Программное обеспечение цифровых систем управления

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА : ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ № 34 ТЕМА: ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕКНИЯ ТЕМА: ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ Цель : получить знания по вопросам теории построения и функционирования программного обеспечения цифровых систем управления и практической реализации программно-аппаратных средствах с цифровым управлением Вопросы 1.Программное обеспечение цифровых систем управления. 2.Сопряжение цифровых систем управления с распределенными информационно-управляющими системами. Литература. 1.Курс лекций по дисциплине «Информационно-управляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2015 г, лекция № 34 2.Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с. 2 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. Для описания дискретных систем управления используются решетчатые функции и разностные уравнения. Решетчатые функции являются аналогами непрерывных функций, описывающих непрерывные системы управления. Разностные уравнения дифференциальных уравнений. являются аналогами 3 РЕШЕТЧАТАЯ ФУНКЦИЯ Решетчатой функцией называется функция, получающаяся в результате замены непрерывной переменной на дискретную независимую переменную, определенную в дискретные моменты времени kТ, k = 0, 1, 2, … Непрерывной функции x(t) соответствует решетчатая функция х(kТ), где Т – период квантования, при этом непрерывная функция является огибающей решетчатой функции. Отсчеты по шкале времени удобно вести в целочисленных единицах периода квантования Т. С этой целью вместо переменной t непрерывной функции введем новую переменную t=t/T, при этом непрерывной функции x(t) будет соответствовать решетчатая функция х(k)  xk. 4 ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ Последовательность импульсов в ИС подвергается импульсной модуляции. Процесс импульсной модуляции состоит в изменении какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Применительно к немодулированной последовательности импульсов (см. рисунок) такими параметрами являются амплитуда импульсов А, длительность bT, и период повторения Т. Величина, определяющая закон модуляции, называется модулирующей величиной. . 5 ТЕОРЕМА КОТЕЛЬНИКОВА-ШЕННОНА. Процедура преобразования сигнала непрерывного времени x(t) к дискретному виду, квантованному по времени, называется квантованием. В результате квантования получается импульсная последовательность x(kT) (решетчатая функция), которая при t = kT совпадает с исходным сигналом: x(kT) = x(t)|t=kT, и не определена между отсчетами k. Потери информации при квантовании зависят от величины интервала квантования Т (частоты квантования 2p/T). Согласно теореме Котельникова-Шеннона, если спектр сигнала x(t) ограничен максимальной частотой wmax, то точное восстановление функции x(t) теоретически возможно при условии, что на одном периоде максимальной частоты в сигнале имеется минимум два дискретных отсчета, т.е. частота квантования w должна быть более чем в 2 раза больше наибольшей частоты wmax в сигнале: w ≥ 2wmax, T < p/wmax. 6 m  РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ n 0 Связь между значениями решетчатой функции при разных значениях аргумента определяется с помощью конечных разностей, которые являются аналогами производных в дифференциальных уравнениях. Разностью первого порядка (первой разностью) называется разность между последующим дискретным значением решетчатой функции и ее текущим значением: Dx(k) = x(k+1) – x(k). Разность первого порядка характеризует скорость изменения решетчатой функции и, следовательно, является аналогом первой производной непрерывной функции. Разность второго порядка определяется как разность двух соседних разностей первого порядка: D2x(k) = Dx(k+1) - Dx(k) = [x(k+2)-x(k+1)] – [x(k+1)-x(k)] = x(k+2) - 2x(k+1) + x(k). 7 РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ Разности любого m-го порядка вычисляются аналогично: 8 ДИСКРЕТИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ C использованием разностных уравнений математическое описание линейных импульсных систем приводится к виду: amDmx(k) + am-1Dm-1x(k) +…+ a0 x(k) = 0. (1) где уравнение (1) является линейным разностным уравнением с постоянными коэффициентами аm (m=0, 1, 2,...), - аналог однородного линейного дифференциального уравнения при описании непрерывных динамических систем. 9 ДИСКРЕТИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ Уравнение (1) можно записать в виде: m  cn x(k+n) = 0. n 0 (2) Таким образом, в дискретной системе (1) процессы в квантованные моменты времени t-kT точно совпадают с процессами в исходной непрерывной системе. Так как решения дискретной системы в промежуточные моменты времени не определены, то корректный переход к дискретной форме предусматривает выбор интервала квантования Т в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона. 10 ДИСКРЕТНОЕ Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. В теории импульсных систем для решения разностных уравнений используется дискретное преобразование Лапласа и его модификация - дискретное z-преобразование. 