

Таблица VI. №№ Команды Пояснения п.п.

1 2 4 5 6 7 0101 0102 0103 0 07 Логическое сложение К Ф 0100 0103 0 12 Отрицание равнозначности К+1 Ср 0103 1* 0103 0 12 Отрицание равнозначности К+2 Ср * Напомним, что 1 обозначает номер некоторой ячейки, в которой хранится единица.

В ячейке 0103 будет получен результат, который может быть прочитан визуально на пульте управления машины и использован для дальнейших вычислений.

Естественно, что необходимость в применении машин возникает, главным образом, для решения сложных задач с большим количеством основных логических переменных. Применение же для этих многокомпонентных задач приведенной методики в том виде, как она описана, будет являться, вообще говоря, невыгодным, так как при этом слишком много труда и машинного времени будет затрачиваться на ввод в машину таблиц значений истинности основных логических переменных. В то же время представляется вполне возможным построить такие программы решения логических задач, которые не требуют ввода таблиц истинности в машину, а обеспечат получение необходимых значений истинности основных логических переменных непосредственно в процессе вычислений в машине.

Однако такие программы, составленные для машин общего назначения, будут являться по своей структуре достаточно сложными, и мы их рассматривать не будем. Сложность программирования логических задач для цифровых машин универсального назначения приводит к необходимости создания специальных логических машин.

Очень близко к рассмотренным логическим задачам подходят задачи, связанные с проектированием релейно контактных схем. Специальная логическая машина для проектирования релейно-контактных схем, так называемый релейный схемный анализатор, описана К.Е.Шенноном и Е.Ф.Муром [15]. При помощи специальной коммутационной штепсельной доски и системы трехпозиционных переключателей в анализатор задается анализируемая схема и полное перечисление тех состояний реле, при которых данная схема должна быть замкнута или разомкнута.

Анализатор позволяет выполнять следующие функции:

а) производить проверку, удовлетворяет ли заданная схема поставленным техническим требованиям;

б) производить систематическую проверку схемы с точки зрения возможности ее упрощения. Это осуществляется путем поочередного замыкания и размыкания контактов с целью выявления лишних контактов в схеме, т. е. таких контактов, замыкание и размыкание которых не влияет на работу схемы;

в) определение минимального количества контактов в схеме, необходимого для удовлетворения техническим условиям.

Анализатор по конструкции представляет собой весьма простую машину;

он содержит всего 24 реле, германиевых диодов, 2 управляющих переключателя и 48 неоновых лампочек. Однако машины такого типа при всей их простоте позволяют значительно облегчить и ускорить работу по проектированию релейно-контактных схем.

Возможными областями применения логических машин могли бы явиться также проверка последовательности сборников правил, составление расписаний (например, расписаний занятий в учебных заведениях, обеспечивающих наличие в одно и то же время нужных групп слушателей, преподавателей и классов), определение наиболее целесообразного порядка перевозок по железным дорогам, расписаний движения самолетов в аэропортах и т. д.

19. УПРАВЛЯЮЩИЕ МАШИНЫ Особенности применения электронных цифровых машин в системах автоматического управления Электронные цифровые машины с программным управлением в настоящее время получают широкое применение для целей автоматического управления в промышленности и в военном деле. В промышленности при помощи цифровых машин осуществляется автоматическое управление как отдельными агрегатами, станками, так и поточными линиями и даже целыми автоматизированными заводами.

Применение электронных цифровых машин обеспечивает сокращение количества обслуживающего персонала, экономию материалов и энергии, повышение производственных скоростей (повышение темпа работы), повышение качества продукции и надежный контроль за ходом производства. Особенно важным является применение цифровых машин для автоматического управления производственными процессами, опасными для здоровья и жизни людей, в таких, например, отраслях, как химическая, атомная промышленность. В случае непредвиденных нарушений хода процесса, например при аварии, машины могут обеспечить подачу аварийных сигналов, вызывающих людей, и принятие некоторых стандартных, заранее предусмотренных мер (например, выключение электроэнергии, прекращение подачи топлива, воды и т. п.).

