ЗАТВЕРДЖУЮ

Начальник кафедри № 7

полковник

В. Б. Ревенко

"___" ____________ 2011 р.

Лекція 2

З навчальної дисципліни

"Основи побудови автоматизованих

Систем управління"

МОДУЛЬ 1. Загальні відомості, склад та структура АСУ

Заняття 2. Структура АСУ. Основні принципи розробки АСУ

Обговорено на засіданні ПМК

кафедри № 7, протокол № ___

від "___" ____________ 2011 р.

Питання:

1. Склад і структура АСУ.

2. Принципи розробки АСУ (за Глушковим).

Мета: студентам надаються теоретичні відомості про узагальнені структурні схеми АСУ, склад АСУ по складовим системам. Приводяться принципи розробки АСУ, сформульовані Глушковим.

Література: Л1, Л2, Л10 с.5-19

1. Склад і структура асу.

У методичному плані при вирішенні проблем проектування АСУ окрім класифікації важливе визначення складу і структури АСУ і елементів, що входять в неї. Виклад вказаних аспектів, дозволяє: розглянути і проаналізувати узагальнену структурну схему АСУ різної ієрархії управління; визначити склад АСУ по номенклатурі і кількості технічних засобів, що входять в неї; встановити склад АСУ по функціональних підсистемах, що входять в неї; розглянути склад і структуру елементів, що входять в АСУ. Усе це. зрештою дозволяє досить чітко визначити об'єкти і компоненти проектування.

УЗАГАЛЬНЕНІ СТРУКТУРНІ СХЕМИ АСУ

На структуру і склад засобів АСУ передусім впливає ієрархія управління. Розрізняють АСУ централізованого управління і ієрархічні (багаторівневі). Останні але своєму складу і структурі є загальнішими. Перші ж є окремим випадком багаторівневих АСУ і можуть бути отримані з них при скороченні числа рівнів управління до одного. На мал. 1.1 приведена узагальнена структурна схема багаторівневої АСУ для випадку, коли функції обробки інформації і управління об'єктами здійснюються на різних елементах АСУ.

Приведемо визначення основних понять структурної схеми АСУ. Відмітимо, що існуючі нині поняття в цій області не є твердо сталими. Багато які з них мають недолік, що виражається в тому, що вони охоплюють не увесь круг АСУ реального часу з усім різноманіттям їх призначення, складу, змісту і структури, а лише обмежений набір АСУ конкретного застосування і виконання. Пропоновані нижче поняття, можуть бути застосовані до будь-кого АСУ реального часу, що характеризується введеною і розглянутою вище системою класифікації, безвідносно до конкретного призначення і структури АСУ. Розгляд почнемо з об'єктів, які не є приналежністю АСУ, але з якими пов'язані завершальні функції АСУ і в яких реалізуються мета і призначення АСУ. До цих об'єктів належать об’єкт управління і об'єкт обслуговування.

Рис. 1.1 – Узагальнена структурна схема багаторівневої АСУ (обробка інформації і управління об’єктами здійснюється на різних елементах АСУ)

Під об'єктом управління (ОУ) розумітимемо об'єкт, для якого виробляються кінцеві команди контуру управління АСУ, який ці команди сприймає і виконує для забезпечення взаємодії з об'єктом обслуговування.

Об'єкт, на який тим або іншим способом впливає керований об'єкт з метою зміни або реєстрації його стану, характеристик або параметрів відповідно до призначення АСУ, іменуватимемо об'єктом обслуговування (ОО). Часто ОО в теорії масового обслуговування називають вимогою, Проте цей термін не універсальний. Процес взаємодії ОУ з ОО назвемо операцією обслуговування або просто обслуговуванням.

Процес взаємодії всієї сукупності ОУ з усією сукупністю ОО називається процесом, що управляється.

Дія УО на ОО може носити активний характер (тобто супроводжуватися зміною стану ОО) і пасивний (т. е супроводжуватися не зміною, а лише реєстрацією стану ОО).

