Файл: Каган Б.М. Цифровые вычислительные машины и системы учеб. пособие.pdf

1-4. П Р И Н Ц И П Д Е Й С Т В И Я У П Р А В Л Я Ю Щ Е Й В Ы Ч И С Л И Т Е Л Ь Н О Й М А Ш И Н Ы

Система автоматизации технологического процесса предназначена оптимизировать его протекание при пере­ менных значениях параметров, влияющих на процесс, с тем чтобы обеспечивались максимальная производитель­

конечного продукта. Для оптимизации сложных процес­ сов применяют управляющие вычислительные машины (УВМ), включаемые тем или иным способом в контур управления.

Наибольшую перспективу использования в качестве УВМ имеют цифровые вычислительные машины. Это объ­ ясняется рядом их важных достоинств: наличием запоми­ нающих устройств, способных длительно хранить боль­ шое количество информации, возможностью решения на них сложных вычислительных и логических задач, гибко­ стью цифровых машин, допускающих изменение (в том числе и автоматическое) программ обработки инфор­ мации.

Широкое применение в вычислительной технике полу­ проводниковых и магнитных элементов, а в последнее время интегральных микросхем, достигнутые на этой ос­ нове успехи в повышении надежности УВМ и уменьшении их габаритов, а также важные результаты в развитии ло­ гики УВМ сделали возможным использование УВМ в промышленных, установках.

В наиболее общем случае система автоматического управления с УВМ представляет собой замкнутую систе­ му (рис. 1-3).

Технологический процесс характеризуется следующи­ ми группами параметров:

1. Измеряемые параметры Х\, х2,..., хп, к которым от­ носятся:

а) измеряемые, но нерегулируемые параметры, зави­ сящие от внешних факторов (характеристики исходного продукта и др.);

б) выходные параметры, характеризующие качество продукции;

в) выходные параметры, по которым непосредственно или путем расчета определяются эффективность произ,- водственного процесса (производительность, экономич­

22

ность и др.) или ограничения, наложенные на условия его протекания.

2. Регулируемые параметры у\, у2,..., Ут, которые мо­ гут изменяться соответствующими исполнительными ме­ ханизмами, уставками регуляторов и т. и.

На вход управляющей вычислительной машины от со­ ответствующих датчиков (термопар, расходомеров, из­ мерителей толщины и др.) поступает измерительная ин­ формация о текущих значениях параметров Х\, х 2, ..., хп. Вычислительная машина обрабатывает эту информацию в соответствии с принятым законом управления (алго­ ритмом управления), определяет величины управляющих воздействий и\, и2,..., ит, которые необходимо приложить

кисполнительным механизмам для изменения регулируе­ мых параметров у и у2,..., Ут с тем, чтобы управляемый процесс протекал оптимальным образом. Измерительные датчики, как правило, вырабатывают свои сигналы в ви­ де напряжения, тока или угла поворота, т. е. в форме не­ прерывного сигнала. Подобным же образом подводимые

кисполнительным механизмам управляющие воздейст­ вия иу, и2,..., Uh должны вырабатываться в форме напря­

жений, т. е. в непрерывной форме.

23

Между тем управляющая вычислительная машина ■оперирует с дискретными (цифровыми) величинами. По­ этому поступающие на ее вход величины х и х и..., хп пред­ варительно преобразуются в дискретную форму, а выра­ батываемые вычислительной машиной значения управля­ ющих воздействий Uj преобразуются из дискретной (циф­ ровой) формы в непрерывную — в соответствующие на­ пряжения. Некоторые входные сигналы (например, сиг­ налы конечных выключателей, фотореле и др.) и некото­ рые выходные управляющие сигналы (сигналы, включа­ ющие механизмы, сигнальные транспаранты и др.) имеют релейный характер (сигналы типа ДА—НЕТ).

Таким образом, УВМ должна содержать на входе пре­ образователь непрерывных величин в дискретные (пре­ образователь Н/Д) для преобразования измерительной •информации, а на выходе — преобразователь дискретных величин в непрерывные (преобразователь Д/Н) для пре­ образования управляющей информации (величин и|).