Помимо автоматического управления электронные цифровые машины эффективно могут применяться и для полуавтоматического управления и контроля за сложными производственными, энергетическими или боевыми системами. При этом основное управление, собственно принятие окончательных решений, остается за операторами, а цифровая машина служит для сбора, систематизации и обработки большого количества данных, поступающих из различных мест, с целью представления этих данных в виде, удобном для обозрения и анализа (например, в виде кривой на экране осциллографа). На машину может быть также возложена задача расчета вариантов будущего поведения системы при тех или иных возможных решениях оператора с тем, чтобы облегчить оператору анализ обстановки и принятие окончательного решения.

В военном деле электронные цифровые машины и устройства начинают широко применяться для решения задач управления огнем артиллерии, наведения на цели управляемых реактивных снарядов, для автоматического управления движением самолетов и других боевых объектов, вытесняя из этих областей устройства непрерывного действия.

Усложнение военной техники, повышение скоростей движения самолетов, кораблей, появление реактивных снарядов после второй мировой войны резко повысило требования к различным военным счетно-решающим устройствам в отношении их быстродействия, точности и гибкости работы. Возникающие задачи не могут быть решены на основе использования счетно-решающих устройств непрерывного действия, обладающих рядом принципиальных недостатков, и требуют применения цифровой вычислительной техники.

Применение электронных цифровых машин для целей автоматического управления открывает новые возможности и перспективы в развитии автоматики.

Строившиеся до настоящего времени автоматические системы, зачастую весьма сложные, предназначались для работы при заранее известных условиях. Эти системы реагировали на изменения условий работы в соответствии с заранее установленными правилами, но не обладали способностью автоматически приспосабливаться к изменениям свойств регулируемого объекта и внешних условий.

Применение электронных цифровых машин позволяет осуществлять так называемое оптимальное регулирование, т. е. регулирование с предварительной оценкой возможностей. Сущность оптимального регулирования заключается в следующем: цифровая машина, получая данные, характеризующие действительное состояние управляемого объекта и внешнюю обстановку, рассчитывает возможные варианты будущего поведения системы при различных способах регулирования, учитывая изменения внешних условий, полученные экстраполяцией.

Анализируя найденные решения на основе выбранного или заданного заранее критерия (например, по минимуму времени переходного режима), цифровая машина выбирает оптимальный вариант процесса регулирования. Такие системы управления обладают свойством автоматически изменять свои параметры для достижения оптимальности процесса.

Необходимым условием для применения электронных цифровых машин для автоматического управления каким-либо процессом является наличие полного математического описания данного процесса, т. е.

представление его в виде совокупности вполне определенных однозначных правил, определяющих поведение системы в каждом могущем возникнуть положении. Для обеспечения оптимального регулирования в программу работы машины, помимо указанных основных правил, характеризующих поведение системы в каждом конкретном случае, должны быть заданы некоторые общие правила изменения основных правил в зависимости от характера внешних условий и параметров объекта, т. е. должна быть задана некоторая «линия поведения»

системы при изменении обстановки.

Таким образом, получается двухступенчатое управление. Можно предусмотреть и более сложные многоступенчатые схемы управления, когда помимо правил второй ступени, определяющих характер изменения основных правил (1-й ступени), вводятся правила 3-й ступени, определяющие порядок изменения правил 2-й ступени, правила 4-й ступени, определяющие порядок изменения правил 3-й ступени и т. д.

Следует подчеркнуть, что как основные правила, непосредственно описывающие данный процесс, так и дополнительные правила, определяющие порядок изменения основных правил, должны быть совершенно четкими и однозначными, чтобы их можно было точно выразить при помощи системы команд машины.

Помимо отмеченного свойства оптимального регулирования электронные цифровые машины в системах автоматического регулирования имеют целый ряд важных технических и эксплуатационных преимуществ перед машинами непрерывного действия.

1. Высокая точность вычислений. Точность вычислений на цифровых устройствах практически может быть получена сколь угодно высокой без значительного усложнения и увеличения габаритов устройств (за счет увеличения количества разрядов для представления чисел).

2. Гибкость (универсальность) применения. Одно и то же цифровое устройство с программным управлением может быть использовано для решения самых разнообразных задач;

для этого требуется только замена программы. Например, самолетное цифровое устройство может быть построено так, что в процессе работы простым переключением программы оно будет настраиваться на решение любой из следующих задач: навигации, бомбометания, воздушной стрельбы, автоматического управления взлетом, посадкой и др.

3. Простота изготовления, обусловленная отсутствием трудоемких и точных механических работ, стандартностью радио - и электродеталей, использованием печатного монтажа. Это позволяет организовать полностью автоматизированное массовое производство, что особенно важно в военное время.

