Основные типы систем реального времени

Из приведённой на рис. 1 обобщённой структуры систем реального времени получают многообразные конкретные технические системы.

В зависимости от преобладания тех или иных коммуникационных связей (измерительных, управляющих, задающих и регистрируемых сигналов) различают следующие основные типы систем реального времени.

Разомкнутые системы управления.

Рис. 2

Эти системы (рис. 2) характеризуются отсутствием измерительных сигналов, используемых в обратных связях. Основной информационный поток представляют собой управляющие (исполнительные) сигналы. Такое решение основывается на том, что управляющие сигналы оказывают на объект детерминированное влияние и, следовательно, никакой последующий контроль не нужен.

Что касается степени связи с оператором, то здесь можно указать на существование значительных различий. Системы, организующие периодические или однократные действия, например, управления светофором без измерения транспортного потока, работают почти без вмешательства оператора. Здесь его действия ограничены, как правило, подключением системы или сменами долговременных программ.

Полной противоположностью этому являются системы, управляемые по командам оператора. Рассмотрим, например, электронную пишущую машинку. Оператор воздействует на клавиатуру, и на ЭВМ (УВМ) поступают задающие сигналы, которые затем попадают на печатающее устройство (объект) для печатания знаков и позиционирования элементов печатающей системы. У оператора складывается впечатление, что объект управляется прямо по его сигналам, но в действительности управляющим устройством (ЭВМ) произведён разрыв прямой связи между оператором и объектом. В результате открываются совершенно новые рабочие качества, к которым относятся повышение комфортности рабочего места, уменьшение вероятности ошибок и неточных действий обслуживающего персонала.

Последующая модификация систем реального времени получается, если выполнить обратную связь ЭВМ с оператором (штриховая линия на рис. 2). Вернёмся к примеру с пишущей машинкой. Если позаботиться о том, чтобы в ходе печатания на табло (индикаторном устройстве, дисплее) возникало построчное или постраничное изображение, получится существенно более комфортабельное рабочее место, чем обычно, так как в этом случае оператор может корректировать свои действия.

Следующий вариант влияния оператора на систему управления получается, например, при использовании ЭВМ в радиоприёмниках и телевизорах или записывающей аппаратуре. Чтобы можно было предусмотреть коммутацию каналов через длительные интервалы времени, ЭВМ программируется так, что задания пользователя запоминаются, время коммутации сравнивается с временем установленных в ЭВМ часов и затем на объект посылается управляющий сигнал, требующий включения, отключения или выбор канала. В данном примере кроме функционального отделения оператора от объекта, между командами оператора и выдачей сигналов управления можно установить любой технически реализуемый интервал.

Замкнутые системы регулирования (системы управления с обратной связью).

Рис. 3

Для этих систем характерным является наличие замкнутого контура связи между управляющей ЭВМ и объектом (рис. 3). Влияние на объект управляющего сигнала наблюдается и соответственно корректируется при сравнении с заданным целевым значением (установкой). В таких системах имеются и широкие возможности управления со стороны оператора.

Автоматическая стабилизация имеет место, если целевое значение задаётся один раз или изменяется только через большие интервалы времени. При этом процесс задания либо отпадает (целевое значение фиксируется программистом в программе управляющей ЭВМ), либо обеспечивается единичным или редко посылаемыми сигналами.

Рассмотрим в качестве примера задачу регулирования климата в помещении. Управляющая ЭВМ получает в определённые моменты данные, например, о температуре и влажности воздуха и затем сигналами управления стремится установить эти параметры на заданном уровне с заданной точностью, воздействуя на соответствующие агрегаты, несмотря на колебания окружающей среды.

О следящем регулировании говорят, если целевое значение регулируемой величины изменяется задающей системой с заметной для системы управления скоростью. Типичным примером таких устройств являются системы регулирования положения в управляемых машинах и промышленных роботах. Рассмотрим в качестве примера движение руки робота вокруг оси со скоростью 180 град/сек и точностью позиционирования 1 градус. Если управляющей ЭВМ будет задано от задающего устройства новое (целевое) положение, она включит управляющим сигналом привод и будет следить за поступающими от системы измерений сигналами об истинном положении руки путём опроса. За секунду должны быть выполнены по меньшей мере 180 измерений, поступление измеренного сигнала в ЭВМ может происходить с интервалами в 5,5 мс. Вводимая в ЭВМ текущая информация о положении сравнивается с целевым значением, и после вычисления отклонения либо продолжается движение с полной скоростью, либо вводится торможение, чтобы, несмотря на инерционность подвижных масс, целевое значение контролируемой величины было достигнуто без перерегулирования. В промежутках между вводами измеряемых значений по мере необходимости производится обработка программы в управляющей ЭВМ, по которой рассчитываются новые сигналы. При обычных рабочих скоростях обработка информации в современных микроЭВМ за 5,5 мс может быть выполнено, по меньшей мере, 2000-3000 команд.

