Синхронные системы управления


Статус статьи

Не проверено экспертами


Назначение



Общие сведения

Технологический рывок IT - технологий, микропроцессоров, систем связи насыщает рынок новыми высокотехнологичными продуктами. Механические и гидравлические системы прошлого уступают место электронно-электрическим системам с цифровым управлением. Современные полупроводники и IT – технологии задают высокий темп развития целому ряду отраслей экономики. Ежегодно создаются новые технологии цифровых коммуникаций, электронное оборудование и новые стандарты связи.

Реальная ценность цифровых коммуникаций состоит в решении технических задач мониторинга и управления. Системы связи должны дополняться эффективными системами сбора и обработки данных. Только в этом случае инженеры получают технически актуальный инструмент для своей работы. Основа для создания множества технических инноваций – это реализация эффективных систем управления.

Наиболее результативными являются системы управления, которые не меняя физических свойств самих узлов в системе, изменяют характер взаимодействия узлов между собой. При этом скорость процессов управления должна быть примерно на порядок выше скорости технических процессов в системе. Если это условие нарушается, то система управления «де факто» превращается в систему мониторинга, которая не успевает за динамикой работы обслуживаемых ей узлов.

Существует технический парадокс, когда в термин «управление» вкладывается смыл наблюдения слежения за узлами, регистрации единичных событий. Широко распространены SCADA – системы управления, где высокие технические ресурсы системы замкнуты в конечном итоге на время реакции человека - оператора. Наибольшую практическую пользу инженерам приносят современные автоматические системы управления, которые будут рассмотрены в этой статье.

Асинхронные системы управления: увидеть прошлое

Асинхронные системы управления базируются на нескольких основных принципах. Как правило, в таких системах есть единичные интеллектуальные блоки с правом обработки информации и выдачи команд управления. Остальные блоки выполняют функцию сбора и передачи данных по запросу интеллектуальных блоков (СU – control unit). Эта техническая специфика взята из компьютерной техники, где есть компьютер и подчинённые ему периферийные устройства IT-сети.

В асинхронных системах управления время между запросом СU на информацию и её получением от его периферии не лимитировано. Данные в асинхронных системах не связаны со временем, управление идёт «по событию». В таких сетях нужна очень большая скорость передачи данных. Объём служебной информации в асинхронном сообщении составляет большую величину до 72%, как например в CAN системах.

Несмотря на широкий охват рынка такими системами, они «видят» неточную, размытую картину событий. При анализе асинхронной системы видно, что между процессом измерения данных и срабатыванием актюатора происходит большая неконтролируемая временная задержка. {960}x{720}px

Фактически актюаторы асинхронной системы работают на основе данных уже прошедшего «события». Поскольку информация в асинхронном управлении опаздывает со случайной величиной задержки, то использование таких систем ограничено. Этот способ управления подходит для медленных процессов, релейного управления и самых простых систем, где большая ошибка не разрушает саму систему. Например, для климат – контроля салона автомобиля, где изменения температуры салона идут десятки минут, а ошибка системы на 2-3 градуса технически допустима.

Для внедрения сложных систем управления с несколькими блоками обработки данных (CU) существенным является то, что в разных CU информация обрабатывается с разной скоростью. Процесс обмена данными между несколькими асинхронными СU растягивается до момента обработки данных самым медленным блоком CU. В автоиндустрии это приводит к необходимости введения дополнительной линии связи между блоками асинхронных CU – коммуникациям Flex Ray c синхронизацией этого потока данных.

Резюме

Ограниченная рациональность асинхронных систем помимо точности, заключается в проблеме реализации сложных, многокомпонентных систем управления. Технические принципы асинхронных систем управления сокращают диапазон их применения. Полоса пропускания асинхронных систем часто лежит ниже, чем полоса пропускания объекта. Поэтому такие системы «де факто» выполняют функции мониторинга, а не управления объектом.

Синхронные системы управления: взгляд в будущее

Растущая динамика процессов в современной технике даёт запрос на новый тип систем управления, способный управлять объектами и процессами с высокой динамикой. Передовая система управления должна обеспечить контроль за узлами, объектами с высокими скоростями внутренних процессов. Например, в «Умных сетях» электроэнергетики, бортовых системах транспорта, системах накопления энергии и т. п.

Анализ асинхронных систем, как основы для Smart Grid сети приводит к выводу, что это возможно только для мониторинга и регистрации аварийных событий. Для полного контроля энергосетей необходимы синхронные системы управления с малым временным квантом системы на уровне - 10-3 ~10-5 сек. Все процессы съёма данных от узлов, передачи и обработки информации должны укладываться в интервал кванта времени системы.

Временные задержки сенсоров и актюаторов, процесс обработки данных в синхронной системе являются константами и могут быть скомпенсированы. Все остальные процессы точно синхронизированы во временных квантах работы системы.

{960}x{720}px

Точность измерений

Система формирует «цифровой кадр» текущих данных сенсоров и состояния актюаторов за строго заданный интервал времени - квант времени работы системы. Это малый промежуток времени, например, для электротранспорта, он эквивалентен ~10-3 сек. Отличие от асинхронных систем управления в том, в «цифровом кадре» формируется точная, не размытая случайными измерениями картина системы.

