JPH0619706B2

JPH0619706B2 - デイジタル演算装置のブロツク演算方法

Info

Publication number: JPH0619706B2
Application number: JP58104827A
Authority: JP
Inventors: 茂男橋本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-06-10
Filing date: 1983-06-10
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: JPS59229645A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明はデイジタル計算機によるシミユレーシヨン装
置，制御装置に係り、特にブロツク図にもとづく演算を
効率良く、高速に実行するに好適なデイジタル演算装置
に関する。

〔発明の背景〕ブラント動特性や制御装置としての制御アルゴリズムを
デイジタル計算機を使用して演算する場合、モデルの記
述様式の観点より２種類に分類することができる。その
１はFORTRAN を使用し、模擬対象の動特性を微分方程
式や四則演算式等により書きくだす、数値式記述様式で
ある。その２は模擬対象を積分要素，加算要素等、何種
類かの演算要素ブロツクと、それらの結合関係により構
成するブロツク記述様式である。

原理的にはモデルの記述様式が相異するのみでいずれの
様式によつても同等の演算結果を得ることが可能である
が一般にオリジナルの方程式が数式，微分方程式等によ
り表現されている場合は数値式記述様式によるのが自然
と考えられる。しかしプラント制御装置のように模擬対
象が元来ブロツク図により表現されている場合（制御装
置は積分要素や加算要素等が組合わされて構成されてい
る）や、ブラント動特性が伝達関数のブロツク線図の結
合により表現されている場合はブロツク記述様式による
のが自然と考えられる。さらにプラントのインタロツク
シーケンス、すなわちＡＮＤやＯＲ等の組合せによる論
理演算処理は、本来数値演算の目的に開発されたFORTRA
N には不向きであり、ブロツク記述様式が適している。

このようにブロツク記述様式のニーズは根強いものがあ
り、また従来から使用されてきた実績も多数あるが、数
値式様式に比較して演算効率が悪く、特にオンラインリ
アルタイムシステムに於て実時間性の確保が困難であつ
たり、負荷率が高すぎる問題を有していた。従来技術の
ブロツク記述様式による演算処理手順の一例を第１図乃
至第８図を用いて以下に説明する。

本モデルは積分要素１２，１３で規定される調和振動１
と積分要素１４，１５で規定される調和振動２の掛算に
より発生する波形をリミツタにより制限したものであ
る。第２図にその波形を示す。第２図(a)は調和振動１
の波形を、(b)は調和振動２の波形を、(c)はリミツタ出
力を示す。

第１図に示す演算要素１１〜２０の演算種別（積分，掛
算，リミツタ等），演算定数（積分定数，リミツタの制
限値等）および要素間の接続関係を記述したモデル固有
のデータは要素記述テーブル２３に固定データテーブル
として格納されており、その具体例は第３図に示すとお
りである。また、第１図のモデルをアナログ装置で演算
する場合にはすべての処理が並行するが、デイジタル装
置で演算する場合にはどの要素をどのような順序で演算
すべきかを規定する必要があり、それが順序テーブル２
２に固定データとして格納されている。演算制御部２１
は順序テーブル２２で指定された順序で要素記述テーブ
ル２３の内容を参照し（２０３）、指定された演算種別
に対応するサブルーチン２５ａ〜２５ｎに演算定数と接
続関係データを渡してジヤンプし（２０１）、該サブル
ーチンは所与のデータをもとに１個の演算要素に対応す
る演算を実施し、その結果を結果テーブル２４に書込ん
だ後（２０２）、演算制御部２１に制御を戻す。演算制
御部２１は上記処理を順序テーブル２２の最終要素まで
実行した後終了し、所定の期間後に周期的に起動され演
算をくり返す。

上記の処理手順によれば任意のモデルを容易に作成し、
また追加・修正可能とするため必然的にテーブル記述方
式を採用することになるが、その結果前述のとおりサブ
ルーチン・ジヤンプ手法を取込れることになり、これは
前述の箇所の他、各演算要素内部でも更にサブルーチン
・ジヤンプ手法を使用している。サブルーチン・ジヤン
プに際しては各種レジスタの内容の退避や、演算制御部
２１からの演算定数や接続関係データの引渡等の作業が
必要となる。本質的に必要とされる積分演算やリミツタ
演算よりも、それ以外の前述のコントロール処理の方が
はるかに多数の演算ステツプを要し、演算効率を悪いも
のとしていた。