4. Работа с кодированными данными. Использование данных, представленных в цифровой, кодированной форме, существенно облегчает и упрощает их передачу на значительные расстояния, что обеспечивает возможность централизованной обработки данных, поступающих из разных источников, а также более высокую помехоустойчивость передающих систем по сравнению с системами непрерывного действия.

Для устройств автоматического управления первостепенное значение имеет надежность работы, так как даже единичный отказ или ошибка в работе могут привести в отдельных случаях к катастрофе. В настоящее время электронные цифровые машины, построенные в основном на электронных лампах и использующие громоздкие и сложные запоминающие системы, еще не могут обеспечить высокой надежности. Высокая надежность этих машин практически может быть достигнута тогда, когда надежные и нечувствительные к внешним воздействиям полупроводниковые диоды и триоды заменяют электронные лампы, а для запоминающих устройств машин будут использоваться надежные ферромагнитные и ферроэлектрические приборы.

Применение электронных цифровых машин для целей автоматического управления предъявляет ряд дополнительных требований к этим машинам по сравнению с их использованием для математических вычислений. Эти требования вытекают из необходимости совместной работы цифровой машины с реальными объектами в общей замкнутой системе автоматического регулирования. Электронные цифровые управляющие машины должны обладать, в первую очередь, широко разветвленной и гибкой системой входных и выходных устройств, обеспечивающих надежную связь машины с внешним миром.

Цифровая машина, получая непрерывно данные о действительном состоянии управляемого объекта, должна вырабатывать команды для управления движением этого объекта. В связи с этим цифровые машины должны обладать способностью воспринимать входные данные в виде непрерывных величин, а иногда и выдавать результаты расчетов также в виде непрерывных величин. Это обусловлено тем, что параметры, определяющие движение физических объектов, по своей природе являются непрерывными величинами (координаты, скорости, ускорения и т. д.). Так как цифровые машины оперируют с числами, представленными в дискретной форме, то необходимо иметь в таких машинах дополнительно входные преобразователи непрерывных величин в дискретные и выходные устройства для преобразования дискретных данных в непрерывные величины.

В отличие от машин непрерывного действия, которые непрерывно выдают результаты, соответствующие текущим значениям входных данных, в цифровых машинах принципиально неизбежной является некоторая задержка между моментом ввода данных и моментом выдачи результатов. Увеличением быстродействия машины эта задержка может быть уменьшена до пределов, допустимых при тех или иных конкретных условиях регулирования. В связи с этим цифровые машины, предназначаемые для использования в системах автоматического управления, должны обладать по возможности более высокими скоростями работы. В тех случаях, когда получающиеся задержки в выдаче результатов являются все же значительными и недопустимыми с точки зрения обеспечения заданной точности регулирования, в программе работы машины должно быть предусмотрено выполнение вычислений с определенным упреждением с тем, чтобы выдаваемые машиной данные соответствовали моменту их поступления в управляемый объект.

Для повышения точности работы системы управления выгодно иметь возможно более высокую частоту выборки и ввода в цифровую машину исходных данных, имеющих непрерывную форму. Однако эта частота не может быть выше некоторого предела, при котором время между двумя последовательными выборками будет меньше времени, необходимого для выполнения машиной одного полного шага вычислений. В противном случае машина не будет успевать перерабатывать все вводимые данные, и эти данные будут накапливаться и устаревать.

Путем рационального программирования можно уменьшить время, требуемое на один шаг вычислений, и тем самым сократить задержку между вводом данных и выдачей результатов.

В отличие от вычислительных машин в управляющих машинах часто сами вычисления по формулам играют вспомогательную подчиненную роль, а основная работа машины заключается в выборе тех действий, которые отвечают определенным условиям. В связи с этим в системах команд управляющих машин значительное место занимают логические операции, служащие для разделения поступающей информации по определенным признакам, для установления соответствия между заданием и исполнением, для расшифровки кодов сложных операций и т. д. Важной задачей, возникающей при разработке управляющих цифровых машин, является выбор такой системы команд, которая бы обеспечивала рациональное программирование реакций машины на внешние воздействия и обладала бы при минимальном количестве команд наиболее содержательным составом.

Для обеспечения надежной и стабильной связи между управляющей машиной и управляемыми объектами и внешней средой применяемые методы кодирования команд и информации должны обладать свойствами самопроверки и самоисправляемости.

