Лекция №15 Автоматизированные системы управления процессами

Такие системы широко используются для управления движением поездов на железных дорогах и самолетов на авиалиниях, работой атом­ных электростанций и поточных линий на производстве, полетом косми­ческих аппаратов и распределением электроэнергии, регулированием ми­кроклимата в зданиях и мно­гим другим. Сфера применения таких систем постоянно расширяется.

Основным элементом и сердцем автоматизированных систем явля­ется компьютер. Главная задача программных средств, используемых в этой области, - обеспечить оперативное взаимодействие компьютера с объектами управления. Все операции, связанные с управлением,компью­тер должен выполнятьв реальном масштабе времени, т.е. компьютер не может самостоятельно выбирать темп работы, - он обязан вовремя реа­гировать на изменения в управляемом процессе.

В практических приложениях связующими звеньями между ком­пьютером и процессом служат датчикииисполнительныемеханизмы. Как правило, датчик воспринимает аналоговую информацию (например, температуру), которую перед вводом в компьютер следует преобразовать в цифровую форму (отцифровать). При работе с некоторыми датчиками системные программы обеспечивают периодический запрос информации; датчики других типов в произвольные моменты времени сами прерывают выполнение программ с целью выдачи информации.

Система управления тем или иным процессом содержит также уст­ройство задания временного режима - часы(тактовый генератор), кото­рое можно рассматривать как датчик. Исполнительный орган воздейст­вует на процесс с помощью электрических или электромеханических уст­ройств. Например, с целью регулирования температуры такой механизм может включать или выключать нагреватель.

Как правило, компьютер должен отображать информацию о ходе процесса, чтобы ею мог воспользоваться оператор. Взаимодействие меж­ду компьютером и оператором осуществляется через устройства ввода-вывода. Типичное устройство ввода - пульт с клавиатурой, а вывода - экран дисплея.

Центральным звеном всякой управляющей вычислительной систе­мы является модель реально протекающего процесса.Такая модельвключает три компонента-модельноесостояние,функциюмодифи­кации состоянийифункцию предсказания.

Модельное состояниесодержит данные, представляющие полное описание реального процесса в каждый момент времени.

Функция модификациисостояний на основе информации, полу­чаемой от датчиков, осуществляет переход от одного модельного состоя­ния к другому.

Функция предсказания, при условии, что она имеет дело с точно заданным модельным состоянием, формирует набор машинных команд, позволяющих установить требуемые для управляемого процесса условия.

Перечисленные компоненты описывают замкнутую системууп­равления: программы получают информацию от датчиков, реализуют функции модификации состояний и предсказания и выдают команды на исполнительные органы. Результаты выполнения этих команд сказыва­ются в дальнейшем на информации, поступающей с датчиков.

Самостоятельную, не связанную с моделью, но крайне важную для функционирования системы роль играет обобщенный план. Он опреде­ляет последовательность состояний, через которые должен пройти управ­ляемый процесс. Указанный план может подготавливаться специалиста­ми, либо автоматически вырабатываться программными средствами на основе комплекса более абстрактных целей, которые ставят разработчики системы.

Структуру автоматизированной системы управления процессами проиллюстрируем на примере установки для управления отоплением зда­ния, состоящей из двух нагревательных блоков, датчиков, сигнализирую­щих о наружной температуре и температуре в помещениях, исполнитель­ных механизмов, включающих и выключающих тот или иной нагрева­тельный блок, компьютера и программы. Перед системой поставлены две задачи: поддерживать в помещениях определенную температуру в за­висимости от времени суток и постоянно обеспечивать минимальное пот­ребление энергии. Модельное состояние включает в себя данные о на­ружной и внутренней температуре и времени суток.

Функция модификации состояний включает расчет средневзве­шенного значения различных температур и изменение модельного со­стояния в соответствии с новыми данными. Функция предсказания, учи­тывая состояние системы и интенсивность тепловых потерь, задает мо­менты выключения и включения нагревателей. Стратегия, согласно ко­торой работает машинная программа, заключается в использовании более экономичного нагревателя, если нет необходимости в их одновременной работе.

Большинство систем управления процессами гораздо сложнее, чем в приведенном примере, и объясняется это сложностью внутренних моде­лей и процедур, необходимых при выполнении функций предсказания и выработке стратегии поведения. Например, функция предсказания, обес­печивающая вычисление углов для робота-манипулятора с шестью сте­пенями подвижности и дающая возможность перемещать и ориентиро­вать его захватывающее приспособление, реализуется путем привлечения методов линейной алгебры. Планирование последовательности проме­жуточных состояний, без которой манипулятор не может плавно перехо­дить из одного положения в другое, - задача еще более трудная.

