СУХТП лекции. Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание
 Скачать 2.79 Mb.
|
|
х. В связи с этим соответствующие законы регулирования называются также линейными. В технике регулирования, наряду с линейными, применяются и нелинейные законы регулирования. Простейшими примерами таких законов могут служить соотношения (1.5) и (1.7), если фигурирующие в них функции (х) и 1 (x) отличны от линейных. Среди нелинейных законов регулирования наиболее распространены релейные законы. Например, приняв в уравнении (1.5) 0 , 0 , ) ( max max − = x если x если x , где max > 0 — максимальное значение регулирующего воздействия, получим так называемый двухпозиционный релейный закон регулирования. При н н н н x x если x x x если x x если x − − − = , , 0 , ) ( max max где x н — величина, характеризующая зону нечувствительности регулятора, соотношение (1.5) определяет трехпозиционный релейный закон регулирования и т. д. Применение релейных законов регулирования во многих случаях дает возможность решать задачу автоматического регулирования той или иной физической величины весьма простыми техническими средствами, при малом весе и габаритах регулирующей аппаратуры и высоком ее быстродействии. Во многих случаях использование нелинейных законов регулирования и управления позволяет добиться таких результатов, которые принципиально не могут быть достигнуты при помощи линейных регуляторов. Поэтому направление, связанное с разработкой и применением нелинейных законов 23 управления, в настоящее время интенсивно развивается. 1.4 Понятие об автоматизированном технологическом объекте Во всяком технологическом объекте можно выделить несколько основных частей (рис. 1.7). Технологический объект (ОР) д а тч и ки М ул ьт и пл е кс о р АЦП ЦАП (ИЭ) Силовые преобразователи (РО) ЭВМ (ПЭ, СЭ, ЗЭ) Ethernet И нт е р ф е й с и л и а д а пт е р Т Р V Y аналоговый Y цифровой. цифров. аналог. (ЧЭ) Измерительная система Рисунок 1.7 – Обобщенная блок-схема автоматизированного технологического объекта. Во-первых, имеется технологический объект, который реализует какой либо процесс. Процесс должен воспроизводится при определенных значениях определяющих его параметров. Для задания и выдерживания заданных значений этих параметров объект снабжается системой управления, включающей в себя силовые и цифро-аналоговые преобразователи. Следующей по основному потоку движения информации является измерительная система. Измеряемыми величинами являются физические величины (напряжение, ток, температура, линейный, объемные и угловые перемещения, давление и др.). Первоначальными источниками информации о значениях измеряемых величин служат датчики. Датчики чаще всего выдают сигнал в аналоговой форме (непрерывной во времени), если сигнал слабый, то 24 его усиливают. Сигналы от датчиков поступают на измерительные устройства. Измерительные устройства, применяемые в автоматизированных системах, имеют, как правило, цифровую индикацию и цифровое представление результата на выходе. Узел, переводящий аналоговую информацию в цифровую, носит название аналого-цифрового преобразователя – АЦП. Часто при практической реализации системы с целью экономии оборудования одни и те же измерительные устройства могут обслуживать большое число датчиков. Поочередное подключение датчиков к АЦП осуществляется мультиплексором (коммутатором). Следующей частью системы является узел обработки и управления. Он включает в себя процессор, оперативное запоминающееся устройство и систему математического обеспечения. Чаще всего в этой роли выступают промышленные компьютеры, интеллектуальные контроллеры на базе тех или иных процессоров, а иногда и обычные персональные компьютеры (ЭВМ). Процессор осуществляет обработку данных по заданному алгоритму. Под алгоритмом будем понимать набор формальных правил, описывающих способ преобразования исходных данных для получения результата. Кроме этого, имеются устройства ввода-вывода. Форма и способ представления информации на входах и выходах различных устройств (АЦП, ЦАП рис.1.7) могут не совпадать. Для возможности соединения устройств между собой выработаны стандарты на сопряжения – интерфейсы и по этим стандартам выполняются соединения. Главный интерфейс системы – это стык между ЭВМ и измерительной системой. В автоматизированный системах, в случае, если