Шемелин В.К. (сост.). Проектирование автоматизированных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Лектор:

к.т.н., профессор кафедры «Компьютерные

системы управления» Шемелин В.К.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ ДИСЦИПЛИНЫ

«Проектирование автоматизированных систем»

2010 – 2011 учебный год

Введение.

1. Цели и задачи дисциплины.

Основной целью преподавания дисциплины «Проектирование автоматизированных

систем» является ознакомление студентов с основными современными принципами и

методами автоматизированного проектирования систем управления объектами в режиме

реального времени.

Задачи изучения дисциплины.

Для успешного изучения методов автоматизированного проектирования необходимо:

освоение студентами формальных методов автоматизированного проектирования

систем управления объектами машиностроения и других прикладных областей в

режиме реального времени с применением методов процедурного проектирования и

объектно-ориентированных средств;

привитие студентам практических навыков и умений проектирования систем

управления объектами в режиме реального времени в рамках существующих

международных стандартов.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины «Проектирование автоматизированных систем»

студент должен:

Знать: терминологию и основные понятия по процессам проектирования

автоматизированных систем, в том числе проектирования по технологии CALS, в

рамках жизненного цикла изделия;

-общие принципы, модели и методы по решению задач проектирования

автоматизированных систем, с применением как процедурного, так и объектно-

ориентированного способов разработки проекта, в контексте проектирования

процедур управления технологическими процессами и объектами в режиме

реального времени;

-знать аппаратное и программное обеспечение типовых современных систем

управления объектами на основе программируемых логических контроллеров

(ПЛК), языки программирования и инструментальные средства для процедур

проектирования;

Уметь: проектировать функции автоматизированных систем, на основе современных

стандартов и методик проектирования, с разработкой технического задания, на

примере систем управления объектами; использовать знания по моделированию

для формального описания функций проектируемой системы управления, с

использованием процедурного или объектно-ориентированного способов

разработки проекта, разработать прикладную программу управления как на

языках высокого, так и низкого уровня.

Владеть: навыками работы в рамках стандартных методик проектирования систем

управления, начиная с разработки технического задания, моделирования и далее, с

использованием инструментальных CASE- средств для проектирования

программных приложений c применением объектно-ориентированного подхода;

методами разработки программ управления объектом, спроектированными на

одном из специализированных языков ПЛК.

Раздел Р1. Лекция № 1.

Предмет проектирования автоматизированных систем. Основные понятия об

автоматизированном проектировании приложений в рамках технологии CALS.

Основные понятия и термины из области автоматизированного проектирования

приложений и систем управления объектами как одной из прикладных областей,

содержание и структура жизненного цикла изделия и место процесса проектирования

систем управления в контексте применения CALS- технологии.

Подраздел 1:

Основные термины и определения.

Подраздел 2

Общие понятия о процессе управления. Модель виртуальной корпорации С. Бира.

Классификация систем управления в режиме реального времени в контексте

функционалов объектов управления.

Рис.1.1 Схема классификации систем управления объектами.

Подраздел 3

Структура и содержание этапов жизненного цикла изделия в CALS—технологии.

CALS—технология (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) -система непрерывной

поддержки жизненного цикла изделия.

На рис. 1.2 изображена концептуальная структура CALS—технологии.

Рис. 1.2 Структура CALS—технологии.

Рекомендуемая литература:

1. Борковский А.Б. Англо-русский словарь по программированию и информатике (с

толкованиями) – М.: Рус. Яз., 1989. – 335 с.

2. Давид Марка, Клемент Мак Гоуэн Методология структурного анализа и

проектирования: Пер. с англ. - М.: 1993, 240 с., ил.

3. Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. Задание.

Проектирование. Реализация. М.: Изд-во «Энергия», 1977.

4. Левин А.И. Менеджмент или управление – в чем разница? Век качества, № 3, 2001.

5. Советов Б.Я., Яковлев Г.А. Моделирование систем: Учебник для Вузов по

специальности «Автоматизированные системы управления»: - М.: Высш. Школа,

1985. – 271 с., ил.

6. Суворов Е.В., Левин А.И., Давыдов А.Н., Барабанов В.В. Концепция развития CALS-

технологий в промышленности России. - М.: НИЦ CALS-технологий "Прикладная

логистика", 2002.

Р1. Лекция № 2.

Основные понятия о системах и процессах управления объектами, как основы

функционирования автоматизированных систем. Роль и функции режима

реального времени при управлении объектами.

Рассматриваются роль и функции режима реального времени при управлении

объектами, с точки зрения функционального, программного и аппаратного уровней

реализации. Дается понятие об операционной системе реального времени и механизмах

режима реального времени.

2.1 Понятие о режиме реального времени.

Задачи управления в режиме реального времени составляют одну из важных областей

применения вычислительной техники. Как правило, они связаны с контролем и

управлением процессами. Управление прокатными станами, роботами, движение на

автомагистралях, управление коммуникационными трафиками, контроль за состоянием

окружающей среды, управление атомными и космическими станциями и многое другое —

все это область задач реального времени. Эти задачи предъявляют такие требования к

аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная

способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на

внешние события и т.д.

