Системное и программное обеспечение

Введение.

Основные понятия, термины, определения.

Програмирование:

1. В широком смысле слова,– процесс составления плана действий (или программ).

2. В узком смысле – раздел прикладной математики, изучающий способы и методы реализации алгоритма решения конкретной задачи, составление программы, ее отладку и эксплуатацию.

Любая АСУ содержит два основных компонента:

1. Функциональная часть, реализация задачи, стоящей перед системой. Например управление предприятием: бухучет, кадры, склад и т.д. Это функциональная часть АСУП предприятия.

2. Виды обеспечения:

а) техническое

б) математическое

в) программное

г) информационное

д) организационно–методическое

е) правовое

ж) метрологическое

Жизненный цикл программного продукта:

1. Бумажное программирование (начинается с изучения предмета реализации, заканчивается –

алгоритмом).

2. Программная реализация.

3. Эксплуатация программного продукта.

Укрупненная технология разработки программных продуктов.

Этапы и стадии:

1. Первоначальное изучение конкретной предметной области с помощью научно–техническоц литературы, а также с использованием технической эксплуатационной и нормативно–технической документации. Включает: ТОСТы, ОСТы, РТМы, Рмы.

2. Обследование объекта автоматизации (управления). Включает: исследование объекта автоматизации и анализ полученных данных. Исследование объекта автоматизации проводится как правило с помощью специально разработанных методик обследования, которые содержат специально разработанные формы с последующим их дополнением и рекомендациями по анализу полученных данных.

Код.	Наименование прибора.	Обозначение или маркер прибора.	Паспортные данные.	Характеристики.	Дополнительная информация.

Второй этап предполагает сбор данных методом интервью у заказчика. Второй этап заканчивается подготовкой технического задания (технические условия, предложения, отчет).

3. Содержательная и формализованная постановка задач.

4. Разработка алгоритма решения задач. Входит: выбор, анализ, обоснование средств программирования. После выбора средств программирования составляется блок–схема алгоритма решения задач и дается соответствующее ее описание.

5. Собственное программирование.

6. Отладка тестирования и корректировка программного продукта.

7. По результатам опытной эксплуатации осуществляется корректировка программного продукта.

8. Сдача программного продукта в опытную эксплуатацию.

9. Программная эксплуатация разработанного программного обеспечения.

10. Создается новая версия или модернизация программного продукта.

Способы преобразования информации при работе ЭВМ с внешними устройствами.

Исходными данными в ниже рассматриваемых способах преобразования является точностные характеристики используемых параметров.

Если Р произвольный параметр процесса, объекта, системы и т.д., то его основной точностной характеристикой является дисперсия погрешностей: Р®.

1. Определение шага или интервала дискритизации.

Для обработки выборки N необходимо определить шаг дискретизации:

DT– может быть равномерным и неравномерным.

Существуют разработанные алгоритмы и программы определяющие DT. Программы входят в состав стандартной библиотеки программ.

2. Отбраковка ложных промахов (выбросов).

Если значение Р не попадает в , то оно отбраковывается и точность получается выше.

3. Сжатие информации.

Два случая когда нужно сжать информацию:

а) недостаточный объем памяти;

б) не требуется высокая точность.

Различают необратимое сжатие (НС) и квазиобратимое сжатие (КС)

НС:

Сжатие–выборка:

При НС совокупность значений Р₁—Р_n заменяется на1 значение Р_ср, которое запоминается, а предыдущая совокупность Р₁—Р_n стирается.

КС (ложнообратимое):

При КС назначается значение разброса параметра

Р—DР. Проводится расчет Р_ср и запоминается два значения: Р_ср и DР. Предыдущая совокупность Р₁—Р_n стирается. Для получения выборки значения Р от 1 до N используются стандартные программы RND по тому или иному закону.

4. Аналитическая градуеровка устройства.

X– измеренное значение параметра устройства.

Y ® ЭВМ Y– записанное значение в память ЭВМ.

Известно устройство и принцип действия Ю функция .

X Y Неизвестно Х берем – обратная градуеровочная функция.

По этой функции строится градуеровочная таблица:

Y X Хранить эти таблицы на практике неудобно и громоздко Ю вместо таблицы –

. . полиномы n– степени. Эти полиномы реализованы в виде программ и на Паскале их

. . объем достигает 40–60 строк.

. .

5. Интерполяция и экстраполяция.

Интерполяция используется для нахождения промежуточного (прошлого) значения параметра Р.

Различают: прямую, ступенчатую, параболическую, квадратичную интерполяцию.

