1.5. Руководство для читателя

Цель книги

Авторы поставили перед собой задачу представить читателю обобщенный взгляд на компьютерное управление производственными процессами. Для построения сложных систем необходимо использовать знания из столь многих областей, что все аспекты, конечно же, невозможно детально рассмотреть в рамках одной книги. Из-за широты тематики и междисциплинарного характера каждую главу можно легко увеличить до весьма солидного тома (в большинстве случаев такие солидные издания уже существуют). Проблема в том, чтобы ограничить объем каждой главы до прием-лимых размеров и при этом дать читателю возможность при разумных усилиях получить на основе комплексного подхода более или менее полную картину компьютерного управления производственными процессами.

В этой книге нет новых теорий компьютерной архитектуры, программного обес­печения или методов управления — скорее это попытка объединить известные тео­рии в рамках общего подхода. Сведения о компьютерах и программном обеспечении, теоретические положения и практические советы собраны вместе для того, чтобы дать представление о роли каждого из компонентов в компьютерной системе управ­ления. Читателю этой книги не обязательно быть разработчиком систем реального времени или новых методов управления — он может быть "компетентным заказчи­ком" или пользователем, достаточно сведущим, чтобы построить работоспособную компьютерную систему управления из соответствующим образом подобранных ап­паратных и программных компонентов и оценить ее возможности и ограничения. Авторы, однако, надеются, что разработчики систем и специалисты из смежных об­ластей используют эту книгу, чтобы расширить кругозор и посмотреть на свою спе­циальность с новой точки зрения.

Требования к уровню подготовки

Материал представлен так, чтобы читателю не требовалось каких-либо специаль­ных знаний по каждой из рассматриваемых областей. Однако предполагается, что читатель обладает некоторой теоретической подготовкой, включая:

• основы математического анализа;

• основы теории электрических цепей;

• основы автоматического регулирования с обратной связью;

• базовые принципы структуры и функционирования компьютеров;

• программирование на алгоритмических языках высокого уровня, например С, FORTRAN, Pascal.

Определенное знакомство с теорией дифференциальных уравнений и матричным анализом будет полезно для более глубокого восприятия ряда утверждений, хотя это необязательно.

При выборе тем, представленных в книге, авторы стремились к полноте охвата, хотя, с другой стороны, часто вынуждены были придерживаться определенных гра­ниц. Например, было бы бесполезно обсуждать основы цифровой обработки данных или описывать конкретный язык программирования, поскольку эти сведения явля­ются частью базовой подготовки любого инженера и изложены в многочисленных учебниках. Вместо этого включено детальное описание системных шин и программи­рования в режиме реального времени, поскольку это достаточно новая информация, которая является существенным дополнением к основам знаний о компьютерах и программном обеспечении. То же относится к теории автоматического регулирова­ния, поскольку анализ простейшего регулятора является обязательной частью учеб­ного плана любого инженерного факультета, а соответствующей учебной литерату­ры более чем достаточно. В отношении цифровых (дискретных) регуляторов положение несколько иное, поскольку большинство монографий могут скорее отпуг­нуть читателя-неспециалиста, если у него нет необходимости изучать материал в полном объеме.

При изложении других тем, от теории цифровых фильтров до основ передачи ин­формации, авторы старались разумно сочетать теоретическое описание с практичес­кими примерами и иллюстрациями.

Структура книги

Каждая глава касается только одного аспекта систем компьютерного управления. Главы 2-6 посвящены теории моделирования и управления (при этом содержат п актические примеры и ссылки на существующее оборудование). Главы 7-11 опи­сывают современную аппаратуру и методологические основы программного обеспе­чения, используемые в системах управления процессами.

В главе 2 определены понятия программирования в режиме реального времени и компьютерного управления процессами. На простом примере иллюстрируется идея параллельных процессов. Различные проблемы компьютерного управления процес­сами классифицируются по их характеру и сложности. Конкретные вопросы, возни­кающие при обсуждении этих проблем, выступают в качестве указателей на последу­ющие главы книги.

В главе 3 рассмотрены различные концепции и методы описания систем, причем наибольшее внимание уделено описанию динамических систем, сначала на основе не­прерывных, а затем дискретных моделей. Кроме того, представлены подходы к описа­нию физических процессов, для которых доступна лишь неполная информация.

Измерения, сбор данных и передача сигналов обсуждаются в главе 4. Основные принципы работы датчиков и исполнительных механизмов описаны наряду с вопро­сами, касающимися электрических шумов, возмущений и согласования сигналов.

Глава 5 посвящена обработке сигналов, главным образом фильтрации для сниже­ния влияния шумов и возмущений; рассмотрены как аналоговая, так и цифровая фильтрации. Теорема дискретизации, касающаяся преобразования аналоговых сиг­налов в цифровые и наоборот, составляет основное содержание главы. Дополнитель­но рассмотрены некоторые методы проверки сигналов.

В главе 6 описана компьютерная реализация регуляторов. Рассмотрены различные структуры управления и приведены примеры программ, реализующих соответствую­щие цифровые регуляторы; проанализированы их возможности и ограничения.

В главе 7 рассмотрены управление последовательностью событий и его реализа­ция на основе программируемых логических контроллеров, т. е. простейших авто­номных микрокомпьютеров, работающих на основе бинарных измерений и управля­ющих сигналов. Несмотря на исключительную простоту (или благодаря ей), эти контроллеры играют заметную роль во многих промышленных приложениях. В гла­ве также рассмотрены функциональные карты, которые являются мощным сред­ством структурирования программ даже для очень сложных задач управления.