Раздел ВТОРОЙ. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Глава 6. Исследование цифровых систем управления
Структура цифровых сау
Значительные вычислительные и логические возможности микроЭВМ, сочетающиеся со многими достоинствами микропроцессоров и систем на их основе, определяют целесообразность их использования для автоматического и автоматизированного управления техническими средствами подводной лодки. МикроЭВМ, как и любые другие устройства цифровой обработки сигналов, имеют важные преимущества перед аналоговыми устройствами, а именно:
высокая стабильность характеристик;
отсутствие дрейфа нуля;
высокая точность выполнения арифметических операций;
малый вес и габариты;
высокое быстродействие;
возможность гибкой оперативной перестройки структуры и др.
В настоящее время при создании САУ принципиально возможно идти по двум направлениям. Первое из них связано с использованием центральных управляющих микроЭВМ. Подобные системы могут применяться сложными объектами или группами объектов.
Общая структурная схема САУ с микроЭВМ для этого случая показана на рис. 6.1. Система содержит ряд входных (ВхП) и выходных (ВыхП) преобразователей, обменивающихся сигналами управления с микроЭВМ в процессе преобразования данных по шине управления. Сигналы с выходных преобразователей поступают на исполнительные устройства (ИУ), воздействующие на объект управления (ОУ).
Такая система может быть связанной многомерной, если осуществляется управление сложным многомерным объектом, например управление движением подводной лодки или управление режимами работы АЭУ, или несвязанной многомерной, если осуществляется управление группой несвязанных одномерных объектов, например управление ОКС. В последнем случае САУ с микроЭВМ распадается на совокупность одномерных систем, ее виртуальная (кажущаяся) структура представляется в виде совокупности одноконтурных САУ, рис. 6.2, каждая из которых имеет свою программу управления (ПУ).
При управлении сложным объектом или группой объектов процессор обслуживает по очереди отдельные каналы управления. Эта очередь может осуществляться по жесткой программе или по мере поступления заявок от отдельных каналов с возможностью использования в последнем случае приоритетного обслуживания.
Второе направление, по которому развивается в настоящее время САУ с микроЭВМ, – это использование в каждом контуре управления автономной микроЭВМ, называемой часто микроконтроллером. Структурная схема САУ с автономными микроЭВМ показана на рис. 6.3. Микроконтроллеры представляют собой упрощенные варианты микроЭВМ, размещаемых в непосредственной близости от управляемого объекта. В микроконтроллерных системах центральная ЭВМ либо отсутствует, либо вводится для передачи ей функций диспетчера или супервизора.
Выбор одного из двух направлений построения САУ с микроЭВМ связан, в частности, с проблемами надежности и стоимости. Стоимость САУ, использующих центральную управляющую машину, обычно при большом числе управляемых объектов ниже стоимости микроконтроллерных систем. Эта закономерность, впрочем, с развитием технологии производства микропроцессоров, приведшая к созданию высокоэффективных однокристальных микроЭВМ, проявляется все в меньшей степени. Кроме того, САУ на базе центральных управляющих машин являются технологически менее надежными, а САУ менее живучая. Поэтому принцип децентрализованного (микроконтроллерного) управления в микропроцессорных САУ постепенно становится превалирующим.
Для увеличения надежности, живучести, производительности и гибкости микроЭВМ в САУ применяют многомикропроцессорные системы и системы на базе многих микроЭВМ – многомашинные системы.
Первый класс структур цифровых САУ характеризуется тем, что большое число микропроцессоров работают на одну общую шину, как это показано на рис. 6.4. Организация параллельной работы позволяет реализовать один из следующих режимов:
одновременное выполнение нескольких команд программы;
одновременное выполнение нескольких программ или подпрограмм.
В первом режиме каждый процессор выполняет команды определенного класса, например, логические команды, арифметические команды, команды по определению адресов и др. Во втором режиме каждый процессор имеет возможность работать с полным списком команд. Оба режима позволяют увеличить производительность управляющих микроЭВМ.
