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

до получения признака S осуществляется с помощью операции построения цикла, обозначаемой

где R — алгоритм, распознающий признак 5.

Схема операции построения цикла показана на рис. 50, д.

алгоритмов и их непротиворечивости, т. е. каждый из входя­ щих в схему алгоритмов должен обладать точным выбором предписаний для получения искомого результата, а совместное применение нескольких элементарных алгоритмов не должно приводить к противоречиям.

Рационально построенный алгоритм управления обеспечи­ вает точное выполнение поставленной задачи с учетом наи­ меньшей сложности при его реализации.

В качестве оценки реализуемого процесса управления мо­ жет быть принята величина отклонения х регулируемой вели­ чины I от ее заданного значения.

Во многих случаях задающая величина связана с экстрему­ мом контролируемой функции. Таким образом, процесс управ­ ления будет оптимальным, если значение х в предыдущем выражении будет иметь нулевое значение.

Возможны самые различные типы оптимизируемых вели­ чин. В соответствии с этим разнообразны и критерии опти­ мальности, по которым ведется процесс управления объектом.

На практике часто встречаются автоматизируемые объекты, для которых в качестве критериев оптимума выбирается экс­ тремум функции регулируемой величины. В этом случае опре­ деление оптимума процесса связано с математическим иссле­ дованием соответствующего функционала или с решением многовариантной задачи.

Даже в условиях стационарности процесса на управляемый объект может воздействовать некоторая совокупность слу­ чайных возмущений, которая будет смещать течение процесса

250

14.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Разработанный и окончательно проверенный на математи­ ческой модели алгоритм программируется и выражается в при­ нятых для этого терминах элементарных операций.

Таким образом, программа представляет собой полное и точное описание обработки информации в соответствующем коде для данной ЭВМ. С помощью такой программы обеспе­ чивается автоматическое решение поставленной задачи и по­ следующее формирование исполнительных команд.

При этом принятый алгоритм реализуется в машине с по­ мощью определенной последовательности арифметических и логических операций, задаваемых соответствующим набором

Составление разветвляющихся программ зависит от исполь­ зования промежуточных результатов, когда возникает необ­ ходимость анализа различных вариантов вычислительного процесса.

Программа, задаваемая на языке конкретной машины, тре­ бует значительной затраты времени на свое составление и по­ следующую отладку ее на ЭВМ. Такая программа является описанием более общего, так называемого расширенного алго­ ритма, содержащего, кроме действий по его реализации, также некоторые вспомогательные операции для создания внутри машины команд при решении соответствующей задачи.

Команды и приказы, составляющие рабочую программу, как правило, записываются в виде числовых кодов. Таким об­ разом, работа вычислительного устройства разбивается на от­ дельные такты, в каждом из которых выполняется одна команда программы.

252

К началу очередного такта соответствующий приказ посту­ пает в блок управления, который путем автоматических пере­ ключений имеющихся схем реализует нужную арифметиче­ скую или логическую операцию.

Выполнение отдельных программ и их элементов во вре­ мени часто носит циклический характер. Машина по заложен­ ным в нее критериям и табличным данным следит за оконча­ нием соответствующих циклов и на основе логических оценок реализует установленную алгоритмом последовательность. При этом используются циклы без переменных команд и циклы с переадресацией.

Сокращение времени решения осуществляется за счет использования стандартных и циклических подпрограмм.

Часто используется блочный метод программирования. В этом случае сложная программа разбивается на блоки, кото­ рые в последующем объединяются в собирающую программу. При этом каждый блок программируется отдельно. Блочная структура программ облегчает ее отладку и увеличивает гиб­ кость программы, так как появляется возможность при не­ больших изменениях задания ограничиться переделкой всего, одного или нескольких блоков.

Необходимо отметить, что программирование на языке универсальных ЭВМ оправдывало себя лишь на первых эта­ пах внедрения современных средств вычислительной техники. В последующем возникли методы, позволяющие вводить в ма­ шину не рабочую программу, расписанную на машинном языке, а некоторую сокращенную информацию о программе, подлежащую дальнейшей расшифровке внутри самой машины. Так появились приемы автоматизации процессов программи­ рования.

Уже при эксплуатации первых типов ЭВМ начал широко использоваться метод библиотечных подпрограмм. Использо­ вание по ходу решения задачи этих заранее разработанных подпрограмм осуществлялось с помощью определенных пра­ вил и команд, предусмотренных в основной программе.

Этот, оправдавший себя на практике прием до сих пор используется в современных методах программирования.