С целью уменьшения объема оборудования преобра­ зователи непрерывных величин в дискретные и обратно выполняются многоканальными. Посредством коммута­ тора преобразователь поочередно подключается к каждо­ му датчику и осуществляет преобразование соответству­ ющей нерерывной величины в цифровую форму, после чего полученный в результате преобразования код вво­ дится в запоминающее устройство УВМ. Подобным же образом коммутатор в выходных цепях обеспечивает пе­ редачу в нужную цепь управляющего воздействия, пре­ образованного из цифровой формы в соответствующее напряжение. Это управляющее напряжение фиксируется в данной цепи, т. е. сохраняется при помощи специальной схемы неизменным, пока в следующем цикле управления УВМ не выработает новое значение управляющего воз­ действия.

В настоящее время наибольшее распространение полу­ чил синхронный принцип связи УВМ с объектом, при ко­ тором процесс управления разбивается на циклы равной

«продолжительности тактирующими импульсами.электрон­ ных часов.

Цикл начинается с приходом тактирующего импульса на устройство прерывания. В начале каждого цикла про­ изводятся последовательный опрос и преобразование в цифровую форму сигналов датчиков. Преобразование и ввод преобразованных величин в запоминающее устрой-

•24

ство УВМ, как правило, занимают ничтожно малое вре­ мя по сравнению с интервалом времени, в течение которо­ го измеряемые величины успевают заметно измениться.

Обычно можно считать, что вся введенная в данном цикле измерительная информация соответствует одному и тому же моменту времени. При необходимости алгорит­ мы управления могут учитывать неодновременность сня­ тия измерительной информации из разных каналов. Со­ вокупность последовательных преобразований одной и той же входной величины преобразует непрерывную функцию входной величины в решетчатую функцию, со­ стоящую из ординат, соответствующих значениям непре­ рывной функции в моменты преобразования. Таким обра­

Так как преобразование непрерывной величны в циф­ ровой эквивалент происходит с точностью, соответству­ ющей числу разрядов ее цифрового кода, то процесс пре­ образования сопровождается также квантованием по уровню входных величин.

После того как вся измерительная информация пре­ образована и передана в запоминающее устройство, УВМ производит расчет необходимых величин управляющих воздействий. Затем осуществляются преобразования этих величин в непрерывную форму, закончив которые, УВМ или останавливается до поступления следующего такти­ рующего сигнала, или переходит к каким-либо вспомога­ тельным расчетам, которые могут прерываться (без пор­ чи программы и промежуточных результатов) тактирую­ щими импульсами.

В ряде установок необходима более тесная связь объ­ екта с УВМ. В таких случаях используется асинхронный принцип связи УВМ с объектом. Вместо тактирующих импульсов в УВМ поступают импульсы от датчиков пре­ рывания ДП (рис. 1-3), непосредственно связанных с объектом (например, конечных выключателей, датчиков аварийного состояния и др.). Каждый импульс прерыва­ ния эквивалентен требованию о прекращении производи­ мых вычислений и переходе к выполнению подпрограм­ мы, соответствующей данному каналу прерывания. Уп­ равляющая вычислительная машина реагирует на им­ пульсы прерывания с учетом права приоритета одних сигналов прерывания перед другими.

25

В некоторых системах применяют комбинированный способ связи УВМ с объектом: наряду с электронными часами, дающими тактирующие импульсы, используются связанные с объектом датчики прерывания, например датчики аварийных сигналов, переводящие УВМ на ра­ боту по программе для аварийного режима.

В системе, схема которой изображена на рис. 1-3, УВМ, воздействуя на исполнительные механизмы, непо­ средственно осуществляет регулирование производствен­ ного процесса. Такой режим работы УВМ называется

прямым цифровым управлением. Однако для сложных систем, а также комплексов агрегатов, связанных между собой через технологический процесс, система управле­ ния обычно строится таким образом, что отдельные пара­ метры процесса регулируются соответствующими автома­ тическими регуляторами, а УВМ, обрабатывая измери­ тельную информацию, рассчитывает и устанавливает оп­ тимальные настройки этих регуляторов.

При подобном построении схемы управления повы­ шается надежность системы, так как ее работоспособ­ ность сохраняется и при отказах в работе УВМ. При та­ кой схеме УВМ может быть более простой, так как сни­ жаются требования к ее быстродействию и другим харак­ теристикам. В то же время появляется практическая возможность реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требующих большого объема вычислений.

