Тема ЭВМ в системах управления мы все умны, когда дело идет о том, чтобы давать советы
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ Тема 7. ЭВМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Мы все умны, когда дело идет о том, чтобы давать советы. Менандр. Греческий поэт-комедиограф. IV в. до н.э. Главный принцип управления – выслушивать всех, но принимать только собственные ре- шения, и все будут довольны. От твоего правильного решения все выиграют, от непра- вильного – почувствуют себя более мудрыми. Спартак Нетунаев. Уральский геолог, ХХ в. Содержание Введение. 1. Цифровые системы управления. Укрупненная схема. Эквивалентная схема цифровой системы управле- ния. Особенности цифровых систем. 2. ЭВМ в контурах систем управления. ЭВМ общего назначения. Специализированные ЭВМ и вычисли- тельные комплексы. Управляющие ЭВМ, управляющие ВК и промышленные ПК. Рабочие станции. Управление системами на базе ЭВМ. 3. Системы управления предприятием. Основные понятия. Уровни систем управления. Информационный продукт. Информационные системы. Информационная система управления предприятием. Задачи ИСУП. Контроллинг. Перспективы развития ИСУП и контроллинга. Рынок ИСУП. ИСУП в решении задач контроллинга. 4. Обеспечение работы систем управления. Техническое обеспечение СУ. Информационное обеспечение. Математическое обеспечение. Программное обеспечение. Лингвистическое обеспечение. 5. Программное обеспечение систем управления. Структура программного обеспечения. Системное про- граммное обеспечение. Операционные системы реального времени. Прикладное программное обеспечение для САУ. Инст- рументы разработки и отладки программного обеспечения. Сопровождение программного обеспечения. ВВЕДЕНИЕ Многие задачи в системах управления требуют формирования таких сложных законов управле- ния объектами, которые не могут быть реализованы традиционными элементами и устройствами авто- матики. Так, например, в системах управления движущимися объектами требуются сложные вычисле- ния с преобразованием координат, решением прямоугольных и сферических треугольников, счислени- ем пути и т. п. Очень сложные вычисления производятся в адаптивных системах управления. Эти зада- чи решаются с помощью современных средств вычислительной техники, вводимых в контур управле- ния динамической системой или используемых для разнообразных расчетов и поисков оптимальных решений. Системы управления, в состав которых входят ЭВМ или иные устройства, осуществляющее об- работку цифровой информации, принято называть цифровыми системами автоматического управления. Форма представления и способ обработки информации определяют основную особенность ра- боты цифровых систем и методов синтеза цифровых регуляторов. Дискретный характер сигналов в управляющей ЭВМ вызывает необходимость использования дискретных алгоритмов управления, кото- рые могут быть построены преобразованием соответствующих непрерывных регуляторов. Вместе с тем использование ЭВМ в контуре обратной связи приводит к целому ряду особенностей цифровой системы, обусловленных спецификой взаимодействия ее функциональных элементов, а для построе- ния аналитической модели цифровой системы необходимо принимать во внимание аппаратные средст- ва системы и процессы обмена информацией между ними. 7.1. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ [1]. Укрупненная схема цифровой системы управ- ления приведена на рис. 7.1.1. Она содержит управ- ляющую ЭВМ, объект управления ОУ, устройство вво- да информации УВ и устройство, предназначенное для сопряжения ЭВМ с объектом, получившие название устройства сопряжения УС. Управляемый процесс (объект), как правило, имеет аналоговую природу, и связанные с ним сигналы у(t) и u(t) являются аналоговыми. Управляющая ЭВМ (а равно и любое дру- гое цифровое устройство) имеет дело только с цифровой информацией, и сигналы на ее входах N y и выходах N u представлены цифровым кодом. К современным измерительным устройствам относятся разнообразные датчики аналоговой природы, выходом которых являются электрические сигналы постоянного или переменного тока y(t), кодовые датчики, обеспечивающие получение параллельного цифрового кода N y , а также импульсные измерительные устройства, на выходе которых получается импульсная последовательность n у . Цифро- вые измерительные устройства совместимы с цифровыми процессами в управляющей ЭВМ, что уп- Рис. 7.1.1. 