1. Проблема управления и логико-вычислительные средства в системах управления (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

Управляющие ЭВМ и комплексыМатериалы к лекциямВладимир Александрович Суханов, доцент каф. ИУ-1Основная литература:1. Управляющие вычислительные комплексы для промышленной автоматизации: Учеб. пособие/Под ред.Н.Л. Прохорова, В.В. Сюзева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 372 с.2. Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети: Учеб.

пособие для вузов. -М.: Изд-во МГТУим. Н.Э. Баумана, 2003.-608 с.3. Суханов В.А. Автоматическое регулирование и оперативное управление на основе ПТК: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 88 с.4. Суханов В.А. Автоматическое и автоматизированное управление на основе программно-техническогокомплекса КОНТАР.

Методические указания. Ч.1.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - 64 с.5. Суханов В.А. Автоматическое и автоматизированное управление на основе программно-техническогокомплекса КОНТАР. Методические указания. Ч.2.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 49 с.Дополнительная литература:6. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. Техническое и программное обеспечение распределенныхсистем управления. – С. Петербург: «П-2», 2004. – 368 с.7. Современная система автоматического управления и мониторинга. Описание программно-технического комплекса КОНТАР. ОАО “Московский Завод Тепловой Автоматики”.

2004.http://www.kontar.ru, http://www.mzta.ru.8. КОНГРАФ. Справочное руководство по программированию (электронная версия).9. Руководство пользователя SCADA-системы Trace Mode, версия 6 (электронная версия).Журналы10. Современные технологии автоматизации (СТА).11. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.12. Промышленные АСУ и контроллеры.13. Информационные технологии.Используемые сокращенияДЧИМИНФИФМП/МКОС/ОСРВОУПОПРКПТКУВКУСО- датчик- исполнительный механизм- информация- интерфейс- микропроцессор/микроконтроллер- операционная система/операционная система реального времени- объект управления- программное обеспечение- программируемый промышленный контроллер- программно-технический комплекс- управляющий вычислительный комплекс- устройство сопряжения/связи с объектомДисциплина «Управляющие ЭВМ (электронные вычислительные машины) и комплексы (УЭВМиК)»входит в цикл общеинженерных дисциплин.Её предметом является изучение принципов построения, архитектуры, особенностей реализации и применения управляющих логико-вычислительных средств; в особенности тех, которые работают в реальноммасштабе времени, в распределенных системах, встроены в систему или устройство.Далее пойдет речь о программно-технических средствах, используемых при построении управляющихвычислительных комплексов для систем автоматического и автоматизированного управления техническими объектами различного назначения.ВведениеСовременная концепция построения систем управления заключается в создании интегрированных систем.

Это обусловлено тем, что:- управление динамическими системами подвергается различным воздействиям внешней среды,- сопряжено с привлечением и обработкой огромных объемов ИНФ при наличии большого числа ее источников и потребителей, причем подобная обработка только в одном центре практически нереализуема.1Поэтому на практике системы управления (соответственно и управляющие подсистемы) становятся распределенными, их структуры, как правило, являются многоуровневыми, иерархическими.Во многих случаях в процессах принятия решений участвует человек - осуществляется совместная обработка сложноорганизованных данных и знаний.

Далее используется термин - “лицо, принимающее решение(ЛПР)” - оператор, диспетчер, руководитель того или иного уровня.В системах подобного типа все большее значение приобретает возможность оперативного доступа к достоверной и точной ИНФ из любой точки управления объектами, поэтому важными являются вопросы организации сетевой структуры управляющих систем.Основные тенденции развития управляющих логико-вычислительных средств:а) потребность в комплексных решениях;б) создание эффективных управляющих систем за счет объединения в сеть большого числа локальных«интеллектуальных» узлов;в) расположение аппаратуры (датчиков, исполнительных механизмов и др.) непосредственно в местахвозникновения или использования данных, а также оптимальное распределение всей совокупности задач обработки и управления между программируемыми контроллерами, промышленными компьютерами и вычислительными средствами верхнего уровня системы.1.

Проблема управления и логико-вычислительные средства в системах управления1.1. Функциональная схема процесса управленияВ теории и практике систем управления можно выделить: 1. Системы управления простыми объектами –одномерные. 2. Системы управления многомерными объектами. 3.