Многие важные задачи управления производственны­ ми процессами решаются при работе УВМ в разомкну­ той схеме управления. По такому принципу построены системы автоматического программного управления и си­ стемы, в которых УВМ выполняет функции советчика.

Наличие в составе систем программного управления вычислительных устройств позволяет существенно умень­ шить объем первоначально вводимой в систему информа­ ции о необходимой программе управления. Детальный расчет программы управления с заданной точностью про­ изводится самим вычислительным устройством, которое в соответствии с этой программой вырабатывает необхо­ димые управляющие воздействия, поступающие на объ­ ект управления.

В режиме советчика вычислительная машина обра­ батывает измерительную информацию, поступающую с контролируемого объекта, и в результате соответствую­ щих расчетов определяет, какие регулирующие воздейст­

26

вия следует произвести для того, чтобы производствен­ ный процесс протекал наилучшим образом. Выработан­ ная УВМ информация служит рекомендацией оператору,, управляющему процессом. Работа УВМ в режиме совет­ чика, как правило, предшествует включению УВМ в замк­ нутую цепь управления.

1-5. А В Т О М А Т И З И Р О В А Н Н Ы Е С И С Т Е М Ы У П Р А В Л Е Н И Я

Внастоящее время важнейшими проблемами в разви­ тии экономики являются ускорение научно-технического прогресса, интенсификация и повышение эффективности производства.

Вэтих условиях особое значение приобретают вопро­ сы совершенствования управления народным хозяйством. Гигантский рост экономики страны, увеличение объемов

иноменклатуры продукции, темпов ее обновления, ин­ тенсивности производственных процессов, развитие ко­ операции, значительное увеличение потоков информации в сфере управления существенно усложнили управление современным производством. Это, естественно, приводит

кнеобходимости использования новой технической базы управления — цифровых вычислительных машин и си­ стем.

Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему пла­ ну развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. указывают, что совершенствование системы планирова­ ния и управления народным хозяйством требует широко­ го применения экономико-математических методов и ис­ пользования электронно-вычислительной техники, орг­ техники, технически передовых средств связи.

Принципиально новые возможности в отношении ав­ томатизации процессов сбора, накопления, хранения и обработки информации, возникшие с появлением совре­ менных ЦВМ, позволили приступить к созданию автома­ тизированных систем управления (АСУ).

Пятилетний план развития народного хозяйства СССР

на 1971—1975 гг. предусматривает широкое развитие ра­ бот по созданию и внедрению автоматизированных сис­ тем планирования и управления отраслями, территориаль­ ными организациями, объединениями и предприятиями.

Автоматизированная система управления представля­ ет собой комплекс, состоящий из ЦВМ, средств сбора и передачи информации, экономико-математических мо­

27

делей и методов, алгоритмов и программ, предназначен­ ный для регулярной обработки планово-экономической и учетной информации, необходимой для решения задач экономического и организационного управления. АСУ не подменяет персонал управления, а обеспечивает работни­ ков аппарата управления систематизированной информа­ цией для принятия наиболее эффективных решений. Та­ ким образом АСУ предусматривает непосредственное участие людей в процессах управления.

Схематично принцип функционирования АСУ органи­

ЦВМ (вычислительный центр), подготавливается по оп­ ределенным формам и выдается по установленному гра­ фику или по требованиям персонала управления. Выход­ ные документы, предназначенные для принятия решений и в конечном счете для передачи на объекты управления, подготавливаются на ЦВМ, контролируются и оформля­ ются как решения персоналом управления.

Из сказанного следует, что АСУ выполняют главным образом функции сбора, хранения и обработки информа­ ции в интересах органа управления. Поэтому техничес­ кой основой АСУ являются ЦВМ, предназначенные для автоматической обработки данных, снабженные соот­ ветствующими программами.

Поскольку АСУ является человеко-машинной систе­ мой, важное значение имеют средства, обеспечивающие работникам аппарата управления возможность непосред­ ственного общения с ЦВМ, доступа к хранимой в систе­ ме информации. Это достигается при помощи пультов пользователей, связанных с ЦВМ.

28