У першому випадку ОУ називатимемо активним об'єктом управління (ОУА), в другому - пасивним об'єктом управління (УОП). У окремому випадку дія може супроводжуватися безпосереднім фізичним стикуванням ОУ і ОО.

Таким чином, об'єкт обслуговування є тим об'єктом, в якому реалізуються (чи з яким безпосередньо пов'язана) кінцева мета і призначення АСУ, а керований об'єкт є тим кінцевим старанним засобом, безпосередньо за допомогою якого вказана мета і призначення досягаються.

Фізично ОУ є штучно створеним матеріальним об'єктом різного змісту і форми. Так, в якості УО може виступати наземний, повітряний, надводний або підводний засіб пересування; верстат з програмним управлінням; керований радіотелескоп; керований пристрій фотографування.

Фізично ОО також може бути штучно створеним матеріальним об'єктом. В той же час роль ОО може виконувати я природний матеріальний об'єкт або природне матеріальне середовище, створені природою. Так, в якості ОО може виступати частина наземної або водної поверхні, частина повітряного, підводного або підземного простору Землі частина поверхні планети Сонячної системи, рідина, поміщена в резервуар або циркулююча в трубопроводі і т п.

у загальному випадку в АСУ беруть участь окремо один від одного об'єкти обслуговування і керовані об'єкти, що взаємодіють з ними. Проте існують АСУ, в яких функції УО і ОО об'єднані в одному штучно створеному матеріальному об'єкті, такий ОУ будемо називати керованим об'єктом обслуговування (УОО). Залежно від співвідношення між УО і ОО можна виділити два види АСУ : з

наявністю окремо УО і ОО; тут в даний момент часу кожному ОУ ставиться у відповідність один або декілька ОО, з якими взаємодіє ОУ, змінюючи або реєструючи стан для досягнення кінцевої мети АСУ;

з наявністю УОО; тут УОО являється одночасно і об'єктом, що змінює свій стан для досягнення кінцевої мети АСУ.

У АСУ другого виду відсутня спрямована протидія системі управління (контруправління). Керовані об'єкти обслуговування тут, як правило, виконують задані команди управління. Проте можливі окремі порушення у вигляді затримок виконання і невиконання. У АСУ першого виду може мати місце запланована протидія системі управління (контруправління) з боку об'єктів обслуговування. Воно виражається в їх свідомих діях, спрямованих на зрив або утруднення процесу управління. У цьому сенсі об'єкти обслуговування можна розділити на об'єкти обслуговування пасивні (ТОП) і об'єкти обслуговування активні (ООА). Перші з них не чинять протидії системі управління, другі, - чинять.

АСУ першого виду. Приклад. АСУ, призначена для управління складним технологічним процесом, що завершується обробкою деталі складної конфігурації на верстаті з програмним управлінням. Тут роль активного керованого об'єкту виконує верстат з програмним управлінням, а роль пасивного об'єкту обслуговування - оброблювана деталь.

АСУ другого виду. Приклад. АСУ, призначена для регулювання потоків автомобільного транспорту в міському районі з інтенсивним рухом. Шляхом аналізу реальних потоків транспорту АСУ визначає оптимальні режими управління світлофорами в цілях підвищення пропускної спроможності транспорту (у тому -числе за допомогою організації "зеленої хвилі"). Тут роль активного керованого об'єкту обслуговування виконує автотранспортний засіб, який сприймає команди управління (сигнали світлофора) виконує їх і змінює тим самим свій стан (зупиняється або рухається залежно від сигналу світлофора).

Розглянемо далі елементи структурної схеми АСУ, пов'язані зі збором інформації про керовані об'єкти і об'єкти обслуговування, і з управлінням на різних рівнях ієрархії.