какие-либо узлы или блоки системы, подключаемые к ЭВМ, не имеют стандартного интерфейса, они подключаются через адаптеры (переходники). Функционально законченные элементы системы, имеющие одинаковый интерфейс ввода- вывода, называются модулями. При наличии типовых модулей различного 25 назначения система автоматизированного управления может быть составлена из них полностью или частично. После обработки в ЭВМ информации, поступающей с датчиков, по тому или иному алгоритму или математической модели принимается решение (вырабатывается сигнал управления µ) и через интерфейс подается в ЦАП. Сигнал управления, после преобразования в ЦАП в аналоговую форму, воздействует на силовые преобразователи, которые меняют состояние технологического объекта в необходимом направлении. Данные о процессе через сеть передаются в головной компьютер или сервер данных. Если сравнить рис.1.4 и рис.1.7 то увидим, что автоматизированный технологический объект реализует схему автоматического регулятора, работающего по ошибке. Где технологический объект это объект регулирования (ОР), сигналы датчиков – измеряемые величины (y), измерительная система – чувствительный элемент (ЧЭ), ЭВМ – задающий, сравнивающий и промежуточный элементы (ЗЭ, СЭ, ПЭ), ЦАП – исполнительный элемент (ИЭ), силовые преобразователи – регулирующий орган (РО). Из рис 1.7 видно, что для создания реально работающей схемы автоматизированного технологического объекта необходимо познакомится в первую очередь с принципами организации ЭВМ, системами наиболее популярных интерфейсов, измерительными системами, системами датчиков. Знакомство начнем с принципов организации ЭВМ. 26 2 Архитектура ЭВМ 2.1 Понятие архитектуры ЭВМ. Представление информации в ЭВМ Для автоматизации технологических процессов используют различные ЭВМ, начиная от больших и заканчивая микроЭВМ, встраиваемыми в приборы. Выбор ЭВМ в каждом конкретном случае определяется рядом факторов: сложностью решаемой задачи, уровнем организации работ по автоматизации, стоимостью оборудования и т.п. Дадим краткую классификацию ЭВМ и определим класс машин, о которых будет идти речь в дальнейшем. ЭВМ, входящие в вычислительные системы, подразделяются на сверхбольшие, большие, средние, мини и микроЭВМ. Первые три вида в основном применяются для выполнения сложных расчетов, в информатике, в системах коллективного пользования и редко используются непосредственно для целей автоматизации. Типичными представителями больших и средних ЭВМ являются 'Эльбрус", "Грей" и ЕС-1066. Основная часть систем автоматизации создается на базе мини и микроЭВМ. В связи с прогрессом в области микропроцессорной техники и появлением новых моделей мини и микроЭВМ деление машин часто отражает лишь размеры вычислительной системы, определяемые в основном периферийными устройствами, а не возможностью самой машины. В середине 80-х годов резко возросло производство различных типов персональных компьютеров: IBM-XT, IBM-AT, Apple, Macintoch и др., отличающихся малыми размерами и снабженных компактной периферией. Вычислительные возможности наиболее развитых моделей ПК находятся на уровне возможностей мини-ЭВМ. ПК так же широко используются для целей автоматизации. Мини и микроЭВМ образуют программно-совместимые семейства. Модели внутри каждого семейства различаются по возможностям, предоставляемым пользователям: по быстродействию, объему памяти и т.п. Объединяет их то, что программа, написанная для одной из моделей, может быть выполнена на другой того же семейства. Модели внутри семейства обычно совместимы снизу вверх, 27 т.е. программа, написанная для модели, обладающей меньшими возможностями, может быть без изменения выполнена на модели с большими возможностями, но не наоборот. Работу ЭВМ можно рассматривать на трех уровнях. Самый низкий уровень составляют технические или аппаратные средства - электронные схемы и элементы, из которых состоит ЭВМ, их функциональное назначение, способы соединения и т.д. Эти сведения необходимы при разработке, как самой ЭВМ, так и систем автоматизации, в состав которых она входит. Следующий уровень - архитектура и организация. Термин "архитектура" используется для описания функциональных возможностей, предоставляемых пользователю аппаратными средствами ЭВМ. Архитектура отображает доступные пользователю элементы структуры (набор регистров, адресное пространство, элементы памяти и т.