Режим реального времени управления

Режим реального времени управления

Режим реального времени управления характеризуется одновременной совместной работой цифровой и аналоговой частей в замкнутой САУ с управляющей микроЭВМ (или микроконтроллером), в которых операции преобразования и хранения дискретной информации осуществляются в форме кодо-импульсных сигналов в машинном времени, измеряемом в периодах квантования сигналов nT, а операции преобразования энергии и сигналов аналоговой информации осуществляются в непрерывной форме в реальном времени t, измеряемом в секундах. Измерительно-преобразовательные устройства (датчики) в цифроаналоговых САУ могут формировать выходные сигналы информации как в виде аналоговых (непрерывных) величин, так и в виде дискретных импульсных величин или цифрового кода.

Системы реального времени предсказуемо (во времени) реагируют на непредсказуемо (во времени) возникающие события [20]. Системы «жёсткого реального времени» должны за заданный интервал времени отработать появившееся событие, а при невозможности — выдать отказ от решения задачи. Системы «мягкого реального времени» не дают отказов и всегда начинают решать возникшую задачу в последовательности приоритетов её составных частей, но не всегда успевают решить задачу за заданный интервал времени, что создает задержку управления и нарушает оптимальность режимов работы САУ.

Все процессы управления в САУ развиваются в реальном времени, которое связано с динамическими свойствами объекта и параметрами цифровой части. Важнейшим из этих параметров является период квантования во времени Т, который определяет допустимое запаздывание τ Т в формировании управления аналоговой частью САУ. Трудности формирования управления за время τ Т обусловлены задержками на реальное время преобразования информации в АЦП, в ЭВМ и в ЦАП. Для сокращения времени задержек на обработку дискретных сигналов частота их квантования во времени достигает нескольких десятков мегагерц [2, 8, 20], а асинхронность и параллельность процессов вычислений в ЭВМ лежат в основе управления.

См. также:  Тепловые расходомеры

Первой серьезной проблемой, решаемой в цифроаналоговых САУ реального времени, является формирование в ЭВМ с АЦП на входе и ЦАП на выходе управляющего воздействия на непрерывную выходную часть в течение времени, не более одного периода квантования Т. Это необходимо для исключения нарастающего запаздывания в процессе управления, нарушающего работоспособность САУ.

Время вычисления дискретного управляющего сигнала в ЭВМ зависит от алгоритма преобразования входного сигнала и сильно возрастает при реализации операций умножения функций, возведения в степень и тригонометрических преобразований, которые выполняются за время, существенно превышающее период квантования Т. Для решения этой проблемы могут использоваться многопроцессорные ЭВМ и микроконтроллеры или локальные вычислительные сети с распараллеливанием операций между процессорами разных ЭВМ.

В системах реального времени успешно используются так называемые промышленные компьютеры, состоящие из одной платы, на которой размещены процессор, контроллер памяти и память разного типа (ОЗУ, ПЗУ, ФЛЭШ-память), но без дисковых накопителей, не отвечающих требованиям готовности к системам реального времени.

При сопряжении управляющей микроЭВМ с объектом управления с помощью ЦАП также возникают трудности в связи со значительным превышением разрядной сетки микроЭВМ, имеющей не менее 16 или 32 разрядов, по отношению к числу разрядов подключаемого к её выходу АЦП, имеющих не более 12—14 разрядов, что осложняет схемотехническое и программное сопряжение АЦП с шиной данных микроЭВМ и сверхбыстродействующих микроЭВМ, называемых аналоговыми процессорами.

Экстраполяция сигналов информации в САУ, работающих в реальном времени, должна осуществляться по прошлым дискретным значениям опорных точек траектории экстраполируемой функции, то есть должна непрерывно решаться задача экстраполяции вперед (задача предсказания). Эта задача может решаться экстраполяторами с использованием второй формулы Ньютона (8.3.12).

Рассмотрим специфику управления в реальном времени с помощью цифровой ЭВМ (ЦВМ) с шагом квантования τ непрерывной динамической системой, которая описывается линейным дифференциальным уравнением

См. также:  Дискретный аналог критерия Найквиста

Режим реального времени управления (8.4.1)

Пусть требуется промоделировать или реализовать систему (8.4.1) на ЦВМ. Поскольку ЦВМ чисто дискретное устройство, то на ЦВМ можно реализовать только чисто дискретную модель [8].

К дискретной модели системы (8.4.1) можно перейти с использованием известной формулы производной, но с учётом, что приращение времени Δt не может быть меньше шага τ ЦВМ, тогда производную в дискретной модели можно представить только приближенно:

Режим реального времени управления

Здесь Режим реального времени управленияназывается первой разностью функции Режим реального времени управления. В силу этого от исходной системы (8.4.1) перейдём к дискретной системе, которая описывает её приближенно в виде уравнения

Режим реального времени управления (8.4.2)

которое называется дискретно-разностным уравнением первого порядка, где вместо производной фигурирует первая разность. Если бы в исходном уравнении присутствовала вторая производная, то она аналогично предыдущему случаю была бы представлена второй разностью функции Режим реального времени управления

Продолжая этот процесс, можно с помощью рассмотренного приема из линейного стационарного обыкновенного дифференциального уравнения n-го порядка получить линейное стационарное дискретно-разностное уравнение такого же порядка [8].

Приближённая дискретная модель (8.4.2) непрерывной системы (8.4.1) соответствует такой системе, в которую превратилась бы система (8.4.1), если бы её работа стала зависеть только от дискретных моментов времени, кратных периоду квантования (шагу дикретизации) τ.

Модель (8.4.2) называется дискретизированной моделью системы (8.4.1), но она не является аналогом её работы в реальном времени. Исследования [8] показали невозможность практической реализации точной дискретной модели линейной системы на ЦВМ в рамках чисто дискретного устройства, формирующей точные дискретные значения выходной величины в линейной системе (8.4.1) в дискретные моменты времени τ, поскольку для её построения требуется знание всех значений входного и выходного сигналов системы (8.4.1) на интервале времени [(n – 1)τ, …, ], а в ЦВМ имеется информация о входном и выходном сигналах лишь в моменты, кратные τ, но тогда точная модель вырождается в модель (8.4.2).

См. также:  Особенности нелинейных САУ

Возможность построения точной дискретной модели линейной системы (8.4.1) появляется, если известна какая-нибудь динамическая характеристика системы (8.4.1), например её импульсная переходная функция [8]. Тогда уточненная дискретизированная модель системы (8.4.1) будет содержать определенный интеграл, который может быть вычислен заранее вне моделирующей ЦВМ, а затем учтён при моделировании.