Проектирование информационно

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В Г. ТАГАНРОГЕ
(ТТИ Южного федерального университета)
Факультет автоматики и вычислительной техники
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФАВТ ______________ Ю.М.Вишняков
"_____"__________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
Направление подготовки:
220700.62 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Профиль подготовки:
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ В
ЭНЕРГЕТИКЕ
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
(очная, очно-заочная и др.)
г. Таганрог
2011
Цели ООП бакалавриата по направлению 220700.62 «Автоматизация технологических
процессов
и
производств»
размещены
на
сайте
кафедры
САУ
(http://sau.favt.tsure.ru), а также на сайте ФАВТ (www.favt.tsure.ru), представлены в описаниях образовательных программ и имеют следующий вид:
1 цель направления. Удовлетворение
потребностей
личности
в
интеллектуальном, культурном и нравственном развитии путем получения высшего
образования в области автоматизации технологических процессов и производств;
2 цель направления. Организация базовой бакалаврской подготовки, позволяющей
всем выпускникам продолжить свое образование как с целью получения диплома
магистра в области автоматизации технологических процессов и производств, так и с
целью дальнейшего самосовершенствования.
3 цель
направления.
Удовлетворение
потребностей
общества
в
квалифицированных кадрах путем подготовки специалистов по проектированию,
разработке и эксплуатации систем автоматизации производственных и
технологических процессов изготовления продукции различного служебного назначения,
управления ее жизненным циклом и качеством, контроля, диагностики и испытаний.
Цели ООП бакалавриата 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и
производств» согласованы с миссией ЮФУ и ТТИ ЮФУ.
Реализация образовательной деятельности по профилю подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств в энергетике» направлена на достижение
следующих целей профиля, согласующихся с целями направления подготовки 220700.62
«Автоматизация технологических процессов и производств»:
1 цель профиля. Развитие у студентов теоретических знаний и практических
навыков, позволяющих выпускникам понимать и применять фундаментальные и
передовые знания и научные принципы, лежащие в основе современных средств и систем
автоматизации, управления, контроля технологическими процессами и производствами
при формулировании и решении инженерных задач;
2 цель профиля. Подготовка высококвалифицированных специалистов, способных
решать задачи проектирования, изготовления, отладки, производственных испытаний,
эксплуатации и научного исследования средств технологического оснащения
автоматизации,
управления,
контроля
и
диагностирования
основного
и
вспомогательного производств в области энергетики, их математического,
программного, информационного и технического обеспечения
3 цель профиля. Формирование у выпускников навыков практической реализации и
внедрения инженерных решений, при разработке проектов автоматизации
технологических процессов и производств, управления жизненным циклом продукции и ее
качеством, включающих вопросы планирования и организации работ, формирования
технической документации, защиты интеллектуальной собственности, оценки
экономической эффективности, безопасности и экологичности разработок.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
“Проектирование информационно-управляющих систем”:
- способность к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);
- способность применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК–17):
- способность собирать и анализировать исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления продукции, средств и систем автоматизации, контроля, технологического оснащения, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК–1);
- способность участвовать в постановке целей проекта (программы), его задач при задан2
ных критериях, целевых функциях, ограничениях, разработке структуры их взаимосвязей,
определении приоритетов решения задач с учетом правовых и нравственных аспектов
профессиональной деятельности (ПК–6);
- способность участвовать в разработке проектов изделий с учетом технологических, конструкторских, эксплуатационных, эстетических, экономических и управленческих параметров (ПК–8);
- способность участвовать в разработке проектов модернизации действующих производств, создании новых (ПК–9);
- способность разрабатывать проектную и рабочую техническую документацию в области
автоматизации технологических процессов и производств, управления жизненным циклом
продукции и ее качеством, оформлять законченные проектно-конструкторские работы
(ПК–13);
- способность участвовать в разработке проектов по автоматизации производственных и
технологических процессов, технических средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК–19);
- способность разрабатывать планы, программы, методики, связанные с автоматизацией
технологических процессов и производств, управлением процессами, жизненным циклом
продукции и ее качеством, инструкции по эксплуатации оборудования, средств и систем
автоматизации и управления, программного обеспечения, другие текстовые документы,
входящие в конструкторскую и технологическую документацию (ПК–28);
- способность изучать и анализировать необходимую информацию, технические данные,
показатели и результаты работы, обобщать их и систематизировать, проводить необходимые расчеты с использованием современных технических средств и программного обеспечения (ПК–38);
- способность составлять научные отчеты по выполненному заданию и участвовать во
внедрении результатов исследований и разработок в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК–43);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать: основные проблемы, решаемые при проектировании информационноуправляющих систем, системный подход к процессам проектирования, подготовки производства и управления производством, математическое, методическое и организационное
обеспечение, программно-технические средства для построения информационноуправляющих систем (ИУС), перспективные информационные технологии (SCADAсистемы) проектирования ИУС;
уметь осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования
систем и средств автоматизации и управления, производить расчёты и проектирование
отдельных блоков и устройств систем автоматизации и управления и выбирать стандартные средства автоматики, измерительной и вычислительной техники для проектирования
систем автоматизации и управления в соответствии с техническим заданием;
быть готовым к участию в работах по изготовлению, отладке и сдаче в эксплуатацию
систем и средств автоматизации и управления, к выполнению экспериментов на действующих объектах по заданным методикам и обработке результатов с применением современных информационных технологий и технических средств; быть готовым к участию в
разработке технической документации и установленной отчетности по утвержденным
формам, разработке и изготовлению стендов для комплексной отладки и испытаний программно-аппаратных управляющих комплексов, быть готовым к внедрению результатов
разработок средств и систем автоматизации и управления в производство.
