Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов и средств, применяемых для разработки и отладки программного обеспечения микропроцессорных систем управления 15
1.1. Общая характеристика процесса создания цифровых систем управления. Проблемы разработки и отладки программного обеспечения управляющих устройств 15
1.2. Проблемы и особенности автоматизации процесса производства полимерного оптического волокна 24
1.3. Методы и средства автоматизированного анализа и синтеза цифровых систем управления 34
1.4. Методы и средства программирования и отладки микропроцессорных управляющих устройств 39
1.5. Направления совершенствования технологии разработки и отладки программного обеспечения микропроцессорных систем управления 48
Выводы 50
ГЛАВА 2. Учет особенностей объекта и специфики цифрового управления при структурно-параметрическом синтезе микропроцессорных управляющих устройств 53
Вводные замечания 53
2.1. Совершенствование структуры адаптивного регулятора диаметра формуемого оптоволокна 54
2.2. Повышение качества работы многорежимной установки формования волокна на основе использования переменной структуры управляющего устройства 61
2.3. Синтез микропроцессорных управляющих устройств с учетом эффекта вычислительного запаздывания сигналов 71
Выводы 81
ГЛАВА 3. Развитие методов и средств разработки и отладки программного обеспечения микропроцессорных систем управления 83
Вводные замечания 83
3.1. Операционные системы реального времени для микропроцессорных систем управления 84
3.2. Повышение эффективности прикладного программного обеспечения микроконтроллеров посредством языковых средств 87
3.3. Совершенствование технологии программной реализации и отладки алгоритмов управления микропроцессорных систем 93
Выводы 102
ГЛАВА 4. Совершенствование микропроцессорных управляющих устройств на основе методов и средств нечеткой логики . 104
Вводные замечания 104
4.1. Основные принципы построения систем с нечеткой логикой управления 105
4.2. Обобщенные структуры систем с нечеткими регуляторами и области их применения 110
4.3. Совершенствование микропроцессорной системы управления процессом формования оптоволокна на основе методов и средств нечеткой логики.. 115
Выводы 126
Выводы и результаты работы 128
Литература 131
Приложение 141
- Общая характеристика процесса создания цифровых систем управления. Проблемы разработки и отладки программного обеспечения управляющих устройств
- Совершенствование структуры адаптивного регулятора диаметра формуемого оптоволокна
- Операционные системы реального времени для микропроцессорных систем управления
- Обобщенные структуры систем с нечеткими регуляторами и области их применения
Введение к работе
Значительные достижения современной теории управления [2, 5, 14, 55, 83] и широкие возможности новых микроэлектронных средств [4,9,32,58,85] создают реальную основу для автоматизации самых сложных технологических процессов и производств [45, 90, 102, 103], обеспечения высоких технологических показателей систем автоматического управления (САУ) за счет применения оптимальных и адаптивных управляющих устройств, регуляторов переменной структуры и т.п.
Значительная часть цифровых систем управления технологическим оборудованием, функционирующих в реальном масштабе времени, реализуется в микропроцессорном (микроконтроллерном) или, так называемом, встраиваемом исполнении [9, 14,40,58], когда цифровой вычислитель органично совмещается с аппаратурой управления рабочей машиной или ее силовыми исполнительными устройствами для обеспечения максимальной надежности, снижения массо-габаритных и стоимостных показателей, повышения удобства обслуживания и т.п.
Важнейшая роль в создании микропроцессорных систем управления (МПСУ) технологическими объектами отводится разработке их программного обеспечения (ПО), которое, собственно, и призвано обеспечивать необходимую гибкость и требуемые функциональные возможности алгоритмов управления во всей их полноте и во всем многообразии.
Именно относительная легкость формирования, составления и корректировки ПО микропроцессорных систем значительного объема и степени сложности создает впечатление того, что они «могут все», т.е. способны обеспечить любые показатели управления технологическими объектами в соответствии с заданными требованиями, и лишь субъективный фактор «неумения программировать» может быть причиной получения ограниченных показателей их качества.
Однако более детальный анализ состояния развития современных МПСУ [4,85, 104], функционирующих на реальном технологическом оборудовании и призванных решать конкретные задачи автоматизации производств, указывает на то, что достижения современной теории автоматического управления (ТАУ) достаточно робко и осторожно внедряются в промышленности, несмотря на неуклонное повышение
технологических требований и бурное развитие технических средств микроэлектронной техники. В производственных САУ продолжают доминировать микропроцессорные реализации типовых (неадаптивных) регуляторов пропорционально-интегрального (ПИ), пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) видов и их модификаций [1,2,3]. Безусловно, цифровая реализация проверенных практикой аналоговых регуляторов позволяет повысить их надежность, стабильность работы, обеспечить более удобную настройку, однако неуклонный рост технологических требований, несомненно, делает актуальным применение более совершенных и эффективных, но более сложных алгоритмов микропроцессорного управления.
