Для комплексной автоматизации производственных процессов нужно создание самонастраивающихся совокупностей автоматического управления, талантливых оптимизировать рабочие процессы.
Главные задачи самонастраивающихся совокупностей управления: а) оптимизация режимов обработки на станках при изменяющихся условиях протекания технологического процесса; б) оптимизация маршрутов обработки при многономенклатурной обработке методом управления совокупностями рабочих автомобилей, транспортирующими устройствами, межоперационными заделами; в) оптимизация производственных процессов методом выбора режимов обработки, последовательности запуска изделий, маршрутов обработки и т. д.
Правила самонастройки стали широко распространены в металлорежущих станках с программным управлением и внед-
ряются в совокупностях управления деревообрабатывающими станками с числовым управлением.
Самонастраивающиеся совокупности делятся на поисковые (экстремальные) и беспоисковые (аналитические).
Совокупности экстремального управления реализовывают непроизвольный поиск оптимального управляющего действия, которое снабжает экстремум показателя качества процесса, воображающего функцию переменных состояния совокупности. направление и Значение отклонений от экстремума предварительно не изменяются и должны быть установлены в ходе работы совокупности. Совокупности экстремального управления делают две функции: слежение и поиск экстремума за ним.
В беспоисковых (аналитических) самонастраивающихся совокупностях (СНС) определение значений параметров управляющего устройства и выбор его структуры происходят на базе аналитического определения условий, снабжающих заданное уровень качества управления без применения особых поисковых сигналов.
реализации критерия и Процессы определения I0 в беспоисковых СНС являются отысканием модели эталона, по которой настраивается настоящая совокупность.
При построении адаптивной совокупности управления приводом подачи станка применяют принцип зависимости подачи от мощности резания, которая изменяется стохастически в достаточно больших пределах. самая простой, снабжающей оптимальные режимы резания, есть самонастраивающаяся совокупность с эталонной моделью.
Разглядим синтез СНС с параметрической настройкой и эталонной моделью посредством функций Ляпунова на примере совокупности второго порядка, являющейся упрощенный вариант управления приводом подачи в функции мощности резания.
Предположим, что главная совокупность управления мощностью резания на четырехстороннем строгальном станке и эталонная модель описываются уравнениями
где k — переменный во времени коэффициент объекта; kc — перестраиваемый коэффициент усиления совокупности; kM — коэффициент усиления модели; х — входной сигнал; ai = bi — модели и параметры объекта. Нужно отыскать метод настройки коэффициента усиления kc из условия устойчивости процессов в совокупности. Вычитая из (96) (97) и введя обозначение
составим уравнение неточности
либо
где = kM— kckK
Выберем функцию Ляпунова в виде квадратичной положительно-определенной формы фазовых разности и координат коэффициентов усиления:
V = 2 + bо 2 + 2,
Рис. 127. Самонастраивающаяся совокупность:
а — структурная схема; б — управление вертикально-фрезерным станком
где — хорошая постоянная. Полная производная по времени имеет форму 
Выразим из (98) вторую производную неточности и подставим ее в (99):
Из взятого выражения направляться, что обеспечение неположительности производной функции Ляпунова, т. е. устойчивость процесса настройки, достигается при исполнении условия
Из последнего неравенства направляться, что 2 k =2 иначе, из (100) в предположении квазистационарного трансформации коэффициента k возможно взять = — х/ . Тогда метод настройки kc х/k .
Структурная схема СНС в соответствии с методом настройки продемонстрирована на рис. 127, а. Так, применяя аналитические способы синтеза для конкретных целей возможно спроектировать самонастраивающуюся совокупность.
Самонастраивающаяся (адаптивная) совокупность управления вертикально-фрезерным станком АДФ (разработка ЭНИИМС) с цифровым программным управлением представлена на рис. 127, б. Устройство адаптивного управления складывается из блока измерения параметров силы резания Fx и Fy и их записи, блока коррекции координатных перемещений х и у, блока оптимизации режимов резания. В блоке коррекции сигналы, пропорциональные составляющим деформации фрезы, по координатным осям х и у преобразуются в соответствующее число импульсов NX и Ny и суммируются с числом импульсов исходной программы. Результирующий сигнал поступает на обработку в схему управления приводом подач. Однопараметрическая самонастройка (беспоисковая) по режимам резания осуществляется методом аналитического задания зависимости подачи S от результирующей силы резания Fo.