4. Структура и содержание дисциплины “Проектирование информационно3
управляющих систем”
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц 180 часов.
Вид учебной работы
Всего часов
Семестр 8
№
п/п
1
2
3
Разделы
дисциплины «Проектирование информационно-управляющих систем»
Структура ИУС и ее анализ. Методология проектирования ИУС.
Расчет параметров настройки непрерывного управляющего устройства (НУУ) в
соответствии с заданным вариантом.
Информационно-управляющие системы. Примеры
180/5 ЗЕТ
66
16
16
34
65
17
32
Экзамен (8 семестр)
Неделя семестра
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
- лекции
- практические занятия
- лабораторные работы
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Контроль самостоятельной работы
Аттестация
Виды учебной работы, включая
самостоятельную Формы текущего конработу студентов и троля успеваемости
трудоемкость (в (по неделям семестра)
часах)
лек лр
2
1
пр срс кср
2
4
1
Проверка расчетов и
оценки влияния каждого
из параметров настройки
НУУ на длительность переходного процесса, величину перерегулирования и точность отработки
заданных воздействий.
Реферат
4
4
5
Получение дискретных передаточных
функций для процессов интегрирования
и дифференцирования
Идентификация объекта управления на
учебном тренажерном стенде
6
Расчет параметров передаточных функций идентифицируемых объектов
7
Системные спецификации. Регламентирующая документация по проектированию. Технический и рабочий проекты
ИСПиУ.
Оценка влияния шага дискретности по
времени, величины шага квантования
по уровню в АЦП на точность и устойчивость ЦАС.
8
9
2
4
4
1
Проверка результатов
эксперимента по идентификации объекта управления на учебном тренажерном стенде
Результаты идентификации объектов управления
3
2
2
4
1
Проверка результатов
расчетов и эксперимента
по оценке влияния шага
дискретности по времени,
величины шага квантования по уровню в АЦП на
точность и устойчивость
ЦАС.
Структурные схемы
моделей цифроаналого-
Построение модели цифроаналоговой
системы в пакете MatLab
вых систем
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Алгоритм проверки на достоверность
для технологических переменных, неизменных во времени. Составление программы в виде m–файла в пакете
MATLAB
Проектирование 2-х уровневой системы
управления процессом нагрева на учебном тренажерном стенде
Расчет параметров настройки цифрового
управляющего устройства
Подсистемы ИСПиУ: оперативного планирования и управления основным производством, материально-технического
обеспечения, технико-экономического
планирования.
Алгоритм скользящего среднего. Составление программы в виде m–файла в
пакете MATLAB
Изучение подсистем ИСПиУ
Алгоритм экспоненциального сглаживания. Составление программы в виде m–
файла в пакете MATLAB
Проектирование и исследование автоматизированной системы управления процессом нагрева в SCADA-системе
TRACE MODE
Изучение особенностей проектирования
системы управления в SCADA-системе
TRACE MODE
SCADA-системы . Создание информационной и математической базы операторской станции АРМ. Техника чтения и
начертания функциональных схем авто-
4
5
4
2
2
4
1
4
1
Проверка работы программы «Достоверность»
и результатов проектирования 2-х уровневой системы управления процессом нагрева на учебном тренажерном стенде
Параметры настройки
ЦУУ и графики исследования ЦАС
Проверка работы программы «Скользящее
среднее»
Реферат
6
4
4
1
Проверка результатов
проектирования и исследования автоматизированной системы управления процессом нагрева в
SCADA-системе TRACE
MODE
Проверка в профайлере
трендов и работы компонентов системы
7
2
2
4
1
Проверка результатов
расчетов и выбора датчиков
5
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
матизации. Примеры.
В соответствии с вариантом задания составить таблицу исходных данных. Выбрать датчики, необходимые для управления объектом в нормальном режиме
работы и контроля по предаварийным
ситуациям.
Поиск в Интернете датчиков для управления объектом в нормальном режиме
работы и контроля по предаварийным
ситуациям.
Рассчитать требуемую разрядность АЦП
и ЦАП и выбрать указанные устройства, записав быстродействие выбранного АЦП.
Проектирование и исследование автоматизированной системы управления процессом нагрева в системе MasterSCADA
Изучение особенностей проектирования
системы управления в системе MasterSCADA
Цифровое управление аналоговыми
объектами.
Расчет погрешности на входе микроконтроллера.
Изучение расчета погрешностей вычисления кода управления
Оценка трансформированной погрешности вычисления управляющего воздействия.
Оценка погрешности метода вычисления управляющего воздействия.
Общая методика оценки погрешности в
цифровом управляющем устройстве.
Оценка допустимой точности вычисления управляющего воздействия.