Значительный разрыв между достижениями современной теории и практикой управления трудно объяснить одними лишь субъективными факторами. Все указывает на существование достаточно серьезных объективных причин, сдерживающих динамичное развитие ПО МПСУ.
Очевидно, одной из таких причин является то, что основы ПО цифровых управляющих устройств закладываются на этапе синтеза САУ, представляющего собой сложную обратную задачу динамики. При этом проблематика синтеза автоматически становится проблематикой начальной стадии разработки ПО.
Между тем, до настоящего времени не только для нелинейных, но даже для линейных систем еще не разработаны универсальные методы синтеза, позволяющие оперативно формировать структуру и параметры управляющего устройства, обеспечивать заданное (или оптимальное) сочетание показателей качества системы, сохранять их значения в необходимых пределах при возможных параметрических и внешних возмущениях объекта и т.п. В отдельных случаях достаточно легко решается лишь задача параметрического синтеза регуляторов заданной структуры для линейных САУ.
В остальных ситуациях процедура синтеза, как правило, складывается из решения
нетрадиционной, творческой задачи структурной оптимизации регулятора, его
* последующей параметрической оптимизации и детального анализа полученной САУ на
предмет выполнения заданных требований.
Во многих случаях, особенно при наличии нелинейностей, решение задачи синтеза САУ вынужденно сводится к многократному проведению процедуры анализа
эвристически сформированных структур, т.е. к выполнению комплексной итерационной процедуры «анализ объекта - синтез регулятора - анализ САУ - синтез регулятора -анализ САУ-......
С одной стороны, это требует значительных затрат времени проектировщика САУ. Находясь в жестких рамках сроков проектирования, он вынужден ограничиваться более простыми и не всегда самыми эффективными решениями, что, естественно, делает менее эффективным и создаваемое ПО МПСУ.
С другой стороны, проектировщик зачастую заведомо отказывается от разработки более сложных, хотя и более действенных алгоритмов управления в силу того, что их будет гораздо труднее реализовать на практике в микроконтроллерном исполнении из-за определенного несовершенства методов конструирования МПСУ, и прежде всего методов разработки и отладки ПО.
В результате этого творческие процедуры структурного синтеза и оптимизации управляющих устройств оказываются маловостребованными и слаборазвитыми, анализ получаемых решений - недостаточно детализированным, а используемые алгоритмы управления - в слабой степени учитывающими особенности объекта и малоэффективными.
Недостаточно эффективное решение задач синтеза цифровых управляющих устройств приводит к появлению так называемых дефектов (ошибок) проектирования МПСУ, возникающих на начальных этапах создания ПО и являющихся наиболее трудноустранимыми в последующих стадиях разработки САУ.
Помимо сложностей решения задачи синтеза управляющих устройств, второй из
основных причин, сдерживающих развитие ПО МПСУ, является то, что последние
представляют собой встраиваемые цифровые системы реального времени с
ограниченными разрядной сеткой и быстродействием. Это приводит к необходимости
учета специфических эффектов квантования сигналов по уровню и по времени, эффекта
» вычислительного запаздывания в управлении; применения специальных приемов
масштабирования величин, подпрограмм адресации к внешним портам и др.
Как правило, параметры квантования сигналов и величина вычислительного запаздывания становятся известными лишь на стадии конструирования МПСУ, после
завершения программной реализации алгоритма управления, в то время как необходимость их учета возникает уже на этапах синтеза регулятора, т.е. на стадии проектирования системы.
Отсутствие обратной связи между стадиями конструирования и проектирования, характерное для существующих технологий создания МПСУ, не позволяет в полной мере учесть специфику цифрового управления технологическими объектами и может привести к существенному снижению показателей качества САУ.
Следует отметить, что организация устойчивой взаимосвязи стадий проектирования (П) и конструирования (К) МПСУ предполагает выполнение итерационной процедуры с многократными переходами П-К-П-К-..., что, в свою очередь, также требует наличия эффективных и хорошо отработанных процедур программной реализации управляющих алгоритмов и отладки создаваемого ПО.
Таким образом, анализ двух указанных выше причин недостаточного уровня развития ПО встраиваемых МПСУ выявляет и связанную с ними третью причину, состоящую в несовершенстве процедур их программно-аппаратной реализации и отладки ПО.
