Функции Систем Управления Процессами в Реальном Времени и Анализ Разомкнутых Исполнительных Устройств: Академический Реферат

РЕЛЕВАНТНЫЙ ФАКТ: В системах жесткого реального времени (ЖРВ), критически важных для безопасности (например, управление бортовыми системами или системами аварийного останова), задержка реакции управляющей системы свыше гарантированного срока, который часто составляет 10 миллисекунд (10 мс) и менее, считается фатальной ошибкой. Это принципиальное требование к предсказуемости, а не к абсолютной скорости, формирует основу всей архитектуры и функционала Систем Управления Процессами в Реальном Времени (РВ), определяя, что именно детерминированность реакции является ключевым параметром для критических технологических объектов.

Теоретические Основы Систем Управления в Реальном Времени

Управление сложными технологическими процессами, от химических реакторов до производственных линий, требует не просто быстрой, но и гарантированно своевременной реакции системы на изменения параметров объекта. Это требование определяет фундаментальные принципы построения и функционирования Систем Управления Процессами в Реальном Времени (РВ).

Понятие и Классификация Систем Реального Времени

В отличие от систем общего назначения (например, офисных операционных систем), для которых важна общая пропускная способность, для систем РВ критичным параметром является предсказуемость (bounded response time). Система РВ должна вырабатывать и реализовывать рациональные управляющие воздействия на технологический объект управления (ТОУ) в реальном масштабе времени протекания технологического процесса.

Ключевое отличие заключается в том, что скорость работы должна быть гарантирована в пределах заданного интервала времени. Нарушение этого временного ограничения, даже если оно составляет доли секунды, может привести к нештатной ситуации.

Системы РВ классифицируются по степени критичности задержки:

1. Жесткое Реальное Время (ЖРВ): Любая задержка или нарушение гарантированного времени отклика недопустимо и приводит к системному сбою или катастрофе.
   • Пример: Системы управления ядерными реакторами, бортовые системы самолетов, медицинское оборудование жизнеобеспечения.
   • Требование: Время отклика должно быть детерминировано и соблюдено (например, реакция на столкновение в системе подушек безопасности должна произойти в пределах 10 мс).
2. Мягкое Реальное Время (МРВ): Задержка приводит к снижению производительности, качества или экономическим потерям, но не к фатальной аварии.
   • Пример: Системы обработки мультимедиа, большинство систем управления базами данных, автоматизированные складские комплексы.

Иерархическая Архитектура АСУ ТП в Контексте РВ

Функционирование в режиме реального времени обеспечивается многоуровневой иерархической структурой Автоматизированной Системы Управления Технологическими Процессами (АСУ ТП). Эта структура, формализованная в международных стандартах, таких как серия ISA/IEC 62443, позволяет распределить задачи по уровням, каждый из которых имеет свои требования к времени реакции.

Уровень Иерархии	Назначение	Требования к Времени Реакции	Основное Оборудование
Верхний (Уровень 3-4)	Планирование, оптимизация производства, SCADA-мониторинг, архивирование данных.	Секунды, минуты, часы. Не-реальное время.	Серверы, рабочие станции.
Средний (Уровень 2)	Автоматическое управление, регулирование, логическое управление, контроль последовательности.	Десятки миллисекунд до секунд. МРВ/ЖРВ.	Программируемые Логические Контроллеры (ПЛК), Распределенные Системы Управления (РСУ).
Нижний (Уровень 1/0)	Сбор данных, прямые управляющие воздействия на объект.	Микросекунды, миллисекунды. ЖРВ.	Датчики, исполнительные механизмы (ИМ), модули ввода-вывода.

Именно нижний (полевой) уровень является критическим для РВ-управления. ПЛК и распределенные модули ввода-вывода обеспечивают низкую латентность и детерминированность, выполняя сбор данных и управляющие воздействия непосредственно на исполнительные устройства. Это фундаментально важно, поскольку именно на этом уровне формируется физическое управляющее воздействие, реализуемое с помощью исполнительных устройств.

Специфика Функций Оперативного Управления (ОУ) в ОСРВ

Оперативное управление (ОУ) в системах РВ — это комплекс функций, реализуемых Операционной Системой Реального Времени (ОСРВ), направленный на гарантированное и своевременное выполнение критически важных задач. Управляющая функция АСУ ТП включает получение информации о состоянии ТОУ, ее оценку, выбор управляющих воздействий и их реализацию.