Проектирование многоуровневой распределенной ИУС в SCADA-системе
Описание датчиков и их
характеристик
8
4
4
1
Проверка результатов
проектирования и исследования автоматизированной системы управления процессом нагрева в
системе MasterSCADA
Проверка в профайлере
трендов и работы компонентов системы
9
2
2
Оценка расчетов по выбору узлов для проектирования технической
структуры системы цифрового управления аналоговым объектом
Погрешности вычисления
кода управления
4
1
4
1
числения кода управления
4
1
4
1
4
1
Оценка допустимой точности вычислений
Примеры проектирования
ИУС
4
1
4
1
Проверка расчета погрешности и результата
архивирования данных
4
1
Проверка функционирования отчета тревог и результата архивирования
данных
Расчет погрешности вы10
11
4
2
12
13
Выбор модулей технической структуры.
проверка быстродействия.
Архивирование данных и создание отчета тревог
14
Изучение разработки отчета тревог и
архива данных
16
15
2
4
2
2
4
2
2
4
6
36
37
38
Зачет по лабораторным работам и
домашним заданиям
Подготовка к завершающему ответу
на контрольные вопросам
Подготовка к экзамену
17
2
1
32
1 Окончательный рейтинг как
результат тестирования по
контрольным вопросам
Итоговая оценка
Экзамен
5. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств» с целью реализации компетентностного
подхода предусматривается использование в учебном процессе компьютерное управление
реальным объектом на базе интегрированной системы управления. При этом используется
компьютерное управление и натурный эксперимент. В рамках учебного курса предусмотрены встречи с представителями российских компаний и посещение предприятий ТАГМЕТ, ТАГАЗ, ОАО «Красный котельщик».
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Предусматривается дискуссионный форум по проблемно-ориентированной тематике,
сформулированной преподавателем, а именно, обсуждение рефератов по указанным ниже
темам.
Рефераты:
1. Информационно-управляющие системы Примеры.
2. Изучение вопросов проектирования информационно-управляющих систем.
Для самостоятельной работы студентам предлагается выполнить два домашних задания, содержание которых предлагается ниже.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №1
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ (ДЗ 1)
Цель. Изучение алгоритмов первичной обработки и исследование влияния их параметров
на статистические характеристики сигналов мониторинга.
Основные сведения. При измерении технологических параметров информация от датчиков
поступает в аппаратуру ввода/вывода в виде унифицированных сигналов (0-10В, 4-20 мА и т.д.),
сигналов от термопар, термометров сопротивления, т.е. реальной физической величине соответствует напряжение, сила тока, индуктивность или частота импульсов. В устройствах связи с объектом (УСО) эти сигналы преобразуются в двоичные коды длиной от 8 до 16 разрядов. Чтобы
провести анализ получаемой информации, необходимо преобразовать коды АЦП в масштаб реальных физических величин: мм, т/час, ата, оС и т.д. К тому же датчики могут иметь статические
ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной сигнал.
Для получения корректных значений результатов мониторинга из двоичных кодов УСО применяют алгоритмы первичной обработки такие, как нормализация, пересчет в технические единицы, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы.
В настоящем домашнем задании предлагается изучить и исследовать такие алгоритмы первичной обработки, как
- проверка на достоверность,
7
- сглаживание.
Проверка на достоверность. Благодаря её выполнению, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу.
В зависимости от того, меняется ли технологическая переменная во времени или остается постоянной, требования по проверке будут отличаться. Если переменная по ходу технологического процесса изменяется и известна допустимая скорость этого изменения, то проверку на достоверность осуществляют по условию:
xik  xi ( k  j )
Tvi
 VDi ,
(1)
где i – номер датчика; k – номер отсчета; VDi – допустимая скорость изменения технологической переменной xi; Tvi – временной интервал проверки на достоверность по скорости изменения,
связанный со временем опроса датчиков Tопрi соотношением
Tvi  jTопрi .
(2)
Величина j не должна быть меньше 3-х (больше может быть, скажем 5; 10), поскольку заключение о недостоверности сигнала принимается после 3-х кратного нарушения условия (1).
В случае постоянства технологической переменной (этот вариант реализуется в ДЗ) правая
часть (1) должна нести информацию о максимально допустимом значении погрешности измерения. Статистические характеристики шумов в канале измерения обычно оговариваются в ТЗ на
разработку системы. В настоящем домашнем задании предлагается в качестве измерительной погрешности учитывать только погрешность датчика. Если выбран датчик с погрешностью xпaспi,
указанной в его паспортных данных, то максимально допустимое значение погрешности измерения должно быть вычислено как:
(3)
xDi  xпаспi  3 .
Выражение (3) следует из нормального закона распределения погрешностей измерения, в соответствии с которым максимальное значение случайного сигнала ymax = 3σy (σy – среднеквадратическое значение). При этом условие (1) примет вид:
xik  xi ( k  j )  x Di .
(4)
Проверка сигналов на достоверность заключается в следующем: если условия (1) или (4) не
выполняются, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика.
При этом необходимо перейти к меньшему шагу опроса датчика: Tминi  Tопрi ( Tминi - новое значение шага опроса датчика после обнаружения первого неправильного отсчета, например,
Tм инi 
Tопрi
5
). Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд с шагом Tминi не выполня-
ется неравенство (1) или (4), то по знаку разности ( xik  xi(k  j ) ) принимается решение об обрыве
или неисправности датчика i-го канала. Фиксируется время нарушения, его причина и включается
резервный канал или резервный датчик (В ДЗ2 следует просто продолжить проверку с прежним
шагом Tопрi ). Новое значение шага Tминi , если позволяет быстродействие используемой в i–м канале аппаратуры, может быть выбрано на порядок меньше
опросу датчика с шагом
Tопр
i
Tопр
i
. Это позволит к следующему
переключиться на резерв, устранив таким образом неисправность.