Экстраполяция используется для нахождения будущих (последующих) значений.

Р_max – аварийное значение.

Способы итерполяции и экстраполяции оформлены в виде программы, которая хранится в стандартной библиотеке.

6. Цифровая фильтрация.

Существуют программы, реализующие цифровые фильтры 0,1,2–го порядка, а также цифровые фильтры Калмана и Калмана–Бьюри.

Способы управления ЭВМ при работе с внешними устройствами.

1. Управление по отклонениям.

ЭВМ Задача состоит в поддержании на ОУ некоторого параметра у заданного:

ОУ – аварийное значение.

; i– дискретное время

Проблема: Dх– может быть const или @.

На практике:

а) либо Dх определяется или рассчитывается исходя из описания объекта управления устройств связи с ОУ и условий его работы;

б) либо проводится предварительное моделирование работы объекта и по результатам этого моделирования определяется работа х.

2. Пропорциональное управление.

; ;

Данный способ является более грубым по сравнению с предыдущим.

На практике (когда объект не меняем):

3. Стохостическая аппроксимация.

; ; ;

Данный способ является более тонким по сравнению со вторым способом. Эти способы позволяют организовать сам процесс управления.

Элементы математического моделирования.

Различают следующие классы моделей:

1. Линейный и нелинейный.

2. Статический и динамический.

3. Непрерывный и дискретный.

4. Детерминированный (заранее определенный) и стохастический.

Различные способы модели.

Для автоматизации технических процессов функционирования объектов моделирования работы вычислительных систем как правило используется линейная стохостическая модель которая описывается системой 2-х векторных конечноразностных уравнений следующего вида:

, (1) уравнение динамики

, (2) уравнение наблюдения (измерения)

i– дискретное время

– это вектор–столбцы параметров процесса объекта системы (Соответственно моменты времени i и i+1 размерностью [1*n]);

A_{i ,i+1} – Известная квадратная матрица перехода процесса объекта системы из состояния в момент времени i в состояние момента времени i+1 размерностью [n*n];

– Векторный столбец возмущающих воздействий (помех) в момент времени i+1, размерностью [1*n];

– Вектор столбец в параметрах наблюдения или измерения в момент времени i+1, размерностью [1*m];

B_i+1 – Известная матрица наблюдения или измерения в момент времени i+1, размерностью [m*n];

– Вектор столбец возмущающих воздействий наблюдения измерения в момент времени i+1, размерностью [1*m];

mЈn;

В этой системе уравнений неизвестной являются его компоненты вектора столбца . Остальные предполагаются либо известными, либо определяются каким-то образом. На практике nЈ10 в противном случае вычисления громоздки.

Пример: Измеряется плавно меняющийся параметр, которым нужно управлять (с заданной погрешностью).

, · – коэффициент

В данной системе учитываются только аддитивные ошибки.

Для учета, наряду с учетом аддитивных ошибок и мультипликативных ошибок система принимает вид:

– известная квадратная матрица учета мультипликативных ошибок размерностью [m*n];

– известная матрица учета мультипликативных ошибок при наблюдении или измерении размерностью [m*n].

Рассмотрена система уравнений представленных цифровым фильтром Калмана с помощью которого могут быть определены текущие параметры, а также предшествующие и последующие.

Пример: Фрагмент программного обеспечения в сложной АСУ:

АСУ=ОУ+ЦСУ

а) Объект управления включает в себя: колесные средства передвижения и испытательный стенд для имитации натурных экспериментов.

б) Комплекс технических средств: сложное АСУ имеющий иерархию.

М–мышь;

Вт–видетерминал;

СК–сканер;

Кл–клавиатура;

ГП–графопостроитель;

П–принтер;

ПС–подсистемный сбор;

ПУ–пультовое управление оператора.

На 1-м уровне производится сбор, регистрация, преобразование информации, реализация управляющих воздействий.

На 2-м уровне производится оперативная обработка информации с 1-го уровня.

На 3-м уровне производится планирование экспериментов, обработка статистики за длительный период и ее анализ, расчет обработанных характеристик.

3. Взаимосвязь основных прикладных программ (программных модулей) под системой управления АСУ:

Модули:

1. Управляющая программа (программа–монитор).

2. Программа управления параметрами процесса.

3. Программа межмашинной связи (286 на 1-м уровне, 386 на 2-м уровне) и подсистема управления.

4. Модули межмашинной связи (286 процессора подсистема управления и 286 процессора подсистема сбора информации).

5. Программа сбора и регистрации измерительной информации в подсистеме управления (286 процессор подсистема управления)

6. Программа обработки измерительной информации в подсистеме управления (286 процессор подсистемы управления).

