Структура СУБД и назначение основных компонентов.

База данных – организованная совокупность данных, состоящая из связанных между собой данных об объектах некоторой предметной области, их свойствах и характеристиках.

База знаний – организованная совокупность знаний, относящихся к какой-нибудь предметной области, представленная определенной структурой.

Данные - информация фактического характера, описывающая объекты, процессы и явления предметной области, а также их свойства.

Знания описывают не только отдельные факты, но и взаимосвязи между ними. В компьютере знания должны быть представлены определенными структурами данных, соответствующими среде разработки интеллектуальной информационной системе. По своей природе знания делятся на декларативные и процедурные. Декларативные знания представляют собой описания фактов и явлений, фиксируют наличие или отсутствие таких фактов, также включают описания основных связей и закономерностей, в которые эти факты и явления входят. Процедурные знания – это описания действий, которые возможны при манипулировании фактами и явлениями для достижения намеченных целей.

Система управления базами данных (СУБД) - программное средство, предназначенное для организации и ведения логически взаимосвязанных данных на внешнем носителе, а также обеспечивающее доступ к данным.

Интеллектуальная информационная система основана на концепции использования баз знаний для генерации алгоритмов решения прикладных задач различных классов в зависимости от конкретных информационных потребностей пользователей.

К функциям СУБД относят следующие (к лекции по СУБД):

ü управление данными непосредственно в БД – функция, обеспечивающая хранение данных, непосредственно входящих в БД и служебной информации, обеспечивающей работу СУБД;

ü управление данными в памяти компьютера – функция, связанная в первую очередь с тем, что СУБД работают с БД большого размера. В целях ускорения работы СУБД используется буферизация данных в оперативной памяти компьютера. При этом пользователь получает только необходимую для его конкретной задачи часть БД, а при необходимости получает новую «порцию» данных;

управление транзакциями – функция СУБД, которая производит ряд операций над БД, как единым целым. Транзакция – это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Транзакция переводит БД из одного целостного состояния в другое.

ü управление изменениями в БД и протоколирование – функция, связанная с надежностью хранения данных, то есть возможностью СУБД восстанавливать состояние БД в аварийных ситуациях, например, при случайном выключении питания или сбое носителя информации. Для восстановления БД нужно располагать дополнительной информацией, по которой осуществляется восстановление. С этой целью ведется протокол изменений БД, в которой перед манипуляциями с данными делается соответствующая запись. Для восстановления БД после сбоя СУБД используется протокол и архивная копия БД – полная копия БД к моменту начала заполнения протокола.

ü поддержка языков БД - для работы с БД используется специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В СУБД обычно поддерживается единый язык, содержащий все необходимые средства – от создания БД до обеспечения пользовательского интерфейса при работе с данными. Наиболее распространенным в настоящее время языком СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

Компоненты субд

• Процессор запросов. Это основной компонент СУБД, который преобразует запросы в последовательность низкоуровневых инструкции для контролле­ра базы данных. Более полно функции этого компонента рассматриваются в главе 18, "Обработка запросов".

• Контроллер базы данных. Этот компонент взаимодействует с запущенны­
ми пользователями прикладными программами и запросами. Контроллер
базы данных принимает запросы и проверяет внешние и концептуальные
схемы для определения тех концептуальных записей, которые необходимы
для удовлетворения требований запроса. Затем контроллер базы данных
вызывает контроллер файлов. Для выполнения поступившего запроса. Компоненты контроллера базы данных показаны на рис. 2.7.

• Контроллер файлов манипулирует предназначенными для хранения данных файлами и отвечает за распределение доступного дискового пространства. Он создает и поддерживает список

Рис. 2.6. Осн-ые компоненты сис-мы упр-ия базами данных структур и индексов, определен­ных во внутренней схеме. Если используются хешированные файлы, то в его обязанности входит и вызов функций хеширования для генерации адресов записей. Однако контроллер файлов не управляет физическим вводом и выводом данных непосредственно, а лишь передает запросы соответствующим методам доступа, которые считывают данные в системные буферы или записывают их оттуда на диск.

• Препроцессор языка DML. Этот модуль преобразует внедренные в прикладные программы DML-операторы в вызовы стандартных функций базового языка. Для генерации соответствующего кода препроцессор языка
DML должен взаимодействовать с процессором запросов.