Елементи АСУ, що здійснюють безпосереднє отримання початкової,, або первинною, інформації про стан, характеристиках і параметрах по деякій підмножині керованих об'єктів і об'єктів обслуговування із загальної їх множини, іменуватимемо джерелами інформації (ДІ). Елементи АСУ різних (але не вищого) рівнів, де здійснюється обробка інформації про ОУ і ОО, що поступає від окремих ДІ або аналогічних елементів різних рівнів, назвемо пунктами обробки інформації (ПОІ). Елемент АСУ вищого рівня, де здійснюється обробка інформації, що поступає від ПОІ і деяких ДІ, і де зосереджується інформація по усій сукупності ОУ і ОО (у тому або іншому вигляді), є центр обробки інформації (ЦОІ). Елементи АСУ різних (але не вищого) рівнів, звідки виконується управління окремими аналогічними елементами нижчестоячих рівнів або (и) здійснюється безпосереднє управління і обслуговування деякої підмножини об'єктів із загальної їх множини, іменуватимемо пунктами управління (ПУ). Елемент АСУ вищого рівня, звідки виконується управління ПУ і безпосереднє управління і обслуговування деяких об'єктів, де здійснюється координація і взаємодія між ПУ в інтересах управління і обслуговування усієї сукупності об'єктів, назвемо центром управління (ЦУ).

В методичному плані важливо розуміти, що ОУ і ОО не входять до складу АСУ, а є елементами, на взаємодії яких формується керований процес. Їх сукупність по відношенню до АСУ формує т.зв. зовнішнє середовище, а стани усієї сукупності ОУ та ОО характеризують стан зовнішнього середовища.

На рис. 1.2 представлена узагальнена структурна схема багаторівневої ієрархічної АСУ для випадку, коли функція управління об’єктами і обробки інформації проводяться на одних і тих самих елементах АСУ.

Рис. 1.2 Узагальнена структурна схема багаторівневої ієрархічної АСУ (обробка інформації і управління об’єктами здійснюється на одних і тих же елементах АСУ)

Елемент АСУ вищого рівня, де (здійснюється обробка інформації від ПУОІ або (и) безпосередньо від ДІ, здійснюється управління ПУОІ і безпосереднє управління, і обслуговування деяких об'єктів, а також зосереджується інформація по усій сукупності ОУ і ОО і здійснюється координація і взаємодія між ПУОИ .в інтересах управління і обслуговування усієї сукупності об'єктів, є об'єднаним центром управління і обробки інформації (ЦУОІ). Відповідна апаратура або комплекс технічних засобів (КТЗ) і математичне забезпечення (МЗ) для вирішення завдань управління і обробки інформації на вказаних вище пунктах і центрах є комплексами засобів автоматизації (КЗА) цих пунктів і центрів.

СКЛАД АСУ ПО ПІДСИСТЕМАХ

У АСУ прийнято виділяти три основні підсистеми: інформаційну, підсистему управління об'єктами підсистему зв'язку і передачі даних.

Перші дві підсистеми є функціональними, пов'язаними з рішенням завдань по досягненню основної мети АСУ і істотно залежними від специфіки конкретної АСУ. Підсистема зв'язку і передачі даних, призначена для забезпечення основних функцій системи, менш, ніж інші пов'язана із специфікою конкретної АСУ і має більшу спільність.

Інформаційна підсистема АСУ. У АСУ з розділеними по обробці інформації і управлінню КЗА повна сукупність КЗА ДІ, КЗА ПОІ і КЗА ЦОІ, функціонально пов'язана у просторі та часі, утворює інформаційну підсистему цієї АСУ. У АСУ з поєднаними по обробці інформації і управлінню КЗА (див. мал. 1.1) інформаційна підсистема формується на функціонально пов'язаній у просторі та часі повній сукупності КЗА ДІ і інформаційних частин КЗА ПУОІ і КЗА ЦУОІ. Сукупність ДІ в АСУ утворює поле джерел інформації. При цьому зони дії ДІ можуть перекриватися так, що інформація про одні і ті ж ОУ і ОО може одночасно поступати на відповідні пункти і центри з різних джерел. Основна функція інформаційної підсистеми полягає в створенні якісного і ефективного для вирішення завдань управління поля інформації по усій сукупності ОУ і ОО.