Перевод синтезированного алгоритма управления на язык конкретного
микропроцессорного контроллера (МПК), применение арифметических операций с
фиксированной запятой, приемов масштабирования переменных цифрового регулятора,
различных способов адресации к внешним портам для связи с информационными и
исполнительными элементами САУ; многократные перекомпоновки и переадресации в
управляющих программах реального времени придают специфические особенности и
создают существенные трудности в их формировании и отладке. Они являются причиной
появления, теперь уже на стадии конструирования, значительного числа дефектов
(ошибок) программирования, имеющих в большей степени субъективный характер и
способных также привести к существенным потерям времени и дополнительным
ь финансовым затратам при создании САУ.
Существующие технологии разработки и отладки ПО МПСУ не позволяют в полной мере учитывать указанные особенности и оперативно устранять дефекты программирования управляющих устройств. Это значительно обостряет и две первые
причины недостаточного уровня развития ПО микроконтроллерных систем, определяя тем самым ключевую проблему их дальнейшего совершенствования и развития.
Следует также отметить, что недостаточный уровень развития технологии и соответствующих аппаратно-программных средств для разработки и отладки МПСУ создает дополнительные трудности при их вводе в эксплуатацию, когда выявляющиеся особенности объекта управления могут потребовать оперативной корректировки структуры и параметров управляющих устройств, т.е. возникнет необходимость усовершенствования МПСУ непосредственно на производственном объекте и организации обратной связи между стадиями ввода САУ в эксплуатацию и конструирования.
Недостаточная степень теоретической и практической проработки перечисленных вопросов существенно затрудняет проектирование и конструирование МПСУ, вызывает повышение затрат при вводе в эксплуатацию, приводит к снижению их показателей качества и определяет, таким образом, необходимость дальнейшего совершенствования технологии их разработки и практической реализации.
Целью данной работы является развитие методов и средств разработки и отладки программного обеспечения микропроцессорных систем управления как основы повышения качества их работы и снижения затрат при вводе в эксплуатацию на производственном оборудовании.
Достижение поставленной цели определяет необходимость решения следующих основных задач:
Анализ и конкретизация проблем разработки и отладки программного обеспечения цифровых управляющих устройств во встраиваемом исполнении.
Учет особенностей технологического объекта и специфики цифрового управления в структурно-параметрическом синтезе микропроцессорных управляющих устройств.
Развитие процедур формирования управляющих программ микропроцессорных контроллеров и их отладки.
Корректировка алгоритмов микропроцессорного управления в условиях неполной определенности технологических объектов.
В наиболее полной мере разрешение указанной проблематики может быть проиллюстрировано на примере разработки комплексной системы цифрового управления совмещенной технологической установкой формования и термического ориентационного вытягивания полимерного волокна оптического назначения [45,57,90,94,102,103], относящейся к классу наиболее сложного, ответственного и прогрессивного технологического оборудования с высоким потенциалом влияния на качественные показатели готовой продукции.
Связь с целевыми программами. Работа выполнялась в соответствии:
с тематическим планом фундаментальных исследований Министерства образования РФ, регистрационный номер НИР 1.102 Д «Разработка принципов прогнозирующего и адаптивного управления процессами производства полимерного оптического волокна» (2003 - 2005 г.г.);
с научно-технической программой «Исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Производственные технологии», раздел «Высокие технологии межотраслевого применения, регистрационный номер НИР 11.01.050 «Разработка модульного микроконтроллера для многоканальных электромеханических систем» (2001 - 2002 г.);
с программой хоздоговорной НИР № 930/01 по заказу Инженерного центра полимерного оптического волокна г. Твери на тему «Разработка цифровой системы управления установкой формования полимерного оптического волокна» (2001 г.).
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использовались методы объектно-ориентированного программирования, модального управления состоянием непрерывных и дискретных динамических систем, методы синтеза полиномиальных цифровых регуляторов, методы нечеткой логики, элементы теории адаптивного и оптимального управления.
Исследование синтезированных цифровых систем выполнялось методами имитационного моделирования и натурных экспериментов на лабораторном и опытно-производственном оборудовании.
