Локальные сети. Топология сетей. Сетевые устройства.

Основные понятия систем управления и автоматизации. Постановка задачи управления и регулирования.

Одной из самых главных особенностей современной научной и технической деятельности является подход к объектам исследования и проектирования как к системам. При определения некоторого объекта как системы предполагается наличие: 1) объекта (системы), состоящего из множества элементов и их свойств, которые рассматриваться, как единое целое благодаря связям между ними и их свойствами; 2) исследователя и, выполняющего любую целенаправленную деятельность (исследовательскую, проектную, организационную и др.); 3) задачи, с точки зрения решения которой исследователь определяет некоторый объект как систему; 4) языка, на котором исследователь может описать объект, свойства его элементов и связи.

Элементы ‑ это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства ‑ качества позволяющие, описать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуют совокупность параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражаются лишь качественно.

Связи ‑ это то, что соединяет элементы и свойства.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих элементов.

Таким образом, система ‑ это не сумма составляющих ее частей, целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Понятие «Система» ограничивает множество элементов. Предполагается, что за пределами системы существует множество элементов, за пределами системы, с которыми она взаимодействует, что называется внешней средой.

Существует понятие иерархии систем. Каждая система может рассматриваться либо как подсистема или элемент некоторой, более крупной системы, либо как совокупность элементов, допустимо определить как систему.

Моделью системы называют отображение определенных характеристик объекта с целью его изучения. Любая исследовательская или проектная деятельность связана так или иначе с построением модели. Модель позволяет выделить из всего многообразия проявлений изучаемого объекта лишь те, которые необходимы с точки зрения решаемой проблемы, т.е. модель ‑ не точная копия объекта, а отражение определенной части его свойств. Поэтому центральной проблемой моделирования является разумное упрощение модели, т.е. выбор степени подобия модели и объекта.

Любой целенаправленный процесс представляет собой организованную совокупность операций, которые условно можно разделить на две группы: рабочие операции и операции управления.

Рабочие операции ‑ это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой и законами, определяющими ход течения процесса.

Для достижения цели процесса рабочие операции должны организовываться и направляться действиями другого рода ‑ операциями управления. Совокупность операций управления образуют процесс управления. В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления и управляющего органа

Обобщенная структура системы управления

Объект управления представляет собой открытую систему, значит, находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Влияние внешней среды на объект управления, как правило, носит неконтролируемый характер и выражается в случайном изменении его состояния. Воздействие окружающей среды на объект управления называется возмущающим воздействием.

Задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти такие вектор управления и вектор состояния, которые обеспечат достижение цели управления, согласно какого-то критерия управления.

На практике достижение точного значения цели управления обеспечить трудно, а часто не требуется. Достаточно, чтобы модуль разности между достигнутым значением показателя цели управления J^k и значением J не превышало некоторое значение заданной величины d, т.е

В некоторых случаях задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти и реализовать функциональную зависимость (алгоритм управления) ,обеспечивающих наилучшее приближение к заданному значению критерия управления.

Задача упрощается, если цель управления задается как вектор желаемого состояния х *(t), т.е. план и программа управления известны и могут быть сообщены системе заранее. Критерий управления формулируется следующим образом

                                         (1)

Это частный случаем задачи называется задачей регулирования. Строго задача регулирования формулируется следующим образом: полагая заданным х *(t), найти закон регулирования ,который обеспечивает экстремум критерию (1)

Процесс управления условно можно разбить на совокупность следующих функций:

‑ планирование и определение программы управления;

‑ контроль;

‑ формирование управляющих воздействий или принятия решения;

‑ реализаци управляющего воздействия или решения.

Определение программы управления (планирования) заключается в выработке траектории решения системы х *(t) в пространстве параметров его состояния.

Контроль состоит в измерении значений компонентов вектора состояния х (t) и определении вектора ошибки e (t).

Формирование управляющего воздействия (принятия решения) заключается в определении значений управляемых переменных, приводящих объект управления в желаемое состояние.

Реализация управляющих воздействий ‑ это непосредственно физическое воздействие на объект управления.

Функциональная схема системы управления

 

Схема системы регулирования

 

 

 

Типы входных сигналов.