Механизмы Планирования Задач (Task Scheduling)

Критически важной функцией ОУ является планирование задач (Task Scheduling). В отличие от ОС общего назначения, где планировщик стремится к максимальной справедливости или пропускной способности, ОСРВ должна гарантировать, что критически важные задачи будут выполнены до истечения их жесткого срока (deadline). Для этого используются специальные алгоритмы, основанные на вытесняющей многозадачности с жесткими приоритетами:

1. Rate Monotonic Scheduling (RMS): Это алгоритм со статичными приоритетами. Приоритет назначается задаче в зависимости от ее периода: чем короче период (то есть, чем чаще должна выполняться задача), тем выше ее статический приоритет. RMS обеспечивает выполнимость множества задач, если общая загрузка процессора не превышает определенного порога (критерий Лью и Лэйленда).
2. Earliest Deadline First (EDF): Это алгоритм с динамическими приоритетами. Наивысший приоритет в любой момент времени назначается задаче, у которой ближайший критический срок (дедлайн). EDF является теоретически оптимальным и способен обеспечить 100% использования процессора (при условии независимости задач), что делает его предпочтительным для высоконагруженных систем ЖРВ.

Критерии Предсказуемости и Латентность

Предсказуемость времени реакции системы зависит от способности ОСРВ оперативно обрабатывать внешние события, такие как прерывания от датчиков или таймеров. Два ключевых показателя здесь:

1. Латентность обработчика прерывания (ISR Latency): Это время, которое проходит между моментом возникновения аппаратного прерывания и моментом, когда система передает управление пользовательскому обработчику прерывания (Interrupt Service Routine, ISR). Для систем ЖРВ это время должно быть минимальным и, главное, предсказуемым.
2. Время переключения контекста (Context Switch Time): Время, необходимое для сохранения состояния прерванного потока и загрузки состояния нового, высокоприоритетного потока.

Низкая и детерминированная латентность обработки прерываний является фундаментальным требованием для поддержания заданных параметров процесса, поскольку позволяет системе управления быстро реагировать на изменения, не допуская накопления ошибки. Не возникает ли в таком случае риск того, что обработка менее приоритетных, но все же важных задач будет постоянно откладываться, если система работает на пределе загрузки? Да, поэтому проектирование систем ЖРВ требует тщательного анализа выполнимости (schedulability analysis) всех задач.

Разомкнутые Исполнительные Устройства: Принципы и Динамические Модели

Управляющее воздействие, рассчитанное ОСРВ, должно быть реализовано на объекте с помощью Исполнительных Устройств (ИУ).

Определения и Классификация по ГОСТ

Согласно ГОСТ 14691-69, Исполнительное Устройство (ИУ) — это устройство системы автоматического управления, воздействующее на процесс (регулирующий орган) в соответствии с получаемой командной информацией. ИУ представляет собой совокупность:

1. Исполнительного механизма (ИМ): Преобразует управляющий сигнал в перемещение (силу, момент).
2. Регулирующего органа (РО): Непосредственно воздействует на поток энергии или вещества (например, регулирующий клапан, заслонка).

Разомкнутая Автоматическая Система Управления (АСУ) — это система, в которой управляющее воздействие формируется исключительно на основе входящей информации (задающего воздействия) и, возможно, измеренных возмущений, но без контроля фактического значения управляемой величины. Отсутствие главной обратной связи является ее определяющим признаком.

Классификация разомкнутых ИУ:

Критерий	Дискретные ИУ	Непрерывные ИУ
Характер движения	Шаговые, релейные, электромагнитные	Электрические (двигатели постоянного тока), гидравлические, пневматические
Вид выходной величины	Угловое/линейное перемещение, заданное числом импульсов	Плавное изменение положения/скорости
Пример	Шаговый двигатель	Гидроцилиндр, пневмопривод

Общие Достоинства и Недостатки Разомкнутых Систем

Разомкнутые системы, несмотря на свою структурную простоту, имеют четкие ограничения, особенно в контексте требований РВ.

Достоинства	Недостатки
Простота реализации: Отсутствие датчиков обратной связи упрощает схему и снижает стоимость.	Чувствительность к параметрам: Точность зависит от идеального знания параметров объекта (К, Т) и ИУ.
Высокое быстродействие: Отсутствие контура обратной связи исключает запаздывание, связанное с измерением и обработкой.	Невозможность компенсации ошибок: Возмущения, трение, изменение нагрузки или напряжения не могут быть компенсированы.
Высокая надежность: Упрощенная структура, меньше элементов, которые могут отказать.	Низкая точность: Статическая ошибка может быть значительной, особенно при изменении внешних условий.