Полнота данных

Синхронные системы управления формируют полный поток данных, отражающий текущие состояния всех узлов системы. С одной стороны синхронизация измерений формирует максимальный объём данных от сенсоров. С другой стороны синхронная обработка данных позволяет получить расширенный набор данных: данные прямых измерений и вторичные данные вычислений.

В ряде случаев синхронная система может иметь «виртуальные сенсоры» заменяющие или дублирующие физические устройства измерений. На практике, например за один экспериментальный заезд нового автомобиля можно получить сотни технических параметров, связанных между собой конструкцией автомобиля и временными тактами измерений

Измерение и управление динамикой процессов

Основное преимущество систем реального времени – возможность измерить динамику процессов в узлах. Динамика процессов в системе реального времени – это анализ последовательности получаемых в системе «цифровых кадров». Во временной парадигме идёт управление не только по отдельными параметрами, но и динамикой различных процессов.

Точное измерение динамики процессов позволяет предсказать поведение узлов, систем в будущем. Синхронная система управления способна быть на несколько шагов впереди технического поведения управляемой им системы. За счёт этого разработчики имеют уникальную возможность управлять динамикой работы самых сложных объектов, такого как электрическая подстанция или спутник.

Эффективность работы IT-систем

Система связи является частью системы управления, её эффективность напрямую влияет на технические параметры системы управления и её стоимость. В асинхронных системах структура передаваемых данных вынужденно содержит в себе большой объём служебной информации. Например, для CAN канала связи - примерно 2/3 посылки занимает служебная информация. Эффективность связи с точки зрения передачи значащих данных – 28%.

В синхронных системах связи нет необходимости в передаче адресов узлов и других сервисных данных по каналу связи. В большинстве синхронных каналов связи для его обслуживания используются временные метки, а эффективность связи составляет до 96%. Этот факт показывает, что технико-экономические затраты на передачу 1Bt информации в синхронных системах управления примерно в 2-3раза ниже, чем в асинхронных системах.

Надёжность и устойчивость систем управления

Синхронные системы управления имеют более высокий уровень надёжности по сравнению с асинхронными системами управления. Такие системы способны функционировать при появлении отказов и жёстком воздействии окружающей среды. Синхронные системы управления способны обеспечить высокую робастность для систем для новых образцов техники.

Резюме

Технологии управления в реальном времени - наиболее эффективное направление развития техники. Развитие целого ряда направлений, как например «мехатроника» связано с прогрессом этого типа технологий. Технологии реального времени, как технический продукт являются лидером в пространстве: цена – функционал – качество.

Перспективы развития синхронных систем управления

Активное развитие технологий синхронного систем управления идёт последние 30 лет. Пионером в этом процессе стала аэрокосмическая индустрия, где преимущества этих систем впервые осознаны и использованы в 80-х годах прошлого века. Однако прогресс микроэлектроники и IT-технологий делает эти технологии доступными в широком спектре областей: энергетике, транспорте, системах накопления энергии, системах гибридных и электрических автомобилей.

Можно с уверенностью прогнозировать, что количество стандартов синхронного управления и связи в ближайшем времени будет расширяться. Это прежде всего связано с внедрением Smart Grid технологий, технологий «экологически чистого» транспорта и альтернативной энергетики. Во многом синхронные технологии управления могут ускорить создание вычислительных сетей большой мощности.

Тематика параллельных во времени вычислений не может развиваться без прогресса технологий синхронного управления и связи. Существующие многоядерные системы обработки данных используют «последовательный конвейер» для обработки информации. Это объясняет, почему вычислительная способность таких систем медленно растёт, непропорционально росту числа вычислительных ядер в процессорах.

Ключевым решением по этой тематике может быть применение «синхронного конвейера» для обработки данных. Синхронизация процессов вычислений в нескольких CU, например автомобиля даёт возможность построить распределённый в пространстве единый узел вычислений. В этом мощном узле обработки данных алгоритмы вычислений распределёны на части, выполняющиеся в удалённых друг от друга CU.

Задача синхронной системы управления - распределение алгоритмов, синхронизации процессов вычислений. Этот подход не является теоретическим. Эксперименты, проведённые в России, подтверждают его практическую применимость даже в сетях CU c самыми массовыми, недорогими микроконтроллерами. Эта сфера применения синхронных систем управления имеет большие перспективы для задач автопилотирования транспорта, робототехники, реализации робастных систем управления.

Потенциал использования синхронных систем управления очень высок и во многих сферах недооценён экономикой. Уникальные технические свойства, возможность этих технологий «заглянуть в будущее» пока ждут своего этапа массового использования. Широта и ускорение внедрения синхронных систем управления зависит от интеграции усилий групп учёных и инженеров, работающих в этой сфере.

Для опережающего прогресса в этой области техники необходимо создание международного альянса по разработке, сертификации и производству оборудования с синхронным управлением. Наиболее эффективным шагом в этом направлении было бы появление российско – европейских проектов, создание технологических альянсов по внедрению синхронных систем управления.


Актуальность использования



Эффекты от внедрения (использования)



Принцип функционирования



Опыт применения



Ссылки



Архитектурные кейсы, связанные с технологией