При проверке на достоверность первые j отсчетов i-го датчика считаются достоверными, что
обычно легко выполняется, так как перед запуском системы в эксплуатацию вся аппаратура
налаживается и проверяется (В ДЗ2 для уверенности в достоверности первых j отсчетов случайную помеху необходимо создавать, начиная с j+1 отсчета).
Сглаживание. Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами,
близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма
существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания.
8
Оценим каждый из них с точки зрения расхода памяти и быстродействия, а также покажем,
как следует вычислять параметр сглаживания перед запуском этих программных модулей.
Под быстродействием будем понимать готовность алгоритма выдать с заданным уровнем ослабления 1-е значение сглаженного сигнала.
Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна имеет вид:
1
Mi
xcik 
Mi
–
параметр
сглаживания,
Mi
x
j 1
(5)
i ( М i k  j )
величина
которого
определяет
количество
отсчетов
xij ( j  1,M i ) , взятых для вычисления одного сглаженного значения xcik .
Раскроем формулу (5) для частных значений k, а именно:
1
( xi1  xi 2  ... xi ( M i ) ) ,
Mi
1
xci 2 
( xi 2  xi 3  ... xi ( M i 1) ) ,
Mi
1
xci 3 
( xi 3  xi 4  ... xi ( M i 2 ) ) и т.д.
Mi
xci1 
(6)
(6,а)
(6,б)
Принцип скользящего окна поясняется формулами (6), (6,а), (6,б), из которых следует, что для
вычисления очередного сглаженного значения записанная в Мi ячейках памяти информа-ция сдвигается влево, и в освободившуюся ячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедуры суммирования Мi отсчетов и умножения на коэффициент
1
. Из анализа алгоMi
ритма (5) ясно, что для его реализации потребуется Mi+2 ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-е сглаженное значение составит
tск.ср.  M i  Tопрi .
(7)
Величина параметра сглаживания M i вычисляется по заданному значению коэффициента
ослабления помех  i , который, в свою очередь, представляет собой отношение
i 
σ 2x
,
σ 2xc
(8)
где σ xi - среднеквадратическое значение помех в отсчетах датчиков xik; σ xci - среднеквадратическое значение помех в сглаженных, вычисленных в соответствии с алгоритмом (5) значений
xcik.
Чтобы оценить величину Mi, представим каждую из переменных, входящих в выражения (5),
(6), как
xik  moxi  xi k , 

xcik  moxi  xcik .
(9)
Подставляя (9) в (5) или (6) и вычитая математическое ожидание mo xi , получим уравнения
относительно абсолютных значений погрешностей, которые будут идентичны выражениям (5) или
(6), например,
1
xci1 
( xi1  xi 2  ...  xi ( M i ) ) .
Mi
Предполагая, что значения погрешностей в соседних точках не коррелированны и характеризуются дисперсией σ 2xi можно записать следующее уравнение относительно дисперсии погрешности сглаживания:
σ 2xci 
1
 (σ 2xi  σ 2xi  ...  σ 2xi )
2

M i 
Mi
9
σ 2xi
1
2
Или
σ 
 ( M i  σ xi ) 
.
M i2
Mi
Следовательно, с учетом выражения (8) значение параметра сглаживания для i–го датчика
2
xci
M i  ηi .
(10)
Экспоненциальное сглаживание. Его алгоритм имеет вид:
xcik  xci ( k 1)  α i ( xik  xci ( k 1) )
(11)
при начальном значении xci 0  0 и диапазоне изменения параметра сглаживания: 0<i<1.
Следует отметить, что в реальных условиях в результате вывода технологического процесса
или технического объекта в установившийся режим работы становится известным желаемое значение контролируемой или регулируемой переменной, которое ранее было обозначено как mo xi .
Именно эта величина и может быть использована в качестве начального значения xci 0 .
Величина параметра  определяет длительность переходных процессов и качество сглаживания. Чем меньше , тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получения
сглаженного значения xcik с заданным ослаблением помехи ηi .
Поэтому, как и в предыдущем алгоритме сглаживания, возникает задача нахождения значения
параметра сглаживания α i и времени готовности алгоритма (11) вычислить 1-е сглаженное значение xcik с принятым коэффициентом ослабления помех ηi .
Для определения параметра сглаживания α i перейдем в выражении (11) к дисперсиям погрешностей измерений, принимая те же допущения, что и для алгоритма (5), тогда
σ 2xci  (1  αi ) 2 σ 2xci  α i2  σ 2xi .
Откуда
αi
1

,
2  αi
ηi
(12)
2
.
ηi  1
(13)
αi 
или
Выражение (13) позволяет рассчитать параметр α i для алгоритма экспоненциального сглаживания, если задан коэффициент ослабления помех ηi .
Алгоритм (11) можно представить не в рекуррентной форме, а в виде суммы следующего вида:


xcik  α i xik  1  α i xi ( k 1)  1  α i  xi ( k 2)  1  α i  xi ( k 3)  ...  1  α i  xi1 .
