Учебное пособие 966

Оптимальный выбор соотношения программных и аппаратных средств

Одним из перспективных направлений микропроцессоров является использование их в периферийных устройствах.

Микропроцессор может осуществлять первичную обработку информации, а также управлять самим периферийным устройством и поддерживать необходимый протокол обмена.

Возможны два способа проектирования контроллера:

1. Построение контроллера на схемах средней и малой степени интеграции с выделением операционного и управляющего

автоматов и их последующим синтезом.

2. Построение контроллера на основе микропроцессора. Последний способ обещает получение контроллера с

относительно простой организацией. Кроме того, существенно сокращаются сроки проектирования, так как для написания программного обеспечения можно воспользоваться кросс-системой программирования - помодульно.

В результате анализа вариантов построения контроллера были получены некоторые выводы. Потребовалось существенно

повысить быстродействие системы (контроллера). Он не справлялся с выполнением команд, что не устраивает, вследствие работы систем в так называемом "реальном времени".

Спомощью программной проработки выявлено, что около 76% времени контроллером занято операциями, связанных с

циклическим контролем. Таким образом при недостаточной быстроте работы контроллера нужно его каким-то образом разгрузить. Быстродействие можно повысить, переложив часть функций с программных средств на аппаратные, т.е. создав дополнительно в рамках системы блоки, реализующие часть функций и разгружающие сам контроллер. К таким блокам, например, можно отнести электронные регуляторы, которые способствуют автономному регулированию какой-нибудь величины на отдельном участке АСУ ТП.

С помощью программной проработки можно точно определить критические места программы, критические временные интервалы

и проконтролировать оптимальность функций. А также введение

электронных регуляторов уменьшает сложность управления системой и увеличивает ее надежность.

Особенности программирования задач

Контроллер, так же как и универсальная ЭВМ - программноуправляемые устройства, осуществляющие преобразование вводимой информации в требуемый результат. Поэтому все

основные приемы и методы составления программ, используемые в технике программирования для универсальных ЭВМ, полностью или почти полностью применимы и для контроллеров. Различия заключаются лишь в методе подготовки программ и в их реализации на машинах.

Причинами, обуславливающими специфику программирования задач управления и контроля являются:

–Необходимость реализации алгоритмов управления и контроля

вреальном масштабе времени. Последнее означает, что преобразование входной информации в искомый результат должно быть выполнено в строго фиксированные (ограниченные) сроки.

–Необходимость синхронизации выполнения отдельных программ или их частей разнообразными внешними событиями, в

том числе синхронизация программ в функции реального времени.

– Относительная стабильность программ в течение достаточно большого промежуточного интервала времени.

– Большое разнообразие решаемых функциональных задач, связанных между собой общими переменными (большая связность

программ).

– Необходимость обмена информацией с достаточно большим числом внешних устройств, состав, вид которых зависят от конкретной системы управления. Кроме того, к программам

управления и контроля предъявляются повышенные требования в отношении к различного рода сбоям и ошибкам.

Реализация программ в реальном масштабе времени - характерная особенность работы контроллеров. При этом

необходимо четко представлять, что строго фиксированные сроки решения задачи, определяющие функционирование системы в реальном времени, различны для систем, обладающих различной инерционностью.

Наибольшие трудности требование реализации программ в реальном времени вызывает при управлении малоинерционными

объектами или процессами. Эти трудности обусловлены, как правило, ограниченными техническими ресурсами конкретного контроллера.

Включение в работу программ контроллера может происходить либо периодически, либо не периодически. К периодическим программам относятся, например, программы, реализующие циклический опрос датчиков. Непериодические программы

характеризуются случайными моментами включения в работу (к таким программам относятся, например, программы, выполняющие адресный опрос датчиков регулирования и т.п.). Для ряда программ также случайна продолжительность их выполнения (например, программы регулирования могут либо совсем не включатся, если нет отклонения от уставок, либо при больших отклонениях включаться в каждом цикле в течение достаточно большого промежутка времени).