Научная новизна работы определяется разработкой и реализацией новых подходов к созданию программного обеспечения микропроцессорных систем управления, а также его отладке в лабораторных и производственных условиях:
определены направления совершенствования технологии разработки и отладки программного обеспечения МПСУ, состоящие в реализации итерационных процедур структурно-параметрического синтеза, детализированного моделирования микропроцессорной системы, поэтапного выделения программы регулятора из среды моделирования САУ; в организации упреждающих обратных связей между стадиями ее конструирования и проектирования, а также вводом в эксплуатацию и конструированием при максимальном учете особенностей объекта и специфики цифрового управления;
применительно к задачам автоматизации процессов производства полимерного оптоволокна разработаны усовершенствованные алгоритмы адаптивного управления его диаметром, обеспечивающие повышение показателей качества за счет эффективной самонастройки параметров регулятора на условия формования волокна (патент РФ № 2235810) и структурных перестроений управляющего устройства при смене режимов работы технологического оборудования (патент РФ № 2237759);
применительно к задаче управления процессом термического вытягивания полимерного оптоволокна разработана методика организации оперативной обратной связи между стадиями конструирования и проектирования цифрового регулятора путем более точного учета значений периода квантования сигналов и вычислительного запаздывания при синтезе алгоритмов финитного управления с использованием оптимальных разложений функции запаздывания в ряды Падэ;
для выявления и устранения дефектов программирования МПК разработаны методы и средства последовательного (поэтапного) выделения программы регулятора из среды моделирования САУ, ее перевода на язык управляющего микроконтроллера, дополнения сервисными программами обмена информацией с периферийными устройствами и выполнения отладочных процедур с использованием цифровой модели объекта, реализуемой на универсальной ЭВМ;
для решения задачи высокоточного управления диаметром полимерного оптоволокна в процессе формования при наличии факторов неопределенности объекта
разработана методика организации упреждающей обратной связи между стадиями ввода САУ в эксплуатацию и конструирования МІЖ на основе синтеза гибридного fuzzy-регулятора с использованием математических методов и программных средств нечеткой логики.
Практическая ценность работы.
Использование результатов работы при создании встраиваемых МПСУ различного назначения позволяет существенно уменьшить количество дефектов (ошибок) их проектирования и программирования, что обеспечивает повышение показателей качества и снижение затрат при отладке и вводе САУ в эксплуатацию.
Разработанные программно-аппаратные средства микропроцессорного управления оборудованием для производства полимерного оптоволокна являются примером конкретной реализации теоретических положений диссертации, а результаты их промышленного применения - подтверждением практической значимости.
Реализация результатов работы. Разработанные методы и средства формирования и отладки программного обеспечения цифровых систем реального времени использованы в виде специализированного отладочного комплекса при создании системы управления многодвигательной технологической установкой формования бикомпонентного полимерного оптического волокна (ПОВ) Инженерного центра ПОВ г. Твери (Приложение).
Результаты работы используются также в учебном процессе кафедры «Электроника и микропроцессорные системы» Ивановского государственного энергетического университета при подготовке магистров техники и технологии по направлению 55.02.00-Автоматизация и управление (учебный курс «Современные проблемы автоматизации и управления»).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на
Международных научно-технических конференциях: «Состояние и перспективы развития электротехнологии IX-XII Бенардосовские чтения» (Иваново, 1999 г, 2001 г, 2003 г, 2005 г.); Пятой и шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ, 1999 г, 2000 г); Научно-практическом семинаре «Новые
информационные технологии» (Москва, МГИЭМ, 1999 г); Третьей международной
научной практической конференции «Электроника и информатика - XXI век» (Москва,
I МИЭТ, 2000 г); Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и
инженерных приложений в среде MATLAB» (Москва, ИПУ РАН, 2002 г); Четвертом научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, МГИЭМ, 2001 г); Третьей и четвертой международной школе-семинаре «БИКАМП-01», «БИКАМП-03» (Санкт Петербург, 2001 г, 2003 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в центральных научных журналах и 1 статья в межвузовском сборнике научных трудов; получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
используемой литературы, включающего 108 наименований и приложение. Работа изложена на 146 листах машинописного текста, содержит 40 рисунков и одну таблицу.
Общая характеристика процесса создания цифровых систем управления. Проблемы разработки и отладки программного обеспечения управляющих устройств
Создание МПСУ, так же как и любой другой системы, представляет собой итерационный процесс, состоящий из трех стадий: проектирование, конструирование и ввод в эксплуатацию (рис. 1.1). Каждая стадия состоит, как правило, из нескольких этапов, причем по окончании проектирования и ввода САУ в эксплуатацию обычно осуществляется сравнение полученных результатов со сформированными в техническом задании требованиями. В случае несовпадения показателей процесс повторяется вновь до достижения необходимого качества путем устранения всех дефектов, погрешностей и ошибок как в аппаратной, так и в программной средах.
В стадии проектирования можно выделить этап формирования требований технического задания (ТЗ), а также этапы, на которых составляется математическое описание объекта управления, анализируются его динамические характеристики, синтезируется исходная САУ, проводятся всевозможные вычислительные эксперименты, позволяющие исследовать поведение системы, т.е. проверяется соответствие ее показателей качества заданным требованиям.
Первоначально осуществляется формализация требований к системе, т.е. составление ТЗ, включающего перечень основных технико-экономических показателей разрабатываемой САУ.