第４図は、要素記述テーブルを示している。(a)は掛算
要素テーブルであり、固定小数点表現がとられている。
(b)はリミツタ要素テーブルであり、Ｐ１，Ｐ２及びＰ
３は浮動小数点表現がとられ、他は固定小数点表現がと
られている。(c)はＰ１，Ｐ２及びＰ３の関係を示して
いる。

第５図は従来方式の具体的なメインプログラムの例を示
したものである。第５図の処理以前に初期化処理、その
他の処理が更に追加になるが、各演算要素ごとに必要と
なる処理ではなく、処理時間に殆んど影響しないためこ
こでは省略する。各ステツプごとの処理内容は同図に記
載したので省略するが、毎回同図内の処理で１４ステツ
プを要する。同図の中から各演算種別ごとに異なつた演
算実行サブルーチンへジヤンプする。ここでは具体的に
掛算実行サブルーチンの処理内容を第６図に示す。ここ
でも処理内容は同図参照とするが、処理に１０ステツプ
を要する。同図からは更にサブルーチンＷＴＥＭに１
回、ＲＤＥＭに２回ジヤンプしており各々第７図(a)，
第７図(b)に示すとおり各々９ステツプ，６ステツプの
処理を要する。したがつて掛算要素１個の処理を実行す
るのに合計４５ステツプの処理が必要となるわけであ
る。このうち本質的に必要な演算は第６図におけるＦ
Ｍ、第７図(a)におけるＬＤＤ、および第７図(b)におけ
るＳＴＤの３ステツプのみである。なお第５図より第７
図で使用した命令語のニモニツクに対する名称および機
能を第８図に示す。第８図は、命令語の一部のみを示し
ている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は演算すべきモデルをデイジタル装置で実
現し、あるいは追加・修正等のメインテナンスを実施す
るのに容易で、誤りの少ないテーブル記述方式を採用
し、かつ演算効率の極めて良好なるデイジタル演算装置
を提供するにある。

〔発明の概要〕本発明は、従来技術による演算時間分析を行なつた結
果、本質的に対象を模擬するに必要な演算は僅かであ
り、残りの大部分は演算をコントロールするための処理
に費やされていることに着目し、演算のためのコントロ
ールを極力排除できる様にしたものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第９図により説明する。演算に必要
なデータをカードリーダ３１に設置しコンソール入出力
装置３３からの操作により中央処理装置（以下ＣＰＵと
略記）３４に入力され、必要なデータフアイルや処理プ
ログラムがデイスク３５に格納される。入力データや処
理結果はラインプリンタ３２により印字される。以上は
演算プログラムを作成するまでに必要な機器であるが、
作成された演算プログラムはプラントの動特性を模擬す
るものであり、更にプラントシミユレータとして必要な
機器が追加される。すなわち、実際に運転員が操作する
模擬制御盤３７に取付られた設定器３７１の設定値を読
込むアナログ入力装置３６１、操作スイツチ３７２の状
態を読込むデイジタル入力装置３６２、ＣＰＵ３４での
前記演算プログラムの演算結果にもとづきアナログ出力
装置３６３を経由して駆動される指示計３７３や記録計
３７４、デイジタル出力装置３６４を経由して出力され
るアナンシエータ３７５やランプ３７６から構成され
る。