Очень важное значение имеет помехозащищенность управляющего контроллера и его программ, так как выдача

неправильного результата в системе управления либо недопустима, либо приводит к возникновению больших убытков. Поэтому в контроллере наряду с разнообразными методами аппаратного контроля используются методы программно-логического и тестового контроля.

Таким образом, программирование задач для решения на универсальных ЭВМ и контроллерах имеет много общего. Основные отличия в методах программирования возникают главным образом

из-за требования решения задач управления в реальном масштабе времени. Другие отличия не так ярко выражены, но в совокупности с требованием реализации программ в реальном масштабе времени становятся весьма существенными и требуют учета при программировании задач управления.

Проблемы разработки и реализации систем автоматического управления с микро ЭВМ

Внедрение микропроцессоров и контроллеров в САУ связано с принципиальными изменениями как структуры, так и

характеристик самой САУ. Пересматриваются установившиеся взгляды на объем и методы использования вычислительной техники в системах автоматики. Меняются также методы и технические средства проектирования. Все это связано с рядом особенностей микропроцессоров и контроллеров на их основе.

Главными их особенностями являются малые габариты, масса, энергопотребление и стоимость. Микропроцессоры обладают

относительно большой вычислительной мощностью. Но при этом введение контроллеров, микропроцессоров,

электронных регуляторов и других электронных систем автоматизации породило некоторые проблемы. Опишем наиболее важнейшие из них.

– Проблема выбора микропроцессорных средств. Современная электронная промышленность предоставляет большой ассортимент этих средств. Это различные универсальные и специализированные

контроллеры, а также разнообразные микропроцессорные комплекты, отличающиеся своими характеристиками, параметрами, функциональными возможностями, способами и языками программирования 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.

– Обеспечение заданных показателей качества управления. Это требование к быстродействию контроллера.

– Рациональное распределение функций САУ между аппаратными и программными средствами. Здесь наряду с

обеспечением заданной производительности контроллера, являются структура системы, характер представления входной и выходной информации (аналоговое, бинарное, цифровое) и особенности цифровых алгоритмов обработки информации.

–Выбор архитектуры управляющего контроллера.

–Сопряжение цифровой и аналоговой частей САУ.

–Схемотехническое проектирование, разработка программного обеспечения и отладка САУ на контроллере.

–Обеспечение высокой надежности.

конструктивные особенности. Модель всегда лишь в той или иной степени приближена и не может учитывать ряд тонких явлений происходящих в объекте и в то же время может с успехом использоваться для определения управляющих воздействий при различных совокупностях параметров объекта.

Простейшие АСУ ТП

Вследствие многообразия форм связи с объектом, технические средства, применяемые на нижней ступени управления, значительно более разнотипны и многочисленны, чем средства, используемые на

верхних уровнях иерархии. В состав даже простейших систем нижнего уровня входят разнообразные измерительные, регулирующие, логические и другие специализированные аналоговые и цифровые устройства. Кроме того, в распоряжении оператора системы имеются различные автоматические устройства контроля и управления, позволяющие разгрузить его от выполнения многочисленных однообразных действий, по наблюдению за состоянием оборудования, управлению им и сосредоточить внимание на главных технологических параметрах и операциях.

Классификация АСУ ТП

а) Системы дистанционного управления. Назначение систем дистанционного управления состоит в

передаче воздействий оператора на исполнительные механизмы, удалѐнные от центрального пункта управления.

б) Система автоматического регулирования.

Система автоматического регулирования должна поддерживать заданную величину (производительность, мощность, скорость и т.д.) и стабилизировать технологические параметры на заданном уровне.