Компилятор языка DDL. Компилятор языка DDL преобразует DDL-команды в набор таблиц, содержащих метаданные. Затем эти таблицы со­храняются в системном каталоге, а управляющая информация — в заго­ловках файлов с данными.

Контроллер словаря. Контроллер словаря управляет доступом к системно­му каталогу и обеспечивает работу с ним. Системный каталог доступен большинству компонентов СУБД.

Рис. 2.7. Компоненты контроллера базы данных

Ниже перечислены основные программные компоненты, входящие в состав кон­троллера базы данных.

• Контроль прав доступа. Этот модуль проверяет наличие у данного пользователя полномочий для выполнения затребованной операции.

• Процессор команд. После проверки полномочий пользователя для выполнения затребованной операции управление передается процессору команд.

• Средства контроля целостности. В случае операций, которые изменяют содержимое базы данных, средства контроля целостности выполняют проверку того, удовлетворяет ли затребованная операция всем установленным ограничениям поддержки целостности данных (например, требованиям,установленным для ключей).

Ш Оптимизатор запросов. Этот модуль определяет оптимальную стратегию выполнения запроса. Более подробно оптимизация запросов рассматрива­ется в главе 18, "Обработка запросов".

• Контроллер транзакций. Этот модуль осуществляет требуемую обработку операций, поступающих в процессе выполнения транзакций.

• Планировщик. Этот модуль отвечает за бесконфликтное выполнение параллельных операций с базой данных. Он управляет относительным порядком выполнения операций, затребованных в отдельных транзакциях.

• Контроллер восстановления. Этот модуль гарантирует восстановление базы данных до непротиворечивого состояния при возникновении сбоев. В частности, он отвечает за фиксацию и отмену результатов выполнения
транзакций.

• Контроллер буферов. Этот модуль отвечает за перенос данных между оперативной памятью и вторичным запоминающим устройством — например, жестким диском или магнитной лентой. Контроллер восстановления и кон­троллер буферов иногда (в совокупности) называют контроллером данных.

Последних четыре модуля подробно обсуждаются в главе 17, "Управление тран­закциями". Для воплощения базы данных на физическом уровне помимо перечис­ленных выше модулей нужны некоторые другие структуры данных. К ним относятся файлы данных и индексов, а также системный каталог. Группой DAFTG (Database Architecture Framework Task Group)была предпринята попытка стандартизации СУБД, и в 1986 году ею была предложена некоторая эталонная модель. Назначение эталонной модели заключается в определении концептуальных рамок для разделения предпринимаемых попыток стандартизации на более управляемые части и указания взаимосвязей между ними на очень широком уровне.

 

43. Статические характеристики нелинейных элементов.

Большинство характеристик реальных устройств в общем случае являются нелинейными и некоторые из них не могут быть линеаризованы, т.к. имеют разрывы второго рода и к ним кусочно-линейная аппроксимация неприменима. Работу реальных звеньев (устройств) могут сопровождать такие явления, как насыщение, гистерезис, люфт, наличие зоны нечувствительности и т.д. Нелинейности могут быть естественными и искусственными (преднамеренно вводимые). Естественные нелинейности присущи системам в силу нелинейного проявления физических процессов и свойств у отдельных устройств. Например, механическая характеристика асинхронного двигателя. Искусственные нелинейности вводятся разработчиками в системы, чтобы обеспечить требуемое качество работы: для оптимальных по быстродействию систем применяют релейное управление, наличие нелинейных законов в поисковых и без поисковых экстремальных системах, системы с переменной структурой и т.д.
Нелинейной системой называется такая система, в состав которой входит хотя бы один элемент, линеаризация которого невозможна без потери существенных свойств системы управления в целом. Существенными признаками нелинейности являются: если некоторые координаты или их производные по времени входят в уравнение в виде произведений или степени, отличной от первой; если коэффициенты уравнения являются функциями некоторых координат или их производных. При составлении дифференциальных уравнений нелинейных систем сначала составляют дифференциальные уравнения для каждого устройства системы. При этом характеристики устройств, допускающих линеаризацию, линеаризуются. Элементы, не допускающие линеаризации, называются существенно нелинейными. В результате получают систему дифференциальных уравнений, в которой одно или несколько уравнений нелинейные. Устройства, допускающие линеаризацию, образуют линейную часть системы, а устройства, которые не могут быть линеаризованы, составляют нелинейную часть. В простейшем случае структурная схема САУ нелинейной системы представляет собой последовательное соединение безынерционного нелинейного элемента и линейной части, охваченное обратной связью (рис.7.1). Так как для нелинейных систем не применим принцип суперпозиции, то, проводя структурные преобразования нелинейных систем, единственным ограничением по сравнению со структурными преобразованиями линейных систем, является то, что нельзя переносить нелинейные элементы через линейные и наоборот.