Адаптивная совокупность стабилизации мощности резания складывается из совокупности ЧПУ, которая включает в себя совокупность автоматического регулирования (САР) мощности резания (рис. 128, а), САР складывается из выпрямителя VD1, магнитного усилителя МУ, двигателя лентопротяжного механизма М, датчика мощности Dн, складывающегося из трансформаторов тока Т1 и напряжения Т2.
Сигнал датчика мощности уравновешивается на холостом ходу током смещения в обмотке 2 посредством резистора R3. Наряду с этим скорость протягивания магнитной ленты велика.
Нелинейный элемент R6 воспроизводит функциональную связь сигнала между подачи и датчика Рz = f (s). Сигнал с нелинейного элемента R6 подается на обмотку управления 3, и в соответствии с трансформацией мощности резания Рz изменяется напряжение на якоре двигателя лентопротяжного механизма, приводя к изменению частоты вращения, а следовательно, и изменение подачи. На магнитной ленте программа задается плотностью записи управляющих импульсов. Изменение скорости протягивания ленты приводит к изменению плотности управляющих импульсов, а следовательно, и скорости подачи. На рис. 128, б дана структурная схема адаптивной совокупности, где ЭК—электронный коммутатор, ШД — шаговый двигатель, ПД — привод подачи, Dшп— двигатель шпинделя. Стрелки показывают направление перемещения сигнала.
§ 62. ПРОЦЕССОРЫ И МИКРОЭВМ В СОВОКУПНОСТЯХ УПРАВЛЕНИЯ
Процессор—¦ это устройство, выполненное в ьиде одной либо нескольких громадных интегральных схем (БИС). Процессор представляет собой полупроводниковый прибор, складывающийся из одной либо нескольких программно-управляемых БИС и делающий функции автоматической обработки цифровой информации. Миниатюрные размеры, малый масса, малое потребление энергии, надёжность и экономичность в работе обусловили возможность введения процессоров в электронные схемы измерительных устройств, других устройств и средств управления.
В зависимости от функциональных возможностей процессоры делятся на универсальные и специальные.
Универсальным процессорам свойственны все особенности центрального процессора. Они являются основой микроЭВМ
Рис. 128. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы адаптивной совокупности стабилизации мощности резания
и употребляются для ответа широкого круга задач в совокупностях управления, измерительных устройствах и т. д.
Специальные процессоры вычислены на узкое использование, ответ конкретной задачи и оптимизированы по определенному параметру.
Совокупность намерено созданных микропроцессорных и интегральных схем, каковые совместимы по своим конструктивно-технологическим данным и смогут быть собраны в единое целое, образуют микропроцессорный набор.
МикроЭВМ представляет собой конструктивно законченное вычислительное устройство, выстроенное на базе микропроцессорного набора БИС либо модулей, имеющее собственный источник питания, пульт управления, узлы ввода-вывода информации, собственный ПО.
Свойства их смогут быть обрисованы главными чертями, определяющими выбор процессоров:
1) вид процессора (универсальный либо специальный, однокристальный либо многокристальный); 2) разработка изготовления: р-канальная МОП (р-МОП) n-канальная МОП, (n-МОП) и т. д.; 3) разрядность (4; 8; 16; 32)—протяженность информационного слова; 4) емкость адресуемой памяти; 5) принцип управления: программное управление с «твёрдой» логикой, микропрограммное управление (хранимая в памяти логика); 6) быстродействие. Длительность исполнения одной операции либо числа операций «регистр-регистр» в секунду; 7) потребляемая мощность; 
питающее напряжение (число уровней, номиналы); 9) конструктивные эти (габарит, число выводов); 10) условия эксплуатации (промежуток рабочих температур, относительная влажность воздуха и т. д.); 11) надежность, 12) цена.
Архитектура процессора определяет принцип внутренней организации, неспециализированную структуру конкретную логическую структуру отдельных устройств, совокупность команд и совокупность сотрудничества между аппаратной частью и программой обработки информации, выполненную на базе процессора.