2
3
k 1
Считая, что погрешности измерения в каждом отсчете i–го датчика не коррелированны, приходим к аналогичному уравнению относительно дисперсий этих погрешностей, т.е.
σ 2xci  αi2  {[1  (1  αi ) 2  (1  αi ) 22  (1  αi ) 23  ...  (1  αi ) 2( k 1) ]σ 2xi }.
Выражение в квадратных скобках можно записать как сумму убывающей геометрической про-
a1 (1  q k )
грессии S k 
со знаменателем q  (1  α i ) 2 .
1 q
Следовательно,
σ
2
xci
1  (1  α i ) 2 k 2
1  (1  α i ) 2 k 2
α
σ x  αi
σ xi .
1  (1  α i ) 2 i
2  αi
2
i
(14)
В результате на основании формул (12) и (14) получаем
1  (1  α i ) 2k
1
 αi
.
2  αi
ηi
(15)
10
В выражении (15) член (1  α i ) 2 k с ростом k стремится к нулю, приближаясь к (12). Задаваясь
степенью приближения δ, можно вычислить значение k, которое будет определять количество
рекуррентных вычислений в алгоритме (11), и, следовательно, время получения первого сглаженного значения при заданном коэффициенте ослабления (8).
На основании сказанного из равенства (1  α i )
ki  0,5
2k
 δ находим
ln δ
,
ln( 1  α i )
(16)
откуда ясно, что первое сглаженное значение будет получено с заданной точностью в соответствии с алгоритмом (11) спустя время
t экс .сгл.  ki  Tопрi  0,5
ln δ
Tопрi .
ln( 1  α i )
(17)
Как следует из (17), это время будет возрастать с увеличением точности вычислений δ. Достоинством алгоритма экспоненциального сглаживания, по сравнению со скользящим окном, является малый объем памяти, хотя он значительно дольше входит в установившийся режим.
Выбор того или иного алгоритма зависит от конкретных требований к быстродействию и объему памяти, сформулированных в ТЗ на разработку системы.
Алгоритмическая и программная части домашнего задания
1. Изучить алгоритмы первичной обработки.
2. Рассчитать значения M, k и α для различных коэффициентов ослабления помех η и разной
величины δ и заполнить таблицу.
Расчетные значения M, k и α для различных коэффициентов ослабления помех η и разной величины δ
η
М
α
k при δ = 0,1
k при δ = 0,01
k при δ = 0,001
2
3
4
5
6
7
8
9
1
3. Составить программные модули выполнения алгоритмов:
a) «Проверка на достоверность» с выводом на экран графиков сигналов, моментов нарушений и их типов;
b) «Скользящее среднее» с вычислением дисперсий сглаженных и несглаженных сигналов,
а также значения коэффициента ослабления η: для гр. А-16 η=6, для гр. А-146 η=5, для гр. А-26
η=7; для гр. А-166 η=4, для гр. АУ-128 η=3.
c) «Экспоненциальное сглаживание» с вычислением дисперсий сглаженных и несглаженных сигналов, а также значения коэффициента ослабления η: для гр. А-16 η=6, для гр. А-146 η=5,
для гр. А-26 η=7; для гр. А-166 η=4, для гр. АУ-128 η=3.
Работа на ПК
1. Имитировать сигналы датчика, предназначенного для измерения технологической переменной с постоянным математическим ожиданием. С этой целью необходимо с помощью стандартной программы выработки псевдослучайных чисел, имеющих нормальное распределение, выработать массив отсчетов датчика размерностью F, равной, например 500. Математическое ожидание принять равным номеру студенческой группы, дисперсию шума измерений – равной собственному порядковому номеру в списочном составе группы. Если собственный порядковый
номер больше номера группы, то его следует для задания дисперсии шума измерений уменьшить
11
на порядок. Амплитуда импульсной помехи, имитирующей случайным образом появляющийся в
канале измерения сигнал короткого замыкания или обрыв, может быть по модулю больше или
равна математическому ожиданию.
2. Выполнить программу «Проверка на достоверность». Программа, как отмечалось ранее, при обнаружении помехи должна переходить на более мелкий шаг, заменять испорченные
сигналы последними достоверными и продолжать работу с первоначальным шагом. В результате
работы этого программного модуля импульсные помехи должны быть устранены. На экран должны быть выведены графики сигналов до и после работы программы, а также указано время нарушения работы канала измерений и тип этого нарушения.
3. Выполнить программы «Скользящее среднее» и «Экспоненциальное сглаживание»
для заданных значений коэффициента ослабления помех η. Сравнить по коэффициенту η результаты моделирования с расчетными данными таблицы. В качестве входного сигнала использовать
выходной сигнал, полученный после работы модуля «Проверка на достоверность».
4. Сделать выводы по расчетным и экспериментальным данным.
Содержание отчета по домашней работе №1
1.
2.
3.
4.
5.
Цель работы и основные алгоритмы, подлежащие исследованию.
Вывод формул и теоретические расчеты.
Тексты программ.
Результаты моделирования на ПК.
Оценка полученных результатов (выводы).
Контрольные вопросы
1. Перечень и назначение алгоритмов первичной обработки информации.
2. Цель проверки сигналов на достоверность.
3. Процедура проверки на достоверность.