次にＣＰＵ３４およびデイスク３５により処理されるソ
フトウエアの内容を第１０図により説明する。本実施例
では発明の主旨、すなわち演算効率は極めて高くする一
方、モデルの記述性の良好さ、すなわち所与のモデルか
ら演算プログラムを容易に、かつ誤りを少なく作成する
ための配慮がなされている。第１０図ににいて、破線４
０３は、作成済の実行プログラムをローデイングするこ
とを意味する。また、４０１及び４０２の矢印は、当該
プログラムが０．５秒毎に周期起動されることを示す。
モデルの１演算要素は第１１図に示す如く１枚の、しか
も必要最小限の情報を盛込んだカードにより記述するこ
とが可能である。第１１図(a)は乗算演算要素（ＭＵ
Ｌ）を、(b)はリミツタ要素（ＬＩＭ）を示している。
すなわち、２０００個の演算要素から構成される原子力
発電所のプラント動特性プログラムを、たつた２０００
枚のカードにより作成することが可能となる。これらの
カードはカードリーダ３１からＣＰＵ３４に入力され、
演算ブロツク記述テーブル４１に格納される。大型のモ
デルでは記述スペースの点で問題があるため、第１図の
モデルにより説明する。同図のモデルを演算処理するプ
ログラムは第１２図に示すとおり、各々の演算ブロツク
の演算種別や結合関係，演算定数等を規定する演算ブロ
ツク記述テーブルと、その前後に演算を制御する部分、
すなわちその演算が初回起動であり初期演算が必要か否
かの判定、必要な場合には初期演算を実行する、等の処
理から構成される。前者すなわち演算ブロツク記述テー
ブルはマクロ言語と呼ばれる言語でされたソースプログ
ラムとして入力され、マクロプロセツサと呼ばれる処理
プログラムで処理されるとアセンブリ言語に翻訳され
る。一方後者の処理はもともとアセンブリ言語で記述さ
れており、マクロプロセツサで処理された結果のアセン
ブリ言語と合わせてアセンブリにて処理され、実行モジ
ュールに変換される。これらの処理についてはシステム
プログラムに関する図書に詳細が記載されているが、一
例として John J.Donovan著“System Programming”McGraw−Hill
社刊の第２章，第３章，第４章を参照すると良い。

マクロ言語を処理するためには、あらかじめマクロ定義
と呼ばれる処理が必要となる。すなわち、マクロプロセ
ツサとはマクロ言語からアセンブリ言語への変換を行な
うものであるが、その変換方法を規定するのがマクロ定
義である。本実施例におけるマクロ定義の具体的な一例
として、第１３図に掛算要素の定義を示す。これは第１
１図(a)に示されるカード入力にもとづき演算ブロツク
実行プログラムを作成するためのものである。本実施例
においては実行プログラム作成プログラム４３は第１４
図に示すとおり以下の処理より構成される。すなわちマ
クロ展開処理４３１は演算ブロツク記述テーブルの内容
を先頭から逐次入力し、アセンブリ言語で記述された内
容ならそのままの形で出力する。演算ブロツク記述テー
ブルで記述された内容なら、すなわち入力カード（ソー
スプログラム）の第１１カラムより“ＭＵＬ”，“ＬＩ
Ｍ”等の記述があれば第１３図に示す定義テーブルにし
たがつてアセンブリ言語で記述した形で出力する。掛算
要素MULの場合第１３図により、先ず第１９カラム以
降、すなわちオペランドとして第１入力（乗数）をエリ
アＡに入力し、その内容が自然数なら次の処理ＭＵＬ１
へ、それ以外ならＥＲＲ（最終命令）にジヤンプする。
同様、次の入力が，（カンマ）の場合、次の処理ＭＵＬ
２へ、そうでない場合ＥＲＲへジヤンプする。このよう
にして第１１図(a)に示す入力の場合、エリアＡ，Ｂ，
Ｃに各々８，７，４が入力される。次にＭＵＬ５においてＡの内容８が左へ１ビツトシフトされ
て、すなわち１６として＆０に代入される。これは演算
ブロツクの演算結果は浮動小数点形式で記述されてお
り、１個のブロツクごとに２語分のエリアを必要とする
ため、要素番号８の演算結果は先頭から第１６番目に格
納するものである。＆１，＆２にも２倍した入力を設定
のうえ、＆Ｃに結果を格納するテーブルＫＥＫＡを設定
する。続くＴＥＸＴは実際のアセンブリ言語の命令を生
成する部分であり、各々ＬＤＤ，ＦＭ，ＳＴＤ（処理機
能は図８参照）、およびその処理対象データを前記計算
結果にもとづき作成する。この結果生成されるアセンブ
リ言語で記述された内容を第１５図に示す。本図から明
らかなように、演算に本質的な命令以外は使用されてお
らず、極めて効率の良いプログラムが作成されている。