Досягнення цієї основної мети інформаційної підсистеми здійснюється рішенням в різних ланках підсистеми ряду приватних завдань : отримання інформації на джерелах про необхідні параметри ОУ і ОО, доведення цієї інформації до відповідних КЗА ПОІ (ПУОІ) або КЗА ЦОІ (ЦУОІ); обробка і узагальнення інформації на вказаних КЗА від різних ДІ з метою отримання найбільш достовірних і якісних даних про ОУ і ОО: передача їх на вищестоящі КЗА ПОІ (ПУОІ) або КЗА ЦОІ (ЦУОІ) для отримання повнішої інформаційної картини про безліч ОУ і ОО на усьому тимчасовому інтервалі управління; доведення даних про ОУ і ОО до КЗА ПУ (ПУОІ) або КЗА ЦУ (ЦУОІ) в інтересах забезпечення рішення завдань управління і обслуговування об'єктів; управління полем інформації з метою раціонального розподілу ресурсів ДІ по інформаційному забезпеченню та ін.

Підсистема управління об'єктами. Ця підсистема визначає зміст і призначення АСУ. У ній реалізуються основні цілі створення і функціонування АСУ або загальне цільове призначення АСУ (спільна мета функціонування АСУ). Загальне цільове призначення АСУ може складатися з певного числа приватних цілей, кожна з яких утворює відповідний контур управління. Отже, загальне цільове призначення АСУ реалізується як сукупність приватних цілей і усіх контурів управління, що розглядаються в їх взаємозалежності і взаємодії. Головна перевага АСУ в тому і полягає, що дозволяє підійти до процесу як до єдиного цілого, а не як до набору незалежних частин. Досягнення загального цільового призначення системи є найважливішою ланкою при проектуванні АСУ : на початкових стадіях це чітке визначення загальної і приватних цілей, а в процесі подальшого проектування - вибирання засобів і методів найбільш ефективної їх реалізації.

Наприклад, спільна мета АС УПР може бути сформульований як досягнення максимально ефективної в деякому заздалегідь визначеному сенсі організації повітряного руху в обмеженому повітряному просторі, основними приватними цілями в АС УПР являються забезпечення безпеки польотів повітряних судів, регулярності повітряного руху, економічності польотів. Спільна мета функціонування АСУ енергосистемами полягає в досягненні найбільш економічної витрати енергоресурсів при задоволенні запитів споживачів; приватними цілями є забезпечення оптимальних режимів роботи енергетичних об'єктів, максимально можливе скорочення часу виявлення несправностей або аварій в енергооб'єктах, забезпечення безперебійного постачання споживачів відповідними видами енергії.

У більшості АСУ оптимізація процесів управління і вибір оптимальних рішень по досягненню приватних цілей здійснюються на підставі приватних показників якості (ефективності) управління, оскільки отримання загального показника якості - завдання дуже складна. У АСУ з розділеними по обробці інформації і управлінню КСА повна сукупність КЗА ПУ і ЦУ є підсистемою управління об'єктами цієї АСУ. У АСУ ж з поєднаними по обробці інформації і управлінню КСА підсистема управління об'єктами складається з функціонально пов'язаній у просторі та часі повній сукупності частин КЗА ПУОІ і ЦУОІ, що управляють.

