ное обеспечение, которое по-прежнему базируется на архитектуре фон Неймана, а увеличение его вычислительной мощности происходит за счет совершенствования технологии изготовления и миниатюризации. Поэтому при подготовке этого издания мы не стали вносить изменения, связанные с техническими характеристиками упоминаемых в ней устройств и средств ВТ, тем более что смена моделей ПК происходит каждые полгода, а внедряемые в этой области технические решения уже давно применяются в мире мэйнфреймов и миниЭВМ.

Пожалуй, одна из самых главных и самых важных мыслей, к которой авторы возвращаются на протяжении всей книги, состоит в том, что сама по себе ВТ не решает задачи и что выбираемые средства должны быть адекватны поставленной цели. Более того, постоянно подчеркивается, что без надлежащего структурирования задачи, тщательного планирования и выбора компонентов автоматизация может не только не улучшить управление, а наоборот, значительно осложнить его. Собственно, вся книга в целом посвящена методологии структурирования задач управления, а также применению принципов последовательности и системности при разработке и внедрении цифрового управления.

В отличие от большинства специальных книг, которые, как правило, посвящены только техническим вопросам, в настоящем издании значительное внимание уде;:-но экономическим и психологическим факторам. В этом смысле очень важными представляются главы о человеко-машинном интерфейсе (глава 11) и системной интеграции (глава 12), особенно с учетом того, что, несмотря на шумные рекламные кампании, проводимые поставщиками программного обеспечения и системными интеграторами, и то и другое, мягко говоря, оставляют желать лучшего.

Подход к обсуждаемым темам сам по себе - прекрасная практическая иллюстрация применения основных принципов построения управляющих систем - структурирования, последовательности, простоты и наглядности.

Первое издание книги вышло в Великобритании (1992 год), второе - в Германии (1993 год). Настоящее издание - третье, при этом для первой публикации авторы выбрали Россию, доработав его с учетом российской специфики.

Наряду с базовыми сведениями, необходимыми начинающему читателю, книга содержит информацию о различных международных и национальных стандартах, а также приводит русскую и соответствующую ей английскую терминологию.

В книге имеются многочисленные примеры из богатого личного опыта авторов.

Книга может быть полезна студентам как прекрасное введение в предмет, преподавателям вузов как проверенное временем и практикой методическое пособие, а практикующим специалистам для систематизации имеющихся знании и опыта.

Авторы участвуют в реализации нескольких крупных проектов в России и поэтому достаточно хорошо представляют существующие технические и образовательные потребности.

Г. К. Будилин Санкт-Петербург, декабрь 2000 г

Введение

Великий Будда пребывает с одинаковым удобством как в микросхемах компьютера или шестеренках мотоцикла, так и на вершинах гор или же лепестках цветка. Мыслить иначе значит, умалять величие Будды, т. е. унижать себя.

Роберт М. Пирсиг

Дзен-буддизм и искусство обслуживания мотоциклов

1.1. Роль вычислительной техники в управлении процессами

Применение вычислительной техники (ВТ) в автоматическом управлении - важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Промышленность, транспорт, системы связи и защита окружающей среды существенно зависят от компьютерных систем управления. Практически ни одна техническая система - -от железной дороги до ядерного реактора - не работает без той или иной формы управления. Цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ) - компьютеры - играют здесь ключевую роль; во многих случаях не существует реальной альтернативы компьютерному управлению процессами.

Для описания особой роли компьютеров в управлении процессами необходимо определить, что, собственно, подразумевается под термином "процесс". Физический процесс - это последовательная смена состояний объектов физического мира. Процессами в этом смысле, следовательно, являются движение, химические реакции или теплообмен. Примеры процессов - промышленное или химическое производство, кондиционирование воздуха в помещении (изменение физических параметров -температуры и влажности), движение транспортного средства, которое есть суть управляемое изменение его скорости и положения. Обработка информации сама по себе не привносит видимых изменений в физический мир и, таким образом, не может быть отнесена к физическим процессам.

Немецкий технический стандарт DIN 66201 дает точное определение физического процесса как "комбинации связанных событий в системе, в результате которых изменяются, перемещаются или запасаются материя, энергия и информация". Тех-ический процесс определен как "процесс, физические переменные которого можно змерить и изменить техническими средствами". Разница между физическим и техническим процессами заключена, следовательно, в том, что физический процесс не инА должен управляться извне, а технический процесс включает обработку

формации для достижения заданной целевой функции.