При реализации этапа математического представления и анализа объекта управления применяются хорошо известные способы [2, 43, 46] описания в пространстве состояний и в соотношениях входа-выхода. Построение модели осуществляется на основе аналитических соотношений или экспериментальных данных, а анализ динамики поведения объекта управления (ОУ) может проводиться корневыми, частотными или временными методами.
Непосредственное создание ПО для реализации функций управления начинается на этапах структурно-параметрического синтеза САУ.
В теории автоматического управления существуют два основных подхода к синтезу динамических систем: детерминированный и стохастический. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому перспективным является комбинированный (комплексный) подход [55]. Он заключается в том, что в начале синтеза системы применяется сочетание детерминированных методов структурной оптимизации и расчета номинальных параметров регулятора, а затем используются методы уточненной параметрической оптимизации и корректировки алгоритма управления, позволяющие более детально учесть специфику ОУ и особенности его эксплуатации.
На стадии конструирования осуществляется непосредственная программно-аппаратная реализация САУ и её отладка. При этом создание аппаратных средств связывают с детальной проработкой структуры, состава функциональных блоков и их взаимодействия [60]. В условиях разнообразия рынка аппаратных средств микропроцессорной техники с широкими возможностями схемотехническое проектирование в большинстве случаев сводится к их обоснованному выбору.
Более сложной, требующей напряжения творческих способностей проектировщика является стадия разработки прикладного программного обеспечения, реализующего алгоритмы управления. Она состоит из разработки схем алгоритмов, выбора языка программирования целевого МІЖ, написания текста программы, трансляции (компиляция) программы в коды микропроцессора и отладки программного обеспечения.
По завершению разработки аппаратных и программных средств осуществляются настройка и отладка всей системы в целом. Для этого характерно выделение таких подэтапов, как автономная отладка программных и аппаратных средств, комплексная динамическая отладка. Последняя является более перспективной, поскольку позволяет лучше выявлять и устранять имеющиеся ошибки, дефекты и неисправности.
Завершающей стадией процесса создания САУ является стадия ввода ее в эксплуатацию. Она включает в себя параметрическую настройку системы на реальном объекте, в реальных условиях его эксплуатации, а также проведение приемосдаточных испытаний. Результаты испытаний чаще всего выявляют частичное несоответствие технических показателей каким-либо требованиям ТЗ, что в конечном итоге может привести разработчика на этап структурного синтеза и вызвать рост временных и финансовых затраты на разработку.
Из проведенного анализа следует, что ПО цифровых систем управления начинает формироваться на этапах структурной оптимизации и параметрического синтеза регуляторов, продолжает совершенствоваться на этапе детализированного моделирования САУ, получает реальное воплощение в объектных кодах микропроцессора на этапе программной реализации и приобретает окончательный вид на стадии ввода системы в эксплуатацию.
Безусловно, важнейшим в создании МПСУ является этап структурно-параметрического синтеза управляющего устройства.
Существуют два основных подхода к синтезу цифровых устройств управления наиболее распространенными на практике непрерывными объектами.
Первый из них основан на непосредственном определении дискретного закона управления по предварительно дискретизированной модели объекта. Он позволяет достичь лучших показателей качества при относительно больших периодах квантования, т.е. минимальном запасе в выполнении условий импульсной теоремы Котельникова-Шеннона, когда цифровой вычислитель, реализующий сложные управляющие алгоритмы, включая алгоритмы финитного управления за конечное число тактов квантования, работает на пределе возможностей своего быстродействия. Данный подход требует знания не только величины такта квантования, но и времени вычислительного запаздывания, что предполагает владение на этапе проектирования информацией, характерной для конструирования. Это может быть достигнуто только посредством дополнительного обратного перехода из конструирования в проектирование (организации обратной связи К-П), а также высокой оперативности собственно программирования, т.е. непосредственного (прямого) перехода (П-К) от управляющего алгоритма к его программной реализации для конкретного управляющего микроконтроллера.
Совершенствование структуры адаптивного регулятора диаметра формуемого оптоволокна
Как было отмечено выше, существенное сокращение количества ошибок (дефектов) проектирования цифровых систем может быть достигнуто путем активизации творческих процедур их структурно-параметрического синтеза, разработки эффективных управляющих алгоритмов, всестороннего и детализированного моделирования синтезированных систем с учетом особенностей объекта и цифровой реализации законов управления. При этом должны быть максимально использованы имеющиеся потенциальные возможности улучшения показателей качества САУ и повышения их эффективности в рамках организации комплексных итерационных процедур типа «синтез-анализ-синтез...».
Применительно к задачам автоматизации процессов производства полимерного оптического волокна в дополнение к разработанным ранее [57, 87, 102, 103] принципам управления формованием требуется обеспечить более эффективную самонастройку параметров регулятора диаметра волокна на условия его формирования (изменения уровней скоростей и заданного поперечного размера мононити), а также усовершенствование алгоритма изменения структуры управляющего устройства в процессах перехода от одного режима работы технологического оборудования к другому.
