книги из ГПНТБ / Лоскутов В.И. Основы современной техники управления

Определение весовых значений локальных функций си­ стемы является сложной и трудной задачей, связанной с де­ тальным анализом протекающих в системе процессов.

Схема информационной структуры строится также в зави­ симости от размещения объектов системы, их технологических характеристик и принятых дополнительных условий.

Разработка структурных схем системы управления основы­ вается на выборе конфигурации и взаимодействия ее инфор­ мационных и управляющих звеньев, а также намечаемых ограничений.

Объединение всех элементов системы осуществляется раз­ ветвленной информационной сетью, обеспечивающей необхо­ димые связи структурной схемы. Различают два вида связей: регулярные и нерегулярные. В основе регулярных связей ле­ жит устойчивая, периодически действующая обменная инфор­ мация с заранее определенными циклами ее комплексной пе­ реработки. Нерегулярные связи характеризуются переменной периодичностью первичной информации и отсутствием цик­ личности в использовании конечных результатов ее перера­ ботки.

Автоматизация процессов управления связана в основном с решением задач в области регулярно действующих связей, хотя в ряде случаев учитываются и стохастически действую­ щие факторы.

Нерегулярные задачи обыкновенно возникают в условиях вывода процесса за установленные ограничения или в усло­ виях особых ситуаций для контролируемого объекта.

Движение информации между отдельными звеньями си­ стемы осуществляется с помощью соответствующих каналов связи.

Структуры автоматизированных систем должны строиться с учетом наиболее простых связей между подсистемами и эле­ ментами общей схемы. Но вместе с этим должны выполняться

и своевременного получения для этого достаточного количества данных.

Разветвленная схема информационных связей как между ступенями системы, так и между отдельными элементами тре­ бует четкого разграничения всех функций управления и рас­ пределения в связи с этим первичных данных по их назна­ чению.

Выявленные при этом процессы управления дифференци­ руются по отдельным звеньям системы и четко формализуются

для последующей реализации их в электронно-вычислитель­ ной машине.

В принятой структуре должны быть отмечены каналы выдачи и формы использования промежуточных результатов обработки циркулирующей в системе информации.

Рассмотрим две наиболее часто встречающиеся схемы при построении структур автоматизированных систем управления.

В первом случае все локальные процессы, входящие в уп­ равляемый комплекс, замыкаются на центральную ЭВМ, кото­ рая на основе расчетов оптимизации отдельных процессов выдает регулирующие воздействия непосредственно на испол­ нительные механизмы объектов регулирования. В этом случае роль общего центрального регулятора выполняет управляю­ щая вычислительная машина, соединяемая с управляемыми объектами через блок связи.

Обработка контуров управления каждого из контролируе­ мых объектов в таких системах производится последовательно один за другим, образуя при их обегании единичный цикл регулирования всего комплекса с периодом времени Т.

Контроль за состоянием протекающих процессов произво­ дится с помощью датчиков. Формируемые в операционном блоке управляющие сигналы для каждого объекта через соот­ ветствующие усилители приводят в действие исполнительные механизмы.

Помимо функций регулирования, центральная управляю­ щая машина может выполнять и такие операции, как: вычис­ ление технико-экономических показателей работы всего объ­ екта; периодическая регистрация основных переменных ло­ кальных процессов; учет материалов, сырья и энергии; изме­ нение текущих плановых производственных заданий; вычис­ ление себестоимости конечного продукта и т. п.

Получая по соответствующим каналам необходимую учет- но-статистическую и экономическую информацию, электронновычислительная машина перерабатывает ее по принятым для этого алгоритмам и выдает получаемые результаты на печа­ тающее устройство.

В процессе управления ЭВМ осуществляет контроль за выполнением заданных ограничений и выполняет функции аварийной сигнализации.

Построение структурной схемы второго типа основано на расчленении управляемого комплекса на отдельные процессы с использованием локальных контуров управления для каж ­ дого из контролируемых объектов. В этом случае центральная вычислительная машина соединена также через блок связи

210

с регуляторами местных систем автоматики, образуя вместе с ними единую систему управления. Центральная управляю­ щая машина такого комплекса выполняет функции оптимиза­ тора для установок регуляторов. С помощью регулирующих устройств осуществляется воздействие на исполнительные ме­ ханизмы управляемых объектов.

