Файл: Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем.pdf

проблемы. Пожалуй, только 2-й и 4-й подэтапы процесса проекти­ рования при полной автоматизации их выполнения могут быть обеспечены формализованным представлением информации на ос­ нове рассмотренных выше принципов: кодирование данных — ввод в память; алгоритмизация — автопрограммирование.

Подавляющее большинство подэтапов требует для своего вы­ полнения обращения к эвристическим процедурам принятия реше­ ния, поскольку из процесса формулирования целей, распознавания и отбора ценной информации, кодирования, декодирования, полу­ чения и оценки новых решений нельзя устранить человека. Отсюда следует, что организация проектирования должна быть приспособ­ лена к возможностям и особенностям проектировщика, участвую­ щего в переработке информации. Опыт алгоритмизации таких слож­ ных процедур, как проектирование, показывает, что наибольшие трудности связаны с созданием математической модели, когда осу­ ществляется длительный и интенсивный обмен информацией между различными специалистами. После этого наступает также весьма важный и трудоемкий этап систематизации исходной информации, первичного ее кодирования и перекодирования на машинные языки.

Для обеспечения подобной работы специалиста, занимающегося данным видом информационной техники, необходимо обеспечить алгоритмическим языком, позволяющим строить математическую модель на основе исходного содержательного описания системы. Этот язык должен быть снабжен совокупностью правил кодирова­ ния исходных данных при вводе в машину и системой автопрограм­ мирования для расшифровки описания и получения искомых ре­ зультатов.

Поскольку известные формальные алгоритмические языки не обеспечивают возможности решения перечисленных задач, для опи­ сания сложных систем и процессов изыскиваются новые принципы, лежащие на стыке эвристических и алгоритмических описаний. Так, в основу языка АЛГОС [14] положена идея последовательной формализации. Иначе говоря, разрабатывается система уровней обобщенного языка, обеспечивающая возможность перехода от со­ держательного описания к формализованному в той степени, кото­ рая соответствует объему и характеру исходной информации, вы­ ставленным требованиям и заданным целям. Доля эвристических элементов языка уменьшается от уровня к уровню. Переходы с уровня на уровень производятся в соответствии с решаемыми зада­ чами и степенью «наработанности» информации.

Вязыке АЛГОС выделены следующие основные уровни:

1.Нулевой уровень — язык унификации. Язык близок к языку научных публикаций, однако введены унификация и существенные ограничения по символике и форме представления информации. Обработка информации производится вручную или полуавтомати­ чески.

2.Первый уровень — язык кодирования. Более формален и обеспечивает возможность кодирования информации и организо­

46

ванной ее обработки вручную или полуавтоматически. Предусмат­ ривается устранение неоднозначности обозначений.

3. Второй уровень — язык автопрограммирования (эталонный). Близок к языку АЛГОЛ-60 с изменениями и дополнениями, необ­ ходимыми для описания систем. Информация обрабатывается ав­ томатически.

4. Третий уровень — язык инженерных вычислений. Приспо­ соблен к возможностям малых машин.

Особенностью языка АЛГОС является списочное представление информации, т. е. широкое использование /г-списков, предназна­ ченных для кодирования структур (структурных схем). Элементами /е-списков являются последовательности узлов кодируемых схем. Пара соседних идентификаторов характеризует соответствующую

связь. Считается, что связь ориентирована от левого идентифика­ тора к правому. Между идентификаторами, характеризующими на­ правленную связь, ставится разделитель, в качестве которого может выступать любой удобный символ: ( О, ■ и др. Элементы списка также отделяются специальными разделителями.

Рассмотрим в качестве примера структурную схему простейшего аналогового коррелометра, представленную на рис. 2-1. Исследуе­ мый случайный процесс через входное устройство (ВУ ) поступает на перемножающее устройство (ПУ) непосредственно и через ли­ нию задержки (Л З ). После перемножающего устройства сигнал с помощью интегрирующего звена (И) сглаживается и попадает на компаратор (К), где и сравнивается с образцовой величиной, фор­ мируемой мерой (М ). Результат измерения поступает в блок пред­ ставления информации (БПИ), обеспечивающий представление результатов измерений в требуемом виде.

Данную структурную схему можно описать с помощью следую­

/е-список позволяет однозначно закодировать описание структур­ ной схемы.

Кодирование ^-списками позволяет выразить весьма сложные структурные построения. Различая в структурных схемах пере­ ключательные и непереключательные блоки, можно представлять

47

не только последовательность соединений блоков, но и различные варианты соединений. При этом перечень идентификаторов, лежа­ щий в основе кодирования и декодирования, должен быть пополнен правилом переключения. Удобно использовать для этой цепи ло­ гическую переменную р, принимающую одно из двух возможных значений, 0 или 1. Переключательные блоки при составлении 6-списков кодируются парой последовательностей, отображающих два возможных сопряжения элементов.

