2. Цифровые вычислительные машины и устройства

Появление микропроцессорных САУ, предназначенных для решения задач управления и обработки информации в реальном времени, поставило перед разработчиками комплекс задач разной степени сложности, которые условно можно объединить в группы, связанные с:

• выбором микропроцессорных средств;

• обеспечением заданных показателей качества управления;

• разделением функций САУ между аппаратными и программными средствами;

• выбором архитектуры микроЭВМ;

• сопряжением аналоговой и цифровой частей САУ;

• выбором средств и методов проектирования;

• обеспечением заданных показателей надежности.

Проблемы перечислены в порядке, определяемом, в основном, структурой алгоритма процесса проектирования. Среди них трудно выделить важнейшие, так как все они неразрывно связаны, и от качества решения каждой из них зависит в целом эффективность применения микроЭВМ в САУ.

Проблема выбора микропроцессорных средств

Современная электронная промышленность предоставляет разработчикам САУ широкий ассортимент микропроцессорных средств. Это различные универсальные и специализированные микроЭВМ, а также разнообразные микропроцессорные комплекты БИС, отличающиеся своими характеристиками, функциональными возможностями, способами и языками программирования, принципами организации вычислительных процессов, полнотой и качеством программного обеспечения, доступностью, популярностью и т.д.

Разобраться в обилии микропроцессорных средств непросто. Еще труднее осуществить их правильный выбор. От того, насколько успешно осуществлен выбор микропроцессорных средств, решающим образом зависит эффективность всего проектирования САУ.

Выбор микропроцессорных средств невозможно осуществить в отрыве от задачи управления, ее алгоритмического выражения. Он опирается также на требования технического задания по быстродействию САУ, точности и другим показателям качества управления и основывается на предварительных расчетах, а также знаниях и, в определенной степени, интуиции разработчика.

Разработчик САУ с микроЭВМ должен детально представлять себе особенности тех или иных микропроцессорных средств, владеть основными принципами их выбора и руководствоваться этими принципами на практике. Выбор микропроцессорных средств основан на учете ограниченного числа факторов таких, как:

• быстродействие;

• длина разрядной сетки;

• объем памяти;

• степень соответствия системы команд алгоритму задачи;

• наличие технико-эксплуатационных ограничений на проектируемую аппаратуру.

Но, кроме этого, следует учитывать также ряд других факторов, которые мы рассмотрим подробнее.

Обеспечение заданных показателей качества управления

На такие показатели качества, как динамика, точность, вероятность выполнения функций управления и др… влияют особенности цифровой реализации алгоритмов управления в микроЭВМ. Как известно, при цифровом представлении информации осуществляются дискретизация процессов по времени и квантование по уровню.

Дискретизация процессов по времени осуществляется с некоторым критерием качества функционирования САУ, предъявляет требования к быстродействию микроЭВМ, а квантование по уровню приводит к возникновению шумов квантования. На практике для уменьшения шумов квантования прибегают к увеличению числа уровней квантования. Однако применение в контуре САУ микроЭВМ налагает определенные ограничения на возможное число уровней квантования, которое целесообразно делать большим, чем , где – длина разрядной сетки микроЭВМ. Например, для длин разрядной сетки 8 и 16 число уровней квантования может быть соответственно 256 или 65536.

Выбор требуемого числа уровней квантования зависит от особенностей конкретной задачи, решаемой микроЭВМ в САУ.

При вычислении в микроЭВМ возникают также новые составляющие шумов, называемые шумами округления. Это связано с тем, что, например, при умножении 8 – разрядных чисел с фиксированной запятой результат получается 16 – разрядным. Для последующих расчетов обычно используют только восемь старших разрядов. Отбрасывание восьми младших разрядов уменьшает точность вычислений и может привести к снижению запаса устойчивости цифровой системы. Поэтому в следящих системах отбрасывают старшие разряды. В этом случае система работает на линейном участке характеристики чувствительного элемента.

Решение проблемы показателей качества также связано с выбором периода дискретизации и числа уровней квантования входного сигнала, которые зависят от частотных и энергетических характеристик процесса и от алгоритма обработки информации. Ограничение накладывают микроЭВМ по быстродействию и длине разрядной сетки.

Рациональное распределение функций между аппаратными и программными средствами

Применение микропроцессорных средств в САУ основано на использовании различных концепций их построения. Так, характерные особенности микропроцессоров и микроЭВМ привели к широкому развитию децентрализованных САУ. Многие функции центральных управляющих ЭВМ переданы периферийным микроЭВМ, на базе которых разрабатываются станции локальные технологические и интеллектуальные датчики. В результате чего резко повышается живучесть САУ.

В САУ все большее применение находят адаптивные микроконтроллеры, используемые в тех случаях, когда в состав системы входят нелинейные элементы, элементы с изменяющимися во времени параметрами или с заранее неизвестной моделью, элементы с большими постоянными времени и т.д. Микропроцессорные средства предоставляют разработчикам аппаратуры хорошие возможности для реализации различных алгоритмов управления с использованием программируемых структур. В итоге на практике проявляется важное достоинство САУ с микроЭВМ, связанное с их гибкостью, т.е. возможностью модификации функций программным путем. С этих позиций передача в наибольшем объеме функций элементов САУ для использования микроЭВМ является оправданной. Но в этом случае может быть не обеспечена заданная производительность микроЭВМ. Поэтому в микроЭВМ наряду с программной широко используется аппаратная реализация алгоритмов обработки информации.