Термин "переходный процесс" может означать реакцию системы регулирования на любой тип входного сигнала, однако, как правило, в качестве входного сигнала принимается ступенчатое возмущение заданного значения или нагрузки. Ступенчатое возмущение в качестве входного сигнала применяется потому, что для него легче получить аналитическое выражение кривой переходного процесса, чем для какого-либо иного возмущения. Реакция системы на ступенчатое возмущение показывает, какая максимальная ошибка имеет место при данном произвольном изменении нагрузки. Ступенчатые являются, кроме того, одним из наиболее тяжелых видов возмущений.

Если сравнивать несколько систем регулирования или работу системы регулирования с разными значениями параметров настройки на одном и том же объекте, то система или регулятор, которые наилучшим образом реагируют на ступенчатое изменение нагрузки, будут, как правило, наилучшим образом реагировать и на случайное изменение этого параметра (в тоже время встречаются в реальном производстве системы регулирования постоянно подверженные определенным возмущений, например коротко импульсным, волновым, для которых лучше использовать другие тестовые сигналы.

Если требуется очень высокое качество работы системы, то следует определить реакцию системы на возмущающее воздействие с постоянной скоростью, на импульсное и синусоидальное воздействие или на возмущения иной формы; это исследование может оценить возможности системы регулирования. При работе системы в режиме слежения возможны типы изменения входных сигналов обычно известны, при работе же в режиме стабилизации характер флуктуаций нагрузки при проектировании систем регулирования трудно даже оценить. При отсутствии подобной информации оценка возможного поведения системы обычно базируется на реакции системы на ступенчатое возмущение, а в некоторых случаях и на гармоническое возмущение.

Объект управления это динамическая система, параметры которой меняются под воздействием управляющих и возмущающих воздействий. Система является объектом управления (регулирования), когда имеет параметры, которые можно целенаправленно менять для достижения какого-то результата.

1. Управляющее воздействие - это группа параметров изменение которых, изменением которых оказывается целенаправленное влияние на объект.

2. Возмущающее воздействие - это переменные, изменение которых не связаны с воздействием системы на объект. Возмущающие воздействия отражают влияние внешних условий и изменений самого объекта. Источником возмущений является среда, как физическая, так и информационная. Возмущающие воздействия делятся на внешние и внутренние. Например изменение параметров тепловых и материальных потоков подводимых к системе и т. д. Внутренними ‑ изменение свойств объекта с течением времени. Наиболее опасными являются чаще всего внешние возмущения, т.к. они носят случайный характер и могут изменятся ступенчатые характеристики. Внутренние возмущения в большинстве случаев могут быть достаточно точно определены, что позволяет вводить в систему дополнительные контура улучшающие качество регулирования.

Одним из существенных возмущений является изменение нагрузки. Под нагрузкой понимают количество вещества или энергии проходящее в единицу времени.

Классификация:

Объекты управления характеризуются различными признаками. Некоторые из них присущи в той или иной степени всем объектам, а некоторые характеристики индивидуальны и используются в качестве классификационных признаков

1)  одномерные объекты (имеют один входной и выходной параметр);

2)  многомерные объекты (имеют несколько контролируемых параметров);

3)  Объекты сосредоточенными параметрами -- это объекты имеющие одинаковы значения в данный момент по всему объекту (объекты в плоскости)

4)  Объекты с рассредоточенными параметрами

Еще одна классификация ‑ уравнение описания объекта, объекты могут быть:

 одноемкостные; многоемкостные;

Общими для всех объектов является следующие признаки:

запаздывание; емкость; самовыравнивание;

Объекты бывают: Устойчивые, неустойчивые, нейтральные

 

Запаздывание ‑ выражает свойства системы, передавать сигнал со входа на выход не сразу, а через некоторый промежуток времени при этом характеристика сигнала не изменяется. Различают чистое запаздывание(транспортное) и емкостное (переходное). Чистое запаздывание встречается редко, его можно определить как отношение относительной длины объекта к скорости потока энергии или массы в объекте. Емкостное запаздывание присуще всем объектам.

Предел пропорциональности регулятора ‑ это диапазон шкалы, выраженных в процентах при изменении в пределах которого Dy (регулируема величина) исполнительного механизма m перемещается из одного крайнего положения в другое.

Емкость ‑ это свойство объекта накапливать (сохранять) вещество или энергию. Она характеризует инерционность. От величины емкости зависит скорость изменения выходной величины при изменении входной. Количественно емкость описывается коэффициентом связывающим входную величину со скоростью изменения выходной.