Ключевой недостаток для систем РВ заключается в том, что разомкнутая система не может гарантировать точность выходной величины при наличии неконтролируемых возмущений, что противоречит требованию предсказуемости. Следовательно, применение таких систем оправдано только в тех случаях, где характеристики нагрузки и внешней среды максимально стабильны и известны.

Анализ Дискретных Разомкнутых Исполнительных Устройств (на примере ШД)

Дискретные ИУ преобразуют цифровой управляющий сигнал (последовательность импульсов) в механическое перемещение. Классическим примером является шаговый двигатель.

Принцип Работы и Области Применения

Шаговый двигатель (ШД) преобразует последовательность электрических импульсов в строго дозированные дискретные угловые перемещения вала, называемые шагами. Угол поворота вала пропорционален числу поданных импульсов, а скорость вращения — частоте импульсов.

В разомкнутом приводе положение вала ШД определяется исключительно числом управляющих импульсов. Предполагается, что на каждый импульс вал совершит ровно один шаг.

Области применения:

• Станки с числовым программным управлением (ЧПУ): Для точного позиционирования инструмента.
• Промышленные роботы и манипуляторы: Для дозированного углового перемещения осей.
• Периферийные устройства: Принтеры, сканеры, где требуется точное перемещение каретки.

Динамическая Модель и Проблема Потери Шагов

С точки зрения Теории Автоматического Управления, при рассмотрении идеализированной динамики, шаговый привод в разомкнутой системе (где позиция является интегралом скорости) моделируется как интегрирующее звено (астатизм первого порядка).

Передаточная функция идеального ШД в разомкнутом контуре:

W(p) = K / p

Где:

• W(p) — передаточная функция.
• K — коэффициент передачи (связан с углом шага и частотой импульсов).
• p — оператор Лапласа.

В реальных условиях главным недостатком ШД в разомкнутом режиме является потеря шагов. Это происходит, когда вращающий момент, требуемый для перемещения нагрузки (например, при перегрузке, резком торможении или слишком быстром увеличении частоты управляющих импульсов), превышает максимальный момент, который может развить ШД. В результате ротор не успевает за сигналом, и накопленная ошибка положения становится неконтролируемой.

Потеря шагов делает систему управления непредсказуемой с точки зрения точности позиционирования, что является критическим фактором, несовместимым с требованиями ЖРВ.

Анализ Непрерывных Разомкнутых Исполнительных Устройств (Гидравлические и Пневматические Приводы)

Непрерывные ИУ обеспечивают плавное изменение регулируемой величины и часто используются там, где необходимы большие усилия и моменты.

Особенности Гидравлических и Пневматических ИУ

Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы (ГИМ/ПИМ) незаменимы, когда требуется высокая энергонапряженность — способность развивать большие усилия при малых габаритах.

• ГИМ: Работают на несжимаемой жидкости под высоким давлением (типовое рабочее давление может достигать 250 бар, а в специализированных системах — до 700 бар). Высокое давление обеспечивает огромные перестановочные усилия.
• ПИМ: Используют сжатый воздух. Они проще в обслуживании и безопаснее, но имеют меньшую жесткость и точность из-за сжимаемости рабочей среды.

Как и ШД, гидравлические и пневматические двигатели или цилиндры, управляемые расходом рабочей среды, в упрощенной линеаризованной модели также часто представляют собой интегрирующее звено. Выходная координата (перемещение штока) является интегралом от входного воздействия (расход жидкости/воздуха).

Для разомкнутых непрерывных ИУ типовая передаточная функция (в упрощенной модели) имеет вид астатического звена первого порядка:

WИУ(p) = K / p

Где K — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров (площадь поршня, расход).

Повышение Точности с Помощью Позиционеров

В разомкнутой системе на точность перемещения гидравлического или пневматического штока сильно влияют нелинейные факторы: трение, изменение температуры и, главное, противодавление на регулирующем органе.

Для компенсации этих факторов в непрерывных разомкнутых ИУ широко используются позиционеры. Позиционер — это вспомогательное устройство, которое по сути создает местную (внутреннюю) отрицательную обратную связь по положению штока регулирующего органа.

Функция позиционера: Он сравнивает заданное значение управляющего сигнала с фактическим положением штока (измеренным внутренним датчиком) и регулирует подачу рабочей среды до тех пор, пока положение не совпадет с заданием.