7. Программа начального диалога (программа, предназначена для ведения начального диалога пользователем с ПЭВМ 2-го уровня 386).

8. Программа визуализации процесса (ПЭВМ 2-го уровня 386).

9. Программа протоколирования результатов эксперимента (ПЭВМ 2-го уровня 386).

10. Программа сбора и регистрации измерительной информации в подсистеме сбора информации (286 процессор подсистемы сбора информации).

11. Программа аварийного останова (286 процессор подсистемы управления).

12. Программа перевода системы в режим ожидания (286 процессор системы управления).

13. Программы выхода из режима ожидания (286 процессор подсистемы управления).

Эти программы предназначены для ввода, хранения и выдачи необходимой информации оператору с использованием базы данных. Содержит 2 вида исходных данных:

а) постоянно меняющиеся данные (от сеанса к сеансу). К ним относятся дата и время проведения эксперимента; фамилия, имя, отчество оператора; его должность; техническое задание на эксперимент; технические условия; дополнительные условия.

б) постоянные (редко меняющиеся) данные: справочная информация (ГОСТы, ОСТы, нормативы); справочные таблицы; различные расчеты (формулы). Этой справочной информации соответствует справочный раздел базы данных (справка или help–помощь).

Рекомендуемые данные: метрологические характеристики приборов и устройств; постоянные сведения на эти приборы.

Потом запускаем систему Ю

8. Программа визуализации процесса.

Эти программы необходимы для вывода на экран важнейших параметров экспериментального процесса с возможностью просмотра других групп параметров.

9. Программа протоколирования результатов для выдачи на принтер результатов эксперимента.

Два варианта протоколирования:

а) прямой вывод информации (всех результатов) при отказе или аварии;

б) оговоренный заранее заказчиком, вывод определенного блока результата эксперимента.

5,10. Программа сбора и регистрации измерительной информации.

Предназначена для сбора информации с объекта управления и проверки параметров процесса на предупредительный и аварийный уровень. В данном примере информация регистрировалась в 2-х буферах, работающих поочередно. После наполнения 1-го буфера, информация переходит во 2-й буфер.

6. Программа обработки измерительной информации в подсистеме управления.

Были реализованы на основе основных способах преобразования информации при работе ЭВМ с внешними устройствами.

11. Программа аварийного останова.

Назначение: в случае превышения аварийного уровня параметров выдать команду на клапан, прерывающий подачу топлива. Она реализована на 2-х языках внешний блок– Турбо-Паскаль, внутренний блок – на Ассемблере (для быстроты).

12. Программа перевода системы в режим ожидания.

Необходима в случае превышения предупредительного уровня параметров. На экран оператору выдается соответствующее сообщение. Испытывают 13 модуль и система снова начинает работать. 3,4. Программа межмашинных связей .

Написана только на Ассемблере.

2. Программа управления параметрами процесса.

Представляет собой внешнюю оболочку всех остальных программ.

Пример способов преобразовании информации и управления при работе с внешними устройствами.

В качестве АСУ рассмотрим АСУ ТП цеха термообработки деталей.

1. Объект управления (ОУ)– термическая печь закалки деталей:

Внутри печи надо создать температурное поле, которое обеспечило бы закалку деталей. Контроль за полем осуществляется в 100 точках с помощью датчиков одного класса и типа:

2. Комплекс технических средств (КТС).

К нему относятся:

а) датчики (Д)(ПП– первичный преобразователь).

б) устройство связи с объектом – система интерфейса (УСО–Ш)

в) вычислительная машина (комплекс ВК),(ППЭВМ типа IBM PC)

г) кабели (КС)

д) исполнительные механизмы (ИМ), нагревательные элементы (НЭ)

е) пульт управления (ПУ)

Типовой состав пульта управления: рабочее место оператора, приборы (измерительные), мнемосхема – отражения процесса (например лампочки), органы управления (тумблера, рычаги), средства связи.

Структурная схема КТС:

Отражает одноуровневою структуру АСУ.

Стандартный набор УСО:

а) устройство преобразования информации – усилители, нормализаторы;

б) устройство выдачи информации;

в) устройство управления – контроллер;

г) интерфейс;

д) блок питания.

Рассмотрим один из измерительных каналов АСУ ТП:

Д– первичный преобразователь.

У– усилитель.

Н– нормализатор.

Способы управления:

а) определение шага дискретизации;

б) отбраковка ложных промахов;

в) цифровая фильтрация;

г) интер–экстрополяция.