Топология второго класса структур цифровых САУ определяется требованиями надежности, стоимости, гибкости и производительности. Возможные варианты топологии многомашинных систем приведены на рис. 6.5 соответственно:
а) иерархическая;
б) шинная;
в) сетевая;
г)кольцевая;
д) матричная;
е) последовательная.
Структуры данного класса обладают высокой надежностью и живучестью.
Интеграция различных микропроцессорных САУ техническими средствами ПЛ в комплексную или интегрированную САУ выдвинуло понятие «Системы реального времени», которое не возникало пока применялись аналоговые САУ. Что же такое реальное время?
Системой реального времени называется система, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля и управления.
Из определения можно сделать следующие выводы:
Практически все системы управления ПЛ являются системами реального времени.
Это системы управления движением (СУД), системы управления главной энергетической установкой (СУ ГЭУ), системы управления общекорабельными системами (СУ ОКС), системы управления электроэнергетическими системами (СУ ЭЭС) и системы информационной поддержки (СИП).
Принадлежность системы к классу систем реального времени никак не связана с ее быстродействием.
Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются динамикой функционирования управляемых объектов. Точное определение времени реакции системы может быть определено в результате анализа процессов, протекающих в объекте управления и контроля.
Канал цифровой системы управления в общем виде состоит из следующих элементов: органов управления, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), контроллера (микроЭВМ) и непрерывной части (объекта управления и источников информации – датчиков обратной связи), рис.6.6.
Система должна собрать данные, произвести их обработку в соответствии с заданными алгоритмами и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное решение поставленных перед системой задач.
Чтобы оценить необходимое быстродействие для систем, имеющих дело со стационарными процессами, используют теорему Котельникова, из которой следует, что частота дискретизации сигналов управления должна быть, как минимум в 2 раза выше граничной частоты их спектра.
Непрерывные функции времени,
передаваемые по шине передачи данных,
всегда обладают ограниченной шириной
спектра
.
Для передачи функции
c ограниченным спектром не нужно
передавать все значения функции,
достаточно передать лишь отдельные
мгновенные значения ее, отсчитанные
через интервал времени
,
где:
– частота дискретизации процесса
управления;
– ширина спектра управляемого процесса.
Так для СУД подводной лодки ширина спектра равна 0–5 Гц. В этом случае частота дискретизации процесса должна быть не менее 10 Гц , а интервал дискретизации 0,1 с. Для СУД экраноплана ширина спектра составляет 40 Гц, частота дискретизации 80 Гц, а интервал дискретизации 0,0125 с. Это является очень важным фактором для разработчика системы управления, так как определяет выбор типа АЦП и ЦАП и быстродействие вычислительного устройства.
Принято различать системы «жесткого» и «мягкого» реального времени.
1. Системой «жесткого» реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Время реакции в жестких системах различно и определяется динамикой объекта. К таким системам относятся практически все системы управления движением и техническими средствами судна.
2. Системой «мягкого» реального времени называется система, допускающая отставание процесса обработки сигнала от динамики объекта. К таким системам можно отнести системы контроля и диагностирования оборудования. Они периодически контролируют параметры состояния объекта управления, обеспечивают их обработку и представляют информацию о состоянии объекта с задержкой относительно динамики управления, но обеспечивают принятие решения оператором по эксплуатации объекта управления.
Сложность для корабельных систем управления и обработки информации состоит в том, что необходимо объединить в единую систему разнообразные по быстродействию системы реального времени, в том числе «жесткие» и «мягкие» системы реального времени. Это определяет аппаратурную структуру системы, методы обеспечения надежности и живучести и распределения вычислительных ресурсов.
Именно поэтому возникает вся сложность реализации систем реального времени при интеграции их в единую систему, обеспечивающую одновременное решение большого количества разнородных задач. Это, в свою очередь, определяет требования к операционной системе реального времени.
Хотя каждая задача в системе, как правило, выполняет какую- либо отдельную функцию, часто возникает необходимость в синхронизации действий, выполняемых различными задачами по следующим причинам:
функции, выполняемые различными задачами, связаны друг с другом;
необходима синхронизация задач с внешними событиями;
необходима синхронизация задач по времени;
необходимо обеспечить упорядочивание нескольких задач к разделяемым ресурсам.