11 ДИСКРЕТНОЕ Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. Дискретное Z-преобразование в основе метода решения разностных уравнений. Дискретное преобразование Лапласа X(z) отличается от z-преобразования наличием нормирующего множителя Т. При анализе дискретных систем z-преобразование позволяет перейти от разностных уравнений к алгебраическим и существенно упростить анализ динамики дискретных систем. В выражении (6) функция х(kТ) называется оригиналом решетчатой функции, a X(z) – ее изображением. Для обратного перехода от изображения к оригиналу (для нахождения исходной решетчатой функции по ее изображению) используется обратное zпреобразование: x(kT) = (1/2pj) ∮ X(z) zk-1 dz. 12 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ КОД Преобразование выполняется амплитудно-цифровыми преобразователями (АЦП) и включает три операции: квантование сигнала по времени, квантование по уровню и кодирование. Квантование по времени заключается в измерении непрерывной величины х(t) в дискретные моменты времени tk=kDt, Dt=const, k=0, 1, 2,…, и осуществляется импульсным элементом - ИЭ. На выходе импульсного элемента получается решетчатая функция x(tk). 13 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ КОД Процесс квантования решетчатой функции х(tk) по уровню можно представить как прохождение сигнала х(tk) через нелинейный элемент с многоступенчатой релейной характеристикой - квантователь по уровню КУ (см. рисунок). В результате квантования по уровню точно измеренные значения сигнала х(tk) заменяются приближенными ближайшими дискретными значениями хk  x(k)  x(tk). Шаг квантования δk, характеризует точность преобразователя. 14 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ КОД Прежде чем сигнал х(k) поступает на цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) системы, осуществляется его кодирование преобразование в цифровой код хц(k). Если в ЦВУ используется двоичная система счисления, то с помощью кодирующего устройства К каждый импульс, поступающий с квантователя по уровню, преобразуется в двоичный цифровой код, соответствующий амплитуде этого импульса. 15 ЦИФРОВОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЦВУ можно рассматривать как дискретный преобразователь, преобразующий входную последовательность чисел хц(k) в выходную yц(k) в соответствии с заложенной программой вычислений, представляющей собой алгоритм переработки информации. В дискретной линейной системе связь между входом и выходом (входной и выходной дискретными последовательностями значений сигнала – отсчетами), задается линейным оператором преобразования TL: y(kDt) = TL{x(kDt)}. 16 ЦИФРОВОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО 17 ЦИФРОВОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО 18 ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ЦВУ РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ЦВУ ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВУ СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Системное ПО, обычно поставляется фирмой и рассчитано на конкретную вычислительную платформу. Драйверы устройств, должна быть результатом согласования фирм-разработчиков устройств и фирмразработчиков системного ПО. Согласование достигается путём следования стандартам разработки драйверов. Прикладное программное обеспечение создается разработчиком конкретной системы. ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМНОМУ ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ Обеспечение возможности работы в реальном времени, обеспечение высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов - все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс. Основное требование (помимо надёжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно выделить отличительные качества промышленных вычислительных систем: - адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам; использование распространенных и проверенных промышленных стандартов; - использование операционных систем реального времени (ОСРВ). ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ (ОСРВ). ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычислительной техники в автоматике: - обеспечение бесконфликтного взаимодействия параллельных задач с аппаратурой; - бесконфликтное разделение ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.); - обеспечение надежной передачи данных между процессами в адресных пространствах; - обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам; - обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки; - поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров); - создание вычислительной среды повышенной надёжности; ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (ППО) ДЛЯ САУ ППО делится на следующие группы: -дополнение к операционной системе (драйверы и т.п.); -программы управления, передачи данных, обработки данных, планирования и т.п., то есть прикладные вычислительные задачи; - программное обеспечение локальных регуляторов. Эта часть программного обеспечения часто создаётся для специализированных микроконтроллеров.