Гаспер Б.С., Липатов И.Н. ИВС и АСУТП. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

нью отработки и полнотой ОПО таких УВК. Более того, развитие принципов мо-

дульности и стандартизации применительно к СПО позволяет в той или иной сте-

пени (в зависимости от типа ТОУ) сформировать часть СПО на этапах системного

проектирования и конструирования иерархических УВК.

ОС

Функциональная

подсистема Описание Интерфейсы подсистемы Диспетчер

контуров инициативных

сигналов

Буфер Область глобальных Функциональная

событий данных подсистема

• • •

Диспетчер

подсистемы

Управляющая оперативные локальные

часть данные Задача К

Интерфейсные задачи

Модули

... Задача 1

Реентерабельные БД

... модули

Подсистема сбора и Подсистема

СУБД

первичной обработки диалога

данных

Рис.2.2

Если представить комплекс СПО иерархического УВК в виде обобщенной

многослойной иерархической схемы, то можно констатировать, что наиболее ог-

раничены возможности стандартизации ПО для УВК тех уровней, где решаются

задачи, связанные с оптимизацией или адаптивным управлением, а также выбором

рабочей точки в математических моделях ТОУ.

Уже отмечалась (см.п.2.2) тенденция все более широкого применения в

АСУТП ПЭВМ. Поскольку ПЭВМ ориентированы в основном на непрофессио-

нальных программистов, особое значение приобретает наличие развитых инстру-

ментальных средств для автоматизации разработки СПО. Примером активизации

разработок в этой области может служить инструментальная программная систе-

ма. В данной системе, во-первых, выполняется функция обработки файлов поль-

зователя с использованием библиотеки программных модулей и текстовых загото-

вок. Второй важной функцией является поддержка пользовательского интерфейса,

для чего используются системные программы, которые обеспечивают диалог с

системой, в форме иерархического меню, использование командного языка вопро-

сов и ответов и взаимодействие с системой в режиме экранного редактирования.

Кроме того, инструментальная система снабжает пользователя справочной ин-

формацией, а также обеспечивает разработку, отладку и выполнение прикладных

программ с помощью специального инструментального языка.

2.4. Информационное обеспечение

Информационное обеспечение АСУ определяется характеристиками инфор-

мации, хранимой и обрабатываемой в системе, в аспекте процедур оперирования с

данными безотносительно к их содержанию. Определим термин данные примени-

тельно к АСУТП как первичные сведения, получаемые от прямого наблюдения за

ТОУ и выражаемые в форме чисел, слов или специальных обозначений, а термин

информация - как сведения, полученные после соответствующей переработки

данных и раскрывающие содержание чисел, слов и обозначений, которые описы-

вают тот или иной ТОУ.

Заметим, что в АСУТП основную роль играет отображающая информация,

которая характеризует материальные или абстрактные сущности посредством

описания их свойств или отношений.

Применительно к информационному обеспечению принципы системного под-

хода формулируются следующим образом:

∗ создание единой информационной базы (ИБ) - применительно к АСУТП

это в основном внутримашинная ИБ;

∗ разработка типовой схемы обмена данными между системой и оператив-

ным персоналом включая формирования ИБ, внесение в нее изменений и

выдачу данных;

∗ разработка единой общесистемной схемы хранения и обеспечения решае-

мых задач исходными данными;

∗ обеспечение возможности поэтапного и непрерывного наращивания емко-

сти информационной базы, т.е. динамического способа ее формирования;

∗ обеспечение одноразовости и независимости ввода данных от времени ре-

шения и количества решаемых задач.

Исходя из перечисленных принципов основными задачами информационного

обеспечения с учетом взаимосвязи с другими видами обеспечения функциониро-

вания системы являются: определение форм информационного представления

объектов и процессов (ТОУ), структуры и состава информации, ее увязка с ре-

шаемыми задачами, а также формирование нормативного словаря для обозначе-

ния и описания объектов и их свойств. Стандарт устанавливает, что в состав ин-

формационного обеспечения включаются нормативно-справочная информация,

необходимые классификаторы и унифицированные документы, если таковые не-

обходимы - в АСУТП они могут быть не нужны (рис.2.3).

Следует отметить, что важность реализации системных принципов и решения

задач информационного обеспечения возрастает при увеличении масштабов ТОУ.