Из изложенного видно, что с применением цифровых машин для целей автоматического управления возникает ряд новых теоретических вопросов. В настоящее время в этом направлении наряду с большими экспериментальными работами ведутся и многочисленные теоретические исследования. Так, например, опубликованы сообщения об исследованиях по применению методов частотного анализа, разработанных в теории автоматического регулирования, к смешанным системам, включающим в себя машины дискретного счета и устройства непрерывного действия;

разрабатываются методы частотного анализа программ для цифровых машин. Рассмотрение перечисленных вопросов не входит в задачу настоящей книги. Ниже мы приведем несколько конкретных примеров применения электронных цифровых машин для целей автоматического управления.

Автоматическое управление металлорежущими станками Рассмотрим простейший случай автоматического управления с помощью электронных цифровых устройств, использующих жесткие неизменяемые программы. В этом случае все действия системы полностью определяются заранее составленной постоянной программой, т. е. система работает по так называемой «разомкнутой» схеме.

В Массачузетском технологическом институте (США) осуществлено автоматическое управление с помощью цифрового устройства работой копировально-фрезерного станка. В обычных копировально-фрезерных автоматах движение режущего инструмента задается при помощи копира и копировального прибора, ощупывающего профиль копира. Для обеспечения высокой точности изготовления деталей копир должен быть сам изготовлен достаточно точно.

В описываемом станке копир и копировальный прибор заменены цифровым устройством, в которое требуемый профиль обработки детали задается в числовой форме с помощью перфоленты.

Цифровое вычислительное устройство вырабатывает необходимые команды для движения режущего инструмента и детали, которые при помощи следящих систем воздействуют на силовые агрегаты станка. Замена дорогостоящих копиров перфолентами значительно снижает затраты на подготовительные работы.

Цифровое устройство обеспечивает автоматическое управление не только перемещением инструмента, но и последовательностью операций машины;

оператор при этом полностью исключается из процесса управления.

Особенностью описываемой системы является возможность непрерывной работы системы без остановок для набора и ввода новых программ в счетное устройство.

Обычно основным документом для обработки любой детали является чертеж, на котором в числовой форме указаны все размеры детали. Эти числа при управлении станком с помощью цифрового устройства также служат исходными данными для построения программы работы этого устройства. На чертежах могут встречаться самые различные фигуры: окружности, прямые и ломаные линии и др., от самых простых до весьма сложных. При разработке описываемого способа управления станком был сделан отбор некоторых типовых элементарных фигур, которые определенным образом были сопоставлены с характером допустимых движений в станке. В фрезерном станке режущий инструмент имеет возможность двигаться по трем взаимно перпендикулярным направлениям, при этом наиболее просто осуществляются движения по прямым линиям, требующие постоянной подачи.

Исходная информация, вводимая в цифровое устройство, представляет собой перечисление последовательных элементарных прямолинейных приращений пути, проходимого режущим инструментом. Каждое приращение задается указанием трех координат, а также времени, в течение которого должно быть сделано это приращение.

Указанные четыре числа группируются в так называемый «блок информации» (комплекс сигналов, подаваемых одновременно). Каждый блок представляет собой указание станку работать между двумя точками в пространстве по прямой линии и в определенное время. Блок информации кодируется на перфоленте в одну строку. Кроме того, в эту строку записываются некоторые вспомогательные числа, обеспечивающие самопроверку кода и его самоисправляемость при одиночных ошибках.

Цифровое устройство, управляющее станком, выполняет большой объем вычислительной работы, связанной со сравнением текущих данных с предшествующей информацией и выработкой команд для управления станком.

В наиболее простом случае цифровое устройство определяет промежуточные положения инструмента путем линейной интерполяции. В более сложных случаях, обеспечивающих соответственно более высокую точность обработки деталей, цифровое устройство определяет промежуточные положения при помощи квадратичной интерполяции или интерполяции более высокого порядка, что, естественно, увеличивает объем вычислительной работы.

Блок-схема цифрового устройства, предназначенного для управления фрезерным станком, показана на рис.

VI.3.