Дополнительное повышение эффективности алгоритмов управления процессом термического вытягивания волокна может быть достигнуто за счет организации соответствующей обратной связи стадий конструирования и проектирования цифрового управляющего устройства путем более точного учета величины периода квантования сигналов и значения вычислительного запаздывания при синтезе подсистем финитного управления скоростными режимами рабочих машин и их динамической синхронизации с использованием в расчетах дискретизированных моделей объекта.
Безусловно, выполнение указанных процедур потребует дополнительных затрат времени на проектирование САУ. Однако необходимой мотивировкой и поддержкой проектировщика в разработке более сложных алгоритмов управления должна быть уверенность в том, что, во-первых, они позволят обеспечить гораздо более высокое качество управления, а во-вторых,- без больших затруднений будут впоследствии реализованы на практике в микропроцессорном исполнении путем применения усовершенствованных методов и средств программирования и отладки управляющих МІЖ. Совершенствование структуры адаптивного регулятора диаметра формуемого оптоволокна Как уже указывалось в п.п. 1.2, одним из основных требований, предъявляемых к устройствам управления вытягиванием волокна при формовании, является обеспечение высоких показателей быстродействия и точности управления поперечными размерами формуемого волокна, необходимых для снижения расхода сырья и уменьшения светопотерь в готовом волокне. Традиционное решение этой задачи представляют устройства управления [102, 103], которые содержат задатчик и основной контур автоматического регулирования k диаметра волокна, состоящий из последовательно включенных измерителя, регулятора диаметра и исполнительного электропривода устройства приема волокна. Основной недостаток таких устройств состоит в том, что они не учитывают изменений динамических характеристик процесса формования волокна при вариациях скорости формования и среднего значения диаметра, а также изменений времени транспортного запаздывания, обусловленного продолжительностью продвижения волокна от фильеры до места установки датчика диаметра. Это существенно ограничивает возможности автоматического управления диаметром волокна, поскольку одинаковые приращения скорости его приема вызывают различные изменения диаметра при смене режимов работы установки, а вариации транспортного запаздывания дополнительно дестабилизируют работу замкнутого контура управления. Как следствие, для сохранения динамической устойчивости системы в широком диапазоне скоростей формования волокна приходится значительно занижать ее быстродействие и точность. Более совершенным техническим решением является устройство управления вытягиванием волокон при формовании [103] (рис. 1.6), содержащее блок вычисления диаметра - БВД, измеритель диаметра ИД волокна, регулятор диаметра АРД, блок вычисления скорости, электропривод приемного узла и датчик скорости электропривода подающего узла с фильерой. Блок вычисления скорости выполняет расчет необходимого уровня скорости приема волокна и позволяет обеспечить изменение величины такта квантования и перестройку коэффициента усиления регулятора соответственно в обратной и прямой пропорциональных зависимостях от скорости приема волокна. БВД подключается не только к входу блока сравнения, но и к входу регулятора, чем достигается дополнительная перестройка коэффициента усиления регулятора в обратно-пропорциональной зависимости от величины диаметра формуемого волокна.
Применение указанных элементов и каналов самонастройки обеспечивает стабилизацию общего коэффициента усиления контура управления диаметром при изменениях режима формования волокна, сохраняет запас устойчивости системы при вариациях транспортного запаздывания, что в значительной мере способствует повышению ее быстродействия и точности.
Однако при использовании в устройстве регуляторов пропорционального (П) типа в условиях значительного транспортного запаздывания объекта сохраняются недопустимо высокие значения ошибок управления в установившихся (статических) режимах работы технологического оборудования. При использовании в устройстве регуляторов интегрирующего (И, ПИ) типа удается практически полностью исключить статические составляющие ошибки, однако достигнутой стабилизации коэффициента петлевого усиления оказывается при этом недостаточно для обеспечения высокого быстродействия и динамической точности управления в широком диапазоне изменения скоростных режимов формования волокна.
Операционные системы реального времени для микропроцессорных систем управления
На ранних этапах развития ЦВМ программирование применялось лишь для решения чисто вычислительных задач. При этом программисты были освобождены от решения вопросов организации вычислительного процесса, и для них не имели особого значения порядок выполнения программ, конкретные адреса и виды используемой памяти, а также другие вопросы, связанные с управлением ресурсами. Как правило, функции управления вычислительным процессом отводились исключительно операционным системам (ОС), предоставлявшим пользовательским программам определенный доступ к соответствующим ресурсам.