Рис. 7.1. Функциональная схема нелинейной системы:
НЭ - нелинейный элемент; ЛЧ - линейная часть; Z(t) и X(t)
соответственно выход и вход нелинейного элемента.

Классификация нелинейных звеньев возможна по различным признакам. Наибольшее распространение получила классификация по статическим и динамическим характеристикам. Первые представляются в виде нелинейных статических характеристик, а вторые - в виде нелинейных дифференциальных уравнений. Примеры таких характеристик приведены в [2,6]. На рис.7.2. приведены примеры однозначных (без памяти) и многозначных (с памятью) нелинейных характеристик. В этом случае учитывается направление (знак) скорости сигнала на входе.

Рис.7.2. Статические характеристики нелинейных элементов

Поведение нелинейных систем при наличии существенных нелинейностей имеет ряд особенностей, отличных от поведения линейных САУ [2,6,13]:

1. выходная величина нелинейной системы непропорциональна входному воздействию, т.е. параметры нелинейных звеньев зависят от величины входного воздействия;
2. переходные процессы в нелинейных системах зависят от начальных условий (отклонений). В связи с этим, для нелинейных систем введены понятия устойчивости "в малом", "в большом", "в целом". Система устойчива "в малом", если она устойчива при малых (бесконечно малых) начальных отклонениях. Система устойчива "в большом", если она устойчива при больших (конечных по величине) начальных отклонениях. Система устойчива "в целом", если она устойчива при любых больших (неограниченных по величине) начальных отклонениях. На рис.7.3 приведены фазовые траектории систем: устойчивой "в целом" (а) и системы устойчивой "в большом" и неустойчивой "в малом" (б);

Рис.7.3. Фазовые траектории нелинейных систем

3. для нелинейных систем характерен режим незатухающих периодических колебаний с постоянной амплитудой и частотой (автоколебаний), возникающий в системах при отсутствии периодических внешних воздействий;
4. при затухающих колебаниях переходного процесса в нелинейных системах возможно изменение периода колебаний.
Эти особенности обусловили отсутствие общих подходов при анализе и синтезе нелинейных систем. Разработанные методы позволяют решать лишь локальные нелинейные задачи. Все инженерные методы исследования нелинейных систем разделяются на две основные группы: точные и приближенные. К точным методам относится метод А.М.Ляпунова, метод фазовой плоскости, метод точечных преобразований, частотный метод В.М.Попова. Приближенные методы основаны на линеаризации нелинейных уравнений системы с применением гармонической или статистической линеаризации. Границы применимости того или иного метода буду рассмотрены ниже. Следует заметить, что в обозримом будущем имеется необходимость дальнейшего развития теории и практики нелинейных систем.
Мощным и эффективным методом исследования нелинейных систем является моделирование, инструментарием которого служит компьютер. В настоящее время многие сложные для аналитического решения теоретические и практические вопросы сравнительно легко могут быть решены с помощью вычислительной техники.

Основными параметрами, характеризующими работу нелинейных САУ, являются:
1. Наличие или отсутствие автоколебаний. Если автоколебания имеются, то необходимо определить их амплитуду и частоту.
2. Время выхода регулируемого параметра в режим стабилизации (быстродействие).
3. Наличие или отсутствие скользящего режима.
4. Определение особых точек и особых траекторий движения.
Это далеко не полный перечень исследуемых показателей, сопровождающих работу нелинейных систем. Системы экстремальные, самонастраивающиеся, с переменными параметрами требуют оценки и дополнительных свойств.