Информация с перфоленты считывается читающим устройством и проходит на релейные регистры, играющие роль цифрового счетного устройства. В системе предусмотрен ввод данных с двух лент на два релейных регистра, что обеспечивает непрерывную работу системы управления. В то время как один регистр принимает очередной блок информации с ленты, другой регистр выдает данные для работы машины. После этого автоматически производится быстрое переключение регистров, и следующий блок информации считывается в освободившийся регистр и т. д. Числовая информация в регистрах определяет переключение и установку вентильных цепей, регулирующих поступление импульсов от стандартного источника в три канала. Каждый канал служит для управления механизмом подачи по одной из осей координат.

Импульсы поступают через равные промежутки времени с частотой, обеспечивающей получение требуемой заданными допусками точности обработки детали. Чем выше частота импульсов, тем больше точность работы.

Серия импульсов, поступающих по какому-либо каналу, преобразуется при помощи декодирующей следящей системы во вращение вала таким образом, что каждый градус поворота вала соответствует одному импульсу.

Необходимые движения в станке осуществляются при помощи силовых следящих систем, которые постоянно сравнивают вращение валов декодирующих следящих систем с вращением специальных измерительных валов, показывающих действительное положение движущихся частей станка, с тем, чтобы свести к минимуму разность между углами поворотов этих валов.

В процессе экспериментов с описанной системой управления было получено сокращение времени обработки деталей почти в три раза по сравнению с обычным способом управления при помощи копиров.

Применяются способы управления станками при помощи информации, записываемой на кинолентах и магнитных лентах. Магнитная лента имеет существенные преимущества, так как она позволяет запоминать как цифровые данные, так и непрерывно меняющиеся электрические напряжения, и обладает большой емкостью запоминания. На различных дорожках магнитной ленты или барабана могут быть записаны программы различных операций, которые должны выполняться станком, что обеспечивает максимальную производительность станка.

В качестве второго примера рассмотрим применение электронной цифровой машины типа ИБМ-523 для автоматического управления металлорежущим станком, обрабатывающим лопатки ротора компрессора и турбины реактивного двигателя. Обработка деталей ведется по профилю, вычисляемому цифровой машиной.

На рис. VI.4,а показаны лопасти турбины реактивного двигателя, обработанные на станке, управляемом цифровой машиной, а на рис. VI.4,б—блок-схема системы.

На перфокартах, вводимых в цифровую машину, заданы прямоугольные координаты точек профиля лопасти.

Цифровая машина преобразует прямоугольные координаты в полярные и определяет графики движения режущего инструмента станка. Вычисленные полярные координаты определяют график только в нескольких опорных точках профиля, число которых для каждого сечения профиля составляет порядка 30—40.

Промежуточные значения полярных координат между опорными точками графика определяются при помощи интерполяционной формулы 3-го порядка на интерполяторе, состоящем из трех механических интеграторов. При переходе от одного интерполяционного интервала к другому в интерполятор вводится интерполяционный полином четвертого порядка, полученный с помощью машины ИБМ-523. Значения четвертой разности, вычисленные машиной для каждого интервала интерполяции, в двоично-десятичном коде запоминаются на релейном запоминающем устройстве.

Далее, двоично-десятичный цифровой код четвертой разности преобразуется в угол поворота вала сервомотора и вводится в интерполятор. В результате последовательного интегрирования на выходе интегратора получается функция r (0), определяющая движение режущего инструмента (фреза).

Двигатель подачи станка обеспечивает вращение (на угол ) стола подачи с заданной скоростью. Блоки контроля и контактов импульсов служат для синхронизации работы цифровой машины ИБМ-523 и интерполятора.

При максимальной скорости работы системы время, затрачиваемое на выполнение полного цикла интерполяции при повороте стола подачи на 360°, составляло около 10 мин. При этом полная накопленная ошибка интерполяции для всего цикла составляла около 0,1 % от длины интервала изменения функции.

Применение цифровых машин для статистического управления производственными процессами Современное массовое производство характеризуется непрерывностью производственного процесса и идентичностью вырабатываемых изделий. Однако в действительности получаемые изделия не являются абсолютно одинаковыми, отличаясь друг от друга своими размерами, весами и другими характеристиками в пределах заданных допусков. Известно, что отклонения размеров изделий при массовом производстве подчиняются, как правило, гауссовому (нормальному) закону распределения. Нормальная кривая распределения случайных величин определяется двумя параметрами: средним значением и среднеквадратичным отклонением (а).

Очевидно, что при массовом производстве нет необходимости контролировать каждую деталь;

математическая статистика дает методы определения оптимального числа деталей, которые должны контролироваться при тех или иных условиях с тем, чтобы обеспечить уверенность, что вся масса продукции находится в требуемых пределах.