На нижнем уровне управления отдельными операциями задачи могут решаться в

рамках разработки математического и программного обеспечения, при переходе

же к более высоким уровням, увеличении значимости оперативного персонала

роль информационного обеспечения становится все более важной, а задача его

разработки - в известной степени самостоятельной.

Информационное обеспечение АСУ

Определение объ-

емов, размещения

и формы организа-

ции информации в

ИБ

Определение со-

держания и струк-

тура нормативно-

справочной ин-

формации

Перечень, опреде-

ление содержания

и структура клас-

сификаторов

Определение со-

держания и струк-

тура (форма) уни-

фицированных

документов

Информационная база АСУ

Внемашинная: со-

вокупность сооб-

щений, сигналов и

документов, ис-

пользуемая при

функционировании

АСУ в форме, вос-

принимаемой чело-

веком

Внутримашинная:

совокупность ис-

пользуемых в АСУ

данных на машин-

ных носителях сис-

темы

Рис.2.3

По мере изменения характера взаимодействия персонала с ЭВМ (внутрима-

шинной информационной базой) усложняется структура и состав средств инфор-

мационного обеспечения, а также усиливается его взаимосвязь с лингвистическим

обеспечением. Для иллюстрации этой тенденции можно привести структуру

средств информационного обеспечения автоматизированной информационно-

справочной системы (АИСС) (рис.2.4).

На рис.2.4 показано, что вся информация

, хранящаяся во внутримашинной

информационной базе, делится на следующие группы: предметная информация;

каталоги; вспомогательные тексты; справочники; управляющие таблицы; прото-

кольная информация.

Первая группа составляет основу базы данных, в нее входят все массивы дан-

ных и информации, необходимой для персонала (пользователей).

Среди массивов второй группы основную роль играет генеральный каталог,

формируемый в виде индексной таблицы, структура которой может меняться для

различных конфигураций системы с учетом структуры и объема информации в

предметной области. Кроме того, предусматривается формирование частных ката-

логов по отдельным носителям и видам информации, что позволяет организовать

дополнительный сервис для пользователя и обеспечить резервирование накопите-

лей.

Вспомогательные тексты обеспечивают диалоговый режим работы системы.

Так, совокупность кодограмм представляет собой машинный справочник по

структуре данных и способам их кодирования.

Инструктивные документы позволяют с помощью соответствующих аппа-

ратно-программных средств вызова выполнять «программируемое обучение» пу-

тем общения с подсистемой. Редактирующие тексты предназначаются для оформ-

ления выходных записей, а сигнальные - для информирования о различных не-

штатных ситуациях (отсутствие требуемой информации, сбой и др.).

В состав информационного обеспечения входят также цифровые справочники

для перехода от одной системы кодирования к другой и текстовые справочники

для расшифровки цифровых кодов.

Во всех режимах используются специальные управляющие таблицы, описы-

вающие структуру и размещение информации (описание массивов и записей),

схему трансляции и контроля запросов, реакции на внештатные ситуации. И нако-

нец, предусматривается формирование и накопление массива информации прото-

кольного типа.

Существенное влияние на эффективность информационного обеспечения ока-

зывают проектные решения внутримашинной части информационной базы.

Известно, что в действующих современных АСУ можно выделить два основ-

ных вида организации внутримашинной части ИБ: пофайловую организацию мас-

сивов данных (файл - совокупность данных, которая состоит из логических запи-

сей, относящихся к одной теме) и организацию на основе баз данных.

Пофайловая организация предусматривает создание специализированных на

решение конкретных задач массивов данных, при этом осуществляется жесткая

привязка данных к алгоритмам преобразования и реализующим эти алгоритмы

программам, что затрудняет процесс пользования информационной базой и реали-

зацию задач, инициируемые в форме запросов. Существенным недостатком по-

файловой организации является избыточность информации, поскольку для реше-

ния различных задач часто записываются одни и те же данные. Применение по-

файловой организации данных и в настоящее время объясняется высокой скоро-

стью обработки данных, поскольку структура и организация файла соответствует

логике его обработки программой.

Общепризнана перспективность для практически любых автоматизированных

систем обработки информации (включая АСУТП) создания баз данных, в той или

иной степени исключающего недостатки пофайловой организации. База данных

АСУ - это совокупность используемых при функционировании АСУ данных, ор-

ганизованная по определенным правилам, предусматривающим общие принципы

описания, хранения и манипулирования данными, и независимая от прикладных

программ.