4. В чем отличие проверки на достоверность сигналов с “постоянным” математическим ожиданием и изменяющимся во времени.
5. Как выполняется имитация сигналов датчика и канала измерения?
6. Как вычислить дисперсию случайного сигнала?
7. Как будут выглядеть массивы входных и выходных сигналов после работы программы
«Проверка на достоверность»?
8. Назначение алгоритмов сглаживания.
9. Чем отличаются алгоритмы скользящего окна и экспоненциального сглаживания?
10. Как оценить быстродействие (готовность) алгоритмов сглаживания?
11. Сравнительная характеристика 2-х алгоритмов сглаживания по быстродействию и по объему памяти.
12. Что собой представляет коэффициент ослабления помех? Как он вычисляется?
13. Как вычисляются параметры сглаживания для обоих алгоритмов сглаживания?
14. Как получить оценку времени готовности алгоритма экспоненциального сглаживания выдать 1-е сглаженное значение?
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 2
РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. ВЫБОР КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Выбрать комплекс технических средств и сформировать техническую структуру цифровой локальной системы управления (вариант соответствует порядковому номеру
списочного состава группы).
Исходные данные.
12
1.
Описание объекта управления и его параметры, представленные в ПРИЛОЖЕНИИ 1 к настоящему ДЗ;
2.
Выбрать параметры регулятора и значения ε i , ε i 1 , ε i  2 , ε i 3 ;
3.
диапазон регулирования
4.
требуемая точность y тз .
Dy ;
и y тз необходимо взять из описания объекта управления (см. ПРИЛОЖЕНИЕ
1 к настоящему ДЗ).
Исходные данные свести в таблицу:
Dy
Таблица исходных данных в соответствии с вариантом №___
K o  K oy Toy , с
 oy , с
K рег Tи , с
Tд , с
ε i , ε i 1, ε i  2 , ε i 3 D y
y тз
Методика выполнения ДЗ №2
1. Выбрать датчики, необходимые для управления в нормальном режиме работы и контроля по предаварийным ситуациям [2-4].
2. Рассчитать требуемую разрядность АЦП и ЦАП [лекции 2010г.].
2
3. Рассчитать погрешность на входе микроконтроллера  вх
[лекции 2010г.].].
4. Оценить допустимую точность вычисления управляющего воздействия, принимая
   , равным 0.3 [лекции 2010г.].].
5. Задавая дополнительное число разрядов АЛУ микроконтроллера d  4 , рассчитать погрешность округления на шаге T0 [лекции 2010г.].].
6. Оценить величину трансформированной погрешности при вычислении кода управления на шаге T0 , положив коэффициент ослабления помех  , равным 1 [лекции
2010г.].].
7. Оценить погрешность метода на шаге T0 [лекции 2010г.].].
8. Сравнить погрешность вычисления кода управления с допустимой, полученной в п.4.
При нарушении условия
u ≤ σuдоп
(1)
определить, какая из погрешностей оказывает наибольшее влияние на результат вычисления:
- погрешность округления: для её уменьшения необходимо увеличить значение d
так, чтобы результат был кратен байту,
- погрешность трансформированная: для её уменьшения следует ввести значение
коэффициента ослабления  таким, чтобы условие (1) выполнялось,
- погрешность метода. Если вычисление интеграла было выполнено по формуле
прямоугольников, а для определения производной использовалось одно слагаемое ряда
еk 
1 
1 2
1 3

еk   еk   еk  ... (ek   k ),
Т0 
2
3

то для уменьшения этой погрешности необходимо, прежде всего, если позволяет
быстродействие, уменьшить шаг T0 , затем при необходимости перейти к более точным
формулам вычисления интеграла и производной.
Примечание. В любом случае следует перепроверить выполнение условия (1).
13
9. По результатам расчетов выбрать модули ввода, вывода и микроконтроллер (см.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 в ДЗ №2) Составить структурную схему комплекса технических
средств для управления и контроля заданным объектом.
10. Проверить выбранные технические средства по быстродействию, т.е. по обеспечению
условия
Tвыч  Tпреоб  TАПД  T0 .
(2)
В условие (2) введены следующие компоненты:
Tвыч - время вычислений в микроконтроллере, для заданных алгоритмов оно пренебрежимо мало,
Tпреоб - время преобразований аналоговых сигналов в цифровой код,
TАПД - время, затрачиваемое аппаратурой передачи данных на передачу информации
от объекта управления к контроллеру и обратно.
Содержание отчета по ДЗ 2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Постановка задачи.
Критерий выбора КТС.
Формулы и расчеты основных параметров КТС и погрешностей вычислений.
Перечень выбранных КТС с их техническими характеристиками.
Структурная схема управляющего устройства.
Выводы и замечания.
Контрольные вопросы
1. Какова техническая структура управляющего устройства?
2. Каковы критерии выбора комплекса технических средств (КТС) должны быть заложены при проектировании АСУТП?
3. Как выбрать датчик? Какие исходные данные должны учитываться при его выборе?
4. Как рассчитать величину разрядности модуля ввода/вывода?
5. Назовите погрешности, возникающие при вычислениях в контроллере? Как оценить каждую из них?
6. Какова должна быть разрядность контроллера?
7. Как проверить обеспечение требуемого быстродействия разработанным управляющим устройством?