Знание численных значений параметров нормального распределения, которому подчиняются отклонения в вырабатываемых изделиях, позволяет предвидеть в среднем процент деталей, характеристики которых будут находиться в том или ином интервале. Параметры нормального закона распределения определяются обычно на основании обработки статистических данных, относящихся к большому количеству фактически изготовленных деталей, или же рассчитываются теоретическим путем.

Наряду с чисто случайными факторами, определяющими нормальное распределение размеров изделий, на технологический процесс обычно оказывают влияние некоторые факторы, носящие систематический характер и вызывающие либо смещение среднего значения от заданной величины, либо увеличение разброса размеров за допустимые пределы.

Для обнаружения такого рода систематических отклонений в определенных местах производственных линий предусматриваются специально подготовленные операторы, которые производят измерения и на основании анализа результатов измерений вводят коррекцию в ход процесса. Такого рода контроль и управление называют статистическими.

Исследования работы операторов показывают, что последние интуитивно определяют вид статистической кривой, мысленно оценивают среднее значение получающихся размеров и в случае, если это среднее значение отклоняется от заданного, вводят необходимую коррекцию.

Измерения, осуществляемые операторами, могут быть как выборочными, так и непрерывными. Методика определения необходимой величины коррекции вырабатывается у операторов эмпирическим путем в результате достаточно длительного опыта.

Задача статистического управления усложняется, во-первых, тем, что иногда появляются изделия с весьма большими случайными отклонениями в размерах. Эти отклонения бывают вызваны обычно неисправностями оборудования и не должны учитываться при статистической оценке результатов работы производства, но могут использоваться как сигналы, показывающие на необходимость принятия особых мер (остановка и ремонт линии и др.). Кроме того, процесс управления усложняется неизбежным запаздыванием между моментом измерения и моментом ввода коррекции и, в связи с этим, наличием известного количества уже изготовленных деталей на участке производственной линии между измерительным устройством и местом ввода коррекции.

Описанный процесс работы оператора при статистическом управлении производственными линиями вполне может быть автоматизирован с помощью электронных цифровых машин. Для выполнения подобных задач применяются сравнительно простые, малогабаритные и дешевые специализированные электронные машины. Такие управляющие вычислительные машины, помимо автоматического выполнения необходимых вычислений, должны выполнять и логические операции сравнения и выбора необходимых способов коррекции, т. е. реализовывать определенные виды формального мышления, характерные для процесса работы оператора.

Разработке подобной системы автоматического управления должен предшествовать тщательный анализ производственного процесса, включая и работу оператора. При этом должны быть выяснены основные факторы, влияющие на характер кривой распределения изделий, и необходимые статистические параметры, которые должны получаться из входных данных, чтобы иметь сведения о тенденции развития процесса. Анализ должен дать сведения о необходимых измерительных устройствах и порядке обработки результатов измерений. Методика обработки результатов измерений и определения необходимых корректирующих воздействий будут являться основой для построения программы работы цифровой машины.

Статистическое управляющее устройство, использующее электронную цифровую машину, может быть спроектировано, вообще говоря, для выполнения достаточно сложных функций, включая одновременный анализ ряда параметров изделий, учет режима работы производства и выработку различных команд управления, характер воздействия которых на ход производственного процесса может варьироваться достаточно широко.

Наиболее простой случай статистического управления имеет место при управлении только по одному параметру. Таким параметром является обычно среднее значение какого-нибудь характерного размера изделия.

Как показывают опытные данные, в случае нормального распределения ошибок в размерах изделий при массовом производстве, как правило, значение среднеквадратичного отклонения остается практически постоянным, а периодические изменения имеют место для среднего значения контролируемой величины, т. е. кривая распределения, сохраняя свою форму, смещается вдоль оси в ту или иную сторону. В этом случае в качестве статистического параметра, определяющего тенденцию развития процесса, принимают среднее значение контролируемого размера. Далее, в простейшем случае, корректирующие воздействия могут сводиться к двум командам, изменяющим ход процесса в противоположные стороны на фиксированную величину;

отсутствие команд будет свидетельствовать о нормальном протекании процесса.