Многообъектные системы, имеющие то илииное распределение своих компонентов на плоскости или в пространстве. Ярким примером является системауправления международной космической станцией (МКС). Общий объем параметров, принимаемых в бортовомкомплексе управления только одного космического аппарата «Ямал» (спутниковая система связи) по телеметрическому интерфейсу, составляет: 246 аналоговых; 768 дискретных; 192 температурных.Тем не менее, каждую из перечисленных систем можно представить как замкнутый динамический комплекс, состоящий из двух взаимодействующих частей (рис. 1, а): управляемой системы, которую чаще называютобъектом управления (ОУ), и управляющей системы.ЛПРа)F(t)G(t)U(t)Управляющая системаX(t)ОбъектуправленияУЭВМ/УВКУправляющая системаб)ЛПРУЭВМ/УВКЛВЧИНФF(t)ОбъектуправленияX(t)U(t)G(t)ИСПИМОУДЧРис.

1. Система управления: а) укрупненная структура; б) функциональная схема2Объект управления (ОУ) – это технический объект (один или более) или технологический процесс, дляобеспечения нормального функционирования или улучшения работы которых создается система.Под управляющей системой понимается комплекс средств сбора, обработки, передачи ИНФ и формирования управляющих сигналов/команд. Ее действие направлено на поддержание или улучшение работы ОУ.На рис. 1: ИМ - исполнительные механизмы; ДЧ - датчики; ЛВЧ, ИНФ, ИСП - соответственно логиковычислительная, информационная и исполнительная подсистемы.Векторы: X(t) - управляемые величины; G(t), U(t), F(t) - соответственно задающие, управляющие и возмущающие воздействия.Процесс управления строится на решении следующих задач (рис. 1,б):1) сбор и анализ ИНФ о состоянии ОУ;2) сопоставление ИНФ с целями управления;3) формирование порезультатам сопоставления управляющих воздействий; 4) реализация принятых решений.Таким образом, процесс управления – это выполнение функций сбора, обработки и анализа ИНФ, ее передачи и хранения, необходимых для выработки управленческих решений.

А современные управляющие системыявляются сложными, многофункциональными, многорежимными, распределенными системами, обеспечивающими оптимальные (или близкие к ним) режимы работы системы.Ранее подобные средства называли управляющими электронными вычислительными машинами (УЭВМ),которые представляли собой вычислительную систему с фиксированным составом оборудования, где главноеместо занимало само устройство обработки информации (процессор).При решении более сложных задач управления использовались управляющие вычислительные комплексы (УВК), представляющие собой более гибкие вычислительные системы, формируемые из соответствующего набора модулей.В общем случае УВК предназначены для:а) приема ИНФ от датчиков, измерительных устройств, локальных автоматических и автоматизированных систем, а также других источников ИНФ;б) переработки ИНФ по программам, определяемым заданным алгоритмом управления в реальном масштабе времени;в) выдачи результатов обработки ИНФ на исполнительные механизмы, в другие системы управления, атакже для ЛПР.Существенно отметить, что источники и потребители ИНФ работают, как правило, асинхронно, т.е.

информация от ОУ и запросы на обслуживание поступают в произвольные моменты времени (важность механизмов прерывания !).При разработке алгоритма управления, важно отметить, что управляющие сигналы от УВК должны поступать не только в нужное место, но и в ограниченные отрезки времени, определяемые скоростью протекания(динамикой) управляемого процесса. Т.е.

УВК должен работать в реальном масштабе времени.В настоящее время производство средств автоматизации и управления находится на таком этапе, когдаэти средства выпускаются в виде программно-технических комплексов (ПТК). Именно таково современное понимание и трактовка управляющих ЭВМ и комплексов. В зарубежной литературе для аналогичных средств используется понятие «Интегрированная среда проектирования».Далее будут рассматриваться современные ПТК, компоненты которых интегрируются (объединяются) наоснове организации сетевых структур, позволяющих реализовать полномасштабные распределенные системыуправления.В качестве примера рассмотрим (рис. 2) распределенный управляющий вычислительный комплекс наоснове ПТК КОНТАР (компоненты объектов управления здесь не представлены).Уровень непосредственного автоматического управления (нижний уровень системы) представлен сетевыми структурами на основе архитектуры “Ведущий-ведомый (Master-Slave)” с интерфейсом RS-485, обеспечивающим расстояние между двумя управляющими устройствами (программируемыми контроллерами) 500 иболее метров.На верхнем уровне управления – сетевые структуры на основе архитектуры “Клиент–сервер”.

Широкоиспользуется сеть Ethernet с той или иной топологией (Звезда, Общая шина, комбинированная) и типом физической среды передачи данных (витая пара, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель, радиоканал).Имеется точка доступа (Access Point) - радиомодем. Это базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к проводной сети, т.е. к Ethernet.3Рис.