2 рощает устройства ввода УВ. Центральным элементом системы является управляющая ЭВМ, которая по заданному алгорит- му осуществляет обработку информации от измерительных устройств и выполняет функции устройст- ва управления (цифрового регулятора). Важнейшими модельными особенностями управляющей ЭВМ как цифрового регулятора явля- ются ее дискретность, циклический характер обработки информации и наличие запаздывания в про- цессе обработки сигналов. Дискретность обусловлена квантованием по уровню и времени всех вычис- лительных процессов, а, следовательно, и дискретным характером сигналов на входе N y (kT) и выходе ЭВМ N u (kT). Интервал квантования по времени задается с помощью таймера, а приращение по уров- ню зависит от разрядности ЭВМ. Для ЭВМ с достаточно большой разрядной сеткой квантованием по уровню обычно пренебрегают. Тогда сигналы N y (kT) и N u (kT) рассматриваются как стандартные ам- плитудно-модулированные импульсные последовательности (решетчатые функции). Запаздывание, вносимое управляющей ЭВМ, вызвано потерями времени на ввод-вывод инфор- мации и вычисление управления по заданному алгоритму. С учетом запаздывания выходом ЭВМ сле- дует считать дискретный сигнал N u (kT-), смещенный относительно идеального сигнала на величину . Для упрощения модели системы запаздыванием либо пренебрегают, либо полагают равным одному интервалу дискретизации с выходным сигналом N u ((k-1)T). В дальнейшем будем полагать, что работа всех устройств цифровой системы синхронизирована и происходит с интервалом дискретности Т, а их разрядные сетки одинаковы. В функции устройств сопряжения с объектом входит промежуточное хранение цифровой ин- формации и (при необходимости) преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно. Эквивалентная схема цифровой системы управления. Для построения математической модели цифровой системы введем в рассмотрение некоторые специальные блоки: • квантователь непрерывных сигналов (рис. 7.1.2, а), имеющий характеристику x 1 (kT) = x 2 (t) при t = kT; (7.1.1) • фиксатор, или экстраполятор нулевого порядка (рис. 7.1.2, б), описываемый выражением x l (t) = x 2 (kT) при t ∈ [kT, (k+1)Т); (7.1.2) • звено запаздывания (элемент задержки на время , рис. 7.1.2, в) с характеристикой x 1 (t) = x 2 (t-). (7.1.3) Функциональная схема цифровой системы с объ- ектом управления аналоговой природы и сигналы в раз- личных ее точках приведены на рис. 7.1.3 и 7.1.4. Схема представлена самим ОУ с аналоговыми измерительными и исполнительными устройствами, управляющей ЭВМ, таймером Т, обеспечивающим тактирование процессов с интервалом Т, и устройствами аналогового ввода-вывода. При рассмотрении пренебрежем эффектом квантования сигналов по уровню и различием между ана- логовыми и цифровыми сигналами, принимая во внимание, что способ кодирования информации не влияет на информационное содержание сигналов. Работа цифровых систем управления аналоговыми процессами с цифровыми измерительными и исполнительными устройствами, инкриментными датчи- ками и иными типами цифровых устройств может рассматриваться по той же схеме и приводит к иден- тичной математической модели. Функциональная схема содержит АЦП, входным сиг- налом которого является непре- рывный сигнал y(t) (точка А), а выходным кусочно- постоянный сигнал ỹ(t) = y(kT) (точка В), который поступает на вход следующего блока - вход- ного регистра ВхР. Выходом последнего служит шина управляющей ЭВМ (точка С), на которой в мо- менты ввода информации t = kT появляется импульсный сигнал y(kT). Таким образом, первые два бло- Рис. 7.1.2. Рис. 7.1.3. 3 ка системы преобразуют непрерывный сигнал y(t) в квантованный по времени дискретный сигнал y(kT), т. е. представляют собой квантователь, при этом эффект квантования вызван периодическими обращениями ЭВМ к входному регистру. Дискретный сигнал y(kT) поступает в процес- сор ЭВМ, где производится расчет текущих значений управляющего воздействия. В идеальном случае на выходе ЭВМ (точка D) мгновенно формируется дис- кретный сигнал u'(kT). С учетом запаздывания - сме- щенная импульсная последовательность u'(kT-), где <Т, или, полагая для простоты =Т, сигнал u'((k-1)T). В моменты времени t = kT-сигнал с выхода ЭВМ u'(kT-) поступает на выходной регистр ВыР, ко- торый обеспечивает его сохранение в течение интерва- ла Т. Тем самым обеспечивается преобразование импульсной последовательности в кусочно- непрерывный сигнал ū'(kT-) (точка Е). Этот элемент схемы является фиксатором. Цифроаналоговый преобразователь, как уже отмечалось, является пассивным элементом и по- этому сигнал на его выходе (точка F) по информационному содержанию совпадает с входным сигналом и является входным сигналом объекта управления. Эквивалентная схема циф- ровой системы управления, соот- ветствующая ее математической модели для случая линейного объекта управления, линейного регулятора и запаздывания =Т приведена на рис. 7.1.5. В состав схемы входит ОУ с передаточной функцией W o (p), цифровой регуля- тор с передаточной функцией K(z), квантователь К, элемент задержки l/z и экстраполятор Э. В общем случае модель может включать каналы задающих воздействий и обратные связи по различным пере- менным системы. Особенности цифровых систем. Основной особенностью цифровой системы является спо- соб обработки информации в регуляторе (управляющей ЭВМ), который предусматривает использова- ние только арифметических операций и