Предположим, что рассмотренный выше коррелометр предназна­ чен для изучения случайных процессов, формируемых двумя раз­ личными датчиками Д1 и Д2. На рис. 2-2 приведена структурная схема подключения этих датчиков к входному устройству с помощью переключателя (Я). Обозначим возможные состояния переключа­

тельного блока идентификаторами р и р (не р). Тогда, кодируя сое­ динение первого датчика с входным устройством сочетанием ДІрВУ,

а соединение второго — сочетанием Д2рВУ, мы отобразим не только наличие этих соединений, но и невозможность их одновременного

выполнения (либо р, либо р). Таким образом, каждый переключа­

тельный блок рассматривается как двойной, р и р. Описание струк­ турной схемы коррелометра с двумя датчиками, соединяемыми че­ рез переключатель, может быть представлено в следующем виде:

Д1 р ВУ; Д 2рВ У ; ВУ : ПУ; В У :Л З; ЛЗ : ПУ; ПУ : И ;

И : К; М : К; К : БПИ.

Очевидно, что эта запись отображает два возможных состояния:

Д1 р ВУ; ВУ : ПУ; ВУ : ЛЗ; ЛЗ : ПУ; ПУ : И; И : К; М : К;

К : БПУ

и

Д2 р ВУ; ВУ : ПУ; ВУ : ЛЗ; ЛЗ : ПУ: ПУ : И; И : К; М : К;

К : БПУ.

Расчленение схемы может быть более сложным, и для его коди­ рования может понадобиться либо целая совокупность переключа­ тельных блоков, либо использование более сложных правил преоб­ разования элементов 6-списков.

Рассматривая 6-списки как алгебраические выражения, можно ввести целесообразные алгебраические операции, использование которых упрощает кодирование, устраняет избыточность и расши­ ряет возможности отображения структур и их функционирования.

Так, например, параллельное разветвление блоков может быть отображено тождеством А : В, А : С = А {В, С). Тогда пара сое­ динений ВУ : ПУ; ВУ : ЛЗ может быть в рассмотренном примере представлена в виде кодовой комбинации ВУ (ПУ, ЛЗ). Последо­ вательное соединение блоков А, В я С может быть представлено сочетанием А : В : С. И, следовательно, соединения П : И. И ; К

48

могут быть описаны кодовой комбинацией П : И : К- Подобные правила, как уже указывалось, существенно расширяют возмож­ ности к-списков, которые, вообще говоря, могут рассматриваться как функции, для которых определены допустимые операции.

Таким образом, дополняя аппарат формализованного представ­ ления информации A-списками и вводя различные уровни формали­ зации (язык АЛ ГОС), мы получаем возможность привести в соот­ ветствие объем и характер используемой информации, преследуе­ мые на каждом этапе цели, с уровнем и степенью формализации об­ рабатываемых массивов.

До настоящего времени, рассматривая вопросы формализован­ ного представления априорной и промежуточной информации, об­ рабатываемой в процессе проектирования, мы имели в виду обеспе­ чение возможности получения количественных оценок и выработки на их основе суждений и решений о принципах построения систем и о закладываемых на основе расчетов технических решений. Ко­ дирование и программирование (запись на алгоритмическом языке) предусматривает в качестве непосредственного «потребителя» ин­ формации расчет.

Однако громоздкость систем, сложность взаимодействия под­ систем и их реакции на воздействия, многообразие взаимодейст­ вующих факторов и объектов очень часто не позволяют разработать эффективные алгоритмы расчета. Допущения, аппроксимации и ограничения, вынужденно вводимые в процессе построения мето­ дики расчета, делают его порой бесцельным. Не менее трудно бы­ вает организовать экспериментальное исследование сложной си­ стемы, причем в этом случае не приходится говорить о переборе вариантов, об оптимизации системы. Эксперимент требует создания образца и воспроизведения многообразных условий его работы. Широко известный метод исследования физических явлений и объек­ тов на основе физического моделирования, базирующийся на прин­ ципе подобия, в данном случае нереализуем.

Выход находится в применении так называемого машинного мо­ делирования, т. е. воспроизведения алгоритма функционирования исследуемой системы (устройства) с помощью ЭВМ. Этот метод ока­ зывается весьма эффективным при оценке различных вариантов сложной системы на стадии ее проектирования.

Продолжим рассмотрение вышеприведенного примера, оценив сложность определения метрологических характеристик коррело­ метра, предназначенного для измерения значений корреляционных функций случайных процессов различных классов. Функциониро­ вание коррелометра, структурная схема которого приведена на рис. 2-1, основано на усреднении по времени с использованием од­ ной реализации случайного процесса. При этом точность измерений значений корреляционной функции существенно зависит от класса процесса: стационарный или нестационарный, эргодический или неэргодический, характера нестационарности или неэргодичности (если процесс нестационарный или неэргодический), спектра про-