Второй способ ускорения программирования связан с реа­ лизацией метода псевдокода. Псевдокодом называется система команд, как бы некоторой условной машины, в которой в ка­ честве элементарных операций выполняются операции более сложные, нежели в реальной машине, для которой состав­ ляется программа.1 В этом случае каждая из команд псев­ докода заменяется группой команд реальной машины. Как

253

правило, такая замена производится автоматически, и псевдо­ код в этом случае называется автокодом.

Дальнейшее развитие автоматизации программирования связано с описанием алгоритмов в терминах операторов и представлением их в виде операторных схем.

Выбор операторов и правила их описания привели к созда­ нию алгоритмических языков, значительно упрощающих как сами процессы программирования, так и их автоматизацию.

При автоматическом программировании особо актуален вопрос рационального использования библиотек стандартных программ и подпрограмм, хранящихся в памяти ЭВМ. Осуще­ ствляется это с помощью компилирующих и интерпретирую­ щих систем.

Компилирующая система состоит из библиотеки стандарт­ ных программ, каталога библиотеки и комплектующей про­ граммы. С помощью последней при необходимости осуществ­ ляется вызов и размещение в ОЗУ соответствующей стандарт­ ной программы и увязка ее с основной программой.

Интерпретирующая программа, хранящаяся в ОЗУ, осуще­ ствляет последовательный просмотр и выполнение команд основной программы.

При необходимости в оперативное запоминающее устрой­ ство вызывается соответствующая стандартная подпрограмма, которая немедленно выполняется. В интерпретирующей про­ грамме широко используются псевдокоды.

Метод компиляции отличается тем, что подпрограмма вы ­ зывается только один раз, хотя выполняться она может мно­ гократно. Необходимость размещения вызываемой подпро­ граммы в ОЗУ требует большой емкости оперативной памяти ЭВМ.

Метод интерпретации является более простым и гибким. В этом случае в ОЗУ должна храниться только интерпрети­ рующая программа. Недостатком метода интерпретации яв ­ ляется необходимость больших затрат времени на проведение указанных операций, так как вызов стандартных подпрограмм осуществляется все время заново.

Дальнейшее направление в автоматизации программирова­ ния связано с созданием компилирующе-переводных про­ грамм, базирующихся на алгоритмических языках. В этом случае исходные данные решения задачи записываются на соответствующем алгоритмическом языке. С помощью транс­ лятора (компилирующе-переводящей системы) эти данные фор­ мализуются и автоматически развертываются в машинную программу. В результате получается программа, записанная

254

в виде определенной последовательности команд конкрет­ ной ЭВМ.

Впрограммировании существенное место занимают про­ цессы подготовки и отладки программ. В настоящее время имеются методы, автоматизирующие и эти процессы. После ввода программы на одном из алгоритмических языков, осу­ ществляется контроль правильности написания программ, глав­ ным образом выявляются синтаксические ошибки.

Затем в машину необходимо ввести добавочную информа­ цию для исправления искаженных данных. Если программа составляется из нескольких модулей, то специальная про­ грамма объединяет их в одно целое.

Полученные результаты проверяются заранее подготов­ ленными тестами. При наличии положительных результатов программа передается в соответствующий раздел памяти машины.

Вавтоматизации процессов управления большое значение играет метод мультипрограммирования при одновременной переработке информации с ряда объектов.

Основная часть логики мультипрограммирования осуще­ ствляется с помощью направляющей программы-диспетчера.

Система прерывания программы позволяет вести своевре­ менное управление вводом и выводом обменной информации, проводить анализ создавшейся обстановки и осуществлять за­ щиты от заранее оговоренных условий.

Такой режим работы связан с существенной экономией машинного времени, особенно для программ, основное время обработки которых занимают операции ввода-вывода. Очеред­ ность обработки программ в режиме мультипрограммирования определяется с помощью установленных для них приоритетов, задаваемых программистом.

Программа, основанная на реализации управляющих алго­ ритмов, в общем случае включает в себя как бы три само­ стоятельные подпрограммы: набор обменных подпрограмм, направляющую подпрограмму-диспетчер и набор обрабаты­

ной информации в соответствующие моменты времени, опре­ деляемые характером работы внешних устройств. После полу­ чения и ввода в машину исходной информации управление пе­ редается основной программе.

255

В зависимости от сложности системы обменные программы строятся по непрерывному принципу или по принципу приори­ тетности. В последнем случае обменные операции с каким-либо источником информации могут прерываться абонентом с более высоким приоритетом. Прерванный обмен соответствующей информацией продолжается после окончания соединения с вклинившимся абонентом.