в) Системы защиты Устройства системы защиты призваны предотвращать

возникновение и развитие аварийных ситуаций и защищать установки от повреждения и разрушения при выходе из строя отдельных элементов, отказов или ложных действий систем регулирования, а так же защиты от ошибочных действий оператора. Выполняются, как правило, независимыми, т.е. имеют свои первичные устройства для измерения параметров технологических

процессов, независимые каналы управляющих воздействий, а также собственные автоматические резервируемые источники питания.

г) Системы сигнализации.

Назначение систем сигнализации состоит в том, что бы превышения параметром предельно допустимой величины, чѐтко

информировать оператора о случившемся.

Задачи, решаемые в АСУ ТП

Задачи, решаемые в АСУ ТП, делятся на информационные и управляющие.

К информационным относятся такие функции АСУ ТП, результатом которых является представление оператору системы

или какому либо внешнему получателю информации о ходе управляемого процесса. Характерными примерами информационных функций являются:

- контроль за основными параметрами (непрерывная проверка соответствия параметров заданным значениям).

- измерение и регистрация по команде оператора тех параметров процесса, которые интересуют его в ходе управления объектом.

- фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса за допустимые пределы.

- вычисление некоторых комплексных показателей, не поддающихся непосредственному измерению и характеризующих

качество ТП.

- вычисление, обнаружение сигнализация опасных (предаварийных, аварийных) ситуаций.

Управляющие функции АСУ ТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на объект управления. К основным управляющим функциям относятся:

- стабилизация переменных ТП на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства.

- программное изменение режима процесса по заранее заданным законам.

-защита оборудования от аварий.

-формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима,

Синтез динамических АСУ ТП

Как показывает анализ особенностей и тенденций развития систем управления сложными процессами и объектами в качестве

такого общего по отношению к множеству систем показателя можно выбрать фактор сложности "структура", а в качестве адекватных ему методов -формализованные структурные методы, основанные на использовании графовых моделей, или топологические методы. В создании формализованных структурных методов, опирающихся на теорию графов, наметились два направления. Первое включает совокупность традиционных топологических методов решения задач анализа и синтеза линейных систем в статической постановке. Здесь получены существенные теоретические и прикладные результаты. Второе направление, связанное с созданием формализованных методов описания динамики структур, структурного анализа и синтеза сложных динамических и логикодинамических систем, когда на ряду со структурой решающую роль играет фактор времени и отмеченные показатели сложности. Будучи же моделями теоретико-множественного класса, графы обеспечивают необходимый уровень абстракции при исследовании систем, расположенных на различных уровнях шкалы сложности. Привнесение же в них свойств, характерных динамических и логико-динамических систем позволяет подойти как к сложным, так и к классическим системам управления с единых позиций, увидеть и использовать присущие им общие черты для взаимного проникновения результатов и концепций.

Критерии качества управления

При известных статистических характеристиках входных сигналов естественна постановка вопроса об оптимальном синтезе системы управления. Такая постановка может быть сделана и при

неизвестных характеристиках, однако при этом неизбежно существенное усложнение системы. При оптимальном синтезе цифровых систем управления могу использоваться различные критерии качества, которые и определяют понятие оптимальной системы. Одним из наиболее очевидных критериев может служить величина дисперсии ошибки, либо среднеквадратичное значение ошибки системы. Согласно этому критерию нежелательность

ошибки пропорциональна квадрату еѐ величины, однако в некоторых случаях, например, при стрельбе по цели это неверно, т.к. все ошибки больше определѐнного значения одинаково нежелательны. Но средний квадрат (дисперсия) ошибки СУ практически во всех случаях сравнительно просто вычисляется, что и определило использование этого критерия.

Были разработаны и иные критерии качества в виде функционалов, которые следовало минимизировать в процессе

синтеза системы. Возможны формулировки понятия оптимальности на основе минимизации времени п.п., потребления энергии, полосе пропускания, максимальной устойчивости

4. КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ

Оптимальной системой САУ называется такая система, в которой закон управления выбран по максимуму или минимуму

какого-либо показателя. Закон может быть линейным или нелинейным. Оптимизация может осуществляться по параметрам САУ:

1)по максимальной точности управления объектом.

