Структурные схемы систем управления с микроЭВМ

Некоторые определения

Лекция 14. Робастые системы

Системы, обеспечивающие приемлемую работу при измене- нении статистических характеристик входных воздействий в широких пределах, получили название робастых (robust), что в переводе означает «крепкий, сильный».

Для построения робастых систем требуется минимум априорных сведений о входных воздействиях. Обычно эти сведения ограничиваются установлением максимальных или среднеквадратичных значений самих воздействий и их первых производных (скоростей, ускорений и т.д.). Робастые системы используют в качестве устройств управления ЭВМ.

Микропроцессор — программно управляемое устройст­во, непосредственно осуществляющее процесс обработки цифро­вой информации и управление им, построенное на одной или не­скольких БИС.

Унифицированная большая интегральная схе­ма (БИС) — которая может быть применена при построении различных средств обработки информации.

Мини Э В М - малая вычислительная машина, имеющая широ­кое применение благодаря малым габаритам, низкой стоимости, относительно высокой производительности. Длина слова в мини-ЭВМ также мала и составляет от 8 до 18 разрядов, в большинстве случаев — 16 разрядов.

МикроЭВМ — ЭВМ, состоящая из микропроцессора, полу­проводниковой памяти, средств связи с периферийными устройст­вами и, при необходимости, пульта управления и источника пита­ния, объединенных общей несущей конструкцией.

Управляющая микроЭВМ — микроЭВМ, которая ис­пользует данные (информацию) о процессе, вырабатывает выход­ные сигналы, управляющие работой объектов, участвующих в этом процессе.

Встраиваемая управляющая микроЭВМ — микроЭВМ, лишенная индивидуальных органов управления, кон­структивно введенная в состав аппаратуры управляемого объекта.

Специализированная микроЭВМ — микроЭВМ, предназначенная для решения определенного класса задач.

У ни в е рсальная микроЭВМ — микроЭВМ, предназна­ченная, для решения широкого класса задач.

Виртуальная ЭВМ — функциональный эквивалент вычис­лительной машины, внешних устройств и программного обеспече­ния, эмулируемый на конкретной вычислительной системе.

При создании систем автоматического уп­равления принципиально возможно идти по двум направлениям.

Рис. 14. 1. Структурная схема системы управления с центральной управляю­щей микроЭВМ

Первое из них связано с использованием центральных управляю­щих микроЭВМ. Подобные системы могут применяться для управ­ления сложными объектами (самолетами, ракетами, прокатными станами, доменными печами и т.п.) или группами объектов при комплексной автоматизации в различных отраслях промышлен­ности и сельского хозяйства (металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, в тепличном овощеводстве, животно­водстве и т.д.).

Общая структурная схема автоматической системы с микроЭВМ для этого случая показана на рис.14.1. Система содержит ряд входных ВхП₁, ВхП₂,..., ВхП_к и выходных ВыхП₁, ВыхП₂,..., ВыхП_к преобразователей, обменивающихся сигналами управления с микроЭВМ в процессе преобразования данных по шине управления. Сигналы с выходных преобразователей поступа­ют на исполнительные устройства, воздействующие на объект (или объекты) управления.

Такая система может быть связанной многомерной, если осу­ществляется управление сложным, многомерным объектом, и несвязанной многомерной, если осуществляется управление груп­пой несвязанных одномерных объектов. В последнем случае САУ с микроЭВМ распадается на совокупность одномерных, систем; ее виртуальная (кажущаяся) структура представляется в виде совокупности одноконтурных систем автоматического управления (рис.14.2), каждая из которых имеет свою программу управле­ния ПУ₁, ПУ₂…ПУ_к.

При управлении сложным объектом или группой объектов про­цессор обслуживает по очереди отдельные каналы управления.

Эта очередь может осуществляться по жесткой программе или по мере поступления заявок от отдельных каналов с возможностью использования в последнем случае приоритетного обслуживания.

Второе направление, по которому развиваются в настоящее время САУ с микроЭВМ, — это использование в каждом контуре управления автономной микроЭВМ, называемой часто микроконт­роллером. Структурная схема САУ с автономны­ми микроЭВМ MK_l, МК₂….МK_к показана на рис.14.3

Рис. 14.2. Виртуальная структура САУ с центральной микроЭВМ

Рис. 14.3. Схема системы с автономными управляющими микроЭВМ

Микро­контроллеры представляют собой упрощенные варианты микро­ЭВМ, размещаемых в непосредственной близости от управляемого объекта. В микроконтроллерных системах центральная ЭВМ либо отсутствует совсем, либо вводится для передачи ей функций дис­петчера или супервизора.

Выбор одного из двух направлений построения САУ с микро­ЭВМ связан, в частности, с проблемами надежности и стоимости. Стоимость систем, использующих центральную управляющую микроЭВМ, обычно при большом числе управляемых объектов ниже стоимости микроконтроллерных систем. Эта закономер­ность, впрочем, с развитием технологии производства микропро­цессоров, приведшей к созданию высокоэффективных однокрис­тальных микроЭВМ, проявляется все в меньшей степени. Кроме того, системы на базе центральных управляющих микроЭВМ яв­ляются технологически менее надежными. Они нуж­даются в дорогостоящих, помехоустойчивых линиях связи. По­этому принцип децентрализованного (микроконтроллерного) уп­равления в микропроцессорных системах постепенно становится превалирующим.

Дляувеличения надежности, производительности и гибкости микроЭВМ в системах автоматического управления применяют многопроцессорные системы и системы на базе многих микроЭВМ — многомашинные системы.

Первый класс структур цифровых САУ характеризуется тем, что большое число микропроцессоров работает на одну общую шину (рис.14.4). Организация параллельной работы нескольких микропроцессоров позволяет реализовать один из следующих режимов: 1) одновременное выполнение нескольких команд программы; 2) одновременное выполнение нескольких программ или подпрограмм. В первом режиме каждый процессор выпол­няет команды определенного класса, например, логические ко­манды, арифметические команды, команды по определению ад­ресов и др. Во втором режиме каждый процессор имеет возмож­ность работать с полным списком команд. Оба режима позволяют увеличить производительность управляющих микроЭВМ.

Рис.14.4. Блок-схема многомикропроцессорной системы

Топология второго класса структур цифровых САУ определяет­ся требованиями надежности, стоимости, гибкости и производи­тельности. Возможные варианты топологии многомашинных систем (соответственно иерархическая, шинная, сетевая, кольце­вая, матричная двух типов, последовательная) изображены на рис.14.5, где прямоугольниками схематически показаны микро­ЭВМ, а кружками — объекты управления.

Структуры данного класса обладают высокой надежностью. На­пример, при выходе из строя любой микроЭВМ в системе с сетевой топологией, показанной на рис.14.5 в, сохраняются, по меньшей мере, два канала связи со всеми другими микроЭВМ.

Рис.14.5. Топология цифровых САУ

14.3. Типо­вая структура одноконтурной САУ c ЭВМ в контуре управления

Такая структура содержит аналого-цифровые преобразователи АЦП₁ и АЦП₂, цифро-аналоговый преобразо­ватель ЦАП, мироЭВМ и непрерывную часть системы (рис.14.6)

Рис.14.6. Типовая структура одноконтурной САУ с ЭВМ в контуре управления

Кодироваться в АЦП может входное задающее воздействие g (t), представляющее собой желаемое значение управляемой ве­личины у (t), управляемая величина, а также другая поступающая извне информация. В результате такого кодирования на вход микроЭВМ в дискретные моменты времени поступают цифровые представления этих величин g₀ и y_о.