Направляющая подпрограмма определяет порядок работы обрабатывающих подпрограмм. Подключение их для реализа­ ции соответствующих алгоритмов управления выполняется с определенно принятой шкалой приоритетности для тех или других процессов, входящих в систему. Шкала приоритет­ ности при этом может оставаться неизменной или по ходу те­ чения процесса меняться во времени.

Вызов по требованию нужной обрабатывающей подпро­ граммы выполняется с помощью специальной команды, вслед за которой проверяется наличие ее вызова.

Каждая из обрабатывающих подпрограмм состоит из двух частей. Первая из них обеспечивает подготовку включения в работу рабочей части подпрограммы, а вторая осуществляет обработку информации по принятому для этого алгоритму.

Обрабатывающие подпрограммы включаются на различных стадиях решаемой задачи по команде, имеющейся в составе реализуемого алгоритма. Подпрограммы вызова включаются

вработу по заранее заданным моментам времени.

Впроцессе управления может использоваться ряд служеб­ ных обрабатывающих подпрограмм, реализуемых в зависи­ мости от различных внутренних условий работы контролируе­ мой системы. К их числу относятся тестовые подпрограммы, подпрограммы, связанные с реализацией некоторых контроль­ ных функций над управляемым объектом, подпрограммы переписи информации и т. д.

Построение сложной программы в виде совокупности авто­ номных независимых друг от друга подпрограмм обеспечивает гибкость и устойчивость работы всей системы.

Сложные системы управления большими комплексами со­ ответствующих объектов снабжаются также рядом специаль­ ных команд. К их числу относятся: программа выдачи операраторам инструкций о порядке и времени работы ЭВМ по отдельным задачам; программа выдачи информации о пра­ вильности работы машины; программа контроля за вводом и выводом информации и ее редактирование; программа дубли­ рования и защиты внутреннего архива; программа защиты расчетов от случайного вмешательства операторов; стандарт-

256

ные программы обработки больших массивов информации типа поиска, сортировки, подбора и т. д.; программа контроля и по­ явления ошибок в информации.

Сложные обрабатывающие программы иногда строятся в виде наборов частных обрабатывающих подпрограмм, объ­ единяемых отдельно выделенной для этого направляющей подпрограммой. В этом случае составление и отладка всей про­ граммы упрощается, так как можно вести независимое и па­ раллельное составление и отладку обрабатывающих подпро­ грамм.

Для управления несложными технологическими машинами с постоянно повторяющимися циклами программа состав­ ляется в кодах языка самой машины. По этому принципу строятся специализированные управляющие машины.

Большую роль в совершенствовании коллективных форм эксплуатации средств вычислительной техники будет играть создаваемый в настоящее время общесоюзный и отраслевые фонды алгоритмов и программ.

Отсутствие рекомендованных численных методов решения задач, а также различие в принятых методах шифровки и ко­ дирования исходных данных затрудняет обмен уже разрабо­ танными и используемыми алгоритмами и программами. По­ этому нормализация в общесоюзном масштабе кодов и ш и ф ­ ров, а также разработка единых проблемно-ориентированных языков программирования является одной из важнейших за­ дач в этой области.

257

1 5 .

КРИТЕРИЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ

Качество управления контролируемыми объектами опреде­ ляется своевременным выбором правильного или лучшего решения и степенью его реализации. Повышение качества управления часто связано с его автоматизацией.

Показатель качества работы автоматизированной системы управления можно представить как функцию ряда перемен­

Часто возмущения U(t) носят случайный характер, и по­ этому не могут быть выражены функцией времени. Это озна­ чает, что для любого значения t вектор U(t) является случай­ ной величиной. В том случае, когда вес случайных возмуще­ ний на объект незначителен, ими можно пренебречь, и процесс управления рассматривать как процесс детерминированный.

Для организации управления процессом необходимо знать математические соотношения, отражающие его физическую

Одновременно должны быть сформулированы соотноше­ ния, определяющие ограничения и дополнительные условия, налагаемые на управляемый процесс.

Математически показатель качества е работы системы управления можно представить в следующем виде:

е = е [ г ( 9 , у (Г), x(t), 1/(01-

258

Здесь экстремум функции определяет собой оптимум управляемого процесса.

Для нахождения экстремума функции е необходимо при­ равнять нулю все ее частные производные по управляющим воздействиям:

ния системы представляет собой целевую функцию, экстремум

На рис. 51 приведена характерная зависимость между про­ изводительностью большинства нефтеперерабатывающих и хи ­ мических установок и качеством конечного продукта.

ственного продукта установка работает при меньшей произво­ дительности, показанной на графике точкой Ъ. Применение автоматической системы управления позволяет ужесточить показатель качества работы объекта путем смещения зоны оптимума процесса к точке а и работать с повышенной произ­ водительностью установки.

259