Об обеспечении входных данных и выходных результатов автоматизированных систем управления

Дискретное представление непрерывных сигналов автоматизированных систем - дискретное представление процесса заключается в превращении непрерывной записи в декретные числа. Этот процесс состоит из двух этапов. На первом этапе [происходит дискретизация (квантование по времени), т. е. определение точек, в которых производятся наблюдения. Для получения точной информации о высокочастотных составляющих число таких моментов отсчета должно быть большим. С другой стороны, при слишком частых съемах информации, данные будут коррелированы, число их будет избыточно велико, что увеличит стоимость и объем расчетов.

На втором этапе превращения непрерывной записи в дискретные числа производится квантование по уровню.

Принцип дискретизации Железнова. Для непрерывного случайного процесса конечной длительности Т число некоррелированных отсчетов не превышает величины.

Непрерывный процесс должен обладать следующими свойствами:

1. спектр процесса сплошной и отличен от нуля на всей оси частот;
2. имеет конечную длительность;
3. может быть представлен как стационарной, так и нестационарной случайной функцией;
4. корреляционная функция процесса равна нулю вне интервала корреляции;
5. корреляционная функция имеет вид

В этом случае дискретизация непрерывной функции с интервалом обеспечивает возможность безошибочного восстановления значений непрерывной функции внутри интервалов с помощью системы линейного про­гнозирования.

Определение необходимой частоты измерений при дискретном контроле систем управления технологическими процессами на основе ступенчатой аппроксимации. Для определения необходимой частоты измерений при контроле непрерывных технологических процессов должны быть учтены следующие факторы, имеющиеся исходные данные для реше­ния поставленной задачи; характер кривой аппроксимации, используемой при дискретном контроле величины; требования к точности измерения, за­висящие от характера влияния изменения этих величин на ход процессов в объекте.

Исходными данными являются либо записи изменения величины во вре­мени, либо результаты пробных опытов. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к измерению, контролируемые величины технологических объектов можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся величины, отклонения которых от пределов нормы даже единичного, кратко­временного характера совершенно недопустимы. Частоту измерений таких величин следует выбирать, исходя из требования точного определения значе­ния величины в любой произвольный момент времени. Вторая группа вели­чин — показатели технологических процессов, единичные кратковременные колебания которых не сказываются существенно на режиме работы объекта. Для этой группы величин частоту измерений можно выбрать по какой-либо усредненной (например, средней квадратической) оценке хода изменения величины во времени.

Определение верхней границы частоты измерений для величин первой группы. В основу методики положено использование неравенства, которое справедливо для функций, ограниченных по модулю и имеющих спектраль­ную плотность с конечной частотой среза.

Порядок определения следующий:

• Задают максимально допустимое абсолютное значение погрешности измерения в любой момент времени, которая состоит из максимальной по­грешности измерительного дискретного прибора и максимальной погреш­ности аппроксимации в интервале между замерами;
• Находят максимальное значение функции;
• Определяют частоту среза;
• Вычисляют верхнюю границу частоты замеров по формуле.

При отсутствии первоначальных данных о контролируемой величине для выбора пробной частоты измерений подставляют ориентировочные значения частоты среза объекта, на выходе которого измеряется искомая величина и половинное значение ожидаемого максимального диапазона изменения величины. Выбранная пробная частота должна во всяком случае быть не ниже искомой, поскольку для параметров взяты их максимально возможные значения.

После выбора пробной частоты определяют истинные исходные данные.

Длительность измерения обусловливается необходимостью получения реализации, достаточно хорошо отражающей изменение величины по времени.

Определение частоты измерений для величин второй группы. Порядок определения следующий.

1. Задают среднюю квадратическую погрешность измерения, которая состоит из средних квадратических погрешностей аппроксимации и измерительного прибора;

2. Рассчитывают корреляционную функцию по имеющейся непрерывной записи измеряемой величины

3. Вычисляют значение.

4. Используя кривую корреляционной функции, находят значение.

5. Определяют необходимую частоту измерений.

Определение переменной частоты опроса. Методика является модификацией вышеизложенной и основана на том, что. хотя в современных системах с циклическим опросом применяются устройства, рациональную систему целесообразно строить путем разбиения функции на области с выбором для каждой из областей своего интервала опроса.

Сбор технологических данных. Величины, характеризующие состояние процесса, например, температура, давление, расход, преобразуются в электрические сигналы посредством датчиков. Электрические сигналы преобразуются в цифровые величины с помощью подсистемы аналогового входа. В программе, решающей задачу считывании этих цифровых величин исполь­зуется один из трех методов управления подсистемой аналогового входа:

одноточечный (подсистеме автоматизированных систем дается команда считывания только одного сигнала);

последовательной таблицы (подсистеме автоматизированных систем дается команда считывания большого числа сигналов по последовательным адресам входного коммута­тора);

произвольной таблицы (управление подсистемой автоматизированных систем осуществляете с по­мощью таблицы адресов входного коммутатора, расположенных не обяза­тельно в последовательном порядке), управление может инициироваться:

— когда другая программа определяет потребность в информации и вы­зывает подпрограмму аналогового входа; В — через фиксированные интер­валы времени, задаваемые таймером;

— при запуске системы, после кото­рого реализуется непрерывный цикл считывания, причем за последним адре­сом следует первый.