В определении подчеркивается одно из основных свойств баз данных - их «не-

зависимость» от прикладных программ. Последнее означает, что изменение одних

программ не приводит к изменению других. Таким образом, обеспечивается отно-

сительная простота добавления новых или модификации хранимых данных, а так-

же возможность применения общего управляемого способа поиска данных.

Другое важнейшее свойство организации ИБ на основе баз данных - это ми-

нимальная избыточность данных, поскольку, в принципе, одними и теми же дан-

ными можно пользоваться при решении различных задач. На практике полностью

независимые данные бывают так же редко, как и полностью неизбыточные. Дей-

ствительно, как показывает анализ эволюции концепции баз данных и опыта соз-

дания различных систем с базами данных, проектировщики идут на различные

компромиссы при организации машинных баз данных для получения практически

приемлемого комплекса таких характеристик, как производительность, гибкость,

экономичность. Как правило, в АСУ выделяют несколько баз данных, автомати-

чески управляемых СУБД, которая может обеспечить одновременный доступ к

каждой базе данных нескольких пользователей. В базы данных включают так на-

зываемые общесистемные массивы, кроме того, исходя из практической целесо-

образности в ИБ, выделяют также локальные массивы для решения отдельных за-

дач.

Для автоматизированных систем управления организационно-

технологическими процессами (АСУОТП) участков и цехов возможность прямого

доступа персонала к базам данных, диалоговой работы с данными имеет сущест-

венное значение для эффектного принятия решений и выработки регулирующих

воздействий. Поэтому важным является развитие способов взаимодействия чело-

века с ЭВМ с возможностью прямого доступа к БД.

ГЛАВА 3

СИГНАЛЫ В ИВС И АСУТП

3.1. Модели сигналов

Результаты обработки информации существенно зависят от выбора рацио-

нальной модели анализируемого сигнала. При этом необходимо учитывать усло-

вия решаемой задачи, количество и длину зарегистрированных реализаций, форму

записи (непрерывную, дискретную) и т.д. В зависимости от априорной информа-

ции о сигналах используются либо детерминированные, либо стохастические мо-

дели. Первые модели сигналов выражаются аналитическим описанием непосред-

ственно самого изучаемого колебания (или функции), а вторые - описываются те-

ми или иными вероятностными характеристиками и используются при анализе

случайных процессов. По своей природе физические процессы носят статистиче-

ский характер, обусловленный множеством как учитываемых, так и неучитывае-

мых факторов, в частности действием помех. Кроме того, результаты измерений

сопровождаются неустранимыми искажениями. Поэтому, чем лучше учитываются

эти факторы, тем выше степень адекватности модели реальному сигналу.

Отличительная особенность таких моделей сигналов состоит в том, что по

их параметрам можно однозначно восстановить сигнал с заданной точностью по

выбранному критерию. Обычно в качестве детерминированных моделей исполь-

зуются следующие элементарные колебания:

-импульс, функция включения (ска-

чок)

(t)=1(t), треугольный импульс, гармонические функции sin(

t), cos(

t), от-

резок гармонической функции, экспоненциальная функция exp(

t), комплексно-

экспоненциальная функция exp(j

t), функция sin(

t)/

t и другие. Детерминиро-

ванные модели сигналов более сложного вида могут быть сформированы из эле-

ментарных путем линейных комбинаций.

В зависимости от формы представления детерминированных сигналов - не-

прерывной или дискретной - используются те или иные информационные пара-

метры. Так, для непрерывного детерминированного сигнала в виде постоянного

тока, ими будут: величина, полярность, моменты включения и выключения; для

гармонического колебания - амплитуда, частота и начальная фаза. Дискретный

сигнал, например из последовательности прямоугольных импульсов, можно опи-

сать временным положением, амплитудой, полярностью и длительностью каждого

импульса (рис.3.1)

Рис.3.1

Одна из важных характеристик случайного процесса - это его частотная

полоса. По этому признаку случайные процессы можно условно разделить на уз-

кополосные и широкополосные. Пример узкополосного случайного процесса при-

веден на рис. 3.2.

Рис.3.2

Рис.3.3

Полагая реализацию случайного процесса как колебания, близкие к моно-

хроматическим, с медленно изменяющимися амплитудой и фазой, характер по-

добного процесса можно описать математической моделью

x(t) =

(t) cos[

t +

(t)],

где амплитуда

(t) и фаза

(t) - случайные функции времени. В противополож-

ность этому, для широкополосных случайных процессов нельзя указать простую

аналитическую запись. Поэтому при их описании обычно используется спек-

тральное представление (рис.3.3).