Применение ЦВМ в системах управления реального времени внесло существенные изменения в организацию вычислений: программам пользователей стали необходимы те функции, которые ранее обеспечивались операционными системами.
Появились и продолжают свое самостоятельное развитие два основных подхода к организации вычислений: разработка операционных систем реального времени (ОС РВ) и создание языков высокого уровня, имеющих функции операционных систем.
Наиболее характерными результатами реализации первого подхода являются стандартные ОС РВ: OS-9, UNIX, QNX, iRMX-%6, CHORUS, LimOS, pSOS, RTX и др. Так многозадачная и многопользовательская OS-9 обеспечивает выполнение всех основных функций ОС РВ: управление задачами, распределение памяти, межзадачный обмен информацией, синхронизация задач, доступ к последовательным устройствам типа принтеров и терминалов, а также дисковым устройствам внешней памяти и др.
Однако зависимость прикладного ПО реального времени от операционной системы создает значительные трудности для программиста: для работы ему становится необходимым точное знание всех особенностей и специальных свойств ОС РВ. Кроме того, для встраиваемых МПСУ использование стандартных ОС РВ оказывается нецелесообразным вследствие их высокой стоимости, большого объема и недостаточно быстрой реакции на события.
В этих случаях определенным компромиссом между сложностью, стоимостью и быстродействием может быть создание специальных редуцированных ОС РВ, не содержащих дорогостоящей периферии, сложных структур данных, но обеспечивающих достаточно широкий набор специальных функций для применений реального времени. Обычно подобные ОС размещаются в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), образуя так называемую «кремниевую» операционную систему. Примером такой ОС РВ может служить VRTX32, разработанная для цифровых сигнальных процессоров фирмы «Motorola».
По тому же принципу строится разработанная в ИГЭУ многозадачная операционная система для микроконтроллеров - МОС МК (ИГЭУ) [86], которая изначально была ориентирована на решение проблем «многозадачности» и «разнотемповости» программ управления технологическими объектами и процессами от встроенных МПСУ. В МОС МК (ИГЭУ) реализуется параллельное выполнение нескольких задач, обеспечивается оптимальный расход процессорного времени, высокая скорость обработки системных процедур, формирование управляющих сигналов через строго заданные интервалы времени; предоставляется возможность динамического управления состоянием задачи. Используются понятия статуса задачи, приоритетности, «семафоров», «флагов состояний» и т.п.
Такая ОС РВ позволяет составлять открытые, гибкие управляющие программы, отличающиеся хорошей структурированностью и модульностью построения. Она значительно облегчает «читаемость» программ и особенно эффективна для МПСУ повышенной сложности, ПО которых разрабатывается поэлементно коллективом программистов и сводится затем в объединенную управляющую программу МПК. Применение МОС МК экономически целесообразно для управления комплексным технологическим оборудованием, подобным совмещенным установкам формования и термического вытягивания ПОВ, описанным в гл. 1, в тех случаях, когда задачи высокоскоростного управления движением машин сочетаются с задачами относительно медленного управления технологическими параметрами (натяжением, диаметром волокна) и реализуются, в силу каких-либо производственных требований, на одном высокопроизводительном контроллере. В общем случае для реализации операционных систем МПК могут использоваться языковые средства, отличные от языка управляющей программы. Если программы реального времени должны для своей работы использовать функции операционной системы, эти обращения могут быть выполнены в виде вызовов процедур и, таким образом, применены в любом языке программирования. Однако при этом система программирования не может выполнить проверку ни на этапе компиляции, ни на этапе исполнения. Программист не получает от нее поддержки и не может проверить корректность программы. Программа становится зависимой от системы и не может быть перемещаемой. Исчезает важнейшее преимущество языков высокого уровня.
Для устранения указанных недостатков может быть использован второй подход к организации вычислений, основанный на применении языка программирования с элементами операционной системы.
Применительно к управлению процессами производства полимерного оптоволокна (рис. 1.6) такое предельное упрощение и удешевление операционных средств МПК будет целесообразным, очевидно, в тех случаях, когда по ряду производственных причин потребуется обеспечить раздельное (децентрализованное) управление установками формования и ориентационного вытягивания волокна от собственных микроконтроллеров.
Одним из перспективных направлений указанного подхода является использование так называемой «виртуальной машины»: для преодоления структурных различий между системами команд программным способом моделируется некая (простая) вычислительная машина, имеющая стандартный набор регистров и выполняемых операций; все программы пользователя описываются в терминах этой воображаемой машины. При смене аппаратной платформы необходимо изменить лишь конкретную (обычно ассемблерную) реализацию этой машины, не изменяя системные программы и программы пользователя.