В технических требованиях к программам автоматизированных систем сбора данных должны быть указаны метод управления и процедура инициирования, на выбор которых влияют следующие параметры: время подключения входного коммутатора и аналого-цифрового преобразования (время опроса); частота и время выпол­нения расчетов управляющих воздействий; общее число сигналов; требуемая средняя скорость преобразования. Следует учитывать своевременность отсчетов.  При повторно выполняемых вычислениях управляющих воздействий должны использоваться новые значения цифровых величин, т.е. значения, выученные лишь на небольшую часть цикла управления раньше, чем выполнятся вычисления.

Кроме своевременности считывания, в техническом задания на программу сбора данных следует учитывать еще три фактора: использование подсистемы аналогового входа, память и время выполнения программы.

Использование подсистемы аналогового входа становится важным, если требуемое число опросов в секунду приближается к пропускной способности подсистемы или если желательно набежать ненужных операций подсистемы и тем самым снизить требования к обслуживанию. Подсистема, составленная на основании табличных методов, может работать со скоростью, более близкой к максимальной, поскольку сбор последовательных точек не требует выпол­нения программы. Исключение ненужных операций зависит от метода, которым инициируется считывание.

При процедуре инициирования данные будут поступать быстрее, чем использоваться, а в случае применения таймера получаются ненужные данные, если только все данные в таблице не используются сразу по получении. Если данные поступают только тогда, когда они используются, лишние операций отсутствуют.

Память необходима для хранения данных программы сбора данных и программы, использующей эти данные. Метод управления с произвольной таблицей обычно требует больше памяти, чем другие методы, поскольку часто приходиться хранить адреса коммутатора как в таблице, так и в другом месте.

Времена выполнения программ сбора и использования данных растут по мере возрастания требований к памяти. Программы, использующие математические данные, обычно короче, если эти данные поступают из таблицы в главной памяти, поскольку указанным программам не надо иметь дело с промежутком времени между запросом какой-либо величины и ее получением. Следует иметь в виду, что при пуске ЦВМ программа, использующая данные, не должна выполняться, пока значения не введены в таблицу. Программы сбора данных также короче при использовании табличных методов независимо от того, производится их запуск периодически или они связаны в непрерывный цикл.

Чаще всего в управлении технологическими процессами применяются следующие сочетания методов управления и процедуры инициирования аналогового входа систем управления технологическими процессами:

1А. Опрос отдельной точки после установления потребности в нем.

2В. Последовательная таблица, запускаемая периодически.

2С. Последовательная таблица в непрерывном цикле.

3В. Произвольная таблица, запускаемая периодически.

3С. Произвольная таблица в непрерывном цикле.

Один из возможных путей изменений порядка опроса величин систем управления технологическими процессами, уменьшающее число величин, опрашиваемых в единицу времени, без существенного изменения количества информации, поступающей в машину основан на значении причинно-следственных связей между контролируемыми величинами объектов. Эти связи позволяют при каждой выходной величине объекта проследить совокупность величин, определяющих ее поведение во времени.

Нормальное состояние выходной величины систем управления технологическими процессами свидетельствует о нормальном состояний всех величин, входящих в совокупность причин ее изменения. Это дает возможность проверки нормального состояния всей совокупности величин с помощью циклического опроса только выходных величин объектов. Лишь при отклонении этих величин за пределы норм появляется необходимость в опросе других величин, причем и в этом случае можно ограничиться опросом только малой их части. Для этого после обнаружения отклонения выходной величины опрашивается непосредственно, влияющая на ее поведение группа величин, из них определяется величина, вышедшая за пределы нормы; дальнейший опрос уже производятся только до причинным связям этой величины и так далее до обнаружения всех величин совокупности, получивших недопустимые отклонения.

Структура программ ввода-вывода автоматизированных систем. Процесс передачи данных между областью памяти или программным регистром процессора и внешним устройством реализуется с помощью драйверов, являющихся составной частью подсистемы ввода-вывода операционной системы. Для любого устройства ввода-вывода можно составить драйвер и операцию ввода-вывода программировать, используя стандартный запрос.

Программирование операций ввода-вывода при использовании ДОСРВ (ОСРВ) для автоматизированных систем. Драйвер состоит из секций запуске и продолжения.