Так же как и в первом случае, на центральную управляю­ щую машину, помимо основных задач оперативного управле­ ния, может быть возложен и ряд других вспомогательных функций, в частности обработка производственно-статистиче­ ской и оперативной информации.

Исходная информация о состоянии контролируемых про­ цессов поступает от соответствующих датчиков и других источников информации через блок связи.

Выработанные машиной управляющие сигналы трансфор­ мируются соответствующим образом в оперативном блоке, а результаты обработки экономической информации выдаются на печатающее устройство.

Большое достоинство систем второго варианта заключается в его значительно большей надежности по сравнению с первым. Неисправность центральной вычислительной машины в систе­

Преимущество систем первого рода состоит в том, что из-за отсутствия локальных органов управления вся система полу­ чается более простой. Но вместе с этим выход из строя цен­ тральной управляющей машины влечет за собой остановку работы или аварийное состояние всего управляемого ком­ плекса.

При построении структур сложных систем в ряде случаев выделяются подсистемы местного управления, предназначен­ ные для решения частных задач. Применение их упрощает процесс внедрения вычислительной техники и обеспечивает быстрое получение экономического эффекта. Особое значение местные системы управления приобретают в условиях исполь­ зования мини-ЭВМ. Возможность членения системы за счет выделения обособленных подсистем существенно уменьшает количество внутренних связей и делает ее структуру более простой и мобильной. Возможность создания замкнутых подсистем местного управления позволяет наиболее целе­ сообразным образом решать и задачу о централизации

211

1 1 .

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ И ЭВМ

Большинство автоматизированных систем управления представляет собой комплексы взаимозависимых объектов и управляющих устройств, выполняющих определенные функ­ ции и сформированные в ряде случаев в обособленные под­ системы. Каждая из таких подсистем связана с решением ма­ тематических задач и реализацией алгоритмов по переработке информации.

Эффективность функционирования АСУ во многом опреде­ ляется наличием и качеством отработки ее математического обеспечения, представляющего совокупность моделей, алго­ ритмов, машинных языков и программ для решения задач прогнозирования, планирования и управления.

Использование вычислительных агрегатов в сложных си­ стемах управления основано на организации и одновременной коллективной работе многих пользователей (объектов, процес­ сов). При этом важной проблемой является увеличение про­ изводительности эксплуатируемых в системе ЭВМ за счет равномерной загрузки их внешних устройств. Осуществляя параллельную работу механических и электронных блоков вычислительных агрегатов, удается в значительной мере устранить несоответствие скоростей их работы. Реализуется все это с помощью специально разработанных для этого про­ грамм, являющихся одной из составных частей математиче­ ского обеспечения вычислительных комплексов.

При наличии хорошего математического обеспечения до­ стигается резкое сокращение времени решения задач, осуще­ ствляется максимальная загрузка всех устройств ЭВМ, умень­ шается время на подготовительные и завершающие стадии проводимых вычислений, а также своевременно выявляются

213

и устраняются возникающие в работе неисправности в управ­ ляющей и информационной частях системы.

Внастоящее время еще не определилась точная градация отдельных элементов математического обеспечения и для раз­ ных ЭВМ они взаимодействуют друг с другом в различных сочетаниях. Поэтому в начальной стадии описания определим основные его части по их функциональным признакам.

Всостав общего математического обеспечения входят сле­ дующие основные системы: обслуживания, операционная, про­ граммирующая и библиотека программ.

Система обслуживания предназначена для наладки и кон­ троля за эксплуатацией ЭВМ. С помощью этой системы осу­ ществляется анализ правильности работы устройств, обнару­ жение и локализация неисправностей в работе оборудования, обеспечение комплексной проверки технических средств. Она включает в свой состав систему тестов и контроля для выяв ­ ления и диагностики неисправностей в системе управления, анализа сбойных ситуаций и т. д.