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины “Интегрированные системы проектирования и управления”
а) основная литература:
1. Схиртладзе А.Г. Интегрированные системы проектирования и управления: учебник
для студ. высш. учеб. заведений / А.Г. Схиртладзе, Т.Я. Лазарева, Ю.Ф. Мартемьянов. –
М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 352 с.
2.Пьявченко Т.А. Практикум по автоматизированным информационно-управляющим
комплексам и системам. Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 88 с.
3. Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе TRACE MODE. Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. –262 с.
4. Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие
системы: Учебное пособие. – Таганрог: ТРТУ, 2006. 268с.
б) дополнительная литература:
5. Пьявченко Т.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами и техническими объектами: Учебное пособие. Таганрог; ТРТУ.1997. 128с.
6. Плетнев Г.П. Автоматизированные системы управления объектами тепловых элек14
тростанций: Учебник для вузов. – М.: Изд-во МЭИ, 1981; 2-е изд., перераб. и доп. 1995.
352 с.
7. Деменков Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. Учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2001г. 326 с.
8. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. Ежемесячный научнотехнический и производственный журнал.
9. Приборостроение и средства автоматизации. Энциклопедический справочник. Ежемесячный журнал.
10. Современные технологии автоматизации. Ежеквартальный журнал.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП на базе SCADA системы TRACE MODE
на учебном тренажерном стенде. http://sau.favt.tsure.ru
2. Исполнительная SoftLogic система MasterSCADA для программирования контроллеров. http://www.masterscada.ru
3. TRACE MODE 6 SOFTLOGIC: программирование контроллеров.
http://www.adastra.ru.
4. Научно-исследовательская лаборатория автоматизации производства (НИЛ АП). г.
Таганрог. http://www.rlda.ru.
Вопросы для контроля самостоятельной работы, обучающегося по отдельным
разделам дисциплины «Интегрированные системы проектирования и управления».
Контрольные вопросы по идентификации объекта управления
1. Какие методы идентификации по разгонной характеристике Вам известны? Их краткая характеристика. В чем отличие ОУ1 и ОУ2 от ОУ3? Какова размерность параметров моделей объектов управления.
2. Какие модули промышленной автоматики применяются в учебном лабораторном стенде? Каковы их назначение и характеристики?
3. Какова мощность используемых нагревателей?
4. Назначение OPC-сервера, процедуры его создания. Назначение программной системы NLopc. Как открыть её главное окно? Как создать
образы устройств, подключенных к COM порту? Назначение конструктора пространства имен. Разновидности тегов и процедуры их создания.
5. Особенности создания тренда и его характеристик. Организация кнопки
«Пуск».
6. Как осуществить автопостроение каналов АРМ?
7. Как представить каналы «Температура» и «Пуск» в виде «источник/приемник»?
8. Как выполнить привязку тегов проекта к тегам устройства ввода-вывода
в программе NLорс?
Контрольные вопросы к разработке проекта АСУ процесса нагрева на базе учебного
стенда
1.
2.
3.
4.
5.
Объясните переход от аналогового алгоритма ПИД-регулятора к дискретному.
Охарактеризуйте процедуру создания экрана «от шаблона».
Как для «АРМ диспетчера» назначаются необходимые аргументы, задаются их имена, тип данных, значения по умолчанию, привязки, флаги?
Каким аргументам назначается тип IN, а каким OUT или IN\OUT?
Как на экране разместить ГЭ «Тренд» и задать кривым цвет, толщину линий, интервалы выводимых значений?
15
Назначение широтно-импульсного модулятора.
Каковы особенности создания компонентов источников/приемников для обмена по
протоколу OPC?
8. Как выполняются привязки аппаратных средств ввода/вывода к каналам?
9. Как осуществляется назначение передачи информации между каналами?
10. Чем отличаются обозначения канала, к которому привязывается какой-либо канал
от канала, с которого осуществляется привязка?
11. Почему созданная АСУТП может быть отнесена к 2-уровневой?
6.
7.
Контрольные вопросы к разработке проекта АСУ процесса нагрева на базе персонального компьютера и SCADA-системы TRACE MODE
1. Назначение OPC-сервера, процедуры его создания.
2. Назначение программной системы NLopc. Как открыть её главное окно?
3. Назначение сервера NLopc. Как создать образы устройств, подключенных к COM порту?
4. Назначение конструктора пространства имен. Разновидности тегов и процедуры их
создания.
5. Какие компоненты входят в древовидную структуру проекта в SCADA-системе Trace
Mode? Их назначение.
6. Как создается экран по принципу «от шаблона»?
7. Особенности создания тренда и его характеристик: цвет линий, название, диапазон изменения параметров.
8. Какой компонент из структуры проекта в SCADA-системе следует вызвать для создания АРМ?
9. Как осуществить автопостроение каналов АРМ?
10. Создание статических и динамических форм отображения для ввода задания и параметров регулятора.
11. Как представить каналы «Температура» и «Управление» в виде «источник/приемник»?
12. Как выполнить привязку тегов проекта к тегам устройства ввода-вывода в программе
NLорс?
13. Как организовать взаимодействие компонентов проекта в SCADA-системе?
14. Как создать шаблон FBD–программы?
15. Как проверить правильность созданной FBD–программы?