Для выполнения этих требований создаются системы реального времени.

Термин «режим реального времени» в процессе управления отображает прежде всего

факт своевременного получения результата управляющих воздействий на объект.

Здесь «своевременность» означает, что управляющее воздействие по продолжительности

должно вырабатываться гораздо быстрее существующей паузы между двумя соседними

запросами на изменение состояний объекта. Для более углубленного понятия управления

объектом в режиме реального времени можно выделить три уровня представления этого

режима: Функциональный уровень, Программный (системный, прикладной) уровень и.

Аппаратный уровень.

1.2.2 Операционные системы реального времени

Задачи реального времени предъявляют определенные требования к вычислительно-

управляющим системам, в том числе к операционным системам (ОС), в которых

реализовано программное обеспечение реального времени (ОСРВ). Эти требования

изложены в стандарте POSIX 1003.4 рабочего комитета IEEE. Стандарт определяет ОС

как систему реального времени, если она обеспечивает требуемый уровень сервиса за

вполне определенное, ограниченное время (принцип предсказуемости).

При выборе аппаратного обеспечения систем реального времени предъявляются

жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Большинство

проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений

магистрально-модульных систем (ММС).

Литература:

Учебник / Учебное пособие

Раздел

Страницы

Шемелин В.К., Хазанова О.В. Управление

системами и процессами: Учебник для вузов. –

Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2007. – 320 с.

ISBN 978-5-94178-049-5/

1.2 Управление объектами в

режиме реального времени

16-25

Раздел Р2.

Особенности процесса уравления локальными и распределенными объектами.

Р2. Лекция № 3 и Лекция № 4

Управление локальными и распределенными системами объектов, уровни

обеспечения процесса управления и их функции.

Моделирование процессов управления локальными и распределенными объектами.

Представлена типовая модель процесса управления локальным объектом. Дается

характеристика информационным потокам процесса управления. Рассмотрена типовая

структура распределенной трехуровневой системы управления набором разных объектов

в контексте управления технологическим процессом и оборудованием в интегрированной

производственной системе.

На рис 3.1 представлена обобщенная модель процесса управления локальным

объектом.

Рис. 3.1 Обобщенная модель процесса управления локальным объектом.

Представленной на рис.3.1 модель процесса автоматизированного (компьютерного)

управления объектом, на основе взаимодействия семи основных информационных

потоков, обеспечивает инвариантный замкнутый процесс управления, который применим

практически для управления любым объектом.

Примечание:

1. Термин - Внешние возмущения определяет процессы, нарушающие заданный

режим управления.

2.Термин - Синхронизация –определяет средства и методы согласования и

упорядочения сигналов, как физических носителей информации, и привязка их к оси

времени, согласно определенным правилам (протоколу).

Пример сложного объекта управления.

В качестве примера рассмотрим станок с Ч.П.У. Станок типа PCNC (Personal

Computerized Numerical Control).

Станок с ЧПУ имеет следующие особенности в реализации процесса

формообразования:

1. Обеспечение заданного качества детали.

Качество деталей – это комплексный параметр, включающий в себя следующие

требования:

- обеспечение заданной в чертеже точности размеров детали с заданным

допуском;

-обеспечение заданного на чертеже качества поверхностного слоя (шероховатость);

-сопрягаемость при сборке – абсолютные показатели качества.

Целевой функцией качества является приведенное качество:

Q = ∑K/S → max

∑K – совокупность показателей качества.

S – приведенная стоимость процесса обработки.

2. Программный принцип режима формообразования.

Суть программного принципа работы системы управления станка с ЧПУ

заключается в том, чтобы обеспечить автоматическое управление процессом

формообразования детали с помощью управляющей программы (УП). УП должна

адекватно отображать технологический процесс обработки, т.е. реализовывать

последовательность технологических переходов и операций. При этом реализуется

функциональное взаимодействие и реализация пяти задач ЧПУ:

Геометрической задачи;

Технологической задачи;

логической задачи;

Терминальной задачи;

Диагностической задачи.

С этой целью УП построена таким образом, что каждому технологическому

переходу(элементарному действию) соответствует отдельная секция программы,

называемая кадром управляющей программы (КАДР УП). Каждый кадр построен по

стандартной форме (ГОСТ 20088-83) на основе синтаксиса языка ISO – 7 bit и имеет

следующий стандартный формат (см. рис. 3.2).

Геометрическая задача Технологи- Логическая

задача

ческая

задача

Рис. 3.2 Структура кадра управляющей программы в коде ISO – 7 bit.

Фактически два поля кадра УП содержащие функции X, Y, Z и I, J, K – реализуют

геометрическую задачу ЧПУ; поле F – реализует технологическую задачу, поле S, T и

поле M – логическую задачу.