п.), а также средства и возможности, необходимые для программирования работы ЭВМ (способы представления информации, система команд, способы адресации и т.д.). Организация ЭВМ определяет, каким образом реализуются возможности, заложенные в архитектуре. Верхний уровень – программное обеспечение, которое в свою очередь подразделяется на системное и прикладное. В России де-факто сложилась ситуация, когда 95% компьютерного рынка занимают IBM PC совместимые машины, построенные на процессорах Intel или их аналогах с расширенной системой команд. Аналогичная ситуация и с компьютерами промышленного назначения. Поэтому мы будем рассматривать этот класс машин. В ЭВМ используется двоичный способ представления информации: сигнал может принимать только два значения, низкий уровень напряжения условно принимается за нуль, высокий за единицу. Любое сообщение, передаваемое по линиям данные/адрес магистрали, есть совокупность нулей и единиц, которую можно интерпретировать как число, записанное в двоичной системе счисления. Каждый двоичный разряд называется битом. Бит может 28 принимать только два значения 0 или 1. Биты объединяются в байты (8 бит=2 8 =256 значений) и слова. Термин «слово» по разному трактуется в руководствах по микро – ЭВМ. Мы будем под словом понимать максимальное число бит, которые могут быть одновременно (параллельно) переданы по линиям данных процессора. В микро-ЭВМ PC-AT286 длинна слова равна 16 битам, поскольку для передачи данных в магистрали выделяется 16 линий. В компьютерах класса Pentium длина слова равна 32 битам. Двоичная система счисления, в которой работаю все электронные устройства ЭВМ, неудобна для восприятия человеком и слишком громозка для записи. Для наглядности и удобства представления двоичного содержимого слова широко используется шестнадцатеричная и восьмеричная системы счисления. В восьмеричной системе каждый разряд может принимать восемь значений от 0 до 7. Для шестнадцатеричной системы требуется 16 значений, так что наряду с десятичными цифрами от 0 до 9 используются латинские буквы A, B, C, D, E, F. В основе шестнадцатеричной системы счисления лежит максимально возможное число комбинаций для четырех двоичных разрядов (4 электрических проводников). Кодовая таблица шестнадцатеричной системы приведена ниже: 0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F Выделенная часть составляет восьмеричную систему. 29 Поскольку каждая тройка (четверка) двоичных разрядов эквивалентна одной восьмеричной (шестнадцатеричной) цифре, то перевод двоичного числа в восьмеричное (шестнадцатеричное) заключается в разбивке справа налево двоичных разрядов на группы из 3 (4) бит с последующей заменой каждой группы соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой. С целью получения общего числа бит в слове, кратного трем или четырем, к двоичному числу нужно добавить слева необходимое число нулей 001110100011101001 = 164351 (8) = E8E9 (16) Содержимое любой ячейки памяти может интерпретироваться как машинная команда или как данные, Целые числа интерпретируются в ЭВМ либо как числа без знака, либо как числа со знаком. Беззнаковое представление удобно использовать для работы с адресами, которые не могут быть отрицательными. Число без знака, записанное в машинном слове, не может выходить за диапазон 0000÷FFFF (16), 0÷65535 (10). При необходимости использовать в программе как положительные, так и отрицательные целые числа, самый старший двоичный разряд слова отводится под знак (0 означает плюс, 1- минус), а под значащую часть числа отводят оставшиеся 15 разрядов. Отрицательные числа записываются в дополнительном коде, который образуется из прямого путем замены всех нулей на единицы и наоборот (это так называемый обратный код) и прибавления к полученному числу единицы: 0000 0000 0000 1100 = 000C (16) прямой код числа 12 (10) 1111 1111 1111 0011 = FFF3 (16) обратный код числа 12 (10) 1111 1111 1111 0100 = FFF4 (16) дополнительный код числа 12 (10) или код числа -12. Если число со знаком записывается в машинном слове, то положительные числа лежат в диапазоне 0000÷7FFF (0÷32767), а отрицательные в диапазоне FFFF÷8000 (-1÷-32768). Многие аналого-цифровые преобразователи представляют результаты измерений для отрицательных чисел в дополнительном