книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

только в этом случае оказывается возможным использовать остав­ шиеся исправными степени свободы поврежденной ноги.

На практике эти принципы реализуются с помощью эвристи­ ческих приемов. Но если имеется математическая модель, то их реализация облегчается. Например, принцип концентрации усилий реализуется с помощью сведения задачи достижения цели к достижению глобального экстремума, для чего система должна допускать интерпретацию в виде экстремальной модели. При программировании манипулятора это приводит к минимизации расстояния между схватом манипулятора и точкой цели, при этом движение осуществляется на пересечении многообразий, заданных кинематикой манипулятора. При включении в число ко­ ординат состояний датчиков, расположенных на схвате манипуля­ тора, оказывается возможным свести к такой форме задачу по­ строения более сложных движений (отыскать предмет, взять предмет и т. п.).

Рассмотренные системы представляют собой единство конструк­ ции, энергии и информации, и в неоднородной структуре возможны обменные соотношения между этими компонентами. Например, требования к механической части манипулятора, управляемого непосредственно человеком-оператором, оказываются значительно выше по сравнению со случаем, когда оператор управляет мани­ пулятором с помощью вычислительной машины (поскольку зало­ женные в ней алгоритмы позволяют корректировать многие де­ фекты механической системы). Здесь появление нового уровня — вычислительной машины — позволяет уменьшить затраты на конструктивном уровне за счет увеличения затрат на информацион­ ном уровне.

Аналогичное явление имеет место и в шагающих машинах: чем больше число ног, тем проще управление системой, например для поддержания равновесия. Если обратиться к животному миру, то у насекомых многоножек, у которых число ног больше шести, примитивная нервная система, у млекопитающих уже че­ тыре ноги и более развитая нервная система, а у человека только две ноги и чрезвычайно сложная нервная система.

В отличие от систем с искусственно введенной избыточностью, где исходная задача погружена в расширенную систему, в много­ целевых системах с естественной избыточностью каждая из задач погружена во множество пересекающихся задач, которое и обра­ зует расширенную систему. По сути дела в таких системах отсут­ ствуют элементы, введенные только для увеличения надежности или других показателей качества решения отдельной задачи, что увеличивает эффективность систем. В этом проявляется качествен­ ное отличие многоцелевых систем от одноцелевых. Рассмотрим для примера простую математическую модель.

Предположим, что имеем систему стремя иерархическими уров­ нями Y lt Y 2, Y3, где Y х — первый низший уровень; достижение цели на уровне Y х заключается в том, чтобы сумма элементов atjk

40

достигла определенной величины Аа\на уровне К2 — в том, чтобы

/, у, к — индексы цели, на достижение которой в соответствии

с принципом доминанты может быть ориентирована вся система. Если достигается цель с индексом г, то на всех уровнях эле­

Каждый из элементов может входить в эти суммы при дости­ жении различных целей в многоцелевой системе, но в одноцелевой системе имеем крайний случай, когда каждый из элементов входит в сумму только для какой-либо одной цели, т. е. элементы со сме­ шанными индексами равны нулю.

Далее для достижения цели всей системой необходимо полу­ чить определенные суммы:

+ В[ + С;, Aj Bj + С/, Ak + Bk + Ck,

откуда и вытекает возможность обменных соотношений между уровнями.

Развитие теории многоцелевых систем еще только начинается. За последнее время появилось большое количество таких систем, что связано с бурным научно-техническим прогрессом (по-види­ мому, только многоцелевые системы могут избежать опасности быстрого морального старения).

Системы программного управления оборудованием (в частности, робот-манипулятор) по своим задачам являются многоцелевыми системами и поэтому они содержат естественную избыточность. Разработка алгоритмов управления систем с избыточностью яв­ ляется первостепенной задачей.

8. АРХИТЕКТУРА ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ

Структура системы (архитектура) отражает детальное описание связей между системными компонентами. Разработка структуры системы требует четкого определения функциональных свойств последней, а сама постановка задачи должна быть выражена

41

в соответствующих терминах. Основным этапом в разработке структуры системы считается выработка требований к аппаратуре, средствам программирования, размерам массивов данных, си­ стеме команд и т. д. Все эти требования преследуют одну цель — максимальную гибкость системы в различных областях приме­ нения.

Методы и пути внедрения интегрированных систем управления производством могут быть различными.

