Процессы реального времени. Методы программирования. Задачи цифрового управления

Обзор

В этой главе рассмотрены наиболее характерные задачи автоматизации процессов и особенности их решения с помощью цифровых систем управления. Каждая обсуж­даемая тема является введением в материал последующих глав. Для иллюстрации практических задач и подходов к их решению подробно описываются два модельных примера — система электропривода и управление станцией биологической очистки сточных вод, — ссылки на которые приводятся во многих местах книги. Эти конкрет­ные процессы были выбраны потому, что они, во-первых, имеют разные масштабы времени, а во-вторых, включают в себя многие задачи, типичные для других прило­жений цифрового управления.

Проблема работы в реальном масштабе времени с точки зрения компьютерного программирования анализируется в разделе 2.1. В разделе 2.2 представлены типич­ные примеры управления процессами, а в разделе 2.3 описываются основные пробле­мы компьютерного управления со ссылками на последующее изложение.

Модельные примеры, используемые в книге, описаны в разделе 2.4.

2.1. Управление процессом в реальном времени

Компьютеры, управляющие процессами, имеют другие задачи, нежели компьюте­ры, используемые для "классической" обработки информации. Основная разница со­стоит в том, что управляющий компьютер должен работать со скоростью, соответ­ствующей скорости процесса (рис. 2.1). Само понятие "реальное время" указывает на то, что в реакции компьютерной системы на внешние события не должно быть замет­ного запаздывания.

Внешняя среда

Компьютер, работающий в режиме реальноговремени

Физический/ технический процесс

Рис. 2.1. Применение компьютера в управлении процессом

Другая главная особенность компьютерного управления процессом заключается в том, что ход исполнения программы нельзя определить заранее. Внешние сигналы Могут прерывать или изменять последовательность исполнения операторов программы, причем для каждого нового прогона по-разному. Кроме того, существует проблема эффективного использования ресурсов компьютерной системы с учетом временных ограничений. Все это требует специальных методов программирования. Дополнительную проблему представляет собой тестирование систем реального вре­мени из-за отсутствия предсказуемого порядка выполнения операторов программы по сравнению с обычными компьютерными системами.

Параллельность — одно из важных свойств реального мира. Все события вок­руг нас, мы сами и фактически любые физические процессы можно представить в виде множества "подпроцессов", которые протекают параллельно. Из этого свойства следует важный вывод: компьютер, взаимодействующий с таким про­цессом или управляющий им, должен учитывать эту параллельную природу, а в некоторых ситуациях и работать в соответствии с ней. Естественным следствием параллельной природы реального мира является то, что компьютер должен уметь управлять параллельными задачами. В этом и заключается отличие управляюще­го компьютера от обычного, для которого естественным является последователь­ный режим.