Локальные сети. Топология сетей. Сетевые устройства.

Информационный обмен между различными уровнями уп­равления, их интеграция в единую систему осуществляются по­средством локальных вычислительных сетей. Локальные вычисли­тельные сети представляют собой системы распределен­ной обработки данных, охватывающие относительно небольшие территории (до 5-10 км) внутри отдельных предприятий и объ­единяющие с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов. Локальные вычислительные сети могут подключаться к другим локальным, а также региональным и глобальным сетям ЭВМ. Преимущества интегрированных систем для автоматизи­рованных производств - снижение затрат материалов и времени производственного цикла.

Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физичес­кую и логическую связь между распределенными промышленны­ми контроллерами, измерительными преобразователями и ис­полнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальны­ми промышленными сетями (Ficldbus — «полевая» шина). Основ­ными требованиями к вычислительным сетям, эксплуатирую­щимся в промышленных условиях, являются простота монтажа, высокая надежность и высокая скорость передачи данных.

Топологии сетей

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надеж­ность. Основными топологиями являются шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star).

При построении вычислительных сетей используются два ва­рианта подключения сетевых устройств: радиальное и магист­ральное. Радиальное соединение между двумя сетевыми устройст­вами (ЭВМ, ПК и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface). Магистральное соединение сетевых уст­ройств, при котором они независимо выхолят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multi­point).

Наиболее простыми и распространенными являются сети с топологией типа шина (магистраль). Для объединения группы ус­тройств в сеть здесь применяется единый кабель. Кабель имеет несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройства­ми. Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройст­во может передавать данные только в том случае, если другие «молчат». Сеть с такой топологией отличается легкостью расши­рения, однако чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее производительность (сетевой абонентский узел - это ЭВМ, ПК. панель визуализации и т.д.). Основной недостаток этой тополо­гии заключается в том, что выход из строя магистрального кабе­ля влечет за собой остановку всей сети. В то же время выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

В топологии типа кольцо информация передается от узла к уз­лу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел переда­ет информацию только одному из узлов. Тип соединения - точ­ка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, реге­нерируя полученную информацию. К передатчикам и приемни­кам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широ­ковещательных конфигурациях, где передаваемые данные полу­чают все узлы сети. На различных участках сети могут использо­ваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология типа звезда предполагает, что все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к цент­ральному концентратору или контроллеру.

Тип соединения точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надеж­ностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического ка­нала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на ра­ботоспособность остальной сети.

Сетевые устройства

Основными специализированными сетевыми устройствами, используемыми в локальных сетях, являются:

• трансивер (tranceiver) — приемопередатчик, который служит для подключения сетевого узла к основной магистрали сети из коаксиального кабеля или оптоволокна;

•концентратор (hub) - используется при создании инфраструк­туры сети. Соединяет сегменты кабеля, восстанавливает и уси­ливает передаваемый сигнал;

•интеллектуальный концентратор (switcher) - обладает возмож­ностью коммутировать приходящие пакеты, т.е. ретранслиро­вать их но сегментам, выделенным на основе анализа адресной информации. Трансивер и концентратор реализуют функции физического уровня OSI-модели;

•мост (bridge) - интеллектуальное устройство, которое служит для соединения двух различных сетей, например Profibus и Ethernet. Реализует функции канального уровня OSI-модели. Передает пакеты из одной сети в другую по адресу назна­чения:

•маршрутизатор (rouler) - используется в сложных сетях в точ­ках разветвления маршрутов для определения дальнейшего на­илучшего пути пакета, функционирует на сетевом уровне OSI-модели. В качестве маршрутизатора может использоваться сете­вая станция, имеющая несколько сетевых интерфейсов и соот­ветствующее программное обеспечение.

Каждый из узлов сети содержит сетевой адаптер (плату или микросхему интерфейсного контроллера) для сопряжения сети со средой передачи данных. Организация физической и логичес­кой связи по сети регламентируется протоколом, который уста­навливает базовые правила реализации сети и обмена данными между ее абонентами. Сетевой адаптер поддерживает соответст­вующий протокол. Сетевые адаптеры реализуют функции физи­ческого и канального уровней OSl-модели.

В функции сетевого адаптера входят:

•контроль возможности доступа к сети;

•идентификация адреса:

•кодирование и декодирование сигнала;

•преобразование параллельного кола в последовательный и обратное преобразование соответственно при передаче и приеме;

•промежуточное хранение данных в буферной памяти;

•контроль ошибок.