Потребитель может иметь «классический» информационновычислительный центр с расширяющимся и непрерывно пополня­ ющимся списком задач управления производством. В этом случае сначала обрабатывается информация, связанная с производствен­ ным планированием. На следующем этапе производится миними­ зация в вертикальном разрезе системы и вводятся функции дина­ мического планирования и управления. Затем строятся линии связи между различными уровнями внутри предприятия. После этого вводится автоматическое управление оборудованием. На по­ следнем этапе производится интеграция всех отдельных подсистем в одну систему управления предприятием. Причем процесс услож­ нения системы будет продолжаться все время, поскольку круг задач расширяется непрерывно и структура системы будет расти как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Время ввода в действие начальной (упрощенной) системы оценивается сроком в пять—семь лет, а всей системы — в 10— 12 лет. В течение всего этого периода требования к совместимости отдельных под­ систем, несмотря на их раздельное развитие, должны сохраняться.

Другой путь построения системы может начинаться с введе­ ния системы управления оборудованием, системы контроля, системы непосредственного сбора данных. Далее рост системы в целом будет осуществляться в горизонтальном направлении путем добавления аналогичных задач. Только после этого можно перейти к следующему более высокому уровню, включающему планирование и функции операционного управления.

Могут быть и отклонения от описанных путей развития си­ стемы, но во всех случаях структура ее должна быть приспособ­ лена к тому, чтобы рост системы не влиял на перестройку уже построенных звеньев.

Непрерывные изменения в системе, сопровождающиеся заме­ ной одних ее блоков, усовершенствованием других и т. д., при­ водят к необходимости создания адаптивных, обучающихся систем, позволяющих без их смены решать разные задачи путем пере­ обучения.

В [46] сформулированы основные требования к структуре системы.

1. Совместимость форматов данных на всех системных уро нях. Сюда же относится и стандартизация информационных струк­ тур на магнитных лентах. Если обработка, хранение и формиро­ вание данных производятся лишь внутри определенной подси-

42

стемы, то структура данных оптимизируется для этой специальной среды.

2.Совместимость программирующего языка на всех уровнях. Могут быть и отклонения от этого принципа, например на низшем уровне управляющей иерархии часть задач программируется на специализированных языках.

3.Непротиворечивость номенклатуры элементов на всех уровнях.

4.Эффективность коммуникаций между отдельными устрой­ ствами.

5.Эффективность коммуникаций между ЭВМ и потребителями

имежду данной ЭВМ и ЭВМ на других предприятиях.

6.Возможность независимой работы подсистем на низшем уровне.

7.Возможность более полной интеграции по сравнению с на­ стоящим временем воспринимающих систем с операторно-ориен­ тированными системами на низших иерархических уровнях.

8.Гармоничная интеграция ЭВМ, обладающих различными возможностями, в единой системе.

Основные элементы системы и их функции

Процессоры. Автоматизация предприятий требует широкого набора процессоров, начиная от малых и кончая максимальными. По мере продвижения по иерархической структуре вниз к уровню управления оборудованием требования, чтобы система работала в реальном масштабе времени, растут. Операции, производя­ щиеся в реальном масштабе времени, требуют наличия схем прерывания, датчиков времени, схем защиты памяти, автомати­ ческого обнаружения ошибок и т. п. Очень важно на уровне автоматизации производства иметь возможность разделять функ­ ции между схемными решениями и средствами программирования, что часто необходимо при изменении производственного процесса; так, например, IBM-1800 имеет 24 уровня прерывания, что очень удобно, так как практически каждое устройство имеет свой отдель­ ный уровень прерывания и идентификация производится не­ медленно.

Связь. Возрастающее внедрение ЭВМ в производство требует расширения и совершенствования систем связи. При этом тре­ буется высокая различимость сигналов. Для улучшения связи при передаче больших массивов информации используются мультиплексорные системы (системы с параллельной передачей), коаксиальные кабели с широким частотным диапазоном для связи между процессорами, специальная сеть для устройств ввода ин­ формации.

Устройства ввода-вывода. Канал непосредственной передачи информации является физическим соединением аппаратуры потребителя с ЭВМ через устройства ввода-вывода. Большой

43

диапазон возможных областей применения требует приспособляе­ мости к исключительно широкому ряду характеристик сигналов. Дистанционные источники сигналов или приемники должны быть связаны с процессорами через дистанционные устройства вводавывода при помощи линий связи с высокой пропускной спо­ собностью.

Связь человек-машина. Возрастающая роль ЭВМ в управле­ нии производством требует расширения возможностей связи человека с машиной. Для выполнения этого требования необхо­ димо применять устройства ввода-вывода с удобочитаемыми носи­ телями информации, графические устройства вывода и т. п.

Магнитные ленты и диски большой емкости. Интегрированные системы управления требуют применения больших банков инфор­ мации, откуда ее выборка производится от случая к случаю. Организация банков информации должна быть детально изучена. Вопрос о разбивке больших массивов информации с точки зрения оптимального обмена между емкостью памяти и скоростью вы­ борки информации должен основываться на точном знании типов информации, требующихся на всех уровнях организационной иерархии. В дополнение к возможностям хранения информации в центральном устройстве на всех уровнях иерархии вычислитель­ ных подсистем требуется определенная емкость памяти на магнит­ ных лентах и дисках. Она необходима для следующих целей:

запоминания информации, когда центральное устройство па­ мяти переполнено;

уменьшения нагрузки систем связи путем записи необходимой информации непосредственно у ее источника;

обслуживания информацией небольших систем; в качестве буферной памяти, когда данные не могут быть

переданы в реальном масштабе времени из-за частотных ограни­ чений каналов связи.