Соотве ™ процесс" означает последовательную смену состояний какого-либо объекта. Щипокп"""° исполнение компьютерной программы - это тоже процесс, и этот термин стей г """•ьзуется в программировании и операционных системах. Как правило, трудно ожны""""""" процесс имеется в виду, возникать не должно. Там, где воз-Процег будут использоваться термины "физический процесс" или "технический

нени "" указать на преобразование материи или энергии, и "задача" в смысле испол-я компьютерной программы.

Любой физический процесс характеризуется входом и выходом в виде:

- материальных компонентов, ~ энергии;

- информации.

Некоторые примеры приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Примеры входных и выходных потоков процесса

Глава 1. Ввдние р вычислительной техники в управлении процессами

В общем случае материальные компоненты (энергию и информацию) можно рассматривать как входные и выходные потоки, которые изменяются в ходе физических/технических процессов.

Материалы и энергия, очевидно, являются основными составляющими физического процесса. Информация - тоже неотъемлемая часть всякого процесса, однако осознание этого факта произошло не так давно.

Всегда существуют посторонние по отношению к цели процесса факторы, которыми нельзя управлять, но которые оказывают влияние на процесс. Эти факторы рассматриваются как возмущения, отклоняющие процесс от штатного рабочего режима (рис. 1.1). Возмущения сами по себе не являются физическими величинами, а проявляются в виде случайных флуктуации в потоках материалов, энергии и информации.

Процесс производства заключается в выпуске продукции из сырья с соответствующими затратами (вводом) энергии. Входной информацией являются технологические инструкции, выраженные в виде набора параметров, которые можно явно контролировать. Выходная информация есть набор измеряемых переменных и параметров, которые описывают текущее состояние процесса и его изменение. Большое количество информации заключено в самом конечном продукте. Информация, следовательно, есть

только данные для наблюдения и управления, но и технологические и организационные процедуры вплоть до циркулирующих по кабинетам служебных документов и заявок на поставку. Этот вид информации так же важен, как и любой другой элемент, обеспечивающий нормальный ход и оптимизацию производственного процесса.

внешняя среда

ввод сырья

ввод энергии

ввод

информации

вывод

информации

Рис. 1.1. Обобщенная модель физического/технического процесса

Вход и выход процесса в последующем изложении понимаются в очень широком смысле. Например, в случае транспортной системы не сразу может быть очевидно, что же является результатом (выходом). Действительно, транспортировка включает изменение географического положения (физического состояния), т. е. производится работа, а работа есть форма энергии. Следовательно, результатом процесса "перемещения" яв.пяется изменение физической переменной "энергия".

Информация - важнейший компонент управления физическими процессами, поскольку она позволяет лучше использовать два других слагаемых процесса - материю и энергию. Учитывая глобальнейшие проблемы, связанные с производственной деятельностью (истощение природных ресурсов, отходы и загрязнение окружающей среды), большой интерес представляет любое повышение эффективности процесса и снижение побочных эффектов. Обработка информации, улучшающая характеристики технического процесса, выгодна в любом случае.

ввод

информации

компьютер

вывод информации

Рис. 1.2. Обработка информации компыотеро\

змпьютеры, собственно, и предназначены для обработки информации (рис. 1.2), ом числе и относящейся к техническим/физическим процессам (рис. 1.3). В боль-нстве случаев компьютеры выполняют две основные функции: во-первых, конт-ируюх находятся ли параметры технического процесса в заданных пределах, и, Вторых, инициируют соответствующие управляющие воздействия, чтобы пара-Ры оставались в этих пределах даже при наличии внешних возмущений.

2 3а

к. 1021

Глава 1. Вве;ние

] 2 Исторический обзор

внешняя среда

возмущения

Рис. 1.3. Применение компьютера в управлении процессом

Управление техническим процессом существенно отличается от обычной обработки данных. В таких приложениях, как бухгалтерский учет или редактирование текста, и вход, и выход представляют собой данные в чистом виде, т. е. их можно хранить или передавать с помощью любого носителя информации. В этом случае время обработки зависит только от производительности компьютера, а результат будет всегда один и тот же.

