Микропроцессорные системы автоматического управления

Развитие микроэлектроники, вычислительной техники в последние годы дало резкий скачок в повышении качества функциональных возможностей цифровых САУ. Это заключается не только в улучшении всех точностных характеристик, повышении надежности и отказоустойчивости, обеспечении стабильности функционирования, но и в придании цифровым САУ принципиально новых свойств, таких, как малогабаритность и перенастраиваемость структуры, адаптивность, способность решать вычислительные и логические задачи, самоконтроль и др.

Особо эффективным оказывается использование в автоматических системах микропроцессоров (МП) и построенных на их основе цифровых блоков и устройств.

В отличие от обычных вычислительных машин цифровое управляющее устройство может быть выполнено, например, по интегральной технологии и расположено на миниатюрном кристалле площадью 20...30 мм². Такое устройство легко встраивается в сварочное оборудование, придавая ему качества автоматических систем, повышая уровень его «интеллекта».

Внедрение микропроцессоров в традиционные САУ связано с принципиальными изменениями как структуры САУ, так и их характеристик: превалирующими становятся структуры с децентрализованным управлением, многопроцессорные системы, системы с перестраиваемой структурой, реализующие оптимальные алгоритмы цифрового управления и регулирования. Меняются также методы и технические средства проектирования автоматических систем.

Все это связано с рядом особенностей микропроцессоров (как элементов цифровых управляющих устройств САУ), основными из которых являются программируемость и относительно большая вычислительная мощность, сочетающиеся с высокой надежностью, малыми размерами, массой, энергопотреблением и стоимостью.

Программируемость микропроцессоров определяет возможность гибкой оперативной перестройки как алгоритма работы САУ, так и ее структуры с целью приспособления их к меняющимся условиям работы. При этом вносимые в систему изменения сводятся зачастую к замене одной большой интегральной схемы (БИС) памяти на другую. Свойство программируемости обеспечивает возможность внесения изменений в структуру и в программу работы системы на всех этапах ее существования — от предварительного проектирования до эксплуатации серийных образцов.

Значительная вычислительная мощность микропроцессоров и систем на их основе, величина которой, по оценкам специалистов, достигнет нескольких сотен миллионов операций в секунду, создает хорошие предпосылки для использования микропроцессоров в быстродействующих системах реального времени.

Применение микропроцессоров в САУ позволяет поднять на качественно новый уровень такие важные характеристики САУ, как отказоустойчивость и живучесть. Отказоустойчивость, т.е. способность системы сохранять свою работоспособность при возникновении в системе разнообразных отказов, обеспечивается в микропроцессорных САУ (МПСАУ) введением аппаратурной, программной и информационной избыточности. Широкое распространение получают системы с резервированием, а также системы с программной реконфигурацией структуры и использованием самокорректирующихся кодов. Для оперативного контроля и диагностики все шире используют встроенный программно-аппаратный контроль, осуществляемый с привлечением относительно дешевых дополнительных ресурсов.

Использование микропроцессоров в САУ требует решения целого ряда задач, специфика которых обусловлена как распределенным управлением в реальном масштабе времени, так и цифровым характером обрабатываемой информации. В связи с этим актуальны проблемы выбора структуры многопроцессорной САУ, обеспечивающей требуемые топологию, производительность, отказоустойчивость и живучесть системы, а также разработки высокоэффективных алгоритмов обработки данных, их хранения и выработки управляющих сигналов, удовлетворяющих заданным критериям качества функционирования САУ.

К настоящему времени накоплен значительный багаж знаний и опыта по разработке и эксплуатации микропроцессорных систем различного назначения: информационных, вычислительных, управляющих и т.д. Развиты многочисленные вопросы теории и практики, связанные с построением распределенных сетей мини- и микроЭВМ, многопроцессорных многофункциональных и специализированных структур, обработкой алгоритмов оптимально­го цифрового управления.

В МПСАУ можно выделить структуры с централизованным, децентрализованным и комбинированным управлением. В МПСАУ с централизованным управлением задача обработки сигналов с це­лью формирования управляющих воздействий решается центральным цифровым управляющим устройством, соединенным многими каналами связи с объектом (или объектами) управления.

АЦП1,...,АЦП k — аналого-цифровые преобразователи; ОУ — объект (объекты) управления; ЦАП1,...,ЦАП k: — цифроаналоговые преобразователи; ЦУУ — цифровое управляющее устройство;

Рисунок 5.17 – Структурная схема МПСАУ с централизованным управлением