2)по максимальному быстродействию перехода системы из одного состояния системы в другое при ограниченной мощности.

3)по мин. затратам энергии.

4) по макс, надежности работы системы.

Нужно знать, что оптимизация одного из указанных качеств системы приводит к ограничению других ее свойств. Учет

указанных ограничений при оптимизации очень важен. При оптимизации системы должен быть правильно выбран критерий оптимальности, выраженной в математической форме. Для достижения макс, точности системы следует пользоваться критерием мин. ошибки.

I - функционная, x(t) - отклонение управляемой величины от требуемого значения.

Реализация оптимального управления может быть выполнена приближенно. Степень приближения и качество управления выше,

если сложнее технические средства.

Объем сведений о параметрах объекта может быть различным. Если их упорядочить, то можно получить:

– Неопределенные, ограниченные по модулю параметры. В этом случае

функции αi(t), (i = 1, nα ) -произвольные неизвестные функции.

–Параметры объекта являются случайными функциями времени

сизвестным законом распределения и известными параметрами

этого закона распределения.

– Параметры объекта - случайные функции времени с известным законом распределения.

– Функции at (t), (У = 1, па ) заранее неизвестны, однако могут быть точно измерены в процессе работы.

– Параметры объекта a, (t), (i; = 1, па ) -известные функции. Каждый из случаев образует некоторое множество Qa. возможных

значений вектора a(t), определяющее класс допустимых объектов. Обычно параметры объекта изменяются медленнее, чем

переменные состояния, и поэтому интервал [to,ti] функционирования объекта разобьем на подынтервалы, в течение которых параметры считаются постоянные.

Рассмотрим стационарный объект, описываемый уравнением х = Ax + bu + uf; у = dx+x , с неизвестными параметрами. Для

построения регулятора необходимо определить (идентифицировать) его параметры. Здесь есть два случая:

1.Когда внешние возмущения и помехи изменяются либо

известны (f(x) = 0 = x(t))

2. Когда о них известны лишь границы области их возможных значений либо статические характеристики (закон распределения и

его параметры).

Структура адаптивных систем

Цели управления :

Объект управления, описываемый уравнением:

х = ф(х, и, /, d), у = о)(х, и, х, d); t > to d - неизвестный вектор чисел.

Для задания цели управления используются оценочные функции:

J(t) = J(e(t)).

J(e) = q(e) - выпуклая функция.

e(t) - ошибка (невязка), малость которой соответствует достижению цели управления. Выражение ошибки зависят от

назначения системы.

–Стабилизация. e(t) = y(t),e(k+l) = y(k+l)

–Стабилизации с зад. динамикой.

Пусть требуется, чтобы выходная переменная у (t) изменилась наперед, заданным образом.

– Идеальное слежение.

Если требуется отработать задающее воздействие g (t), то невязку принимают в виде e(t) = y(t)-g(t); e(k+l) = y(k+l)-g(k)

Структура адаптивных систем

Идентификационный и прямой алгоритмы адаптивного управления описываются уравнениями:

(1)xp=<pp(xp,y,g,fiy,u = e>p(xp,y,filxp(t0) = x™

(2)fi=r(fi,y,u,g>,fl(t0) = fim

В(t) - np - мерный вектор настраиваемых параметров регулятора. φР,γ – nр и nβ - мерные вектор-функции своих аргументов.

Первым (1) управлением описывают алгоритм работы

регулятора, а (2)-М - алгоритм адаптации. Устройство, реализующее алгоритм адаптации -адаптатор.

Адаптивный регулятор состоит из регулятора и адаптатора. Регулятор из двух частей: управляющего устройства

(последовательного корректирующего контура) и управляющего устройства в цели обратной связи (параллельного контура).