В систему обслуживания часто включают и стандартные подпрограммы, внесение изменений в информацию, а также

той основных и вспомогательных устройств ЭВМ, производит обмен информацией вычислителей с внешней средой и в ряде случаев организует одновременное решение нескольких задач с учетом их приоритетного значения. Для этого используется система отладочных программ, комплекс операционных про­ грамм, определяющих последовательное прохождение задач,

исистема программ обслуживания информационных массивов.

Вцелом операционную систему можно рассматривать как большую программу с очень сложной логикой взаимодействия ее отдельных частей.

Воперационной системе можно всегда выделить две основ­ ные подсистемы программ — «Монитор» и «Супервайзер». Под­ система «Монитор» организует совместную работу отдельных блоков ЭВМ, подсистема «Супервайзер» обеспечивает взаимо­ действие процессора с внешними абонентами. С его помощью обеспечивается контроль за работой внешних устройств.

Эти подсистемы совместно образуют так называемую про­ грамму-диспетчер, обеспечивающую принятый порядок реше­ ния задач в процессе функционирования АСУ. Программа-дис­ петчер контролирует работу внешних устройств, эффективно распределяет память для рабочих программ, осуществляет выборку и подготовку очередной задачи, организует рацио-

214

нальность прохождения исходных и промежуточных данных через соответствующие устройства. Основной функцией про­ граммы-диспетчера является также набор программ для об­ служивания внешних и внутренних причин прерывания. Про­ грамма-диспетчер определяет характер обслуживания абонента и подготавливает план работы процессора. Для этого опреде­ ляются пультовые режимы и ориентированное время работы процессора с абонентами, осуществляющими запросы на ре­ сурсы запоминающих устройств.

Связь между человеком и машиной осуществляется на спе­ циальном операционном языке, позволяющем оператору вызы ­ вать для реализации необходимые программы, следить за хо­ дом их выполнения, реагировать на различные аварийные ситуации, возникающие в процесе управления системой.

Многопрограммное обслуживание ЭВМ организуется в ос­ новном с учетом максимальной загрузки процессора и внеш­ них устройств машины.

Распределение времени работы центрального процессора между соподчиненными объектами и процессами может про­ изводиться методом статистического планирования за счет реализации специально разработанной для этого программы. Этот метод оправдывает себя в условиях регулярного обслу­ живания присоединяемых во время работы абонентов. В усло­

освобождающегося того или иного устройства ЭВМ или отсут­ ствия необходимых данных для продолжения вычислений ре­ шаемой задачи.

Операционная система может быть построена по принципу как однородной, так и иерархической структуры. Однородная структура предопределяет наличие одного уровня подчинен­ ности всех компонентов ОС. В иерархической, наиболее часто встречающейся структуре, имеется несколько уровней подчи­ ненности («Супервайзер»—диспетчер заданий — обслуживаю­ щие программы — программы пользования). Как видно, уро­ вень управления, на котором помещается программа, опреде­ ляется ее функциональной значимостью:

Кроме программы-диспетчера, в операционной системе имеется ряд других имитирующих программных блоков раз­ личного функционального назначения. В частности, операци­ онная система должна иметь интерпретатор текущего состоя­ ния всех элементов вычислительного комплекса, а также спе­ циально разработанные алгоритмы организации последова­ тельности их действия.

215

Основная задача операционных систем состоит в повыше­ нии пропускной способности вычислительных алгоритмов при обработке информации.

в свой состав алгоритмические языки различных уровней и типов, а также трансляторы с входных языков.

Совокупность проблемно- и машинно-ориентированных языков, входящих в математическое обеспечение, должна быть построена на общей синтаксической основе, единой сим­ волике и общей структуре. Указанное требование вытекает из необходимости обеспечения совместимости различных про­ грамм и обмена их между различными звеньями АСУ. Как известно, применяемые в настоящее время алгоритмические языки не являются универсальными, и каждый из них при­ годен лишь для определенного типа задач. Поэтому програм­ мирующая система обеспечивается комплексом языков, кото­ рые в совокупности покрывают все типы задач, возникающие в процессе функционирования АСУ.

