Многоуровневые системы автоматизации. Интегрированные системы и их программное обеспечение

Лекция 1.

Введение

В настоящее время для управления технологическими процессами (ТП) и оборудованием используются многоуровневые системы автоматизации (СА), которые включают в себя:

– низовую автоматику (датчики, преобразователи, регуляторы, исполнительные механизмы);

– микропроцессорные контроллеры, средства коммуникации;

– средства оперативного диспетчерского управления в АСУ ТП;
 – АСУ предприятием (АСУП).

Для проектирования систем автоматизации, их  аппаратного и программного обеспечения используются различные средства  – системы автоматизированного проектирования (САПР):

– Computer Aided Design - CAD,

– Computer Aided Engineering - CAE,

– Computer Aided Software Engineering - CASE.

Объединение функций проектирования и управления привело к созданию особых – интегрированных систем – ИСПУ.

Некоторые из них предназначены для выполнения специфических задач автоматизации заводских лабораторий и управления лабораторной информацией – LIMS (от англ. Laboratory Information Management Systems).

 Кроме того, интегрированные системы используются и для проектирования отдельных систем управления (СУ).

Изучению всех этих интегрированных систем, их ПО и посвящен данный курс.

ПО САПР СУ

При проектировании СУ обычно решаются четыре основных задачи:

а) схемотехническое моделирование электронных устройств, включая составление схем, расчет электрических и тепловых режимов, построение ПП, АЧХ, ФЧХ;

б) расчет САР и САУ с помощью классической и современной ТАУ;

в) разработка АСУ ТП;

г) составление технической документации и чертежей.

Для схемотехнического моделирования наиболее широко используются следующие программные продукты: P-CAD 10, Micro-CAP 7- 9, ElectronicsWorkbench 8.

В них есть библиотеки различных аналоговых и цифровых компонентов.

Возможны разнообразные методы анализа:

–  спектральный или Фурье-анализ,

–  стохастический в условиях шумов или Монте-Карло на постоянном токе (Direct Current – d.c. ), переменном токе (Alternating Current – a.c.), построение ПП, АЧХ, ФЧХ.

Для расчета СУ существует много ПП. Часть из них (IPC-CAD) ориентирована на расчет одно- и двухконтурных аналоговых САР;   другие – на более сложные задачи – оптимальное и адаптивное управление, с использованием пространства состояний, стохастические СУ. Это – Mathcad 13 , VisSim 6, MATLAB 7.

Mathcad 2001, 12, 13

Это интегрированная система инженерных и научных расчетов  в среде  ОС Windows 98/2000/ХР с ²живыми²  формулами и графиками. В ней используются разнообразные численные методы и символьные вычисления.

Для  Mathcad разработаны электронные книги с сотнями стандартных формул, постоянных, графиков по различным предметам, включая и ТАУ, электротехнику.

MATLAB 7

MATLAB – интегрированная система и язык высокого уровня для научно-технических вычислений. Она объединяет в себе численные расчеты, визуализацию и программирование. Области применения:

•    Математические расчеты.

•    Разработка алгоритмов.

•    Моделирование.

•    Анализ данных и визуализация.

•    Научная и инженерная графика.

•    Разработка приложений, включая GUI.

Toolboxes – это дополнительные специализированные пакеты MATLAB, которые являются плодом усилий многих ученых, работающих в области систем управления, обработки сигналов, идентификации систем и др.

В их числе:

•  Communications,

•  Control System,

•  Frequency Domain System Identification,

•  Fuzzy Logic,

•  Image Processing,

•  LMI Control,

•  Model Predictive Control,

•  Neural Network,

•  Optimization,

•  QFT Control Design,

•  Robust Control,

•  Signal Processing,

•  Splines,

•  Statistics,

•  Symbolic/Extended Symbolic Math,

•  System Identification,

•  Wavelet и др.

Control System Toolbox  или пакет Control System – это коллекция алгоритмов MATLAB для моделирования, анализа и проектирования САУ. Функции пакета включают традиционные методы передаточных функций и современные методы пространства состояний.

С помощью этого пакета можно моделировать и анализировать непрерывные и дискретные системы, системы с запаздыванием. Частотный и временной отклик, диаграммы расположения нулей/полюсов могут быть быстро вычислены и отображены на экране.

SIMULINK - это интерактивная среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем. Она предоставляет пользователю графический интерфейс для конструирования моделей из стандартных блоков при помощи технологии "drag-and-drop".

Основные средства для моделирования и анализа:

• Обширная библиотека блоков для создания линейных и нелинейных, дискретных и непрерывных, гибридных, SISO и MIMO моделей.

•  Иерархическая структура моделей с неограниченной вложенностью.

•  Скалярные и векторные связи.

•  Средство для создания пользовательских блоков и библиотек.

•  Интерактивное моделирование с "живым" отображением на экране.

•  Семь методов интегрирования с фиксированным и переменным шагом.

•  Линеаризация.

•  Моделирование Монте-Карло.

Для создания чертежей и конструкторской документации СУ используют ПП САПР - AutoCAD 2007, Visio Technical 2005.

Второй ПП проще в пользовании - из набора библиотечных элементов создаются схемы, конструкции.

Есть импорт графики из AutoCAD.