Следующий класс регулирующих систем - системы оптимального регулирования - характерны тем, что в них нужна не установка требуемого состояния, а должен быть сформирован критерий качества, исходя из многих переменных состояния. Цель состоит в том, чтобы систематическими пробами (измерениями требуемых сигналов) достичь такого состояния объекта, при котором критерий качества будет самым высоким. Управляющая ЭВМ в определённые моменты времени захватывает измеряемые величины, по которым рассчитывает мгновенные значения критерия качества и затем незначительно изменяет управляющую величину. Влияние такого изменения отслеживает теперь ЭВМ. При отрицательном влиянии соответствующую управляющую величину можно будет снизить, при положительном она продолжает меняться далее в том же направлении.

Измерительные и испытательные системы.

Рис. 4

От них требуется наблюдение за объектом. Главные потоки информации формируются измеряемыми и регистрируемыми сигналами (рис. 4). ЭВМ поручается захват измеряемых сигналов и их обработка, а также формирование сигналов индикации. По сравнению с прямой регистрацией измеряемых величин при этом возникает возможность раздельно запоминать изменение во времени сигналов на конечном интервале времени, а затем представлять их для повторяющихся процессов регистрации и обработки информации (форми­рование средних значений, усреднённых предельных и т.д.), а также определять взаимосвязь многих измеряемых величин (расчёт произведений, критериев качества).

В области медицинской и измерительной техники использование встроенных ЭВМ привело к созданию нового поколения приборов (например, для записи и обработки электрокардиограмм, осциллографов для регистрации однократно возникающих сигналов, логических анализаторов для регистрации двоичных сигналов и т.п.). Кроме того, использование ЭВМ позволяет воздействовать на исследуемый объект сигналами управления (штриховая линия на рис. 4), что является более высокой ступенью автоматизации измерений и экспериментальных исследований.

Диалоговые системы.

Рис. 5

Для многих систем реального времени характерно то, что в них имеется явно выраженное взаимодействие оператора и ЭВМ (рис. 5). Тщательный анализ позволяет, однако, установить, что основная структура, приведённая на рис. 1, всё-таки сохраняется, но объект в ней оказывается только информационной стороной.

Наиболее чётко это выражено в моделях. Такие системы создаются чаще всего для безопасного изучения реальных процессов и устройств. Моделируется только объект, поведение которого, т.е. взаимная связь между выходными (измеряемыми) и входными (управляющими) величинами, определяется ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Последняя может быть использована самостоятельно, но возможно моделирование на ЭВМ управляющего устройства и объекта одновременно.

К этой категории относятся также многие, построенные на основе микроЭВМ, электронные игры. Они являются не чем иным, как моделями систем обслуживания.

Следующий логический шаг состоит в том, чтобы создать такие системы, в которых бы моделировались умственные способности и деятельность людей. Рассмотрим в качестве примера карманную ЭВМ с фиксированным набором функций. Она включает в себя микроЭВМ, клавишное устройство и видеотерминал. При этом ЭВМ запрограммирована так, что, опрашивая последовательно всю клавиатуру и обнаружив нажатую клавишу, она запускает соответствующие программы обработки данных. Эти программы могут выполнять различные задания. При вводе первой цифры, например, она отражается на индикаторе и её значение запоминается в соответствующем регистре. При вводе следующих цифр их индикация смещается и значение, соответствующее десятичному представлению, вычисляется заново. Если же окажется, что нажата функциональная клавиша (например, sin), то запустится подпрограмма, вычисляющая её значение.

Общая программа, которая содержится в карманной микроЭВМ, раскладывается на две составляющие:

1) управляющую программу, которая управляет диалогом с пользователем. По ней определяется нажатая клавиша, активизируется требуемая программ обработки и включается устройство индикации;

2) программы обработки, определяющие загрузку карманной ЭВМ и образующие управляемый (или регулируемый) объект системы. По сравнению с управляющей эти программы принадлежат нижнему уровню, который активизируется по мере необходимости для выполнения специальных заданий, после чего управление снова передаётся управляющей программе.

Отличие от других типов систем реального времени состоит, таким образом, в том, что в последних развязка между объектом и управляющей ЭВМ должна выполняться необязательно аппаратно, а чаще программными средствами самой ЭВМ.

Поэтому сюда включается широкий класс информационных, информационно-поисковых и вычислительных систем бухгалтерского учёта, в которых гарантировано обращение через ЭВМ многих пользователей (операторов) к одному или нескольким объектам и по мере необходимости могут выполняться соответствующие функции запоминания и переработки информации.