Микропроцессорные системы управления. Основные понятия

Август 20, 2022

Главная
Физика
Микропроцессорные системы управления. Основные понятия

Содержание

2. Физический процесс — это последовательная смена состояний объектов физического мира. Физическими процессами являются: движение; химические реакции;
3. Технический процесс – это физический процесс, параметры которого можно измерить и изменить техническими средствами. Технический процесс
4. Обобщенная модель ФИЗИЧЕСКОГО/ТЕХНИЧЕСКОГО процесса Информация – важнейший компонент управления физическим процессом Обработка информации производится решающим устройством
5. Примеры входных и выходных потоков процесса
6. Применение компьютера в управлении процессом Компьютеры выполняют две основные функции: Контроль нахождения параметров технического процесса в
7. Отличие задачи УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ от задачи ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОБРАБОТКА ДАННЫХ применяется в таких приложениях, как:
8. Понятие технической системы СИСТЕМА – это любой объект, который рассматривается, с одной стороны, как единое целое,
9. Физический процесс контролируется с помощью датчиков (измерительных преобразователей). ДАТЧИК − это устройство, преобразующее физические параметры процесса
10. Цифровая система управления физическим/техническим процессом Система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из следующих компонентов: Датчики и
11. Назначение управляющего компьютера Интерпретирует все поступающие от физического/технического процесса данные. Принимает решения в соответствии с алгоритмами
12. Задачи решаемые управляющим компьютером при управлении техническим процессом Основное требование к системе управления заключается в том,
13. Отличие управляющего компьютера от обычного Управление техническими процессами всегда происходит в реальном времени. Понятие "реальное время"
14. Свойства процессов, усложняющие управление Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь, свойствами управляемого процесса. Факторы
15. Примеры реальных физических процессов Механика. Зависимость между силой реакции и удлинением пружины в механических системах часто
16. Внутренние взаимодействия технического процесса Любой технический процесс можно представить как систему с внутренними связями, которая изменяет
17. Характеристики управляемого технического процесса влияющие на решения по системе управления
19. Отображение развития процесса во времени Данные полученные в результате измерений, должны адекватно, с требуемой точностью отображать
20. Сбор данных измерений и обработка сигналов Все сигналы измерений содержат как полезную информацию, так и помехи.
21. Распределенное прямое цифровое управление Распределенное прямое цифровое управление − это иерархическая структура на базе соединенных между
22. Интерфейс оператора Теоретически управляющая система может функционировать без вмешательства человека, но всегда необходимо взаимодействие управляющей системы
23. Заключение Для задач управления в режиме реального времени нельзя применять обычные методы программирования из-за особенностей, присущих
25. Скачать презентацию

Слайд 2

Физический процесс — это последовательная смена состояний объектов физического мира.
Физическими

процессами являются:
движение;
химические реакции;
теплообмен и т.д.
Примеры процессов:
производство – промышленное, химическое и т.д.
климат-контроль – изменение физических параметров, например, температуры и влажности.
круиз-контроль – то есть управляемое изменение скорости и положения транспортного средства.
Немецкий технический стандарт DIN 66201
определяет физический процесс как: "комбинации связанных событий в системе, в результате которых
изменяются,
перемещаются или
запасаются материя, энергия и информация".
Физический процесс не обязательно должен управляться извне.
Любой физический процесс характеризуется входом и выходом в виде:
материальных компонентов;
энергии;
информации.

Понятие физического процесса

Слайд 3

Технический процесс – это физический процесс, параметры которого можно измерить и

изменить техническими средствами.
Технический процесс включает обработку информации для достижения заданной целевой функции.
Обработка информации сама по себе не привносит видимых изменений в физический мир и, таким образом, не может быть отнесена к физическим процессам.

Понятие технического процесса

Слайд 4

Обобщенная модель ФИЗИЧЕСКОГО/ТЕХНИЧЕСКОГО процесса
Информация – важнейший компонент управления физическим процессом
Обработка информации

производится решающим устройством

Исходные данные

Результат

Слайд 5

Примеры входных и выходных потоков процесса

Слайд 6

Применение компьютера в управлении процессом
Компьютеры выполняют две основные функции:
Контроль нахождения параметров

технического процесса в заданных пределах.
Выработка соответствующих управляющих воздействий, чтобы параметры процесса оставались в заданных пределах даже при наличии внешних возмущений.

