Три подхода к построению систем управления

До сих пор мы исходили их того, что управляющее устройство реализуется на ЭВМ. Несмотря на это, следует рассмотреть альтернативные решения, чтобы установить условия целесообразности и возможности введения управляющей ЭВМ.

Рис. 9

Обратим внимание прежде всего на простую задачу управления, показанную на рис. 9. Привод металлообрабатывающего станка, сблокированный с защитным устройством рабочей зоны, включается кнопкой К только вручную (E1=1). Для сигнализации о состоянии этого защитного устройства служит фотоэлемент ФЭ. Если защитное устройство включено, появляется сигнал фотоэлемента (Е2=1). Включение станка (Е1=1) без исправного ограждения оповестит оператора об ошибке предупредительным сигналом СП (А2=1). Система управления СУ в этом случае должна предотвратить работу двигателя М привода (А1=0).

Взаимосвязь между входными и выходными величинами в реализованном устройстве управления задана таблицей истинности, т.е. записана аналитически в виде комбинационных логических функций (рис. 9). Этот пример характерен для широкого класса задач управления, в которых состояние выходной величины зависит в каждый момент времени от состояний на входе, причём предшествующая ситуация не оказывает влияния на последующие события. Для реализации таких управляющих устройств существуют следующие возможности.

Применение логических элементов. Для построения регуляторов (контроллеров) промышленностью давно выпускаются (ещё до изготовления интегральных микросхем) комплекты основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ, триггеры и т.д.). Проектирование таких регуляторов требует следующей последовательности действий:

· определение реализуемых логических функций связи Аi=f (Е1, Е2,...,Еn) между выходными и входными величинами из заданной постановки задачи;

· построение удовлетворяющей этим функциям электрической схемы на основе имеющегося ассортимента основных элементов;

· изготовление и комплектование печатных плат.

Рис. 1 0

На рис. 10 приведена схема для рассмотренного примера. Программирование (получение логической функции) управляющего устройства обеспечено здесь способом монтажных соединений логических элементов. Изменение их взаимных связей позволяет реализовать некоторые другие функции.

Такие варианты устройств управления называют монтируемыми или чисто аппаратными решениями. Они отличаются высоким быстродействием. Время запаздывания между изменениями на входе и выходе определяется суммой времён запаздывания последовательно проходимых логических элементов; в зависимости от серии оно находится в пределах от 10 до 150 нс. Для них характерным является также функциональная жёсткость, так как незначительное изменение поставленного задания требует нового проекта со всей отмеченной выше последовательностью действий.

Применение запоминающих устройств. В электронных запоминающих устройствах при подаче определённого входного сигнала (адреса) может быть считана любая строка из памяти. Следовательно, если использовать входные сигналы в качестве адресов элемента памяти и позаботиться о том, чтобы в адресуемой строке находилось нужное для получения выходного сигнала содержимое в соответствии с заданной таблицей истинности, то поставленную задачу управления можно также решить (рис. 11).

Рис. 1 1

Запаздывание в таких устройствах обусловлено так называемым временем обращения к памяти. Оно в зависимости от полупроводниковой технологии может меняться от 50 до 500 нс. Преимущества таких устройств состоят в том, что аппаратные средства (монтаж элементов памяти на печатных платах) не зависит от выполняемых функций, так как функции устанавливаются только содержимым элемента памяти. Однако, путём соответствующего подключения выводов элемента памяти на печатной плате могут быть решены разнообразными задачи управления. Элементы памяти изготовляют как постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), содержимое которых предусматривается изготовителем в соответствии с требованиями заказчика, или как программируемые запоминающие устройства (ППЗУ, стираемые ППЗУ). Реализация последнего способа называется также независимой от изготовителя.

Применение ЭВМ (решающих элементов). В этом случае используют широко распространённые заранее изготовленные аппаратные средства в форме работоспособных вычислителей (например, вычислительных модулей). Выполняемые функции устанавливаются программой (программное регулирование).

Рис. 1 2

В рассматриваемом примере программа должна выполнять следующие функции (рис. 12):

· циклический опрос входных переменных, т.е. ввод информации об изменениях на входе;

· вычисление требуемых выходных величин;

· выдачу результата.

Преимущество метода в том, что при одних и тех же аппаратных средствах можно реализовать несколько различных задач управления (по сравнению с применением элементов памяти) только путём изменения программы или её части. Такая высокая степень гибкости связана с определённым недостатком: запаздывание обусловлено временем прохождения программы и заметно выше (до 20%), чем в случае чисто аппаратного решения.

Если сравнить все три приведённых варианта, можно установить следующее:

· применимость программируемых управляющих устройств для решения различных задач и связанное с этим снижение затрат на проектирование говорят в пользу ЭВМ;

· ограничения на их применение реже определяются экономическими факторами, а чаще - меньшим быстродействием по сравнению с аппаратными решениями;

· для тех задач, которые предъявляют высокие требования к скорости реакции управляющих устройств, может оказаться предпочтительным построение жёстких регуляторов.