коде. 30 2.2 Структура памяти. Структура магистрали IBM PC – AT Как мы уже говорили память предназначена для хранения программ и данных. В микро-ЭВМ используются несколько видов памяти, которые подразделяются на внутреннюю и внешнюю. Наиболее важную, для понимания работы микро-ЭВМ, роль играет внутренняя оперативная память, организацию которой мы и рассмотрим. Оперативная память представляет собой электронное устройство, включающее в себя большое количество запоминающих элементов для записи бит информации, а также схемы управления ими. Элементы группируются в байты и слова. У каждого слова и каждого байта есть адрес – номер, по которому к ним обращается центральный процессор. Все байты оперативной памяти нумеруются, начиная с нуля. Слова нумеруются четными числами, причем четные байты считаются младшими в слове и занимают разряды 0÷7 слова, нечетные байты слова занимают старшие разряды 8÷15. В микро-ЭВМ предусмотрена возможность обращения, как к словам, так и к байтам. Разрядность адреса памяти определяет максимальную область памяти или адресное пространство памяти, доступное для процессора. Так, 16 – разрядный адрес позволяет обращаться к 64Кбайтам (1Кб=2 10 =1024 байт, 1Мб=2 20 =1024Кб) или к 32Ксловам, 32 разрядный к 4Гбайтам (2 32 ) или к 1Гслову (для 32 разрядных слов). Структура стандартной памяти ОЗУ размером в 1Мб IBM PC совместимого компьютера класса PC-AT286 представлена на рис. 2.1. 31 Ряд адресов памяти закреплен для специальных целей. Адреса памяти с 00000 по 00400H (H - обозначение шестнадцатеричной системы счисления) зарезервированы под векторы прерываний и использовать их для других целей нельзя. Программы и данные располагаются в ячейках памяти с адресами 00400H÷9FFFFH. ПЗУ BIOS и др. 1024 Кб FFFFFH F0000H E0000H C8000H C0000H A0000H 00400H 64 Кб 64 Кб 96Кб 32Кб 128Кб 640 Кб Кадр страницы EMS Память в верхних адресах ПЗУ VGA Видео - ОЗУ DOS программы пользователя Вектора прерываний A A A A О З У с и ст е м н о е О З У D O S Рисунок 2.1 – Структура стандартной памяти ОЗУ IBM PC-AT286. В IBM – совместимых ПК, для обеспечения совместимости с предыдущими моделями, адреса задаются совокупностью двух шестнадцатеричных слов, которые называются сегментом и смещением. 32 Сегмент – это участок памяти, имеющий длину 64Кб и начинающийся с физического адреса, кратного 16 (т.е. 0, 16, 32, 48 и т.д.). Смещение указывает сколько байт от начала сегмента необходимо пропустить, чтобы обратиться к нужному адресу. Для адресации в пределах 1Мб необходимо 20 двоичных разрядов, которые получаются из сегмента и смещения следующим образом: содержимое сегмента смещается влево на 4 разряда, освободившиеся правые разряды заполняются нулями, результат складывается с содержимым смещения (рис 2.2). Поэтому абсолютный адрес состоит из двух частей сегмента и смещения разделенных двоеточием 8000:10F0. 0 0 0 0 1 2 3 4 16 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 15 14 13 12 12 11 11 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 13 14 15 16 17 18 19 20 Сегмент Смещение Рисунок 2.2 – Образование двадцатиразрядного адреса. В микро – ЭВМ используется оперативная память различных типов. Память, сохраняющая свое содержимое при выключении питания, называется энергонезависимой, в противном случае она энергозависима. Наиболее распространена энергонезависимая память, выполненная на флеш – микросхемах, а энергозависимая на МОП БИС. В настоящее время в качестве оперативной памяти микро – ЭВМ чаще всего используются динамические запоминающиеся устройства на МОП – структурах. Динамическим ЗУ присущ существенный недостаток: для сохранения содержимого необходимо периодически считывать и записывать элементы памяти, этот процесс называется регенерацией памяти. Типичный период регенерации составляет 2 мс. В зависимости от конкретного исполнения ЗУ доступ к нему может блокироваться на время регенерации или быть «прозрачным» для центрального процессора. При работе ЭВМ в линию с экспериментом это необходимо учитывать. Тем не менее три достоинства: высокая степень интеграции, малое потребление энергии, малая удельная стоимость бита информации, определяют широкое применение динамических 33 ЗУ в ЭВМ. Динамические ЗУ позволяют записывать и считывать данные по любому адресу в произвольный момент времени. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) допускают только считывание содержимого ячеек памяти по любому адресу. Запись данных в ПЗУ производится с помощью специального оборудования – программатора. Существуют три основных типа ПЗУ, которые различаются по способу записи их содержимого. В ПЗУ первого типа (масочные ПЗУ) данные записываются один раз, при производстве соответствующей БИС. Содержимое ПЗУ второго типа (программируемые ПЗУ или ППЗУ) при наличии специального оборудования может задавать пользователь. Обычно ППЗУ реализуются с помощью диодных матриц, расположенных в корпусе БИС. Используя внешние контакты, выбранные диоды можно выжечь, записав тем самым в ячейки необходимую информацию. После программирования содержимое таких ПЗУ изменить нельзя. ПЗУ третьего типа при наличии соответствующего оборудования пользователь может программировать и репрограммировать много раз (РПЗУ). ПЗУ первого типа обычно используются в управляющей памяти Ц.П. ППЗУ и РПЗУ могут использоваться для записи программ обслуживания технологических процессов или обработки его результатов при условии, что программы неизменны. Центральный процессор (ЦП), память и устройства ввода-вывода (УВВ) связаны между собой магистралью, представляющей набор проводников, по которым передается различная информация. В некоторых микро-ЭВМ используются две магистрали, одна – для связи центрального процессора с памятью, а другая - для связи с УВВ. Линии магистрали подразделяются на три группы: линии данных, адреса и управления. В некоторых микро – ЭВМ линии адреса и данных физически совмещены и попеременно используются для передачи адресов и данных, например магистраль PCI в компьютерах IBM PC. На рис. 2.3 приведена схема магистрали компьютера класса IBM PC-AT, а на рис 2.4 более сложная 34 организация компьютера класса Pentium. Шина управления Шина данных 16 линий Шина адреса 24 линии Микро- процессор 80286 Шинный контроллер 82288 ОЗУ УВВ Рисунок 2.3-Схема магистрали компьютера класса IBM PC-AT Линии данных используются для передачи информации между отдельными частями микро – ЭВМ. При взаимодействии, например ЦП с памятью этой информацией являются команды или данные, которые либо считываются из соответствующих ячеек памяти, либо записываются в них, а при взаимодействии с УВВ – данные, состояние УВВ, приказы или информация о прерывании. Число линий данных в магистрали определяет число передаваемых одновременно бит и обычно совпадает с длинной слова, выраженной в битах. Как правило, линии данных являются двунаправленными, т.е. передача данных по ним возможна в двух направлениях. Направление передачи определяется специальными сигналами, передаваемыми по линиям управления; в конкретный момент времени может производится передача только в одном направлении. Линии адреса предназначены для передачи комбинаций бит, с помощью которых происходит обращение к ячейке памяти, каждая из которых имеет свой адрес. Число бит, используемых для задания адреса, определяет множество 35 Рисунок 2.4 – Магистральная организация компьютера класса Pentium. возможных адресов, которое образует адресное пространство машины. Так, 16 линий адреса позволяют адресоваться к 32 Кслов (64 Кб) памяти, при этом формируемый ЦП 16-разрядный адрес непосредственно поступает на линии адреса магистрали. Увеличение числа адресных линий до 24 позволяет расширить адресное пространство до 16 Мб, 32 линии до 4Гб. На магистрали применяется синхронный способ передачи адреса и данных, который вводится с помощью сигналов управления. Сигналы управления передаются по линиям управления. Хотя в разных микро-ЭВМ линии 36 управления функционально различаются, информация, передаваемая по ним, представляет собой совокупность определенных сигналов: • запросы на использование магистрали, которые формируются различными устройствами, подключенными к магистрали; • разрешение использования магистрали, которое формируется в соответствии с назначенными приоритетами в схемах приоритетов (эти схемы могут находиться в центральном процессоре или реализуются на отдельных БИС); • сигналы прерываний, фиксирующие внешние события, требующие внимания ЦП и разрешающие их в соответствии с приоритетами; • сигналы синхронизации для координации передач по линиям адресов и данных; • сигналы о неисправностях или выключении питания. |