Современные транслирующие системы часто строятся с ис­ пользованием так называемого промежуточного языка. Причем сначала осуществляется перевод вводимого материала на про­ межуточный язык, а уже в последующем — на машинный. Применение такого метода расширяет состав входных языков и обеспечивает совместимость различных программ.

Библиотека стандартных и типовых программ является также существенной частью математического обеспечения. Указанные программы используются в качестве составных элементов в рабочем программировании. Могут быть выделены три основных уровня таких программ: программы типовых задач, стандартные программы часто встречающихся крупных процедур и стандартные микропрограммы небольших про­ цедур, типа вычислений элементарных функций, операций над длинными числами и т. д. При этом программы нижних уров­ ней являются подпрограммами более высоких уровней про­ граммирующей системы.

Стандартные подпрограммы могут записываться как в ма­ шинно-ориентированных, так и в машинных языках. Разме­ щаются они обыкновенно во внешних запоминающих устрой­ ствах и только небольшие по объему и часто встречающиеся подпрограммы хранятся в накопителях с односторонней вы ­ боркой. Запись их в этом случае ведется в машинном языке или в языке микрокоманд.

216

Наборы типовых программ, используемых для решения реальных, часто встречающихся задач, хранятся в блоках внешней памяти или даже в соответствующих носителях информации.

Типовые программы, как правило, записываются в про­ блемноили машинно-ориентированных языках.

В ряде случаев в библиотеках хранятся несколько подпро­ грамм различных методов решения одной и той же математи­ ческой задачи.

Разработка математического обеспечения АСУ производится с учетом конкретных ЭВМ, которыми оснащены различные уровни проектируемой системы. Непременным условием при этом должна быть их информационная совместимость.

При проектировании системы управления большое значе­ ние имеет специализированное математическое обеспечение. В результате изучения и анализа работы локальных объектов и процессов, определяющих в своей совокупности функциони­ рование всей системы, должны быть выявлены и формализо­ ваны все многократно решаемые задачи. При этом должна быть проведена унификация способов их решения, установ­ лена форма представления исходных данных, определено их взаимодействие с другими программами и программой-диспет­ чером, выявлены стандартные процедуры и их модификации при обработке циркулирующей информации.

Решение задач целесообразно проводить с учетом заранее установленных типовых по своей структуре блоков, которые при окончательном формировании программ решения можно объединять между собою в различных сочетаниях и наборах.

Задачи, возникающие при функционировании больших си­ стем, можно разбить на три основных класса: задачи управле­ ния технологическими объектами, задачи, связанные с про­ изводственно-технической и административно-хозяйственной деятельностью отдельных подразделений и АСУ в целом и, наконец, информационно-поисковые задачи.

Управление технологическими объектами и непрерывными процессами в большинстве случаев связано с переработкой информации аналогового вида. Как правило, их необходимо решать в реальном масштабе времени, что предъявляет осо­ бые требования к режиму обработки данных.

С помощью системы прерывания обеспечивается одновре­ менное решение ряда таких задач, с учетом действия при­ своенного приоритета для каждой из них. Выработанная мощ­ ность ЭВМ системы должна удовлетворять требованиям всего потока задач и обеспечивать своевременное их решение.

217

Задачи операционного плана связаны в основном с пере­ работкой массивов служебной документации. Они характе­ ризуются сравнительно небольшой глубиной переработки информации и большими объемами вводимых и выводимых

Maтемаmuческое обеспечение АСУ

Рис. 43. Общая классификационная схема математического обеспечения АСУ

данных. К их числу относятся задачи оптимального планиро­ вания, обработка оперативной информации, удовлетворение запросов потребителей по различного рода справкам, обра­ ботка накопленных массивов записей и т. д.

Основная нагрузка при решении задач указанного класса падает на внешние устройства ЭВМ и долговременную память машины. При хорошо развитых внешних устройствах в ряде случаев выгодным является режим пакетного решения задач обоих классов, так как при этом улучшается загрузка всего оборудования ЭВМ. Общая классификационная схема основ­ ных программирующих систем и набора стандартных и типо-

218