На уровне функциональной модели процесс реализации кадра УП можно

представить в следующем виде.

УЧПУ

N27

ПГД

СПП

БСС

ЦАП

Интерполятор

ОЗУ

УВВ

УЭА

LFM08T05S800F0.4X2.7G0.1G90

УСР

ДП

M08

ФОЖ

вкл

∆X = Xзад - Xфакт → Ø

Xзад(X2.7)

M08 S800

Кадр

Режим при

УП

G01

X2.7

УП

S800

Xфакт

2.7

Схема обработки кадра УП (без обработки цикла смены инструмента)

Рассмотрим реализацию геометрической задачи ЧПУ.

№

кадра

Подготовите

льные

функции

Размерные

перемещения

инструмента

(ов) по осям

X, Y, Z

Параметры

интерполяц

ии

I, J, K

Технологи

ческие

параметры

Управление

электроавтома

тикой S, T

Вспомога-

тельные

функции

LF-

конец

кадра

или

технолог

ического

перехода

Основным содержанием этой задачи является точное(в пределах допусков)

воспроизведение геометрии детали заданной исходным чертежом детали. При этом

контур детали разбивается на отдельные отрезки, границы которых называются опорными

точками. Координаты опорных точек рассчитываются заранее. Но поскольку характер

движения инструмента между двумя опорными точками заранее неизвестен, то

необходимо применение строгого математического метода построения траектории

инструмента. Наиболее известным в математике является метод геометрической

аппроксимации отрезков линий.

***Аппроксимация - приближение кривой (не обязательно проходит точно через

данные точки, но удовлетворяет некоторому заданному свойству относительно этих

точек). В общем случае аппроксимация (от лат. Approximo) – это замена одних

математических объектов другими, более простыми, близкими к исходным.

В настоящее время для задач аппроксимации наиболее широко применяются кривые

Безье. Это связано с их удобством как для аналитического описания, так и для наглядного

геометрического построения (применительно к компьютерной графике это означает, что

пользователь может задавать форму кривой интерактивно, т.е. двигая опорные точки

курсором на экране ).

В частности, широко известный метод аппроксимации - метод de Casteljau основан на

разбиении отрезков, соединяющих исходные точки в отношении t (значение параметра), а

затем в рекурсивном повторении этого процесса для полученных отрезков.

Рис. 3.4. Кривая Безье с 3

опорными точками.

Обозначим опорные точки как

2,0i

, начало

кривой положим в точке

(t=0), а конец в точке

(t=1), для каждого

]1,0[t

найдем точку

P tt

)1(

P tt

)1(

PPP

tttt

210

)1(2)1(

)1(

таким образом, получим кривую второго

порядка.

Но поскольку нас интересует процесс построения траектории точно по опорным

точкам, то при реализации геометрической задачи ЧПУ используется метод интерполяции

траектории инструмента. Интерполяция- это процесс построения кривой, проходящей

через контрольные точки (частный случай аппроксимации). Известно несколько способов

интерполяции, наиболее известными из которых являются кусочно-линейная

интерполяции и интерполяция с применением метода кубических сплайнов.

2) Кусочно-линейная интерполяция

Рис. 3.5 Кусочно-линейная

интерполяция.

Интерполяция следующей кусочно-линейной

функцией:

1,0],,[

)(*)(*

)(

Nixxx

xxfxxf

iiii

Класс

3) Кубическая интерполяция Эрмита

Рис. 1.6 Кубическая

интерполяция Эрмита.

Пусть заданы следующие условия:

)(

mxf

fxf

1,0 Ni

тогда для каждого i будем искать искомую

функцию в виде

dxcxbxa ***

Подставив эту функцию в уравнения условий

получим линейную невырожденную систему из 4

уравнений с 4 неизвестными (a,b,c и d), т.е.

решение существует и единственно.

Класс

Проблемы:

1) Непонятно откуда брать значения производных.

2) Хотелось бы

, а не только

4) Сплайны

Сплайн - кусочный полином степени K с непрерывной производной степени K-1 в точках

соединения сегментов.

Далее нас будут интересовать кубические сплайны.

Понятие сплайна пришло из машиностроения, где сплайном называли гибкую линейку,

закрепив которую в нужных местах, добивались плавной кривой, которую затем чертили

по этой линейке (см. Рис. ) Форма такой линейки, если ее рассматривать как функцию

y(x), будет удовлетворять уравнению Эйлера-Бернулли:

)(

)(''

,где M(x) - момент

изгиба вдоль рейки, E - модуль Юнга. зависящий от свойств материала рейки, I - момент

инерции, определяемый формой кривой. Если мы фиксируем некоторые точки

подпорками, то момент изгиба на каждом отрезке

1,0],,[

Nixx

меняется по

линейному закону: M(x) = A*x + B , подставляя в исходное уравнение получаем:

B x *A

)(''

, дважды интегрируя получаем уравнение кривой на данном