Секция запуска драйвера вызывается супервизором ОСРВ. Она работает при выключенной системе прерываний и выполняет следующие функции:

• сформировывает код выборки устройства я канала прямого доступа в память (КПДП) (если необходимо) к командам ввода-вывода в драйвере;
• отвергает запрос на ввод-вывод и возвращает управление супервизору, если устройство неработоспособно, код вызова или какой-либо другой пара­метр не верен;
• запускает КПДП, если он используется;
• подготавливает рабочие ячейки (вся переменная информация, используе­ма драйвером для выполнения данной операция, должна быть сохранена в рабочих ячейках элемента таблицы оборудования, так как драйвер может быть вызвав для выполнения операции на другом однотипном устройстве до завершения обмена с первым устройством) и инициирует устройство (вклю­чает двигатель, снимает маску прерываний и др.);
• устанавливает счетчик тайм-аута для устройства (если для устройства задался уставка тайм-аута);
• возвращает управление супервизору с признаком успешного или безуспешного начала операции.

Секция продолжения драйвера получает управление от супервизора всякий раз, когда приходят прерывание от устройства, обслуживае­мого данным драйвером. Перед вызовом секции продолжения драйвера супервизора выключает систему прерываний, переписывает адреса элемента таблицы оборудования (ТО) в нулевую страницу, в регистр А заносит код выборки источника прерываний. Секция завершения драйвера выполняет следующие функции:

• проверяет первое слово элемента ТО;
• возвращает управление в точку, если прерывание последовало от КПДП;
• выполняет ввод или вывод следующего элемента данных; в случае обнаружения ошибки при передаче, повторяет операцию и возвращает управление в точку;
• при завершении операции возвращает управление в точку, подготавливает необходимую информацию;
• приводят в исходное состояние устройство и КПДП или подготавливает их для следующей передачи или повторении.

Для построения оптимального драйвера систем управления технологическими процессами необходимо, чтобы устройство отвечало следующим требованиям: работало в режиме с прерываниями; время автономной работы должно быть не менее 1 мс.

Программирование операций ввода-вывода без использования запросов на ввод-вывод основано на использовании алгоритма работы с устройством непосредственно в задаче пользователя. Это возможно только в системах без защиты памяти и при программировании на мнемокоде.

Программирование операций ввода-вывода в ОС автоматизированных систем осуществляется с помощью драйверов-подпрограмм, к которым возможна очередь запросов на выполнение (псевдодрайвер межзадачного обмена информацией, псевдодрайвер группы инициативных устройств.

Функционально драйвер АСПО делится на пять секций: запуска; продолжения; завершения; сброса; начальной установки.

Секция запуска систем управления технологическими процессами выполняет, как правило, следующие функции в таком порядке:

• анализируется допустимость задания операции для данного устройства;
• инициируется работа устройства для выполнения операции;
• инициируется работа драйвера;
• осуществляется необходимые при выполнении данной операция действия с устройством ввода-вывода - в результате могут возникнуть две ситуации:
• операция ввода- вывода завершена;
• операция ввода-вывода может быть продолжена после возникновения прерывания от данного устройства.

В первом случае управление передается секции завершения драйвера. Во втором случае осуществляется выход к диспетчеру ввода-вывода на секцию выхода по продолжению операции.

Секция продолжения драйвера получает управление от диспетчера ввода-вывода по возникновению прерывания от данного устройства и выполняет следующие функций: передачу очередной единицы информации; обработку окончания очередной операции; обработку принятых данных.

В функции очередной секции завершения входят; приведение в исходное состояние устройства, восстановления всех рабочих ячеек драйвера, формирование кода завершения операции ввода-вывода и выход к диспетчеру ввода-вывода к сек­ции завершения. Управление секции завершения драйвера передается из сек­ции запуска или из секции продолжения.

Секция сброса представляет собой подпрограмму, управление которой передается при необходимости аварийного завершения операции, выполняемой устройством.

Некоторые устройства после включения вычислительного комплекса и запуска операционной системы на выполнение находятся не в исходном состоянии. Для приведения их в исходное состояние (начальную установку) требуется выполнение следующих действий: отработка специальной операции ввода-вывода (операции управления); однократного выполнения подпрограммы.

Выполнение начальной установки систем управления технологическими процессами вызывается из программы инициализации работы в процессе запуска операционной системы.

Псевдодрайверы автоматизированных систем применяют в специфических целях и поэтому общие правила их построения сводятся к программным интерфейсам, которые используются при передаче управления из диспетчера ввода-вывода псевдодрайверу при запуске операции (по аналогии с обычным драйвером часть псевдодрайвера, которой передается управление, называется секцией запуска и при возврате их псевдодрайвера. Кроме того, в псевдодрайверах могут быть секции начальной установки и сброса. Эти секции по входному и выходному интерфейсу, а также по набору выполняемых функций не отличаются от соответствующих секций драйверов ввода-вывода