Пусть, например, предварительное изучение производственного процесса показало, что кривая распределения имеет среднее значение а и характеризуется среднеквадратическим отклонением. Кроме того, было выяснено, что в процессе работы происходит периодическое смещение кривой распределения вправо или влево, связанное с выходом размеров изделий за установленные допуски. Предположим, что в случае нормального положения кривой распределения приблизительно 6 изделий из 20 будут иметь ошибки, выходящие за пределы ±. В случае, если кривая распределения сместится, например, вправо на величину +, то из 20 изделий в среднем 10 будут иметь ошибки, выходящие за предел +, и только одно изделие будет выходить за предел –.

Программа работы цифрового устройства может быть построена следующим образом. Получаемые результаты измерений сначала делятся на три группы: «нет ошибки», «ошибка положительная», «ошибка отрицательная».

Границами для разделения могут служить, например, значения ±. Затем цифровое устройство производит алгебраическое суммирование ошибок, определяя положение кривой распределения. В случае нормального положения кривой распределения значение алгебраической суммы будет близко к нулю. В случае если значение алгебраической суммы будет превышать установленный заранее предел, цифровая машина должна выработать соответствующую команду для коррекции. Для более точной коррекции необходимо учитывать также скорость нарастания значения алгебраической суммы. Если сумма выходит за допустимый предел после длительной работы, то это свидетельствует о том, что настройка производственной линии лишь незначительно отклонилась от нормальной и требуется сравнительно небольшая коррекция. Наоборот, если сумма нарастает быстро, то имеется значительная расстройка линии и требуется большая коррекция. Кроме того, программа работы вычислительного устройства должна предусматривать проверку поступающих входных данных для выявления резких отклонений величин, указывающих на неисправность производственной линии и необходимость подачи аварийных команд.

Описанный метод статистического управления при помощи вычислительных машин получает в настоящее время широкое распространение. В качестве примера можно привести установку для автоматического контроля диаметров пластических покрытий электрических кабелей. Измерение диаметра кабеля в этих установках осуществляется при помощи датчиков с чувствительными элементами в виде легких и прочных наконечников, непрерывно ощупывающих кабель;

перемещение наконечника изменяет частоту колебаний в кварцевом колебательном контуре. Электрические сигналы, характеризующие изменение диаметра кабеля, подаются в вычислительное устройство, которое интегрирует поступающие данные, что позволяет определить тенденцию изменения диаметра кабеля.

Для уменьшения влияния случайных колебаний размеров одновременно обрабатываются результаты измерений, полученные на значительной длине кабеля (30.—50 м). Если диаметр превысил установленный предел, вычислительное устройство вырабатывает сигналы, увеличивающие скорость протяжки кабеля, и, наоборот, если диаметр кабеля меньше допустимого предела, скорость протяжки кабеля уменьшается.

Регулировка толщины пластического покрытия кабеля осуществляется и другими способами.

В качестве второго примера статистического управления производством при помощи вычислительных машин может быть приведен автоматический контроль веса теста в больших хлебопекарнях. При массовом производстве хлебобулочных изделий возникает задача — исключить недовес в готовых изделиях, не слишком увеличивая перерасход материала.

Вес готового изделия является прямой функцией массы куска теста, которая в свою очередь определяется объемом камеры тестоделителя. В тестоделитель тесто поступает из больших корыт, содержащих тесто для изготовления большого количества изделий. В корытах тесто всходит в течение нескольких часов, в результате чего его плотность меняется по слоям. Таким образом, масса теста, поступающего в тестоделитель, помимо случайных колебаний, подвержена также и периодическим колебаниям, обусловленным изменением плотности теста в корытах. При переходе от одного корыта к другому процесс периодически повторяется.

Первоначально контроль веса изделий осуществлялся периодически оператором, который вводил вручную соответствующую коррекцию, регулируя объем камеры тестоделителя. При этом имел место значительный перерасход теста и не было гарантии в том, что не получатся изделия со значительными недовесами.

Для указанной работы была создана автоматическая система, включающая в себя высокопроизводительные весы, оптический датчик и счетное устройство, управляющее объемом камеры тестоделителя. При этом взвешивался каждый кусок теста и полученные результаты статистически обрабатывались счетным устройством, которое автоматически вводило необходимую коррекцию. В результате значительно снизился перерасход теста и уменьшился разброс весов готовых изделий.