Весьма важное значение имеет также разработка методов защиты информации от ошибок.

Средства программирования. Программы ЭВМ, разработанные для функционирования на низших уровнях иерархии вычисли­ тельных систем, должны работать в реальном масштабе времени. Процессы автоматизации производства могут отличаться в боль­ шой степени друг от друга. В некоторых случаях производство бывает непрерывным (в течение 24 ч в сутки). Это, в свою очередь, требует от программистов отладки программы и исправления ошибок во время непрерывной работы системы управления про­ изводством. Такая система также должна уметь быстро приспо­ сабливаться ко всем изменениям внешней среды.

Требования к средствам программирования: максимальное использование системного подхода; приоритетное переключение задач;

использование проблемно-ориентированных высокоорганизо­ ванных языков;

44

доступность программ и хорошая организация системы связи. Программы управления любым процессом на предприятии, несмотря на необходимость их связи между собой, должны рабо­ тать асинхронно. Обычным методом системного воздействия на большое число асинхронных программ, связанных между собой, является их организация в мультипрограммную систему. Таким образом, на предприятии основной оперативной системой низшего уровня служит мультипрограммная система, управляемая на

основе временных задержек по входу (выходу).

Операционные группировочные системы применяют специаль­ ные алгоритмы переключения задач, которые позволяют завер­ шить вычисление любой из задач до перехода на новую. Использо­ вание таких алгоритмов дает возможность минимизировать число переключений задач, а также число реверсов в системе. При­ оритетность задач в системе определяется их природой. Обычно алгоритм переключения задач вводится с помощью структурной приоритетности системы. Согласно таким алгоритмам, высшей степенью приоритета внутри системы в любой заданный момент времени считается вычисление.

Важное значение в операционной системе управления имеет способ введения задач в систему. Обычно в системах требуется ввести задание на переключение с помощью утверждения на языке управления. Системы, работающие в реальном масштабе времени в операционной системе, функционируют под воздей­ ствием трех источников дополнительной информации. Первый из них относится к возможности появления какого-то события извне системы. Вторым источником является временной фактор. Часто потребитель требует от операционной системы, чтобы она произ­ водила вычисление в определенное время (например, в определен­ ное время дня) и с заданными интервалами. Третий источник может заставить систему переключаться с вычисления одной задачи на другую. Это означает, что потребитель, используя любой из про­ граммирующих языков внутри системы, может вызвать программудиспетчер в любой момент для того, чтобы начать работу с какой-то другой программой.

Необходимо при программировании использовать высокоорга­ низованные языки, тогда разрабатываемая система будет в наи­ меньшей степени зависеть от типа используемой ЭВМ.

Не менее важна хорошая организация связи на всех уровнях иерархии в интегрированной системе управления. С другой сто­ роны, производство должно работать, даже если автоматизи­ рованная система управления выключена. Однако это не озна­ чает, что система должна прерывать свою работу, если обнару­ жена ошибка. Ошибка тут же исправляется, система вновь син­ хронизируется, а анализ причин возникновения ошибки про­ изводится впоследствии. Основным правилом функционирования системы в реальном масштабе времени при возникновении ошибок является полная независимость различных ее устройств друг от

45

друга. Часть из них может выйти из строя и будет отключена, а система тем не менее должна продолжать работу.

На систему, работающую в реальном масштабе времени, на­ кладываются определенные требования с точки зрения процедур обнаружения ошибок. Во-первых, эти процедуры не должны влиять на реакции системы по отношению к внешней среде. Во-вто­ рых, потребитель должен уметь управлять этими процедурами, а значит должен быть своевременно информирован о возникнове­ нии ошибки.

Основные типы структуры

Структура с централизованными вычислительными функциями. В такой структуре высокопроизводительный центральный про­ цессор с помощью развитой системы связи и сети потребителей управляет различными сторонами деятельности предприятия. Потребители в этой схеме не обладают собственными вычисли­ тельными возможностями и полностью зависят поэтому от цен­ трального процессора. Вследствие такой зависимости все основ­ ные компоненты этой структуры из-за возможного выхода из строя продублированы. Блок-схема структуры изображена на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема структуры с централизованными вычислительными функ­ циями:

1 — магнитные ленты, устройства ввода-вывода; 2 — центральный процессор; 3 — банк данных; 4 — устройство управления параллельными каналами; 5 — терминалы

Подобная структура, однако, не отвечает всем требованиям высокой приоритетности, а основные правила ее функционирова­ ния следующие.