以上の処理を演算ブロツク記述テーブル４１内すべての
データに対して実施の後、アセンブリ４３２およびロー
ダ４３３により演算ブロツク実行プログラム４４を生成
し、デイスク３５に格納される。上記処理の説明は通常
のものでありよく知られており、詳細は前掲図書による
ものとし省略する。

このように作成された演算ブロツク実行プログラム４４
は第１０図に示すとおり０．５秒で周期的に起動され、
演算結果テーブル４５の内容にもとづいて演算処理を実
施し、その結果を演算結果テーブル４５に格納する。プ
ロセス入出力処理プログラム４６は、演算結果テーブル
４５の内容にもとづき指示計３７３、記録計３７４やラ
ンプ３７６等をプロセス入出力装置３６を介して駆動
し、また設定器３７１や操作スイツチ３７２の状態を入
力する。

本発明の実施例によれば演算ブロツク図から容易に誤ま
りなくプログラミング可能なためプログラムの生産性が
極めて高く、かつ実行ステツプ数が少ないため小さなＣ
ＰＵを使用したプラントシミユレータの製作が可能とな
る。

第１図のモデルの実行時間は従来技術によれば約1.153
ミリ秒を必要としたのに対し、本実施例によれば約0.08
9ミリ秒で終了でき、その実行効率は約１３倍にも向上
された。このことは、大規模なシミユレーシヨンモデル
を実行する場合、例えば従来方式によればモデルの演算
にＣＰＵが１３台必要であつた場合でも、本発明によれ
ばＣＰＵはたつた１台で処理が可能となり、その経済性
向上に対する寄与は極めて大なるものがある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、演算しようとするモデルをデイジタル
装置で実現するに際し、モデルのデイジタル装置への入
力を単純・正確に実行可能でありかつ入力されたモデル
は効率が極めて良く、実行ステツプ数が小さくて済むた
め、必要とするハードウエアを小形化，小数化すること
が可能となる。一つの実験によればＣＰＵ負荷率を１３
分の１までに縮小することが可能であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は具体的なモデルのブロツク図、第２図は第１図
の演算結果波形を示す図、第３図は従来技術による処理
法の説明図、第４図は要素記述テーブルの例を示す図、
第５図は従来方式によるメインプログラムのコーデイン
グ例、第６図及び第７図は従来方式による掛算および取
込・格納サブルーチンのコーデイング例、第８図はコー
デイング例に使用された命令語の一覧図、第９図は本発
明の一実施例の全体構成図、第１０図は同ソフトウエア
構成を示す図、第１１図は演算ブロツク入力カードを示
す図、第１２図は演算ブロツク記述テーブルを示す図、
第１３図は演算ブロツク定義テーブルを示す図、第１４
図は実行プログラムの作成処理図、第１５図は作成され
た実行プログラムの一部を示す図である。３１……カードリーダ、３２……ラインプリンタ、３３……コンソール入出力装置、３４……ＣＰＵ、３５……デイスク、３６……プロセス入出力装置、３７……模擬制御盤。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラントのプロセス信号をプロセス入力装
置を介して取り込み、所定の演算処理を実行し、その結
果を出力するためのプログラム、を含む中央処理装置を
具備したディジタル演算装置において、上記中央処理装
置において実行される上記プロセス入力信号に対応した
演算処理を、複数個の演算ブロックから構成し、それぞ
れの演算ブロックの演算種別を実行するのに必要な被演
算データの結合関係をソースプログラムとして入力し、
このブロック演算処理を実行するのに先立って予め上記
ソースプログラムの各演算種別毎に上記中央処理装置の
実行命令種別とその処理対象データを指定するオペラン
ドの計算方法を定義し、その後、上記演算処理を規定し
たソースプログラムを上記定義された内容に置き換える
ことにより実行プログラムを予め作成し、該実行プログ
ラムに基づいて上記中央処理装置が、上記演算ブロック
の演算処理を実行することを特徴とするディジタル演算
装置のブロック演算方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のディジタル演
算装置のブロック演算方法において、上記オペランドの
計算については、上記実行プログラムの実行前に計算を
行なうことを特徴とするディジタル演算装置のブロック
演算方法。