Электронная цифровая машина для автоматического управления самолетом В качестве примера применения электронных цифровых машин для целей автоматического управления в авиации возьмем машину Диджитак, одну из первых машин, созданных для решения задач навигации и автоматического управления полетом самолета. Проектирование машины Диджитак было начато в США в г., а в 1952-53 гг. были проведены успешные полетные испытания машины. По своему типу Диджитак представляет универсальную цифровую машину с программным управлением. Для целей автоматического управления полетом весьма ценными оказались две особенности машин этого типа: высокая точность вычислений и универсальность (гибкость) применения.

Задачи, р е ш а е м ы е м а ш и н о й Д и д ж и т а к Машина Диджитак предназначена для автоматического управления полетом бомбардировщика при выполнении задач тактического бомбометания.

В функции машины входит определение текущего положения самолета, вычисление координат точки, где самолет должен сбросить бомбы (на основе координат цели, скорости и высоты полета самолета и необходимых баллистических и метеорологических данных);

определение необходимого курса для достижения пункта сбрасывания бомб, и, наконец, выработка команд для управления движением (через автопилот самолета) и сбрасыванием бомб.

Машина Диджитак может управлять самолетом по программе, направляя его для бомбометания на большое количество целей (до 30).

Определение положения самолета в пространстве производится при помощи двух методов: радионавигации и автономного расчета пути.

При отсутствии радиосигналов положение определяется только по расчету пути. Сочетание двух методов повышает надежность определения координат, обеспечивая сглаживание колебаний в радиосигналах.

Радионавигация осуществляется при помощи наземной гиперболической системы, включающей в себя три наземные станции А, В, С (рис. VI.5).

Рис. VI.5.

Эти станции передают через определенные промежутки времени высокочастотные импульсы, которые принимаются приемным устройством на самолете. Разница во времени прибытия импульсов от станций А и В и разница во времени прибытия импульсов от станций В я С используется для вычисления положения самолета по отношению к наземным станциям. Поступающие две разности времен (Т1 и Т2) определяют два гиперболоида вращения, пересечение которых образует кривую, на которой находится самолет. Зная высоту полета самолета, можно определить точку на этой кривой и тем самым определить положение самолета в пространстве.

Измерительное устройство радионавигационной системы обеспечивает весьма высокую точность измерения разности времен прибытия сигналов до 0,02мксек или до 1/30000 расстояния. Столь высокая точность данных может быть использована только в цифровой вычислительной машине.

Автономное вычисление пути производится на основе непрерывно поступающих данных от самолетных приборов (курса, воздушной скорости), предварительно вычисленного положения самолета и данных о ветре (скорость и направление). Характеристики ветра периодически уточняются на основе радионавигационных данных.

Особенностью системы является систематическая проверка соответствия принимаемых радионавигационных данных предыдущему положению самолета и переключение управления на автономное вычисление пути в случае их расхождения. При получении новых сигналов, соответствующих положению самолета, система автоматически возвращается к комбинированному способу определения координат самолета.

Уравнения, определяющие положение самолета на основе радионавигационных данных, решаются методом итераций. При первом решении полагают координаты х, у, z, равными нулю, и после нескольких итераций (порядка 6) получают их истинные значения. При последующих решениях в качестве первого приближения для начала итерационного процесса принимают значения координат, полученные в предыдущем цикле вычислений.

На рис. VI.6 приведена упрощенная блок-схема программы работы цифровой машины.

Этап № 1 предусматривает выдачу команд для отбора данных измерений разностей времен прибытия сигналов. Этот же этап включает в себя логическую проверку полученных данных на их соответствие предыдущим измерениям и положению самолета. Если полученные данные резко расходятся с предыдущими величинами (что может быть вызвано действиями помех или потерей сигналов), то новая информация отбрасывается, а машина переходит к выполнению этапа № 2 программы.

Этап № 2 предусматривает определение текущих координат самолета вычислением пройденного пути на основе координат предыдущего положения, данных о ветре и воздушной скорости самолета. Необходимые данные за весь промежуток времени, для которого вычисляется пройденный самолетом путь, хранятся в памяти машины.

Если полученные радионавигационные данные (значения разностей времен Т1 и Т2) логически соответствуют предыдущим величинам, то после этапа № 1 выполняется этап № 3, т. е. производится вычисление координат самолета итерационным методом. Для более точного определения координат предусматривается на этом этапе также определение координат методом счисления пути и сравнение полученных двумя методами результатов.



Pages:   || 2 |
 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.