Слайд 7

Отличие задачи УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
от задачи ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
ОБРАБОТКА ДАННЫХ применяется

в таких приложениях, как:
техническое проектирование;
моделирование;
редактирование текста, бухгалтерский учет, и т.д.
ВХОД и ВЫХОД представляют собой информацию в чистом виде (данные), которую можно хранить или передавать с помощью любого носителя информации.
Время обработки зависит только от производительности компьютера, а результат будет всегда один и тот же.

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ − обработка данных следует за событиями происходящими в самом управляемом процессе и не зависит от структуры управляющего компьютера и его производительности.
Компьютерная система управления должна постоянно обрабатывать поток входных данных и быстро реагировать на внешние события, чаще всего не имея возможности изменить их количество или скорость поступления.

Слайд 8

Понятие технической системы
СИСТЕМА – это любой объект, который рассматривается, с одной

стороны, как единое целое, а с другой – как совокупность связанных между собой определенным образом составляющих.
Понятие технической системы позволяет:

Проще интерпретировать назначение любой сложной структуры, а не рассматривать её как взаимодействующие друг с другом отдельные части.
Проще производить детализацию элементов системы. При описании системы, её можно по-разному разложить на составные части. Каждая из частей в свою очередь может быть разбита на более мелкие составляющие. Важно выбрать правильный уровень детализации.
Применять принцип "черного ящика". Обычно нет необходимости знать внутреннее строение составной части для того, чтобы предвидеть поведение системы в целом. Достаточно знать причинно-следственную связь между входом и выходом.
Чётко определить целевую установку − получить результат, качественно или количественно превосходящий механическую (простую) сумму результатов работы отдельных ее компонентов.

Важнейшей характеристикой системы является её динамика, то есть изменение состояния системы во времени, знание которой позволяет предсказать поведение системы и выбрать правильное управляющее воздействие в соответствии с поставленной целью.

Слайд 9

Физический процесс контролируется с помощью датчиков (измерительных преобразователей).
ДАТЧИК − это

устройство, преобразующее физические параметры процесса (температуру, давление, координаты и т.д.) в электрическую величину, которую можно непосредственно измерить (напряжение, ток, сопротивление и т.п.).
Цифровые системы управления работают только с информацией, представленной в цифровой (дискретной) форме, поэтому полученные в результате измерений электрические аналоговые (непрерывные) величины необходимо предварительно преобразовать с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Технический процесс можно изменить при помощи исполнительных механизмов.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ − устройство, которое преобразуют электрические сигналы в непосредственные физические воздействия, главным образом движение − перемещение и вращение. Исполнительные механизмы осуществляют непосредственное влияние на процесс.
Информация от удаленных объектов поступает к управляющему компьютеру через КАНАЛЫ СВЯЗИ.

Слайд 10

Цифровая система управления физическим/техническим процессом
Система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из

следующих компонентов:
Датчики и исполнительные механизмы;
Устройства преобразования информации – АЦП и ЦАП;
Каналы обмена информацией;
Управляющая ЭВМ.

Слайд 11

Назначение управляющего компьютера
Интерпретирует все поступающие от физического/технического процесса данные.
Принимает решения

в соответствии с алгоритмами программ управления.
Посылает управляющие сигналы на исполнительные устройства.
Обменивается информацией с человеком-оператором и/или другими управляющими ЭВМ и реагирует на его/их команды.

Управляющий компьютер:

Слайд 12

Задачи решаемые управляющим компьютером
при управлении техническим процессом
Основное требование к

системе управления заключается в том, что ресурсы системы должны соответствовать целям управления и параметрам управляемого технического процесса.

Слайд 13

Отличие управляющего компьютера от обычного
Управление техническими процессами всегда происходит в реальном

времени. Понятие "реальное время" (это количественный показатель) указывает на то, что в реакции компьютерной системы на внешние события не должно быть запаздывания. Это накладывает серьёзные требования на эффективность использования ресурсов компьютерной системы с учетом временных ограничений.
Используется принципиально другой подход к программированию. Вместо последовательного используется параллельное исполнение алгоритма обработки информации. Управляющий компьютер должен работать со скоростью, соответствующей скорости процесса.
Ход исполнения программы нельзя определить заранее. Внешние сигналы могут прерывать или изменять последовательность исполнения операторов программы, причем для каждого нового прогона по-разному.
Особая специфика тестирования систем реального времени ввиду отсутствия предсказуемого порядка выполнения элементов (функций, подпрограмм) программы по сравнению с обычными компьютерными системами.

