Системное и программное обеспечение

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|Обозначение |Паспортные|Характеристи|Дополнительна|

|. | |или маркер | |ки. |я |

| |прибора. |прибора. |данные. | |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([pic].

1. Определение шага или интервала дискритизации.

[pic]

Для обработки выборки N необходимо определить шаг дискретизации:

[pic]

(T– может быть равномерным и неравномерным.

Существуют разработанные алгоритмы и программы определяющие (T. Программы

входят в состав стандартной библиотеки программ.

2. Отбраковка ложных промахов (выбросов).

[pic]

Если значение Р не попадает в [pic] , 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:

[pic]

Сжатие–выборка:

[pic]

При НС совокупность значений Р1—Рn заменяется на1 значение Рср, которое

запоминается, а предыдущая совокупность Р1—Рn стирается.

КС (ложнообратимое):

[pic]

При КС назначается значение разброса параметра

Р—(Р. Проводится расчет Рср и запоминается два значения: Рср и (Р.

Предыдущая совокупность Р1—Рn 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

( функция [pic].

X Y Неизвестно Х берем [pic]– обратная

градуеровочная функция.

По этой функции строится градуеровочная таблица:

Y X Хранить эти таблицы на практике неудобно и

громоздко ( вместо таблицы –

. . полиномы n– степени. Эти полиномы реализованы

в виде программ и на Паскале их

. . объем достигает 40–60 строк.

. .

5. Интерполяция и экстраполяция.

[pic]

Интерполяция используется для нахождения промежуточного (прошлого) значения

параметра Р.

Различают: прямую, ступенчатую, параболическую, квадратичную интерполяцию.

[pic]

Экстраполяция используется для нахождения будущих (последующих) значений.

Рmax – 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:

[pic]

ОУ [pic]– аварийное значение.

[pic]; i– дискретное время

Проблема: (х– может быть const или (.

На практике:

а) либо (х 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.

[pic] ; [pic] ; [pic]

Данный способ является более грубым по сравнению с предыдущим.

На практике (когда объект не меняем):

[pic]

3. Стохостическая аппроксимация.

[pic] ; [pic] ; [pic] ;

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:

[pic]

, (1) уравнение динамики

, (2) уравнение наблюдения (измерения)

i– дискретное время

[pic]

[pic] – это вектор–столбцы параметров процесса объекта системы

(Соответственно моменты времени i и i+1 размерностью [1*n]);

Ai ,i+1 – Известная квадратная матрица перехода процесса объекта системы

из состояния в момент времени i в состояние момента времени i+1

размерностью [n*n];

[pic]– Векторный столбец возмущающих воздействий (помех) в момент времени

i+1, размерностью [1*n];

[pic]– Вектор столбец в параметрах наблюдения или измерения в момент

времени i+1, размерностью [1*m];

Bi+1 – Известная матрица наблюдения или измерения в момент времени i+1,

размерностью [m*n];

[pic]– Вектор столбец возмущающих воздействий наблюдения измерения в момент

времени i+1, размерностью [1*m];

m(n;

В этой системе уравнений неизвестной являются его компоненты вектора

столбца [pic]. Остальные предполагаются либо известными, либо определяются

каким-то образом. На практике n(10 в противном случае вычисления громоздки.

Пример: Измеряется плавно меняющийся параметр, которым нужно управлять (с

заданной погрешностью).

[pic], ( – коэффициент

В данной системе учитываются только аддитивные ошибки.

Для учета, наряду с учетом аддитивных ошибок и мультипликативных ошибок

система принимает вид:

[pic]

[pic]– известная квадратная матрица учета мультипликативных ошибок

размерностью [m*n];

[pic]– 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.

[pic]

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:

[pic]

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 (

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:

[pic]

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:

[pic]

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:

[pic]

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:

[pic]

Д– первичный преобразователь.

У– усилитель.

Н– нормализатор.

Способы управления:

а) определение шага дискретизации;

б) отбраковка ложных промахов;

в) цифровая фильтрация;

г) интер–экстрополяция.

3. Математическая постановка задачи.

[pic]

Способ управления– стохостической аппроксимации.

[pic]

Вместо yi используют y из RND с учетом распределения Гаусса.

yсл [pic]; (> – больше

аварийного.

Пример: Построение математической модели стохастического типа.

В процессе функционирования АСУ получены 100 замеров плавноменяющегося

параметра Р. Замеры проводились в течении 10 секунд равномерно (т.е. каждую

секунду). Наибольшее отклонение параметра Р от его некоторого среднего

значения Рср , не превышают 10% т.е. задана погрешность. Погрешность

измерения параметра – 5%. Какой вид будет иметь стохастическая модель в

виде системы двух конечноразностных уравнений (динамики и измерения).

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]; [pic]– дискретизация.

(Р– берем либо из условия задач или через большее значение.

Построение баз данных.

База данных (БД)– совокупность взаимосвязанных данных хранящихся в памяти

ЭВМ, вводятся, хранятся, просматриваются, обрабатываются, а также выводятся

на экран.

Существует два способа создания базы данных:

а) Позадачный– каждая задача работает со своей совокупностью данных;

б) с использованием систем управления БД (СУБД).

[pic]

Имеем БД, СУБД, задачи (прикладная программа 1,2, ... , n) работает сразу

со всеми задачами.

СУБД выполняет двоякую функцию:

а) является инструментальным средством (средой), создания, разработки,

программирование БД;

б) обеспечивает эксплуатацию БД.

Современные СУБД можно классифицировать на следующие классы:

а) электронные таблицы (Super Calc /MSDOS/, Excel /Windows/)

Первый класс СУБД используется для решения небольших по объему (V) и

несложных по выполнению задач.

Функциональные возможности электронных таблиц:

— написание, корректировка и другая работа с текстом (т.е. имеют свой

встроенный редактор);

— проведение расчетов и вычислений с помощью общепринятых арифметических,

логических операций и встроенных функций (sin, cos, tg, ctg).

— работа в режиме псевдографики, т.е. создание столбцовых, прямоугольных,

круговых, линейчатых, зонных и других диаграмм.

— работа со встроенной БД реалиционного типа.

Страницы: 1, 2