8.2. Системы, управляющие процессами

Вычислительные системы, которые предназначены для управления процессами, протекающими в реальных условиях, стремительно развиваются. Такие системы используются для управления движением полетов на авиалиниях и поездов на железных дорогах, работой атомных электростанций, телефонных сетей, автопилотов, грузоподъемных механизмов, поточных линий на промышленных предприятиях, работой металлорежущих станков, роботов и др.

Одна из отличительных особенностей управляющих компьютеров заключается в том, что они взаимодей­ствуют с физическими объектами, а не с человеком-оператором (хотя такие машины и должны отобра­жать информацию о ходе процесса, с тем чтобы ею мог воспользоваться оператор). Другая особенность заключается в невозможности для управляющего компьютера самостоятельно выбирать темп работы; он обязан лишь вовремя реагировать на разнообразные изменения в управляемом им процессе.

В качестве типичного примера можно привести систему, обеспечивающую управление ректификаци­онной колонной, которая отделяет химические фракции от тяжелых, например, при очистке нефти. В такой системе компьютер, управляемый програм­мными средствами, воспринимает информацию об уровнях и скоростях течения различных жидкостей, а также о температуре и давлении в колонне. Он выдает команды, по которым осуществляется регулирование этих параметров, и тем самым опре­деляет объемы и качественные показатели конечных продуктов. Подобная система управления может также быть запрограммирована на минимизацию энер­гетических затрат.

В любых приложениях связующими звеньями меж­ду компьютером и процессом служат датчики и исполнительные механизмы. Как правило, датчик вос­принимает аналоговую информацию (например, из­менение температуры), которую прежде чем ввести в компьютер следует преобразовать в цифровую фор­му. При работе с некоторыми датчиками системные программы обеспечивают периодический запрос ин­формации от них; 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 реальный процесс с помощью либо электрических, либо электромеханических средств. Например, с целью регулирования температуры такой механизм может включать или выключать вентилятор.

Взаимодействие между компьютером и оператором осуществляется через устройства ввода-вывода. Ти­пичное устройство ввода — это пульт с клавиатурой. Современные вычислительные системы зачастую осна­щаются дополнительными средствами ввода — напри­мер, световым пером или графическим манипулятором типа «мышь», — которые предоставляют оператору возможность выбора решений путем выделения опре­деленных элементов на экране дисплея. Экран как таковой — это устройство вывода, отображающее гра­фическую и текстовую информацию о состоянии управляемого процесса. Еще одним примером устрой­ства вывода является звуковая или световая сигнали­зация, уведомляющая о том, что на некую часть процесса следует обратить особое внимание.

Центральным звеном всякой управляющей вычис­лительной системы является модель реально протекающего процесса. Такая модель включает три компонента, которые называются модельным состоянием, функ­цией модификации состояний и функцией предсказа­ния. Модельное состояние содержит данные, представ­ляющие полное описание реального процесса в каж­дый момент времени. Функция модификации состояния 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 некоторые требуемые условия для управляемого процесса. Перечисленные формализованные компоненты описывают замкнутую сис­тему управления: 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 вместе с тем крайне важную для функционирования системы роль играет обобщенный план. Он определяет последовательность состояний, через которые должен проходить управляемый процесс. К примеру, в системе управления движением городского транспорта по­добный план задает состояния светофоров в зависимости от времени и интенсивности движения. Указанный план может либо подготавливаться специалистами, либо автоматически «генерироваться» программными средствами на основе комплекса более абстрактных целей, которые ставят разработчики системы.

Расчет и планирование - вот те задачи, которые часто приходится решать вычислительным машинам, управляющим технологическими процессами. При этом должно соблюдаться основное требование, которое для систем управления крайне важно - это быстродействие. Например, системы управления реактивным самолетом должны принимать решения очень быстро; они должны функционировать в реальном масштабе времени.

Как правило, программные средства для управления процессами организуются в виде набора взаимодействующих и, вместе с тем, самостоятельных задач. Задача определяется как независимая последовательность 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. В более типичной конфигурации, однако, применяется мультизадачная операционная система с целью разделения времени выполнения многих задач на одном компьютере. Для того, чтобы все задачи выполнялись в соответствии с заданными требованиями, необходимо их синхронизация как между собой, так "привязка" к реальным процессам.

Здесь целесообразно дополнить, что компьютер, например, для шахматной задачи может выполнять одно задание и планировать последовательность выполнения заданий любым удобным путем. Система же, например, управления самолетом должна отвечать на всевозможные запросы по мере их возникновения и при этом как можно точнее синхронизовать свою работу для решения разнообразных задач. При этом быстродействие приобретает громадную роль. При обязательной синхронизации задач и их действия в реальном масштабе времени.

Примеры системы управления приведен на рис. 8.1, 8.2 и 8.3

В последнее время все более часто применяются распределенные системы управления технологическими процессами. Распределенная система - это система, которая функционирует в виде набора процессоров, у каждого из которых предусмотрена своя локальная помять. Такие процессоры соединяются каналами связи, образуя сеть. Расстояние между процессорами, датчиками и исполнительными механизмами служит отличительным признаком для разных распределенных систем, поскольку она оказывает влияние на полосу частот и интервал ожидания.

Самый важный вопрос - это надежность системы управления процессами. С этой целью создаются специальные комиссии, многочисленные тестовые проверки, моделируются различные ситуации, где происходит проверка функционирования как отдельных блоков, так и их синхронизация. В частности, в последнее время, проблеме синхронизации уделяется повышенное внимание, так как, например, практически 70% всех отказов космических станций, связано с проблемой синхронизации.

В последнее время в целях повышения надежности стала широко применятся система дублирования работы компьютеров. Она заключается в том, что наряду с одним главным компьютером или системой компьютеров ставится дополнительная, дублирующая, которая в случае отказа основной системы возьмет управление на себя. Отметим, здесь наиболее сложный вопрос - это безошибочное определение момента времени отказа основного компьютера.

Разработка простой системы управления технологическими процессами это вопрос дней. А для создания сложного комплекса бортовой системы космического корабля необходимы многолетние усилия тысяч специалистов.