Многоуровневые иерархические системы

Стремление к автоматизации приводит обычно к системам реального времени, которые являются сочетанием рассмотренных выше основных типов систем и, следовательно, представляют собой сложные системы.

Рис. 6

До сих пор была характерна тенденция сосредоточения на одной ЭВМ по возможности большего числа функций. Это приводило к структурам, представленным на рис. 6: центральная УВМ управляет многими (часто функционально не связанными друг с другом) отдельными объектами или используется одновременно несколькими операторами (пользователями).

Рис. 7

Снижение стоимости, объёма и энергопотребления, а также конфигурационные особенности УВМ, определяемые назначением микроЭВМ, приводят к многоуровневым системам путём децентрализации расширяющихся функций управления.

Рис. 8

На рис. 7 приведёна структура управле­ния про­мышленным роботом, где только для перемещения в рабочем пространстве захватов О1-О6 требуется управление шестью высокоскоростными прецизионными приводами, а, следовательно, и таким же числом систем управления позиционированием. При децентрализованном управлении каждой подвижной системе (Объекту) соответствует отдельная УВМ, которая несёт на себе функции управления движением (теку­щим положением) под контролем ЭВМ высшего уровня (УВМв) и информирует её по каналу индикации о действительных состояниях системы управления положением (СУП). Эта ЭВМ высшего уровня является оператором для управляющих ЭВМ системы управления положением.

Если в технологическую линию установить несколько таких роботов, иерархия расширится, в то время как регуляторы отдельных роботов снова становятся объектами для последующих ЭВМ более высокого уровня. Тогда можно исходить из того, что в пределе иерархия завершается на самом высоком уровне человеком в роли оператора (рис. 8). Поэтому ЭВМ может быть как управляющей, так и контроллером и даже объектом в зависимости от того, на каком уровне её рассматривать.

Следует отметить, что хотя указания о подлежащих выполнению функциях следуют сверху вниз, информация об их выполнении поступает обычно снизу вверх. Это значит, что при разработке программ для управляющих ЭВМ устанавливается определённая соподчинённость в зависимости от того, какое управляющее воздействие возможно со стороны предыдущего, более высокого, уровня, и какая информация (сигналы индикации) может быть затребована снизу. Такая децентрализация не приводит к сложным системам, как это могло бы показаться из структурной схемы, а напротив, упрощает проектирование системы вследствие привязки управления непосредственно к объекту , и, кроме того, существенно повышает надёжность всей системы в целом.

Три подхода к построению систем управления

До сих пор мы исходили их того, что управляющее устройство реализуется на ЭВМ. Несмотря на это, следует рассмотреть альтернативные решения, чтобы установить условия целесообразности и возможности введения управляющей ЭВМ.

Рис. 9

Обратим внимание прежде всего на простую задачу управления, показанную на рис. 9. Привод металлообрабатывающего станка, сблокированный с защитным устройством рабочей зоны, включается кнопкой К только вручную (E1=1). Для сигнализации о состоянии этого защитного устройства служит фотоэлемент ФЭ. Если защитное устройство включено, появляется сигнал фотоэлемента (Е2=1). Включение станка (Е1=1) без исправного ограждения оповестит оператора об ошибке предупредительным сигналом СП (А2=1). Система управления СУ в этом случае должна предотвратить работу двигателя М привода (А1=0).

Взаимосвязь между входными и выходными величинами в реализованном устройстве управления задана таблицей истинности, т.е. записана аналитически в виде комбинационных логических функций (рис. 9). Этот пример характерен для широкого класса задач управления, в которых состояние выходной величины зависит в каждый момент времени от состояний на входе, причём предшествующая ситуация не оказывает влияния на последующие события. Для реализации таких управляющих устройств существуют следующие возможности.

Применение логических элементов. Для построения регуляторов (контроллеров) промышленностью давно выпускаются (ещё до изготовления интегральных микросхем) комплекты основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ, триггеры и т.д.). Проектирование таких регуляторов требует следующей последовательности действий:

• определение реализуемых логических функций связи Аi=f (Е1, Е2,...,Еn) между выходными и входными величинами из заданной постановки задачи;

• построение удовлетворяющей этим функциям электрической схемы на основе имеющегося ассортимента основных элементов;

• изготовление и комплектование печатных плат.

Рис. 1 0

На рис. 10 приведена схема для рассмотренного примера. Программирование (получение логической функции) управляющего устройства обеспечено здесь способом монтажных соединений логических элементов. Изменение их взаимных связей позволяет реализовать некоторые другие функции.

Такие варианты устройств управления называют монтируемыми или чисто аппаратными решениями. Они отличаются высоким быстродействием. Время запаздывания между изменениями на входе и выходе определяется суммой времён запаздывания последовательно проходимых логических элементов; в зависимости от серии оно находится в пределах от 10 до 150 нс. Для них характерным является также функциональная жёсткость, так как незначительное изменение поставленного задания требует нового проекта со всей отмеченной выше последовательностью действий.

Применение запоминающих устройств. В электронных запоминающих устройствах при подаче определённого входного сигнала (адреса) может быть считана любая строка из памяти. Следовательно, если использовать входные сигналы в качестве адресов элемента памяти и позаботиться о том, чтобы в адресуемой строке находилось нужное для получения выходного сигнала содержимое в соответствии с заданной таблицей истинности, то поставленную задачу управления можно также решить (рис. 11).

Рис. 1 1

Запаздывание в таких устройствах обусловлено так называемым временем обращения к памяти. Оно в зависимости от полупроводниковой технологии может меняться от 50 до 500 нс. Преимущества таких устройств состоят в том, что аппаратные средства (монтаж элементов памяти на печатных платах) не зависит от выполняемых функций, так как функции устанавливаются только содержимым элемента памяти. Однако, путём соответствующего подключения выводов элемента памяти на печатной плате могут быть решены разнообразными задачи управления. Элементы памяти изготовляют как постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), содержимое которых предусматривается изготовителем в соответствии с требованиями заказчика, или как программируемые запоминающие устройства (ППЗУ, стираемые ППЗУ). Реализация последнего способа называется также независимой от изготовителя.

Применение ЭВМ (решающих элементов). В этом случае используют широко распространённые заранее изготовленные аппаратные средства в форме работоспособных вычислителей (например, вычислительных модулей). Выполняемые функции устанавливаются программой (программное регулирование).

Рис. 1 2

В рассматриваемом примере программа должна выполнять следующие функции (рис. 12):

• циклический опрос входных переменных, т.е. ввод информации об изменениях на входе;

• вычисление требуемых выходных величин;

• выдачу результата.

Преимущество метода в том, что при одних и тех же аппаратных средствах можно реализовать несколько различных задач управления (по сравнению с применением элементов памяти) только путём изменения программы или её части. Такая высокая степень гибкости связана с определённым недостатком: запаздывание обусловлено временем прохождения программы и заметно выше (до 20%), чем в случае чисто аппаратного решения.

Если сравнить все три приведённых варианта, можно установить следующее:

• применимость программируемых управляющих устройств для решения различных задач и связанное с этим снижение затрат на проектирование говорят в пользу ЭВМ;

• ограничения на их применение реже определяются экономическими факторами, а чаще - меньшим быстродействием по сравнению с аппаратными решениями;

• для тех задач, которые предъявляют высокие требования к скорости реакции управляющих устройств, может оказаться предпочтительным построение жёстких регуляторов.

10