1. Структура управляющих устройств на базе микропроцессоров

Системы управления объектами могут строиться на базе одного управляющего устройства, соединенного с объектом управления (ОУ) несколькими каналами связи. Обобщенная структура такой системы управления показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура системы на базе одного микропроцессора

В качестве управляющего устройства системы может использоваться микропроцессорный контроллер (МК), построенный на базе микропроцессора определенного типа. Информация о состоянии объекта управления передается в микропроцессорный контроллер через блок нормирующих преобразователей (БН), коммутатор (К) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Нормирующие преобразователи используются в системе для согласования уровней информационных сигналов на выходе объекта управления с уровнями входных сигналов коммутатора. Аналого-цифровой преобразователь служит для преобразования аналоговых сигналов с выхода объекта в цифровой код. После преобразования цифровой информации о состоянии объекта управления по определенному алгоритму, обычно содержащемуся в памяти МК, вырабатываются управляющие воздействия, которые поступают на вход объекта управления через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и исполнительное устройство (ИУ). Заметим, что, если мультиплексирование входных сигналов ОУ на входе АЦП возможно практически всегда, то мультиплексирование управляющих сигналов на входе МК часто недопустимо. Такая структура управляющей системы объясняется необходимостью запоминания каждого управляющего воздействия. Следует заметить, что среди выходных сигналов объектов управления аналогового типа могут быть и дискретные сигналы. Ввод таких сигналов в микропроцессорный контроллер осуществляется через блок формирования сигнала (БФС), назначение которого — согласовать их уровни и мощности с входными цепями микропроцессорного контроллера. При наличии нескольких дискретных сигналов для их ввода в МК можно использовать мультиплексирование. При наличии на входе объекта управления исполнительного устройства дискретного типа (ИУД) (усилители мощности, тиристорные преобразователи, работающие в ключевом режиме), управляющее воздействие формируется в микропроцессорный контроллер и подается в ИУД без использования ЦАП.

Система управления может решать различные задачи: поддержание на определенном уровне или изменение по определенному закону выходных параметров объекта управления; программное изменение выходных параметров объекта и отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами; отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами и другие.

Центральное место в рассматриваемой системе занимает микропроцессорный контроллер, а остальные элементы — БН, К, АЦП, ЦАП и ИУ — обеспечивают связь микропроцессорного контроллера с объектом управления. Часто их объединяют одним общим названием — устройство связи с объектом (УСО). Конструктивно все элементы системы могут располагаться на одной плате, которая размещается в конструктиве объекта управления. Контроллер может быть выполнен на базе определенного типа микропроцессора и нескольких микросхем подкрепления. При использовании МК как встроенного средства управления в отдельно взятые объекты технические параметры микропроцессорного контроллера и УСО могут быть неунифицированными, и, следовательно, системы управления различных объектов не взаимозаменяемы. Общая стоимость автоматизированной системы при этом становится значительной. Для снижения затрат на систему управления возможно использование одного универсального комплекта МК и УСО, которые при необходимости могут быть подключены к любому из объектов. Такой подход к автоматизации особенно целесообразен, когда потребитель является обладателем бытовой ПЭВМ. Небольшим набором средств сопряжения с объектом можно обеспечить в этом случае решение многих задач.

Объекты управления могут объединяться в группы, которые составляют технологическую линию. Системы управления объектами этого класса могут строиться по тому же принципу, составляя совокупность одноконтурных систем управления данного уровня (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структура системы на базе нескольких микропроцессоров

В этом случае каждая локальная система управления одним из объектов работает независимо от других систем. При необходимости информация о состоянии объектов может быть передана в центральное вычислительное устройство для решения некоторых общих для группы объектов управляющих задач.

Задачи, решаемые микропроцессорной системой управления (МПСУ), могут зависеть от характера входных воздействий, поступающих в систему. Так, например, управление роботом может осуществляться по разным алгоритмам в зависимости от результата решения задачи распознавания представленного роботу объекта. В этом и подобных случаях структура МПСУ оказывается переменной. В микропроцессорных системах она перестраивается программно.

Сложные объекты управления (самолеты, космические аппараты, прокатные станы, роторные конвейерные линии и т. п.) представляют собой совокупность взаимосвязанных многорежимных управляемых систем, объединенных единой системой управления. Основополагающими принципами, определяющими структуру МПСУ подобными объектами, является иерархичность, независимость управления по уровням иерархии и информационная замкнутость. Обобщенная структура иерархической МПСУ показана на рис. 1.3 [1].

Рис. 1.3. Структура иерархической МПСУ

Здесь с объектами управления (ОУ) связаны микроконтроллеры (МК), а они по иерархии — с ЭВМ разного уровня.

В качестве примера можно рассмотреть систему управления робота-манипулятора. У него есть несколько звеньев, а в качестве входного воздействия используются положения схвата. При управлении только пространственным положением последнего звена можно записать уравнение , где – текущие положения звеньев механизма. Из формулы видно, что при этих условиях структура системы управления может иметь вид, показанный на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Общая структура системы управления робота-манипулятора

На вход основной ЭВМ поступают (или вычисляются ей же) требуемые положения конечного звена робота-манипулятора. Основная ЭВМ запрашивает у контроллеров каждого звена их положения и, зная требуемое положение конечного звена, вычисляет новые их значения. Эти значения она отсылает для отработки в контроллеры систем управления звеньев робота. Эти контроллеры постоянно контролируют положения звеньев и осуществляют замыкание обратных связей локальных систем управления (возможно, с какими-либо регуляторами). Также при необходимости контроллеры производят ограничение положения звеньев и сообщают об этой ситуации в основную ЭВМ. В результате у нас получилась иерархическая структура с двумя уровнями иерархии.

Сама задача у нас определила структуру микропроцессорной системы. Но, кроме этого, на структуру может повлиять такой параметр, как интегральные характеристики управляющих микропроцессоров. В данной задаче, например, контроллеры систем управления звеньев робота-манипулятора могут иметь невысокие быстродействие, объемы памяти и пр. А вот основная ЭВМ должна решать задачу преобразования координат в реальном масштабе времени, поэтому она должна обладать высоким быстродействием при решении математических задач и, кроме того, иметь скоростные интерфейсы связи с управляющими микропроцессорами и с наружным оборудованием. При недостатке этих ресурсов, возможно, придется вместо одной ЭВМ использовать систему ЭВМ, соединенных друг с другом каким-либо образом.