Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое внедрение микропроцессорной техники во многие области деятельности человека имеет огромный технико-экономический и социальный эффект. Микропроцессоры (МП) позволяют использовать их во многих технологических процессах. Но упрощение технологического оборудования при встраивании МП-систем (МПС) требует соответствующего алгоритмического и программного обеспечения МПС. Это – существенная преграда на пути их широкого применения.
Её преодоление лежит на путях системного подхода при проектировании алгоритмического и программного обеспечения, которое составляет, пооценкам специалистов, около 70-80% стоимости всей автоматической системы.
В феномене МП резко обострились противоречия между машиннымхарактером обработки информации и антропогенностью её алгоритмов. Потребовалось перейти к специальным алгоритмам, как правило, созданным эвристическим путем. Сначала они реализовывались аппаратными средствами, а затем с появлением МП и программно.
Однако, круг таких алгоритмов был весьма ограниченным. В основном это были разностно-итерационные алгоритмы (РИА) типа алгоритмов Волдера и Меджита, алгоритмы цифровой интерполяции простейших линий и др. Универсальностью они не обладали.
Вместе с тем развитие механики и мехатроники требовало широкого применения ЭВМ для решения важных задач проектирования современных механизмов и машин (станков с числовым программным управлением (ЧПУ), роботов-манипуляторов и др.)
Впервые на эту тенденцию указал академик К.В. Фролов. Он же и ввел термин «электронная кинематика».Её суть – обеспечение требуемых от машины или механизма синхронных перемещений рабочих органов или обрабатываемого объекта (изделия, заготовки) не с помощью механических узлов (шарниры, стержни, кулачки и т.п.), а с помощью силовых (электрических) приводов, синхронно управляемых компьютерной техникой по определенным функциональным зависимостям.Это упрощает конструирование и изготовление сложных механических систем, сводя их к проектированию (синтезу) нужных алгоритмов и их программную реализацию.
Так как узлы механических систем распределены в пространстве, то резонно привлечь геометрические методы при создании таких алгоритмов, так как решение некоторых алгебраических задач значительно проще осуществлять геометрически. Это позволяет, опираясь на алгоритмы цифровой линейной (линейка) и круговой (циркуль) интерполяции, алгоритмов угловых перемещений (транспортир), нахождения перпендикуляра (угольник) к прямой, перейти к целочисленной арифметике и резко понизить требования к архитектуре и быстродействию вычислителей.
С учетом этого вполне логичным является привлечение к реализации целочисленных алгоритмов микропроцессоров RISC-архитектуры как самых простейших и быстродействующих.
Таким образом, в единый узел сплелись проблемы алгоритмизации, быстродействия и технической реализации процессов обработки информации при управлении техпроцессами с применением механизмов и машин.
Эти обстоятельства остро поставили в повестку дня алгоритмические проблемы микропроцессорной реализации процессов обработки информации, в том числе при решении задач электронной кинематики.
Целью исследования является разработка методики синтеза целочисленных алгоритмов микропроцессорной обработки информации для решения задач электронной кинематики. В основу методики положено использование методов геометрических аналогий (МГА), развитых нами применительно к моделированию на МП кинематических узлов и систем.
Основные задачи исследования:
1) историко-логический анализ микропроцессорной алгоритмизации;
2) исследование преимуществ и особенностей архитектур типа RISC, СISC;
3) определение основных операций и вычислительных методов;
4) разработка базовых процедур целочисленной обработки информации;
5) синтез алгоритмов цифровой интерполяции кинематических траекторий;
6) решение задач электронной кинематики средствами геометрического моделирования на микропроцессорах.
Научная концепция. На основе создания неаналитических методов вычислений и обработки информации можно создать детерминированные методики синтеза целочисленных алгоритмов для их реализации на микропроцессорах RISC – архитектуры.
Научная новизна выполненных в диссертационной работе исследований заключается в разработке методики детерминированного (а не эвристического) синтеза целочисленных алгоритмов микропроцессорной обработки информации применительно к задачам электронной кинематики.
Практическая ценность работы заключается в создании условий еще более широкого внедрения микропроцессорной техники в системы автоматизации, например, механизмов и машин.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
-
III Международная научная студенческая конференция “Научный потенциал студенчества в XXI веке”(г. Ставрополь, 2009 г.);
-
XXXVII научная конференция студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа(г. Краснодар, 2010 г.);
-
IV Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых “Научный потенциал студенчества в XXI веке” (г. Ставрополь, 2010 г.);
-
I Межвузовская научно-практическая конференция “Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы” (г. Краснодар, 2010 г.);
-
I Международная научно-практическая конференция “Современная наука: теория и практика” (г. Ставрополь, 2010 г.);
-
Всероссийская молодежная научная конференция “Современные проблемы математики и механики” (г. Томск, 2010 г.);
-
XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых “Современные техника и технологии” ( г.Томск, 2011 г.);
-
IV Международная научно-практическая конференция “Молодежь и наука: реальность и будущее” (г. Невиномысск, 2011 г.);
-
I Международная научно-практическая конференция “Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы” (г. Ставрополь, 2011 г.);
-
I Международная научная конференция “Наука в современном обществе” (г. Ставрополь, 2011 г.);
11) IXМеждународная научно-практическая конференция “Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики” (г. Тольятти, апрель 2012 г.);
12) VIIIВсероссийская научно-практическая конференция “Математические методы и информационно-технические средства” (г. Краснодар, июнь 2012 г.).
Реализация научно-технических результатов работы в промышленности. Результаты работы внедрены на предприятиях: ООО “Современные производственные системы” (г. Краснодар), ЗАО “Механический завод РЕММАШ” (ст. Павловская, Краснодарский край)и в учебный процесс КубГТУ, что подтверждается актами внедрения.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
базовые процедуры целочисленной микропроцессорной обработки информации задач электронной кинематики;
-
методика синтеза целочисленных алгоритмов цифровой интерполяции ряда кинематических траекторий (окружность, циклоида, эпи- и гипоциклоиды, эвольвента окружности, трактриса);
-
методика микропроцессорного моделирования типовых элементов кинематических систем на базе геометрических аналогий;
-
методика комплексного применения целочисленных процедур для управления сложными кинематическими системами на примере манипуляционного робота с пятью степенями свободы;
-
программы тестирования целочисленных алгоритмов цифровой интерполяции путем их эмуляции на языке высокого уровня.
Публикация результатов работы. По результатам работы опубликовано 22 научных труда, в том числе 4 работы, опубликованные в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК при Минобрнауки РФ, одна монография, три свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012614606, № 2012614605, №2012614604. Данная работа частично выполнялась в рамках хоздоговорной НИР “Разработка целочисленных алгоритмов цифровой интерполяции” с ООО “Современные производственные системы” (г. Краснодар).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов (глав), заключения и приложения, изложенных на 180 страницах. Работа содержит 9 таблиц, 45 рисунков и список использованных источников из 93 наименований.