В радиотехнике и связи широко используются сигналы с модуляцией раз-

личного типа: амплитудной (АМ), частотной (ЧМ), фазовой (ФМ). Их вид показан

на рис. 3.4.

(

)

Δω

(

)

ЧМ

ФМ

Рис.3.4

Амплитудно-модулированный сигнал описывается выражением:

)cos()](1[)(

ttmtx ,

где m(t) - глубина модуляции;

- частота несущих колебаний. В спектральной

области это соответствует переносу спектра S(

) исходного процесса

(t) в облас-

ти частот

(рис.3.5), в которых техническое выполнение преобразова-

ний с сигналом становится более простым.

(

)

(

+ω

)

(

−ω

)

Рис. 3.5

В задачах кодирования и передачи информации, при построении систем

автоматического управления также находят применение частотно- и фазомодули-

рованные процессы, описываемые соответственно в виде:

xt t v d

() cos[ ( ) ]=+

∫

ξω θθ

; xt t t() cos[ ()]

Чаще всего сигналы рассматривают как функции, заданные в определенных

физических координатах. В этом смысле различают одномерные (например, зави-

сящие от времени), двумерные, заданные на плоскости (примером могут служить

различного рода изображения), трехмерные

(характеризующие, например, про-

странственные объекты) сигналы. Математически такие сигналы описываются со-

ответственно функциями одной, двух и трех переменных. Удобно применять и бо-

лее сложные модели - комплексные и векторные функции.

Реальные сигналы всегда являются функциями с ограниченным интервалом

определения, поскольку их наблюдение, регистрация и обработка не могут выпол-

няться бесконечно долго. Так, например, одномерный сигнал, являющийся функ-

цией времени t, с ограниченным интервалом определения можно записать в виде

x(t), t∈[t

min

, t

max

], где t

min

и t

max

- соответственно нижняя и верхняя границы интер-

вала определения.

Если t

min

и t

max

- величины одного знака, то интервал определения будет од-

носторонним, в противном случае интервал называется двусторонним. При t

min

= -

max

интервал называется симметричным. Наряду с ограниченными по области оп-

ределения сигналами в теории информационно-вычислительных систем рассмат-

риваются также сигналы, заданные на полубесконечном и бесконечном интерва-

лах определения.

Сигнал называется каузальным, если он имеет начало во времени. Все ре-

альные сигналы являются каузальными. При их описании удобно совмещать нача-

ло отсчета аргумента с началом сигнала и считать, что он равен нулю при значе-

ниях аргумента, меньших нуля. Сигнал называется периодическим, если любое

его значение повторяется через интервалы, равные периоду. Финитным называет-

ся сигнал, равный нулю вне некоторого ограниченного интервала его определе-

ния. Все реальные сигналы могут рассматриваться как финитные.

Непериодическим детерминированным сигналом называется любой детер-

минированный сигнал, для которого не выполняется условие:

x(t) = x(t + kT),

где период T является конечным отрезком, а k - любое целое число.

Как правило, непериодический сигнал ограничен во времени. Примерами

таких сигналов могут служить импульсы, пачки импульсов, «обрывки» гармони-

ческих колебаний и т.д.

Квазидетерминированный сигнал - это сигнал, закон изменения которого

известен, но один или несколько параметров этого закона являются случайными

величинами или процессами.

В зависимости от формы представления сигналы могут быть непрерывны-

ми, квантованными по уровню, дискретными и цифровыми (см. табл.3.1)

Таблица 3.1

Формы представления сигнала

Множество значений

времени {t} сигнала {x}

Наименование Изображение

Непрерывное Непрерывное Непрерывный (анало-

говый, континуаль-

ный)

Непрерывное Дискретное Квантованный по

уровню (ступенчатая

функция)

Дискретное Непрерывное Дискретный (решет-

чатая функция, после-

довательность веще-

ственных чисел)

Дискретное Дискретное Цифровой (последо-

вательность целых

чисел

По характеру протекания во времени сигналы разделяются на два вида:

 постоянные во времени;

 переменные во времени.

Переменные во времени - это сигналы, значение которых изменяется во

времени.

Сигнал называется случайным, если его значение в каждый момент време-

ни есть случайная величина.