Контрольные вопросы по организации архивирования и отчета тревог, по созданию
мнемосхемы проекта АСУТП в SCADA-системе TRACE MODE 6
Как задаются параметры архивов?
Как формируются сообщения в отчет тревог?
Как указываются направления посылки сообщения?
Назначение редактора представления данных. Его основные компоненты.
Как задать настройки узла АРМ?
Для чего служат панели статических и динамических элементов?
Как установить реальное время и дату?
Как задаются привязки и атрибуты при отображении на мнемосхеме отдельных элементов технологического процесса?
9. Какую функцию выполняют дополнительно созданные FBD-программы?
10. Как организовать непрерывное регулирование температуры?
11. Какие атрибуты должны быть у кнопок параметров регулятора и объекта, чтобы оператор мог изменять их значения с клавиатуры?
12. Как создать тренд графиков изменения технологических переменных?
13. Как поместить на экран отчет тревог и просмотреть его в реальном времени?
14. Как осуществить связь между ПК, на которых установлены узлы MicroRTM и RTM?
15. Можно ли создать графику в узле MicroRTM?
16
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
http://www.adastra.ru.
Пьявченко Т.А. Практикум по автоматизированным информационноуправляющим комплексам и системам. Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ
ЮФУ, 2009. – 88 с.
Контрольные вопросы для проведения заключительного контроля.
1. Интегрированная автоматизированная система управления промышленным предприятием. Иерархическая функциональная система ИСУиП.
2. Три уровня управления предприятием.
3. Отличие САУ от АСУ
4. Характеристики технологического процесса как объекта контроля и управления
5. Разновидности структур АСУТП. Примеры
6. Этапы проектирования АСУТП.
7. Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов
8. Изучение объекта управления
9. Укрупненная структурная схема 2-х уровневой АСУ процесса нагрева. Задачи, реализуемые на учебном стенде АСУ процесса нагрева.
10. Структурная и принципиальная (выдается) схемы учебного стенда.
11. Методы идентификации объекта управления.
12. Расчет параметров ПИ закона управления для ОУ без запаздывания.
13. Расчет параметров ПИ закона управления для ОУ с запаздыванием.
14. Расчет параметров ПИД закона управления для ОУ с запаздыванием.
15. Механизм OPC для связи аппаратных модулей с каналами узлов проекта в SCADA
системе.
16. Получение алгоритма ПИД закона управления в разностной форме.
17. ПИД закон управления в разностной форме при использовании ШИМ. Временная
диаграмма сигнала с времяимпульсной модуляцией (см. справку Trace Mode).
18. Модель ЦАС. Зависимость показателей качества ЦАС от шага квантования по времени.
19. Модель ЦАС. Зависимость показателей качества ЦАС от величины кванта по
уровню.
20. Структура АСУТП. Подсистема сбора и первичной обработки информации.
21. КТС подсистемы сбора и первичной обработки информации. Пример.
22. Выбор датчиков подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов.
23. Выбор модулей ввода/вывода подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов.
24. Оценка аппаратной погрешности на входе микроконтроллера.
25. Блок-схема подпрограммы ввода аналоговых сигналов с опросом датчиков по методу последовательной таблицы.
26. Алгоритмическое обеспечение подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Пересчет в технические единицы.
27. Алгоритмическое обеспечение подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов. Проверка на технологические границы.
28. Проверка на достоверность для математического ожидания технологической переменной, не изменяемого во времени.
29. Проверка на достоверность для математического ожидания технологической переменной, изменяющегося во времени с постоянной скоростью.
30. Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна.
31. Алгоритм экспоненциального сглаживания.
32. Вариант блок-схемы программы сбора и первичной обработки аналоговой информации.
33. Ввод и обработка дискретных сигналов.
17
34. Подсистема управления. Организация управления аналоговым объектом.
35. Управление мотором методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
36. Преобразователь код/временной интервал
37. Характеристики многорежимных ТП.
38. Оценка погрешностей округления и метода программных модулей.
39. Оценка трансформированной погрешности программного модуля.
40. Оценка трансформированной погрешности при последовательном исполнении программных модулей.
41. Методика выбора комплекса технических средств (модулей ввода/вывода, микропроцессора) исходя из требуемых точности и быстродействия.
42. Предпроектная подготовка при разработке информационно-управляющих систем.
43. Функциональная схема автоматизации ТП .
44. Изображения некоторых средств измерения и автоматизации. Примеры обозначений.
45. Примеры простейших функциональных схем автоматизации и контроля.
46. Чтение функциональных схем на примере УПН.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для чтения лекций используется мультимедийное оборудование.
Практические занятия проходят в лаборатории с реальным макетом теплообменника и
пятью реальными объектами (ОУ) для управления процессом нагрева с одновременным
контролем влажности. Параметры ОУ могут изменяться внесением дополнительных
предметов и влажной губки в замкнутый объем. В качестве датчиков, модулей ввода/вывода, преобразователя интерфейсов используется аппаратура, разработанная в НИЛ
АП http://www.rlda.ru
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки ФАВТ 220700.62 «Автоматизация
технологических процессов и производств»
Автор:
Т.А. Пьявченко к.т.н., доцент, проф. каф. САУ
Рецензент:
В.И. Финаев, д.т.н., проф., зав. каф. САУ
Программа одобрена на заседании УМК ФАВТ от 20.01.2011 года, протокол № 1.
18