Позиционер не замыкает внешний контур управления процессом, но он значительно улучшает статическую характеристику исполнительного устройства, повышая его точность и исключая влияние сил трения и перепада давления. В результате, комплексные сервопневматические системы, оснащенные позиционерами, могут достигать точности позиционирования до ±0,5 мм. Это дает нам возможность использовать такие дискретные исполнительные устройства даже в тех случаях, где требуется высокая точность, нивелируя их структурный недостаток.

Методы Компенсации Недостатков Разомкнутых ИУ в Системах РВ

Недостатки разомкнутых систем — их чувствительность к возмущениям и неточное знание параметров — делают их использование в системах ЖРВ затруднительным. Тем не менее, инженерные решения ТАУ позволяют частично или полностью компенсировать эти недостатки.

Переход к Замкнутым и Комбинированным Системам

Основной и наиболее радикальный метод компенсации — это переход от разомкнутого к замкнутому контуру управления.

1. Замкнутые системы (Сервоприводы): Для дискретных ИУ (ШД) это означает установку датчика обратной связи (энкодера) на вал. Система перестает быть разомкнутой и становится сервоприводом. Электронный блок управления (контроллер) непрерывно сравнивает заданное положение с фактическим и корректирует управляющий сигнал, полностью исключая проблему потери шагов и обеспечивая детерминированную точность, необходимую для ЖРВ.
2. Комбинированн��е управление: Это структура, которая сочетает управление по задающему воздействию (разомкнутый канал) и управление по возмущающему воздействию (компенсирующий канал).

Принцип компенсации по возмущению заключается в том, что если возмущение (f) измеримо, его можно использовать для формирования управляющего сигнала (u_ком) таким образом, чтобы устранить ошибку до того, как она успеет повлиять на регулируемую величину. Такая система сохраняет быстродействие разомкнутого контура, но приобретает способность к компенсации известных возмущений.

Роль Астатизма в Регулировании Непрерывных ИУ

Даже при использовании разомкнутых ИУ, в общем контуре регулирования процесса (например, температуры или давления) для устранения статической ошибки необходимо вносить астатизм.

Статическая ошибка — это постоянная ошибка, которая остается в установившемся режиме. Разомкнутые системы всегда имеют статическую ошибку, если объект управления имеет статическую характеристику.

Устранение статической ошибки достигается путем введения интегрирующего регулятора (например, в составе ПИ или ПИД-регуляторов) в контур управления.

• Интегрирующий регулятор (W_рег(p) = K_И / p) обеспечивает астатизм второго порядка в контуре, если ИУ само по себе является астатическим (например, W_ИУ(p) = K / p).
• Функция интегральной составляющей (I) заключается в том, чтобы накапливать ошибку и увеличивать управляющее воздействие до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю.

Таким образом, хотя разомкнутое ИУ само по себе может быть неточным, его использование в составе замкнутой системы с ПИД-регулятором позволяет достичь нулевой статической ошибки, что соответствует требованиям к точности в большинстве промышленных задач РВ.

Заключение

Эффективное управление процессами в реальном времени — это не просто вопрос скорости, а прежде всего вопрос детерминированной предсказуемости времени реакции, гарантируемой на уровне Операционной Системы Реального Времени (за счет планирования EDF/RMS) и на уровне Исполнительного Устройства.

Разомкнутые исполнительные устройства (такие как шаговые двигатели, гидравлические и пневматические приводы) обладают привлекательными характеристиками — простотой и быстродействием, но их критические недостатки (чувствительность к параметрам, неспособность компенсировать возмущения и, в случае ШД, риск потери шагов) делают их непригодными для систем жесткого реального времени в чистом виде.

В современной промышленной автоматизации эти недостатки компенсируются:

1. Путем перехода к замкнутым системам (сервоприводам), использующим энкодеры для обеспечения абсолютной точности позиционирования.
2. Путем использования местных обратных связей (позиционеров) для повышения точности непрерывных приводов.
3. Путем внедрения интегрирующих регуляторов (ПИД), которые устраняют статическую ошибку, характерную для разомкнутых элементов, в составе общего контура АСУ ТП.

Следовательно, инженерный успех в области управления РВ достигается не отказом от простых разомкнутых ИУ, а их грамотным встраиванием в сложные, многоуровневые иерархические структуры АСУ ТП с использованием компенсационных механизмов, базирующихся на принципах Теории Автоматического Управления.

