• Цель системы - получить результат, качественно или количественно превосходящий механическую (простую) сумму результатов работы отдельных ее компонентов. Объединение в систему добавляет "нечто большее", что и объясняет ее назначение, - принцип "синергизма". Это "нечто большее" определяется ие паличие.м тех или иных компонентов системы, а скорее есть результат их взаимодействия.

Па практике встречаются системы самых различных типов, например электрические, химические, механические или биологические. Компьютер - это система, ос-но1!ными функциональными элементами которой являются процессор, память и периферийные устройства. Взятые порознь, эти части ие допускают никакого осмысленного применения. Если их объединить и добавить программное обеспече-iH-ie, то получится система, которую можно использовать для решения многих задач. Человеческий организм представляет собой пример чрезвычайно сложной cncre.Nn.i, состоящей из органов, каждый из которых имеет свое назначение. Он способен выполнять основную задачу - поддерживать собственную жизнь - именно потому, что все органы работают вместе.

Для описания систем и их элеме1ггов можно применять разнообразные .математические методы. Как подчеркнуто в большинстве учебников, эти методы можно использовать, только когда все элемеггы системы и окружающая ее среда описываются количественными соотношениями. В главе 3 будет показано, что математический подход - это не единственный способ описания систем. Очевидное преимущество математических методов в том, что они основаны на формалыплх доказательствах, и поэтому, как правило, им следует отдавать предпочтение перед другими методами.

Важнейшей характеристикой системы является ее динамика, знание которой позволяет предсказать поведение системы и выбрать правильное управляюп1ее воздействие в соответствии с поставленной целью. Динамика системы представляет собой сложный вопрос из-за того, что приходится учитывать многочисленные взаимодействия между различ1п>1ми частями. Часто кажется, что эволюция системы идет "ие в том" направлении или по крайней мере ие соответствует "интуитивным" ожиданиям. Любой водитель инстинктивно представляет себе динамику автомобиля. При движении вверх или вниз по ск..чону он увеличивает или уменьшает давление па педаль газа для того, чтобы сохранить скорость. Нормальное поведение автомобиля хорошо известно и прогнозируемо, однако на мокрой или обледенелой дороге он может стать неуправляемым. Аналогичные проблемы возникают ежедневно и в управлении техническими процессами.

В крупных технических задачах одной из важиейпп-ix проблем является структу-pnpoBam-ie системы. В процессе эксплуатации взаи.модействуют множество людей, происходит постепенная замена оборудования и добавление новых функций. Сложную систему иеобходи.мо рассматривать как с общих позиций, так и с позиций всех ее компонентов.

Возникающие нробле.\п>1 обычно нельзя разрешить только на одно.м уровне - их надо рассматривать под соответствующим углом зрения и на соответствующем уровне. Это не означает, что требуется знать все детали каждой конкретной сигуатги. а скорее предполагает возможность при пеобходи.мосги получить любые подробности. Решение, выработанное на несоотйетствующе.м уровне, чаще всего вообще не яп-ляется решением и может даже ухудшить ситуацию. Нет с.\гысла искать огпибки

1.4. Примеры типичных приложений цифрового управления

в программе, которая пе выполняет предусмотренную печать, если выключен npi тер. Каждый инженер имеет собственный набор анекдотов по этому поводу.

Границы между компетенцией ииженеров-электро1Пциков, программистов, щ клад1п.1х специалистов и пользователей в настоящее время постоянно размывают Нельзя рассматривать сложную систему только с одной точки зре1шя, а решен принимать, опираясь на знания специалистов лишь из одной области. Чтобы пон или создать сложную систему, состоящую из множества взаимодействующих часТ необходим специальный подход. Далее будут даны некоторые рекомендации д успешного анализа и проектирования автоматизированных систем.

1.4. Примеры типичных приложений цифрового управления

I Гримеры цифрового управления встречаются везде, начиная от товаров массо! го спроса и до высокотехнологичной продукции. Сегодня в самом обычном автох биле компьютеры применяются для управления как зажиганием и составом бензи! вой смеси, так и температурой в пассажирском салоне. Даже настройка приемника, доверяется водителю, а управляется микропроцессором, который иногда не упрои ет, а наоборот, усложняет жизнь.