Архитектура процессора имеет довольно много неспециализированного с архитектурами процессоров ЭВМ. Множество производимых индустрией универсальных процессоров возможно поделить по конструктивному показателю на однокристальные и многокристальные процессоры. Первые имеют фиксированную разрядность слова (длину) и определенную совокупность команд, вторые — наращиваемую микропрограммное управление и разрядность слова, разрешающее достигнуть гибкости в его применении, повысить производительность ЭВМ, делаемых на таких процессорах, и т. п.
Разглядим структуру однокристального восьмиразрядного процессора. В состав процессора (рис. 129) входит а р и ф -метическо-логическое устройство, управляющее уст-, ройство и блок внутренних регистров.
Это устройство (АЛУ) является ядром процессора и делает по командам пара несложных операций: сложение, вычитание, логическое сложение (Либо), логическое умножение (И), сложение по модулю 2. Регистром именуют электронную схему для временного хранения бинарной информации (машинного слова). Регистры, служащие для ввода, вывода и хранения инфор-
мации, именуют накопительными. Сдвигающие регистры дополнительно делают операцию сдвига бинарного числа влево, вправо либо в обоих направлениях.
Рис. 129. Структура однокристального восьмиразрядного процессора
Устройство управления (УУ) руководит работой АЛУ и внутренних регистров в ходе исполнения команды. В соответствии с коду операции оно формирует внутренние сигналы управления блоками процессора.
Блок внутренних регистров помогает внутренней памятью процессора для временного хранения данных и команд. В большинстве случаев данный блок содержит регистры неспециализированного назначения и особые регистры.
Регистры неспециализированного назначения (РОН), число которых может изменяться от 4 до 64, определяют вычислительные возможности процессора, они предназначены для хранения данных, подлежащих обработке. Все РОН дешёвы программисту, что разглядывает их как сверхоперативное запоминающее устройство.
Регистр-аккумулятор рекомендован для временного хранения данных, подлежащих обработке, либо промежуточного результата арифметических и логических операций, создаваемых АЛУ. Часто вывод и ввод информации в процессоре идет через аккумулятор.
Буферный регистр сдвига — особый регистр для хранения и приёма адресной части исполняемой команды. Буферный регистр данных рекомендован для временного хранения выбранного из памяти слова перед выдачей его на внешнюю шину данных.
Счетчик команд содержит адрес ячейки памяти, в которой помещены байты делаемой команды. Регистр команд принимает и хранит код очередной команды, адрес которой находится в счетчике команд.
Регистр стека. Стек в процессорах — это комплект регистров, хранящих адреса (команды возврата, команды заполнения состояния внутренних регистров). Данный комплект организован так, что слово адреса либо данных выбирается по принципу: «вошедший последним — выходит первым».
При записи в стек очередного слова все находящиеся в нем слова смещаются на один регистр вниз, при выборке слова из стека — вверх. Стек может выполняться во внутреннем и внешнем запоминающих устройствах. Указатель стека (регистр) помогает для хранения адреса последней занятой ячейки стека.
Регистр показателей является набором триггеров, именуемых флажками, каковые имеют два состояния — 0 либо 1. Предназначены для информации состояния процессора, содержания регистра и т. д.
Связь между регистрами осуществляет внутренняя шина данных, т. е. несколько линий передачи информации, объединенных неспециализированным функциональным показателем. В микропроцессорной совокупности применяют шины данных, шины управления и шины адресов. Шина данных трудится в режиме двунаправленной передачи. Это требует мультиплексного режима обмена данных между внешней памятью и микропроцессором.
Мультиплексором именуют устройство, которое выбирает эти от одного, двух и более вводимых информационных каналов и подает эти сведенья на собственный выход (рис. 130, а). Мультиплексоры входят в состав процессора, и выпускаются в виде отдельных БИС и являются совокупностью логических элементов И—Либо, управляемых распределителем импульсов. Противоположную задачу решает демультиплексор, продемонстрированный на рис. 130, б.