Задача распределения функций на программно и аппаратно реализуемые не является тривиальной. Ее решение связано с необходимостью анализа многих факторов, первостепенными из которых являются структура системы, характер представления входной и выходной информации (аналоговая, бинарная, цифровая) и особенности цифровых алгоритмов обработки информации, что определяет в конечном итоге архитектуру управляющей микроЭВМ.

Говоря об архитектуре вычислительных систем цифровых САУ, следует отметить, что такие вычислительные системы являются специализированными. Каждому алгоритму может соответствовать своя архитектура вычислительной системы, в которой оптимально объединены аппаратные и программные средства, рис. 6.7. Аппаратные средства представлены двумя большими группами (прикладные аппаратные средства и системные аппаратные средства), каждая из которых оказывает влияние на производительность вычислительных систем.

Прикладные аппаратные средства представлены структурами с непрограммируемой (жесткой) логикой, программируемой и комбинированной логикой. Структуры с программируемой логикой обеспечивают в среднем меньшую производительность вычислительных систем, чем структуры с жесткой логикой и комбинированные структуры.

Системные аппаратные средства включают технические средства организации внутри и межсистемного взаимодействия.

Программные средства включают прикладное программное обеспечение и системное программное обеспечение.

Прикладное программное обеспечение оказывает влияние на производительность вычислительных систем в силу многообразия программных алгоритмов, которые могут быть использованы для решения одной и той же задачи. Системное программное обеспечение предназначено для эффективной эксплуатации аппаратных и программных средств системы. К числу важнейших возможностей, предоставляемых программным обеспечением, относится управление процессом организации вычислений, которое реализуется операционной системой. Правильный выбор операционной системы является во многих случаях важнейшим условием, обеспечивающим решение задачи управления в реальном масштабе времени.

Реализация многообразных функций операционных систем по управлению вычислительными системами обеспечивается на основе использования аппаратных средств организации памяти и взаимодействия с внешними устройствами.

При выборе архитектуры управляющей ЭВМ разработчиком САУ решается ряд задач, в совокупности обеспечивающих выполнение САУ возложенных на нее функций.

Первая задача связана с многовариантностью структур управляющих микроЭВМ, что ставит перед разработчиком проблему распределения вычислительной мощности системы по ее элементам и блокам, а именно разделение вычислений между центральной и периферийными микроЭВМ, методы организации системной шины и памяти, способы организации обмена данными и т.д.

Вторая задача связана с многообразием систем команд, которые определяют в значительной степени их вычислительные мощности и степень универсальности применения.

Таким образом, выбор архитектуры управляющей микроЭВМ является важной проблемой, решение которой связано с глубоким пониманием общих принципов построения управляющих микроЭВМ и возможностей их использования на практике.

Сопряжение цифровой и аналоговой частей САУ

Для сопряжения аналоговой части САУ с микроЭВМ используются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Наибольшие трудности обычно составляют разработка и подключение к микроЭВМ АЦП, к которым предъявляются высокие требования по быстродействию, точности и линейности преобразования.

САУ с микроЭВМ являются системами, работающими в режиме реального времени. Это предъявляет повышенные требования к частоте дискретизации аналогового сигнала, которая может достигать несколько десятков мегогерц. В течение времени, равного периоду дискретизации сигнала, АЦП должен сформировать на своем выходе цифровой эквивалент входного сигнала. При этом должна быть обеспечена разрешающая способность в 6–12 и более разрядов.

Схемотехническое проектирование, разработка программного обеспечения и отладка САУ с микроЭВМ

Особенностью микропроцессорных средств САУ является то, что схемотехническое проектирование и разработка программного обеспечения производятся практически параллельно. При этом стоимость и трудоемкость разработки программного обеспечения в 3–10 раз превосходят соответствующие затраты на схемотехническое проектирование. Поэтому при разработке САУ с микроЭВМ широко используются резидентные системы автоматизированного проектирования (САПР), позволяющие не только разработать и отладить программное обеспечение и схемотехнические компоненты управляющей микроЭВМ, но и проверить работоспособность всей САУ в целом на основе полунатурного эксперимента.

Резидентные САПР имеют, как правило, развитое математическое обеспечение, необходимый приборный состав и периферийное оборудование. В результате резко сокращаются сроки проектирования, повышается достоверность результатов проектирования.

Задачи и методы исследования цифровой САУ

Цифровые САУ имеют квантование по времени, что относит их к классу импульсных систем, и квантование по уровню (в АЦП и ЦАП), что делает их нелинейными. Существующие методы исследования нелинейных САУ мало пригодны для цифровых САУ. Методы фазового пространства и фазовой плоскости могут применяться для сравнительно простых систем. Метод гармонической линеаризации оказывается здесь сравнительно сложным вследствие учета влияния квантования по времени. Другие аналитические методы также малоэффективны.

Поэтому основным методом исследования цифровых САУ является их моделирование на ПЭВМ. Однако, такое моделирование не может проводиться без параллельного аналитического исследования, предназначенного для обоснования структуры проектируемой системы, определения основных ее параметров и качественных показателей и предварительного выбора всех элементов. Это предъявляет к аналитическим методам требования высокой эффективности и обозримости получаемых результатов. Наиболее пригодными здесь оказываются методы расчета, основанные на рассмотрении линеаризованных импульсных систем с учетом влияния, оказываемого квантованием по уровню в виде дополнительных шумов квантования. Рассмотренные в дальнейшем методы исследования цифровых САУ позволяют до перехода на моделирование проектируемой системы произвести оценку ожидаемых результатов и решить вопрос о целесообразности построения системы по избранной структуре.