позволяет реализовывать алгебраические алгоритмы управле- ния, включая рекуррентные процедуры решения разностных уравнений. При этом возможность непо- средственной реализации динамических алгоритмов управления, записанных в виде дифференциаль- ных либо интегральных уравнений, исключается, и подобные алгоритмы также должны быть приведе- ны к рекуррентной форме. Пример 1. Простейший пропорциональный алгоритм управления имеет вид: u = К, = y* - y. Выражения содержат операции сложения и умножения и легко реализуются на ЭВМ (рис. 7.1.6, а). Пример 2. Наиболее распространенным элементом динамических регуляторов является интегрирующее звено, опи- сываемое дифференциальным уравнением u'(t) = Ky(t), u(0) = u 0 В интегральной форме: u(t) = u 0 + К t 0 у() d. Численное интегрирование: u(kT) = u 0 + КT 1 k 0 i у(iT). Для получения рекуррентной формы найдем значение u в момент времени (k+1)T: u((k+1)T) = u 0 + КT k 0 i у(iT) = u(kT) +KT y(kT). Выражение реализуется алгоритмом, приведенным на рис. 7.1.6, б. Таким образом, цифровой способ обработки информации вызывает необходимость использова- ния дискретных моделей регуляторов. Учитывая непрерывную природу большинства реальных управ- ляемых процессов, модельная особенность цифровой системы заключается в том, что она является дискретно-непрерывной, и описывается как разностными, так и дифференциальными уравнениями. Рис. 7.1.4. Рис. 7.1.5. Рис. 7.1.6. 4 Сопряжение этих двух частей модели осуществляется с помощью квантователя и экстраполятора нуле- вого порядка, а также звена запаздывания для учета задержки обработки информации. Указанные выше особенности моделей цифровых систем и их дискретно-непрерывная природа обусловливают основные трудности анализа и проектирования. В связи с этим нашли распространение два подхода к исследованию цифровых систем: • с использование теории непрерывных систем; • с использование теории дискретных систем. Первый подход предусматривает построение непрерывного регулятора, и его последующую дискретизацию. Основной недостаток такого подхода заключается в наличии определенной методиче- ской ошибки при замене непрерывной функции y(t) кусочно-постоянной функцией, и не позволяет учесть эффекта запаздывания цифрового регулятора. Тем не менее, этот подход получил широкое рас- пространение ввиду его простоты и возможности достижения хорошего качества процессов при ис- пользовании быстродействующих вычислительных устройств с малым значением интервала квантова- ния Т. Второй подход предполагает дискретизацию самого объекта управления, а затем синтез дис- кретного регулятора. Можно считать его более перспективным, хотя и несколько более сложным. 7.2. ЭВМ В КОНТУРАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ [10, 11]. Универсальность цифровых вычислительных машин как средства решения самых разнообраз- ных задач, огромные объемы информации, перерабатываемые и хранимые в ЭВМ, мощные алгоритми- ческие возможности сделали ЭВМ эффективным средством решения современных задач управления. В современной теории и практике управления динамическими системами используются элек- тронно-вычислительные машины (ЭВМ) различных типов, отличающиеся принципом действия, соста- вом элементной базы, возможностями использования в системах управления. ЭВМ общего назначения Это такая архитектура вычислительных средств и программного обеспечения, которая позволяет единообразно решать большинство возникающих технических задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ широкой номенклатуры внешних устройств и датчиков. Использование ЭВМ общего назначения упрощает и ускоряет процесс разработки стандартного проек- та в области автоматизации, однако конечное решение обычно не является оптимальным. ЭВМ общего назначения включает в себя стандартный набор компонентов: - Центральный процессор (один или несколько) и арифметический сопроцессор. - Быстродействующее запоминающее устройство. - Внешние накопительные устройства различной природы. - Мультимедийные (графическое и звуковое) устройства. - Терминал пользователя (дисплей, клавиатура, мышь и т.п.). - Средства сетевой поддержки. - Возможность подключения дополнительных интерфейсных устройств, в том числе, и в виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ. - Возможность установки разнообразного программного обеспечения. Последние два свойства чрезвычайно важны, так как соответствуют открытости архитектуры такой ЭВМ. Именно открытость архитектуры PC совместимых компьютеров в 80-е годы 20 века сыг- рала решительную роль в повсеместном распространении этой техники. Свойство открытости архи- тектуры является непременным условием универсальности при широком применении. На сегодняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют персональные РС- совместимые компьютеры и контроллеры на базе их архитектуры. На такой базе строят системы авто- матики, если к ним не предъявляются