1. Централизованное сосредоточение всех вычислительных воз­ можностей системы должно обеспечивать требования большинства потребителей на предприятии. При условии применения цен­ трального процессора общего назначения это труднодостижимо

идорого.

2.Надежность и пригодность основной части системы должны

удовлетворять жестким требованиям. Это приводит к высокой стоимости оборудования, системного обслуживания и т. п.

46

Отдельные системы, работающие в реальном масштабе времени. Большинство задач на низших уровнях предприятия решается в режиме с разделением времени или мультипрограммным спо­ собом с помощью отдельных подсистем сравнительно большой вычислительной мощности. Эти подсистемы соединяются с одной общей информационно-управляющей системой. Примером такой системы может служить система, построенная на основе

IBM-1800, изображенная на рис. 10 [46].

Рис. 10. Блок-схема отдельных устройств, работающих в реальном масштабе времени:

1 — управляемая система; 2 — стандартные устройства ввода-вывода; 3 — централь­ ный процессор; 4 — магнитные ленты; 5 — мультиплексор; 6 — терминал; 7 — кон­ троллер; 8 — дисплеи

Эта структура имеет много преимуществ по сравнению с пре­ дыдущей. Она достаточно гибкая по отношению к задачам, кото­ рые ею решаются, и позволяет каждой подсистеме функциониро­ вать либо автономно, либо в виде компонента интегрированной системы управления производством. Структура имеет большие возможности роста как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Возможности одной большой структуры намного превышают суммарные возможности всех ее независимых под­ систем .

Однако такая структура имеет ряд ограничений. Например, поскольку каждая из подсистем обслуживает свою сферу, выход из строя одной подсистемы влечет за собой нежелательные по­ следствия. Вычислительные возможности отдельных подсистем сильно ограничены для решения задач по комплексному анализу.

Двухровневая управляющая система. Структура этой системы представляет собой некоторое количество сателлитных специализи­ рованных подсистем, координация действий которых осуще­ ствляется центральным процессором. Блок-схема такой системы представлена на рис. 11.

47

Система высшего уровня с вычислительным комплексом общего назначения обеспечивает обслуживание отдельных подсистем. Это обслуживание, которое сами подсистемы не в состоянии выполнить, включает в себя перфокарточный ввод-вывод, функции банка данных, компиляцию, интерпретирование, классифика­ ционный анализ. Выполнение всех этих функций без задержки обеспечивает система связи с достаточно емким переключателем

Рис. 11. Блок-схема двухуровневой управляющей системы:

J — управляемая система; 2 — стандартные устройства ввода-вывода; 3 — централь­ ный процессор I; 4 — центральный процессор II; 5 — быстродействующий мульти­ плексор; 6 — банк данных; 7 — выход к медленнодействующим устройствам; 5 — под­ системы специального назначения

каналов. Кроме того, необходимы еще дешевые медленно действу­ ющие каналы, обеспечивающие связь системы с устройствами ввода. Центральные процессоры I и II выполняют различные функции, но в случае выхода из строя могут заменять друг друга.

Сателлитная структура системы требует такой специализации, чтобы каждая из задач решалась достаточно эффективно. Двух­ уровневая структура имеет возможности неограниченного роста по всем направлениям. Высокой надежности можно добиться дублированием подсистем.

Сравнение описанных выше трех возможных структур системы управления позволяет сделать вывод, что каждая из них имеет свою сферу применения и зависит от типа производства и финан­ совых возможностей потребителей.

9. ЛИНГВИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Как уже упоминалось выше, иерархическая система есть си­ стема, состоящая из взаимосвязанных подсистем, каждая из кото­ рых, в свою очередь, является иерархической. В большинстве

48

систем (естественных и искусственных) выявить множество эле­ ментарных подсистем, на котором необходимо прекратить дробле­ ние системы, можно произвольным образом.

В [30 ] предложено простое описание сложных систем, исполь­ зующее избыточность их структуры. Пусть, например, структура сложной системы описывается матрицей

Здесь можно считать, что отдельные буквы описывают некоторые элементарные подсистемы. Они могут быть объединены в более крупные подсистемы следующим образом:

Тогда, если для исходной системы требовалось 64 символа, то для описания системы в новых обозначениях требуется лишь 32 сим­ вола:

Экономия в описании исходной структуры целиком опреде­ ляется ее избыточностью (рис. 12). В случае, если структура не избыточна, то ее невозможно представить более экономным образом. В большинстве случаев иерархические системы обла­ дают большой избыточностью. Действительно, в одном цехе, например, может быть установлено много одинаковых станков с-программным управлением или же вдоль автоматической линии