  

           

Основные понятия систем управления и автоматизации. Постановка задачи управления и регулирования.

Одной из самых главных особенностей современной научной и технической деятельности является подход к объектам исследования и проектирования как к системам. При определения некоторого объекта как системы предполагается наличие: 1) объекта (системы), состоящего из множества элементов и их свойств, которые рассматриваться, как единое целое благодаря связям между ними и их свойствами; 2) исследователя и, выполняющего любую целенаправленную деятельность (исследовательскую, проектную, организационную и др.); 3) задачи, с точки зрения решения которой исследователь определяет некоторый объект как систему; 4) языка, на котором исследователь может описать объект, свойства его элементов и связи.

Элементы ‑ это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми.

Свойства ‑ качества позволяющие, описать систему и выделять ее среди других систем. Свойства характеризуют совокупность параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражаются лишь качественно.

Связи ‑ это то, что соединяет элементы и свойства.

Целостность системы проявляется в том, что ее свойства могут качественно отличаться от свойств составляющих элементов.

Таким образом, система ‑ это не сумма составляющих ее частей, целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы.

Понятие «Система» ограничивает множество элементов. Предполагается, что за пределами системы существует множество элементов, за пределами системы, с которыми она взаимодействует, что называется внешней средой.

Существует понятие иерархии систем. Каждая система может рассматриваться либо как подсистема или элемент некоторой, более крупной системы, либо как совокупность элементов, допустимо определить как систему.

Моделью системы называют отображение определенных характеристик объекта с целью его изучения. Любая исследовательская или проектная деятельность связана так или иначе с построением модели. Модель позволяет выделить из всего многообразия проявлений изучаемого объекта лишь те, которые необходимы с точки зрения решаемой проблемы, т.е. модель ‑ не точная копия объекта, а отражение определенной части его свойств. Поэтому центральной проблемой моделирования является разумное упрощение модели, т.е. выбор степени подобия модели и объекта.

Любой целенаправленный процесс представляет собой организованную совокупность операций, которые условно можно разделить на две группы: рабочие операции и операции управления.

Рабочие операции ‑ это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой и законами, определяющими ход течения процесса.

Для достижения цели процесса рабочие операции должны организовываться и направляться действиями другого рода ‑ операциями управления. Совокупность операций управления образуют процесс управления. В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления и управляющего органа

Обобщенная структура системы управления

Объект управления представляет собой открытую систему, значит, находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Влияние внешней среды на объект управления, как правило, носит неконтролируемый характер и выражается в случайном изменении его состояния. Воздействие окружающей среды на объект управления называется возмущающим воздействием.

Задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти такие вектор управления и вектор состояния, которые обеспечат достижение цели управления, согласно какого-то критерия управления.

На практике достижение точного значения цели управления обеспечить трудно, а часто не требуется. Достаточно, чтобы модуль разности между достигнутым значением показателя цели управления J^k и значением J не превышало некоторое значение заданной величины d, т.е

В некоторых случаях задачу управления можно сформулировать следующим образом: найти и реализовать функциональную зависимость (алгоритм управления) ,обеспечивающих наилучшее приближение к заданному значению критерия управления.

Задача упрощается, если цель управления задается как вектор желаемого состояния х *(t), т.е. план и программа управления известны и могут быть сообщены системе заранее. Критерий управления формулируется следующим образом

                                         (1)

Это частный случаем задачи называется задачей регулирования. Строго задача регулирования формулируется следующим образом: полагая заданным х *(t), найти закон регулирования ,который обеспечивает экстремум критерию (1)

Процесс управления условно можно разбить на совокупность следующих функций:

‑ планирование и определение программы управления;

‑ контроль;

‑ формирование управляющих воздействий или принятия решения;

‑ реализаци управляющего воздействия или решения.

Определение программы управления (планирования) заключается в выработке траектории решения системы х *(t) в пространстве параметров его состояния.

Контроль состоит в измерении значений компонентов вектора состояния х (t) и определении вектора ошибки e (t).

Формирование управляющего воздействия (принятия решения) заключается в определении значений управляемых переменных, приводящих объект управления в желаемое состояние.

Реализация управляющих воздействий ‑ это непосредственно физическое воздействие на объект управления.

Функциональная схема системы управления

 

Схема системы регулирования