Ситуация меняется в случае управляющих компьютеров. Здесь обработка данных зависит не от компьютера и его производительности, а, напротив, следует за событиями во внещнем мире, т. е. процессом. Компьютерная система управления должна достаточно быстро реагировать на внещние события и постоянно обрабатывать поток входных данных, чаще всего не имея возможности изменить их количество или скорость поступления. Одновременно может потребоваться и выполнение других операций, например обмен информацией с оператором, вывод данных на экран и реакция на определенные сигналы. Этот режим обработки данных оказался настолько важным, что получил специальное название - режим реального времени {real-time mode).

1.2. Исторический обзор

Первый пример практического применения управляющей ЭВМ отгюсится к 1959 году; он связан с работой нефтехимического завода компании "Texaco" в городе Порт-Артур, штат Техас. Компания "Texaco" выполнила эту пионерскую работу совместно с производителем ЭВМ - компанией Thomson Ramo Woolridge. Компьютер RW,300, построенный на электронных лампах, следил за расходом, температурой, давлением и концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчитывал необходимые управляющие воздействия на основе обработки входной информации и затем либо самостоятельно изменял опорные значения для аналоговых регуляторов, либо указывал оператору, какие управляющие воздействия нужно выполнить вручную. Эта ЭВМ пО сравнению с современнылш компьютерами имела очень скромные возможности: время

сложения составляло 1 мс, а умножения - около 20 мс. Кроме того, она имела очень невысокую надежность - среднее время между отказами (раздел 12.3.2) в лучшем случае составляло от нескольких часов до нескольких дней.

Вначале все факторы были против применения управляющих компьютеров. Чтобы оправдать стоимость системы управления в несколько миллионов долларов, капиталовложения в производство должны были быть по крайней мере на порядок больше. Это означало, что сам процесс должен был быть очень сложным, как, например, в случае химического завода. Другим ключевым фактором было - и остается - структурирование проблемы управления как необходимое предварительное условие внедрения компьютерного управления.

Экономическая эффективность была не единственной проблемой. Надежность аппаратной части ЭВМ была низкой из-за использования электронных ламп. Программы создавались в машинном коде и использовали скромный объем памяти до последнего бита. И все же эти новаторские усилия были поддержаны многими производителями компьютеров, которые увидели огромный потенциальный рынок для новых приложений.

Компьютерное управление - это область, в которой с самого начала существовало необычайно конструктивное взаимодействие между теорией и практикой. Как описано далее, компьютерное управление имеет свои специфические черты. Известные математические методы, базирующиеся на анализе непрерывных функций, напрямую не применимы для проектирования систем управления на базе цифровых компьютеров. Поэтому потребовалось создать специальную теорию дискретного управления. Счастливым совпадением стало развитие в 1960-е годы американской космической программы и особенно проекта "Аполлон", который послужил катализатором для теоретических и практических разработок в области компьютерного управления.

Важный шаг был сделан в 1962 году, когда английская компания ICI (Imperial Chemical Industries) представила концепцию прямого цифрового управления (раздел 12.4.3). Первоначально идея заключалась в замене нескольких аналоговых контуров управления центральным компьютером. Огромная и дорогостоящая панель управления с сотнями аналоговых регуляторов и самописцев заменялась несколькими терминалами. Компьютер численно моделировал аналоговые регуляторы способом, который мало отличался от сегодняшних решений.

Принцип прямого цифрового управления применяется во многих современных промышленных компьютерных системах. Причина его успеха в том, что задачи управления уже были описаны и структурированы для аналоговой техники. Поэтому для таких приложений риск был меньше, чем для инновационных разработок, где цели компьютерного управления не полностью осмыслены и не определены должным образом. Очевидный недостаток прямого цифрового управления - существенная зависимость надежности системы от центрального компьютера. Однако за дополнительную плату можно было установить второй компьютер, который 1962""" работоспособность системы в случае отказа первого. Выпущенный в лей управляющий компьютер Ferranti-Argus был гораздо совершеннее моде-

тел " ~ время сложения и умножения уменьшилось в десятки раз, а показа-

ь надежности возрос не менее чем на порядок.

тироГFerranti-Argus была куплена в 1969 году объединением "Электросила" и эксплуа-согт" испытательном стенде завода до 1989 года. Она до сих пор находится в рабочем -тоянии.