Обработка данных. Применяя рассмотренное назначение узлов и структурную схему процессора (см. рис. 129, а), ознакомимся с процедурой обработки данных. Структурная схема отражает организацию 8-разрядного однокристального процессора (типа КР580ИК80А).
Будем считать, что обработка данных содержится в сложении двух операндов, любой из которых представляет собой 8-разрядное бинарное число, т. е. б а й т. Все арифметические и логические операции делает 8-разрядное АЛУ. Для одно-
Рис. 130. Структурные схемы мультиплексора (а) и демультиплексора (б)
адресной организации процессора (микроЭВМ) характерно, что один из операндов, участвующих в обработке, постоянно находится в аккумуляторе. На первый вход АЛУ приобретает байт из 8-разрядного аккумулятора, а на второй вход поступает байт из 8-разрядного промежуточного регистра. Итог сложения двух байтов передается с выхода АЛУ на внутреннюю шину данных в аккумулятор. Регистры РОН расположены попарно, т. е. В и С, D и Е, Н и L, что позволяет проводить обработку двухбайтовых слов, и дешёвы программисту. Регистры W и Z применяют для краткосрочного хранения данных на протяжении исполнения команд, они недоступны программисту. Обмен данными с РОН (запись и считывание информации) осуществляется через мультиплексор, причем требуемый регистр выбирается посредством селектора регистров по сигналам УУ.
Обмен, информацией между другими блоками и регистрами производится через внутреннюю шину данных, передача команд и данных поделены во времени. Сообщение с внешней шиной данных осуществляет буферный регистр данных.
Процессор — это программно-управляющее устройство. Процедура обработки данных определяется программой, т. е. совокупностью команд, каковые делятся на две части: адрес и код операции. Код говорит о виде операции над данными, подлежащими обработке. Адрес показывает место, где расположены эти сведенья. Дешифратор кода операции дешифрирует содержимое регистра команд, определяет адреса операндов и характер операции. Эта информация передается в УУ, которое производит управляющие сигналы блоком процессора, участвующим в выпол-
нении данной команды. Лишь по окончании завершения адресов считывания и процедуры команд начинается обработка.
Микропроцессорные совокупности(микроЭВМ) являются совокупностью взаимодействующих БИС микропроцессорного набора, т. е. вычислительную либо управляющую совокупность с микро-
процессором в качестве узла обработки информации (рис. 131). Совокупность содержит последовательность узлов, требующих пояснения.
Генератор тактовых сигналов дает последовательность прямоугольных импульсов, благодаря которым обеспечивается управление событиями (командами) во времени.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — устройство, в котором хранится программа (время от времени константы), составленная заблаговременно изготовителем в соответствии с требованием пользователя. Программа жестко «зашита» в запоминающем устройстве и не может быть стерта.
Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) отличается от ПЗУ тем, что пользователь может самостоятельно запрограммировать ПЗУ и ввести ее посредством особого программатора лишь 1 раз.
Репрограммируемое постоянное запоминающее уст
ройство (РППЗУ) разрешает перепрограммирование и соответст
венно перезапись программы.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) является памятью данных, подлежащих обработке в следствии вычислений, а в некоторых микропроцессорных совокупностях — кроме этого программ, каковые довольно часто изменяются. Данное устройство разрешает при необходимости стереть данные, а на ее место записать новую. При исчезновении напряжения питания информация, содержащаяся в ОЗУ, исчезает (стирается).
Интерфейс — это устройство сопряжения, которое, применяя электрические, механические и программные средства, соединяет модули совокупности между собой и с периферийными устройствами.
В микропроцессорных совокупностях используют особые универсальные интерфейсные БИС для сопряжения периферийных устройств с совокупностью. При сложных периферийных устройствах берут усложненный интерфейс, именуемый периферийным программируемым адаптером.
Особенность структуры микропроцессорной совокупности — магистральная организация связей между входящими в ее состав модулями. Она осуществляется посредством трех шин: данных, адреса, управления. Преимуществом шинной структуры есть возможность подключения к микропроцессорной совокупности новых модулей
(ОЗУ, ПЗУ).
Обычное функционирование микропроцессорной совокупности нереально без четкого сотрудничества ее составных частей, координации их работы, синхронизации.