Расчет и планирование - это те задачи, которые часто встречаются на практике, но в программах управления процессами к используемым алгоритмам предъявляются дополнительные требования.

Одно из таких требований - повышенное быстродействие, так как система автоматического управления должна функционировать в реаль­ном времени. Кроме того система управления должна отвечать на мно­гочисленные запросы и при этом как можно точнеесинхронизироватьсвою работу для решения разнообразных задач. Особое значение приоб­ретаетнадежность, так как зачастую здесь ошибки программирования могут привести к катастрофичным последствиям.

Во многих случаях обеспечение быстродействия, синхронизации и надежности осложняется конструктивными особенностями системы и ус­ловиями эксплуатации.

Как правило, программные средства для управления процессами организуются в виде набора взаимодействующих и вместе с тем самос­тоятельных задач. Задачаопределяется как независимая последователь­ность машинных команд, которые могут требовать для своего выполне­ния данных, хотя бы частично не перекрывающихся с данными для других задач.

Несколько задач могут выполняться на ряде процессоров. Более типичной, однако, является конфигурация, когда применяется мультиза­дачная операционная системас целью распределения времени выпол­нения многих задач на одном компьютере. Для выработки плана обслу­живания задач необходимо проведение подробного анализа с учетом всех целей, стоящих перед системой.

Простым примером установления очередности выполнения задач является круговая последовательность, при которой каждая задача по­лучает в свое распоряжение интервал времени, в течение которого она выполняется от начала до конца.

Второй способ - это круговая последовательность с прерыва­нием. В этом случае для выполнения каждой задачи отводится непро­должительный период времени, а по его окончании процессор пере­ключается на другую задачу. Если задача не завершилась, она получает в свое распоряжение еще один промежуток времени, когда снова подходит ее очередь.

Третий подход состоит в приоритетном планировании, при кото­ром задачам с более высоким приоритетом представляются более дли­тельные и чаще повторяющиеся периоды времени.

Последний из заслуживающих внимания методов называется пла­нированием конечного срока. В этом случае устанавливается крайний срок, к которому должно быть завершено выполнение каждой задачи, а система сама пытается спланировать такую очередность задач, чтобы все они достигали поставленных перед ними целей.

Защитаот сбоев в системах управления процессами играет более важную роль, чем во многих других случаях применения вычислитель­ной техники. Один из основных путей повышения надежности состоит врезервированииважнейших компонентов системы, например, использо­вание дополнительной ЭВМ. Дополнительная ЭВМ выполняет все вы­числения, но не имеет выхода на исполнительные органы. Если основная машина отказывает, управление исполнительными органами передается дополнительной ЭВМ. Выход из строя отдельного звена управляющей системы не должен нарушать непрерывную работу всей системы в целом - от датчиков до исполнительных органов.

Если обеспечить работоспособность всей системы после отказа не­возможно, надо добиться, чтобы она и в этих условиях могла выполнять хотя бы часть своих функций. Такое свойство систем носит несколько вычурное название - плавная деградация.

Например, система, теряющая способность управлять процессом автоматически, может все же воспринимать команды, задаваемые опера­тором с клавиатуры, что позволяет вести управление процессом вручную. Если же, в случае серьезного отказа, невозможно выполнение даже час­тичных функций, то система должна, по крайней мере, обеспечить упоря­доченный останов процесса, чтобы избежать возможной аварии.

Защита от ошибок - ключевая проблема, и ей уделяется большое внимание. Один из возможных источников ошибок - действия оператора. Вероятность таких ошибок можно минимизировать, если к разработке программного обеспечения подходить с особой тщательностью, вводя защиту от дурака. Информацию, вводимую оператором, можно подвер­гнуть контролю на достоверность, предусмотрев, например, операцию по выяснению, находятся ли вводимые данные в установленном диапазоне. Другой способ - оператору предоставляется возможность переосмыслить свои действия, имеющие ключевое значение. С этой целью программа может поставить, например, вопрос: "Действительно ли вы хотите оста­новить процесс?"

Некоторые системы управления процессами весьма просты, напри­мер, рассмотренная нами установка для управления отопительной систе­мой здания. Другие системы, в частности те, которые осуществляют уп­равление космическими кораблями, атомными электростанциями или те­лефонными коммутаторами, относятся к наиболее сложным из когда-ли­бо создававшихся вычислительных комплексов. Для них требуется соз­дание наиболее совершенных обобщенных планов функционирования системы, оптимальное распределение временных ресурсов и высокие экс­плутационные характеристики, в том числе надежность. Добиться этого можно лишь на основе последних достижений всего комплекса научных и технических знаний.