Особенности цифрового управления процессами

Слайд 14

Свойства процессов, усложняющие управление
Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь,

свойствами управляемого процесса.
Факторы усложняющие управление :
нелинейность процесса;
изменяющаяся внешняя среда;
изменение условий протекания самого процесса;
значительные временные задержки;
внутренние связи процесса.
Практически все физические процессы по своей природе НЕЛИНЕЙНЫ
Линейные соотношения в большинстве случаев фактически представляют собой искусственное упрощение реального положения вещей.
Наличие запаздывания сигналов или зон нечувствительности (т.н. “мертвых” зон) представляет собой серьезную проблему для управления. Из-за этого управляющий регулятор функционирует на основе устаревших данных, вплоть до того, что он может выдавать ложные команды.
Запаздывания всегда присутствуют в тех процессах, где некоторые параметры нельзя измерить непосредственно..
Многие типы датчиков характеризуются некоторым временем запаздывания, то есть временем необходимым для получения нового значения, измеряемой величины,

Слайд 15

Примеры реальных физических процессов
Механика. Зависимость между силой реакции и удлинением пружины

в механических системах часто нелинейно. Например, удлинение пружины увеличивается в два раза – сила реакции не удваивается, а растёт быстрее.
Химия. Скорость протекания реакции в большинстве химических процессов нелинейно зависит от температуры. Изменение температуры на несколько градусов вызывает нелинейное изменение скорости реакции.
Электротехника. Эффект насыщения магнитных материалов электрических машин. Намагничивание якоря является функцией не одной переменной, а зависит от "истории" двигателя, то есть состояний, предшествовавших текущему режиму – эффект гистерезиса. Разгон электрического двигателя от нулевой скорости до половины номинальной не то же самое, что снижение скорости от номинальной до ее половины. При проектировании системы управления такие факторы необходимо учитывать.
Интерфейс. Нелинейность в интерфейсе компьютера с датчиками и исполнительными механизмами. Например, переключающий клапан: он может быть либо полностью открыт, либо полностью закрыт. Компьютер способен на основе сложных вычислений определить, что оптимальный входной поток для процесса составляет 46 или 107 % от значения, соответствующего полному открытию, но реально для клапана возможны лишь два значения 0 или 100 %. Кроме того, быстро изменяющиеся сигналы управления могут вызвать износ клапана, поэтому их необходимо избегать.

Слайд 16

Внутренние взаимодействия технического процесса
Любой технический процесс можно представить как систему с

внутренними связями, которая изменяет своё состояние под воздействием внешних возмущений и управляющих сигналов

Слайд 17

Характеристики управляемого технического процесса
влияющие на решения по системе управления

Слайд 18

Слайд 19

Отображение развития процесса во времени
Данные полученные в результате измерений, должны адекватно,

с требуемой точностью отображать динамику процесса.
Особую важность имеет периодичность измерения и получения новых данных, то есть определённая частота опроса (частота выборки) состояния параметров процесса. Число измерений должно быть достаточным для обнаружения важных изменений в контролируемых параметрах процесса.
Должен быть найден компромисс между затратами на измерение и ценой последствий, к которым может привести потеря части информации об изменениях в процессе.
На загрузку компьютера влияет не только частота измерений, но и сложность расчетов в промежутках между измерениями.

Слайд 20

Сбор данных измерений и обработка сигналов
Все сигналы измерений содержат как полезную

информацию, так и помехи.
Измерения всегда приблизительны из-за неточности датчиков, ошибок калибровки, или собственного шума.
Сигнал, передающийся от датчика к компьютеру через электрический провод, может быть искажен внешними электромагнитными помехами.
Фильтрация сигналов являются обязательным условием.
Фильтр это устройство, которое обрабатывает поступающий сигнал и извлекает из него информацию в соответствии с заданным критерием.
Фильтр должен быть спроектирован таким образом, чтобы он пропускал полезную информацию и блокировал ненужную.
Фильтры могут быть выполнены как по аналоговой (непрерывной), так и по цифровой (дискретной) технологии.