11а первый 1!згляд может показаться, что системы управления химическим произв? СТ1ЮМ или движением на крупной желез1Юдорожной станции имеют мало общего с ро там\л для окраски автомобилей или с бортовым компьютером космического кораб] Однако во всех этих системах имеются одинаковые функциональные б;юки - сбор д 1Н>1Х, управляемые таймером или прерываниями функции, Koirryp обратной связи, обм дащгыми с другими компьютерами и взаимодейсТ1!ие с человеком-оператором.

В общем случае система цифрового управления физическим/тех1П1ческим н{ цессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.4):

- управляющей ЭВМ;

- каналов обмена информацией;

- аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦГГ и ЦАГГ);

- датчиков и исполнительных механиз.мов;

- собственно физического/технического процесса.

датчики и исполнительные механизмы

( физический/ \ технический } процесс

аналоговые сигналы

АЦПиЦАП

цифровые данные

цифровые сигналы

сетевой интерфейс

сеть передачи данных или системная шиш

управляющая ЭВМ

Рис. 1.4. Основная структура системы 1Н1фрового управления процессом

Физический процесс контролируется с помощью датчиков, т. е. устройств, преобразующих физические параметры процесса (температуру, давление или координаты) в электрические величины, которые можно непосредственно измерить (сопротивление, ток или разность потенциалов). Примерами датчиков являются термисторы (датчики температуры), концевые выключатели и ультразвуковые микрофонные зонды. Непосредственное влияние на процесс осуществляется с помощью исполнительных механизмов. Последние преобразуют электрические сигналы в физические воздействия, главиы.м образом движение - перемещение и вращение, которые можно использовать для других целей, например для открытия клапана. Примерами исполнительных механизмов могут служить сервомоторы, гидроклапаш.! и пневматические позиционирующие устройства.

Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой форме, поэтому полученные в результате измерений электрические аналоговые величины необходимо обработать с помощью АЦП (раздел 5.2.2). Обратная операция - управление исполнительными механизмами (электромоторами и клапанами) - несколько проще, поскольку компьютер может непосредственно вырабатывать электрические сигналы.

Информация от удаленных объектов через каналы связи поступает к центральному управляющему компьютеру, который:

- интерпретирует все поступающие от физического процесса данные;

- принимает решения в соответствии с алгоритмами программ обработки;

- посылает управляющие сигналы;

- обмешшается информацией с человеком-оператором и реагирует на его команды.

Пет ничего неожиданного в том, что поточное производство и машииостроеше обеспечивают благоприятную почву для применения ВТ. Станки с числовым нро-граммиы.м управлением (ЧПУ, Numerical Control - NC), производя высокоточные механические детали, выполняют строго определенную последовательность операций. Такие станки применяются во многих отраслях; их работа зависит от програ.м.м-иого обеспечения, которое можно сравнительно быстро и депгево заменить. Гибкость промышленных роботов и многообразие выполняемых ими операций обеспечиваются, главным образом, компьютерным управлением. Если один станок ие может обработать деталь, то гибкая производственная система (Flexible Manufacturing System - FMS) обеспечит выполиешге необходимых операций другим станком участка или подразделения завода. В такой системе работа каждого станка, их взаимодействие и перемещетге деталей управляются компьютерами.

Вычислительная техника нри.меияется и в отраслях, имеющих другой характер производства, в частности в химической, металлургической, целлюлозио-бумаЖ1ЮЙ и т. п. Разные технологические процессы обычно взаи.мосвязаиы, и .между ними постоянно перемещаются значительные материальные потоки. Такие производства, как правило, носят непрерывный характер, поэтому важнейппгм фактором является надежность. Кроме того, обычно число иг.меряемых переменных очень велико, масштаб времени процессов в рамках одного предприятия составляет от нескольких секунд до нескольких дней, а территория может иметь значительные размеры. При высоких капитальных вложениях и стоимости .материалов даже небольшие изменения параметров производства и показателей качества суц.ественпо влияют на эконо.мику