повышенные требования. Часто ПК используют на начальном этапе проектирования системы, когда требуется ускоренно получить работоспособную версию систе- мы, необходимую для дальнейшей разработки. Обычно таким разработкам присущи следующие харак- терные недостатки: - невысокая надежность, как аппаратной, так и программной части; - узкий температурный диапазон, особенно в сторону отрицательных температур; - низкое качество исполнения материнских плат и плат контроллеров; - повышенный уровень помех и пульсаций по шинам питания. Тем не менее, ПК с успехом используются в качестве интеллектуальных измерительных прибо- ров. Например, осциллограф на базе ПК позволяет, помимо удобного и наглядного отображения про- цессов, вести их запись на диск для протоколирования и передавать по сети обобщающую информа- цию для диспетчерского управления более высокого уровня. 5 Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы Это ЭВМ, имеющие функцио- нальные возможности и конструктивные особенности, позволяющие использовать их для эффективно- го решения ограниченного класса задач в определѐнных условиях окружающей среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть разнообразными, например, процессор со специальной системой команд. Типичный пример - процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), эффективные в задачах цифровой фильтрации в составе комплекса обработки данных ультразвуковой локации. Вычислительный комплекс (ВК) - это комплекс средств ВТ, решающий прикладную задачу. В ВК могут входить разнородные компоненты. Обычно приходится применять специализированные или проблемно-ориентированные вычислительные средства для оптимизации окончательного решения при проектировании систем автоматического управления. Управляющие ЭВМ (УВМ), управляющие ВК (УВК) и промышленные ПК УВМ и УВК ха- рактеризуются набором возможностей работы в режиме реального времени. Эти возможности касают- ся как подсистемы ввода-вывода, так и свойств операционной системы. Также следует отметить воз- можности обнаружения сбоев и быстрого восстановления после них. Промышленные (индустриаль- ные) ПК - это специально спроектированные ПК, совместимые со стандартными архитектурно и про- граммно, но отличающиеся конструктивным исполнением. Цель - повышение надѐжности, помехоза- щищѐнности и расширения диапазона параметров окружающей среды нормального функционирова- ния (температурный диапазон и т.п.). Преимущество таких ПК - возможность отладки программного обеспечения на обычных ПК. Рабочие станции Обычно это персональные компьютеры, находящиеся на рабочих местах сотрудников, решающих конкретную задачу с помощью ЭВМ. Поэтому рабочие станции оборудованы всеми необходимыми устройствами ввода-вывода. Обычно рабочие станции входят в сеть, в которой также имеются мощные серверы, поставляющие информационные ресурсы и необходимое сетевое программное обеспечение, хранение которого на рабочих станциях нецелесообразно. Рабочие станции не предназначены для работы в реальном времени и используются на диспетчерском уровне и на рабо- чих местах разработчиков. Управление системами на базе ЭВМ. Использование ЭВМ в контуре управления динамиче- скими автоматическими системами связано с решением ряда проблем, вытекающих из особенностей ЭВМ как дискретной системы. В САУ с ЭВМ необходимо решать вопросы связи ЭВМ с объектом управления и работы ЭВМ в реальном масштабе времени, в ритме работы объекта управления. Связь ЭВМ с объектами управления усложняется при использовании цифровых машин для управления не- прерывными автоматическими системами. ЭВМ в системе автоматиче- ского управления осуществляет обработку информации о состоянии объекта, обеспечивает программное и оптимальное управление объек- том. На рис. 7.2.1 приведен пример схемы автоматического управления технологическим процессом на базе ЭВМ. Вся совокупность устройств, подсоединенная к интерфейсу Б, образует систему связи ЭВМ с объ- ектом. Состояние объекта характе- ризует информация, поступающая от датчиков физических величин (ДФВ). Эта информация после преобразования в соответствующих звеньях системы связи с объектом поступает в ЭВМ и составляет поток измерительной информации. От ЭВМ на входы исполнительных устройств (ИУ), приводящих объект в требуемое состояние, посту- пает поток управляющей информации в виде цифровых или аналоговых сигналов. Управляющая ин- формация с каналов ввода-вывода (КВВВ) поступает в коммутатор цифровых управляющих сигналов (КЦУС), с которого передается либо непосредственно на исполнительные устройства дискретного ти- па, либо в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования и последующей передачи на входы аналоговых исполнительных устройств. К интерфейсу А вместе с каналами ввода-вывода подключен блок внешних прерываний (ВВП) процессора (П) и устройство текущего времени (УТВ). ВВП по сигналам от датчиков прерывания Рис. 7.2.1. |