Список использованной литературы

1. Голубев А.С. Системы реального времени: конспект лекций. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. 127 с.
2. Сорокин С. Системы реального времени // Современные технологии автоматизации. 1997. № 2. С. 22–29.
3. Зыль С., Махилёв В. Защищенная операционная система реального времени // Современные технологии автоматизации. 2007. № 3. С. 82–84.
4. Технические средства автоматизации и управления: исполнительные устройства: учеб. пособие / Г.Б. Фалк; под ред. А.Ф. Каперко. Москва: Московский государственный институт электроники и математики, 2004. 127 с.
5. Костюхин К.А. Отладка систем реального времени. Обзор. URL: http://citforum.ru/programming/digest/rtsdebug.shtml (дата обращения: 23.10.2025).
6. Системы реального времени: основные понятия. URL: http://pmi.ulstu.ru/new_project/new/4.html (дата обращения: 23.10.2025).
7. QNX. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/QNX (дата обращения: 23.10.2025).
8. Зубов Д.А. Автоматическое управление технологическими процессами углеобогатительной фабрики: монография. Луганск: Изд-во Восточноукраинского нац. ун-та им. В. Даля, 2003. 172 с.
9. Типовая структура АСУ ТП // ivctl.ru. URL: https://ivctl.ru/tipovaya-struktura-asu-tp (дата обращения: 23.10.2025).
10. The hierarchical structure of the automated process control system // panor.ru. URL: https://panor.ru/upload/iblock/c38/c3866c6b24016be32c57a97491d960f8.pdf (дата обращения: 23.10.2025).
11. Структурная схема АСУ ТП // evrotekhservis.ru. URL: https://evrotekhservis.ru/stati/strukturnaya-sxema-asu-tp/ (дата обращения: 23.10.2025).
12. Типовая структура современной промышленной АСУ ТП // bmstu.ru. URL: https://bmstu.ru/doc/doc/edu_material_ASUIU-CH4_5.pdf (дата обращения: 23.10.2025).
13. Шаговые двигатели // electricalschool.info. URL: https://electricalschool.info/spravochnik/avtomatizacija/1297-shagovye-dvigateli.html (дата обращения: 23.10.2025).
14. Система разомкнутого дискретного привода с шаговым двигателем // servomotors.ru. URL: https://servomotors.ru/glava-4-ispolnitelnye-mehanizmy-na-baze-elektroprivoda-s-shagovymi-dvigatelyami/sistema-razomknutogo-diskretnogo-privoda-s-shagovym-dvigatelem (дата обращения: 23.10.2025).
15. Операционные системы реального времени: Контроль над работоспособностью и временами реакции системы // burdonov.ru. URL: https://burdonov.ru/publikacii/glava_10.html (дата обращения: 23.10.2025).
16. Операционные системы реального времени для 32-разрядных микропроцессоров // computer-museum.ru. URL: http://www.computer-museum.ru/galglory/osrtos.htm (дата обращения: 23.10.2025).
17. Операционные системы реального времени для микроконтроллеров // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/operatsionnye-sistemy-realnogo-vremeni-dlya-mikrokontrollerov (дата обращения: 23.10.2025).
18. Гидравлические исполнительные механизмы // studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/4405380/page:37/ (дата обращения: 23.10.2025).
19. Гидравлические регуляторы и исполнительные механизмы // ozlib.com. URL: https://ozlib.com/830219/tehnika/gidravlicheskie_regulyatory_ispolnitelnye_mehanizmy (дата обращения: 23.10.2025).
20. Исполнительные устройства системы автоматики // nirhtu.ru. URL: https://nirhtu.ru/files/metodichki/Kafedra_APPT/IU.pdf (дата обращения: 23.10.2025).
21. Динамические характеристики пневматических исполнительных механизмов систем автоматического регулирования // cyberleninka.ru. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dinamicheskie-harakteristiki-pnevmaticheskih-ispolnitelnyh-mehanizmov-sistem-avtomaticheskogo-regulirovaniya-i (дата обращения: 23.10.2025).
22. ГОСТ 34.003-90. Автоматизированные системы. Термины и определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1990. URL: https://prj-exp.ru/gost/gost-34-003-90.html (дата обращения: 23.10.2025).
23. ГОСТ Р 71765-2024. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2024. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200207328 (дата обращения: 23.10.2025).
24. Теория автоматического управления технологическими системами // bstu.by. URL: https://www.bstu.by/static/pdf/tau_mu.pdf (дата обращения: 23.10.2025).
25. Системы автоматического управления // bsuir.by. URL: https://www.bsuir.by/m/12_100239_1_74130.pdf (дата обращения: 23.10.2025).