Слайд 21

Распределенное прямое цифровое управление
Распределенное прямое цифровое управление − это иерархическая структура

на базе соединенных между собой цифровых устройств разного класса, которая позволяет:
Упростить организацию взаимодействия между элементами системы управления техническим процессом. Для рационального использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и количество информации, которой обмениваются компьютеры, то есть определить информационные потоки (например, не все компьютеры должны получать подробную информацию об управляемом техническом процессе, а только те которые могут существенным образом повлиять на течение технического процесса).
Обеспечить надежность передачи управляющей информации – необходимо принимать такие решения, чтобы данные всегда достигали своего назначения без искажения и потерь.
Обеспечить стандартизацию всех элементов (компонентов) системы используемых для передачи информации. Очевидно, что кабели, разъемы должны соответствовать друг другу, уровни сигналов должны быть соизмеримы, а программное обеспечение должно одинаково интерпретировать передаваемые сообщения и сигналы.

Слайд 22

Интерфейс оператора
Теоретически управляющая система может функционировать без вмешательства человека, но всегда

необходимо взаимодействие управляющей системы с оператором, который должен получать информацию и иметь возможном вводить команды или управляющие параметры.
Интерфейс оператора (человеко-машинный интерфейс) должен содержать тщательно отобранную информацию.
Интерфейс оператора сопоставляет способ отображения информации со степенью ее важности в текущий момент, учитывая при этом человеческие возможности воспринимать и адекватно на нее реагировать.
Существуют простые – алфавитно-цифровые и сложные – графические интерфейсы, которые отображают сложно организованные данные, разнообразную графику, мультипликацию и видео.
Графические интерфейсы требуют больших вычислительных ресурсов, за которые программы интерфейса будут конкурировать с модулем обработки данных, и поэтому оператор может получать информацию с задержкой.
Не вся информация может ждать, например, сигналы тревоги и другие важные сообщения должны отображаться немедленно.

Слайд 23

Заключение
Для задач управления в режиме реального времени нельзя применять обычные методы

программирования из-за особенностей, присущих этому режиму, так как:
система реального времени содержит не одну, а несколько программ, каждая из которых отвечает за решение своей определенной задачи;
порядок выполнения операторов программы реального времени нельзя определить заранее;
порядок исполнения может быть изменен внешними сигналами (например, при обработке прерывания).
Цифровая вычислительная техника применяется как для управления последовательностью операций, так и для управления систем с обратными связями. Во многих системах эти методы используются совместно.
Конфигурация аппаратных средств цифровой системы управления зависит от:
от количества и вида входных и выходных сигналов технического процесса,
от количества и типа датчиков и исполнительных механизмов,
от динамики процесса, его внутренних связей и применяемых алгоритмов регулирования.

Микропроцессорные системы управления. Основные понятия

Содержание

Физический процесс — это последовательная смена состояний объектов физического мира. Физическими

Технический процесс – это физический процесс, параметры которого можно измерить и

Обобщенная модель ФИЗИЧЕСКОГО/ТЕХНИЧЕСКОГО процессаИнформация – важнейший компонент управления физическим процессомОбработка информации

Примеры входных и выходных потоков процесса

Применение компьютера в управлении процессомКомпьютеры выполняют две основные функции:Контроль нахождения параметров

Отличие задачи УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ от задачи ОБРАБОТКИ ДАННЫХОБРАБОТКА ДАННЫХ применяется

Понятие технической системыСИСТЕМА – это любой объект, который рассматривается, с одной

Физический процесс контролируется с помощью датчиков (измерительных преобразователей). ДАТЧИК − это

Цифровая система управления физическим/техническим процессомСистема цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из

Назначение управляющего компьютера Интерпретирует все поступающие от физического/технического процесса данные.Принимает решения

Задачи решаемые управляющим компьютером при управлении техническим процессом Основное требование к

Отличие управляющего компьютера от обычногоУправление техническими процессами всегда происходит в реальном

Свойства процессов, усложняющие управлениеУровень сложности системы управления определяется, в первую очередь,

Примеры реальных физических процессовМеханика. Зависимость между силой реакции и удлинением пружины

Внутренние взаимодействия технического процессаЛюбой технический процесс можно представить как систему с

Характеристики управляемого технического процессавлияющие на решения по системе управления

Отображение развития процесса во времениДанные полученные в результате измерений, должны адекватно,

Сбор данных измерений и обработка сигналовВсе сигналы измерений содержат как полезную

Распределенное прямое цифровое управлениеРаспределенное прямое цифровое управление − это иерархическая структура

Интерфейс оператораТеоретически управляющая система может функционировать без вмешательства человека, но всегда

ЗаключениеДля задач управления в режиме реального времени нельзя применять обычные методы

Похожие презентации