Досягнення загальної і приватних цілей функціонування АСУ при роботі підсистеми управління об'єктами здійснюється при рішенні таких завдань, як аналіз інформації про ОО і ОУ, вироблення оптимальних рішень по сукупності ОУ і ОО в окремих контурах управління і по підсистемі в цілому, доведення прийнятих рішень і команд до УО, прийом і аналіз доповідей від ОУ про виконання команд управління та ін. Основними характеристиками підсистеми управління об'єктами є: час від моменту вступу інформації про новий об'єкт в підсистему управління до моменту вироблення рішення на обслуговування цього об'єкту;

час доведення прийнятого рішення про обслуговування об'єкту до керованих об'єктів, т. е. час від моменту ухвалення рішення до початку обслуговування цього об'єкту;

період перегляду прийнятих рішень, який вказує на міру оперативності реакції системи на динаміку зміни керованого процесу; природно, ніж менше вказаний період, тим оперативніше система реагує на зміни керованого процесу;

міра оптимальності рішень, що приймаються, що характеризується кількісно різницею на певному проміжку часу між ефективностями ідеальної і даної АСУ : чим більше ця різниця, тим менше міра оптимальності підсистеми управління об'єктами і, отже, АСУ в цілому;

міра стійкості рішень, що приймаються, яка характеризує долю необґрунтовано змінених рішень при переході від одного періоду перегляду рішень до іншого, що йде за ним. Природно, чим вище доля необґрунтовано змінених рішень, тим менше стійкість підсистеми управління об'єктами і АСУ в цілому. При збільшенні долі необґрунтовано переглянутих рішень настає та межа, вище за яке система стає нестійкою і практично не може управляти процесом.

Підсистема зв'язку і передачі даних. Більшість елементів АСУ, приведених на мал. 1.1, зв'язана між собою через канали зв'язку. Сукупність усіх видів зв'язку і трактів передачі даних, за допомогою яких здійснюється взаємна ув'язка відповідних елементів АСУ в єдину функціонуючу систему, є підсистемою зв'язку і передачі даних.

У найбільш загальному випадку підсистема зв'язку і передачі даних включає підсистеми передачі даних, зовнішньої (між різними елементами АСУ) і внутрішньої (усередині КЗА). Основу АСУ складає підсистема передачі даних, яка призначена для обміну формалізованими, як правило в термінах двійкової арифметики, повідомленнями між різними елементами АСУ. Підсистема передачі даних складається з трактів передачі даних [19], які є сукупністю каналів зв'язку і крайових пристроїв. Крайові пристрої у свою чергу складаються з крайових технічних засобів передачі цих і крайових технічних засобів зв'язку. Перші є приналежністю відповідного КЗА, а другі - вузла зв'язку цього пункту або центру. Крайові технічні засоби передачі даних в найбільш поширених конструкціях включають пристрої перетворення сигналів (ППС), або модеми, адаптери і спеціальні обчислювальні пристрої або ЕОМ. ППС служать для перетворення двійкових сигналів у безперервні модульовані сигнали для передачі по тих або інших каналах зв'язку. Вони також виконують зворотну функцію перетворення що поступають з каналу зв'язку безперервних модульованих сигналів в двійкові сигнали. Адаптери виконують функцію технічного сполучення ППС з обчислювальними пристроями або ЕОМ, а також можуть вирішувати ряд спеціальних допоміжних завдань.

Спеціальні обчислювальні пристрої або ЕОМ виконують математичні функції, в трактах передачі, основними для яких є: реалізація програмних методів обміну з ППС різних типів, які можуть встановлюватися на іншому кінці трактів передачі даних; рішення завдань підвищення достовірності передачі інформації чисто програмними методами; організація функціонального контролю трактів передачі даних; облік затримок передачі повідомлень; буферизація передаваних повідомлень; комутація повідомлень або пакетів повідомлень; забезпечення дисциплін обміну з адаптерами і основним устаткуванням (як правило, ЕОМ) КЗА.

За швидкістю передачі розрізняють три типи трактів передачі даних : низькошвидкісні; среднескоростные; високошвидкісні.

З точки зору достовірності передачі інформації розрізняють наступні типи трактів передачі даних : малій достовірності з вірогідністю збою поодинокого розряду р до 10-2 ; середніх достовірності з р -

10~3-10~5; високій достовірності з р<10~6.

Вони повинні забезпечувати безперебійну, надійну і достовірну, при заданому рівні затримок і втрат, передачу смислової і службової інформації між різними елементами АСУ.