Как было указано ранее в п. 1.4, наиболее перспективным для гибкой реализации необходимых для каждого конкретного применения операционных средств МПК является язык высокого уровня Forth [11, 13, 19], отличающийся открытостью внутренней структуры, расширяемостью, предельной компактностью и высоким быстродействием.
Таким образом, создание редуцированных в той или иной степени ОС РВ или применение элементов ОС РВ в составе языков высокого уровня позволяет проектировщику реализовать оптимальную по сложности и технико-экономическим показателям организацию вычислительных процессов МПК применительно к различным объектам, процессам и задачам управления в реальном масштабе времени.
Обобщенные структуры систем с нечеткими регуляторами и области их применения
Построение системы управления сложным технологическим объектом, имеющим в своем составе элементы неопределенности, на уровне «черного ящика» ничем не отличается от создания классических САУ. Поэтому простейшим вариантом построения нечеткой системы управления, основу которой составляет нечеткий регулятор, работающий по законам нечёткой логики (п. 4.1), является одноконтурная система управления, представленная на рис. 4.3.
Однако, в рамках данной структуры обеспечить требуемое динамическое поведение регулятора невозможно, так как ядро /мггу-регулятора (фаззификация, нечёткие логические выводы, дефаззификация) не обладает динамикой. Задача, обеспечения требуемой динамики поведения, может быть решена посредством введения в контур управления дополнительного блока - блока подготовки контролируемых параметров (рис. 4.4), что позволит обеспечить расчет требуемых параметров на основе оценки ошибки регулирования.Однако в сложных системах контролировать один параметр недостаточно для того, чтобы достичь желаемых показателей качества, поэтому для повышения влияния нечетких элементов на динамическую составляющую процесса вводится многоканальная система контроля состояния объекта управления. Дальнейшим развитием данного направления в нечетких САУ является концепция адаптивности/z/zzy-контроллера, который посредством модификации параметров регулятора оптимальным образом настраивается на изменяющиеся условия технологического процесса.
Разделяют схемы косвенной и прямой адаптации нечеткого контроллера, которые подразумевают формирование значения показателя качества на базе выбранного критерия и использование непосредственной оценки параметров объекта управления соответственно. При этом алгоритмы адаптации могут затрагивать функции принадлежности или саму базу правил, модифицируя в зависимости от состояния объекта управления даже форму нечётких множеств и т.д. Развитием этого подхода является использование /wzzy-концепции не только для управления, но и для реализации предикативной концепции управления.
Необходимо также отметить, что при адаптивном подходе к построению нечетких систем управления настройка блоков нечеткого логического вывода осуществляется не только в процессе проектирования, но и во время нормальной эксплуатации системы, параллельно с процессом управления объектом. Поэтому адаптивные нечеткие системы позволяют осуществлять более качественное управление сложными нестационарными объектами по сравнению с обычными системами.
Проектирование нечёткого регулятора представляет собой итерационный процесс, целью которого является обеспечение требуемого качества управления. При этом отсутствие процедуры построения модели ОУ компенсируется формализованными знаниями о поведении объекта в форме функций принадлежности и базы правил. Итерационный процесс может начинаться с реализации типовых нелинейностей, а заканчиваться созданием гибридных систем, проходя при этом этап создания типовых нечетких регуляторов И-, ПИ-, ПИД- типа. Создание нечеткой САУ в основе, которой лежит реализация классической теории автоуправления средствами нечеткой логики, т.е. нечеткая реализация типовых нелинейностей, скорее всего дань моде либо стремление некоторых разработчиков создать универсальный тип регулятора, которому можно придать классический или нечеткий характер. В большинстве случаев при относительно несложных ОУ довольствуются разработкой/иггу-регуляторов, идентичных по поведению классическим П-, ПИ-, ПИД- регуляторам [48, 56]. Однако практика показывает [29], что «фаззификация» классической стратегии управления, т.е. простая замена классического регулятора нечетким, чаще всего не приносит желаемого улучшения качества управления. Дальнейшим развитием исследуемого направления является использование некоторой комбинации классического и ///zzy-регуляторов (гибридного регулятора) при соответствующем распределении задач между ними. Поскольку до сих пор не разработаны единые подходы к созданию гибридных САУ, то вопросы оптимального распределения функций между компонентами комбинированной системы решаются проектировщиком на основе его интуиции и практического опыта. Наиболее перспективными из существующих вариантов [83] гибридных регуляторов являются схема корректировки управляющего воздействия с помощью fuzzy-компоненты (рис. 4.5) и схема/г/ггу-управления переключением на различные регуляторы (рис. 4.6). Улучшение динамических свойств контура управления (рис. 4.5), может быть достигнуто за счет выбора входных величин (задающих значений регулируемых координат, ошибки регулирования, временных производных и интегралов от указанных величин), зависящих от конкретного применения САУ.