Основополагающую роль в организации управления событиями во времени играются тактовые импульсы, поступающие от генератора на выводы Ф1 и Ф2 процессора (рис. 131, б). Будем считать, что в данной микропроцессорной совокупности тактирование осуществляется посредством двух аналогичных последовательностей, перемещённых на полпериода. Микропроцессорная совокупность функционирует синхронно с возникновением тактовых сигналов. Простейшее воздействие — состояние, которое занимает один период сигнала — тактовый промежуток (такт), 3—5 тактовых сигналов составляют машинный цикл, требуемый для одного обращения к памяти либо устройству ввода-вывода. Циклом команды именуют промежуток времени нужный для выборки из ее исполнения и памяти команды. Он складывается из 1—5 машинных циклов, что определяет продолжительность процедуры выполнения команды.
Управляющее устройство микропроцессорной совокупности реализует функции управления, синхронизации, смену событий в требуемой последовательности, согласуя их с сигналами тактового генератора. В течение цикла команды делятся на две фазы: выборка (считывание) и аккуратная фаза, в то время, когда формируются их последовательность и сигналы, нужная для исполнения команды. Все фазы управления требуют некоего времени, которое образовывает часть машинного цикла.
По ходу работы микропроцессорной совокупности время от времени появляется «запрос на обслуживание внешних устройств», что программой (ПЗУ) не предусмотрено. В этих обстоятельствах процессор, взяв запрос на шины управления, прерывает работу по программе и делает программу обработки внешнего условия. Таковой режим именуется прерыванием, которое возможно несложным векторным, приоритетным.
Так, обработка информации микропроцессорной совокупностью производится по программе, которая является совокупностью, последовательность команд, направляющих работу устройства управления. По функциональному назначению все множество команд возможно разбить на группы: команды операций, пересылки данных, управления, ввода-вывода, обращения к подпрограммам и т. д.
Они носят типовой темперамент, как по собственному функциональному назначению, так по обозначениям. К примеру, команды арифметических операций — АДД (сложить) I и В Т ACT (вычесть), команды пересылки данных — МО Е (переслать), ОАД (загрузить) и т. д. Детально обозначения команд изложены в литературе по вычислительной технике.
Микропроцессорная совокупность (МП и микроЭВМ), складывающаяся из процессора, источника питания, модулей памяти, устройства и интерфейса ввода-вывода представляет собой аппаратурную часть совокупности обработки, которая для возможности обработки информации дополняется программной частью, снабжающей функционирование микроЭВМ.
Различают системное ПО, не зависящее от конкретного применения (поставляет изготовитель микроЭВМ) и ПО пользователя, разрабатываемое им для ответа конкретных задач.
Постановка задач для ответа на микроЭВМ складывается из этапов: математической постановки задачи, разработки метода ответа, представления метода в виде структурной схемы, программирования, отладки программы, решения задачи.
Составление метода это не только первый, но и очень важный этап ответа задачи. Метод содержит правильное предписание о исполнении в определенном порядке элементарных операций с целью ответа задачи. Процесс создания метода ответа именуют алгоритмизацией ответа.
Запись метода посредством формализованной совокупности знаков, принятой для описания процедур ответа задач на ЭВМ, именуют программой, а привычные совокупности — языками программирования.
В зависимости от уровня языка, т. е. степени детализации шагов при исполнении программы, различают машинный язык, языки и язык ассемблера большого уровня.
Машинный язык характеризует высокая степень детализации шагов. Это единственный язык, что «осознаёт» процессор. Язык — это совокупность команд в бинарных кодах, либо си-
стема инструкции. Для программиста язык неудобен, поскольку является последовательностью единиц и нулей, составление программы требует довольно много времени, вероятны неточности, трудность развития ранее разработанных программ, сложность отладки.
Язык ассемблера — символическое изображение машинного языка. Любая команда обозначается знаком, воображающим собой сокращенную форму полной записи наименования данной команды на английском (табл. 9).
9. СИМВОЛЬНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ КОМАНД
| Операция | Наименование | Мнемоническое изображение |
| Запись в память Сложить Вычесть Загрузить Логическое И Расширить на I | S ORE ADD SUBSTRACT LOAD AND INCREMEHT | ST AD SVB либо SV LD либо L AN INR |
Для перевода программы, составленной на определенном языке программирования, в машинные коды используют языковые трансляторы. Процесс трансляции выполняется посредством ЭВМ, и программист приобретает распечатку программы (листинг).
Язык ассемблера — самый распространенный язык программирования, разрешающий действенно применять особенности процессора. Но данный язык ориентирован на конкретную микроЭВМ. Так, язык ассемблера относится к машинно-ориентированным языкам программирования и требует от эксперта, пишущего программу, устройства и знания архитектуры данной микропроцессорной совокупности.
Языки программирования большого уровня разрешают упростить и ускорить составление программ, поскольку они являются машинно-свободными языками, что разрешает применять программы для различных ЭВМ. Различают процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки, каковые ориентированы на классы однотипных задач. К языкам большого уровня относят: АЛГОЛ — алгоритмический язык, ориентированный на решение задач численного анализа; ФОРТРАН — язык программирования, созданный специально для ответа научных и инженерных задач; БЕЙСИК — самый обширно распространенный диалоговый язык, т. е. язык сотрудничества человека с машиной, относительно простой в потреблении; ПЛ/I и ПЛ/М — языки для программирования широкого круга научно-технических и информационных задач. Не считая перечисленных, применяют и другие языки большого уровня. Для ввода программ, написанных на языке большого уровня, в микропроцессорную совокупность (микроЭВМ) используют трансляторы.
Так, ПО — это совокупность программ разного назначения.
Ввод информации в микроЭВМ реализовывают посредством перфолент, кассетного магнитофона, клавиатуры.
Процессоры используют для переработки информации (в качестве устройства числового программного управления (ЧПУ), для ответа логических задач (в качестве программируемого контролера), для управления следящими приводами, в измерительных устройствах и т. д. Область применения процессоров непрерывно расширяется и одной из аналогичных сфер есть адаптивное управление оборудованием либо процессами.
Разглядим неспециализированную структуру связей совокупности адаптивного уп-равления с применением микроЭВМ (рис. 132). Для оценки точ-ности применяют контрольно-измерительное устройство, измеряющее подробности в нескольких точках. Ведущую роль в цикле адаптивного управления делает микроЭВМ. По команде от устройства ЧПУ «финиш программы» микроЭВМ приступает к управлению перемещением подробности на контрольно-измерительную позицию и по командам микроЭВМ выдаются запросы на измерение в отдельных точках. Результаты измерений поступают в память микроЭВМ. Визуальная информация в отклонениях разрешает оператору выбрать рациональные кадры управляющей программы для автоматического внесения коррекций. Эти кадры из ЧПУ передаются в ЭВМ, редактируются и возвращаются в буферную память устройства ЧПУ. Это разрешает реализовать адаптацию совокупности управления по точности. МикроЭВМ параллельно руководит перегрузкой оборудования.
МикроЭВМ разрешает в автоматических совокупностях управления реализовать все узнаваемые правила регулирования: по отклонению, по возмущению, комбинированный. Они позволяют взять логические методы, заданные методы управления в соответствии с чертями объекта управления и поступающими сигналами.
ЭВМ может входить в состав совокупности автоматического управления и воображать одно либо пара звеньев совокупности. Это опре-
|
|
деляет необходимость описания черт микроЭВМ в таковой форме, которая пригодна с целью проведения расчетов совокупности с ЭВМ средствами и методами теории автоматического управления. ЭВМ возможно представить (рис. 133, а) в виде эквивалентной схемы дискретного элемента совокупности автоматического управления с дискретной передаточной функцией:
Рис. 133. Схемы микроЭВМ:
a — эквивалентная дискретного элемента; б—е — структурные включения ЭВМ в контурах САУ
МикроЭВМ может делать в совокупностях автоматического управления функции задающего (рис. 133, б), сравнивающего (рис. 133, д), корректирующего с параллельным (рис. 133, е) либо
последовательным включением (рис. 133, в) устройств. Использование микроЭВМ для реализации указанных устройств рационально при больших количествах вычислений.