автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение САПР систем управления

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московская Государственная академия

приборостроения и информатики

На правах рукописи

Рощин Александр Алексеевич

УДК 681.3.06

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

москва 1997

Работа выполнена в Московской Государственной академии приборостроения и информатики.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Михайлов Б.М.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Дорри М.Х.

доктор технических наук, профессор Кульба В.В.

кандидат технических наук, доцент Туманов М.П.

Центр Информатизации Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации

Защита состоится 27 мая 1997 г. в 12 час. на заседании специализированного совета Д 063.93.01 Московской Государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107076, Москва, ул. Стромынка, 20

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке академии.

Автореферат разослан 24 апреля 1997 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доцент, к.т.н. -т--—- М.В.Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современные системы автоматизированного проектирования (САПР) становятся все более сложными из-за расширения предметной области и из-за усложнения задач, которые должны решать такие системы. Это сильно затрудняет создание эффективного математического и программного обеспечения САПР, которое должно справляться со все возрастающими потоками данных между пользователем и системой и создавать по возможности комфортные условия работы самому пользователю.

Для создания САПР систем управления и смежных задач в настоящее время используются различные пакеты. Все они имеют свои достоинства и недостатки. Языки моделирования, например CSMP/360 и ASCL, обладают мощными вычислительными средствами, но имеют неудобный интерфейс. Пакеты SCADA, например AIMAX (Autenco), TRACE MODE (Adastra Research Group) и LOGOVIEW (LogoSystem), при замечательном интерфейсе не позволяют проводить моделирование системы. PC-MATLAB (MathWorks Inc.) с пакетом Simulink обладает богатой библиотекой алгоритмов моделирования и достаточно мощным графическим интерфейсом, однако, этот интерфейс сложен и не всегда удобен. Предлагаемая работа посвящена попытке создания математического и программного обеспечения САПР систем управления, в большой степени удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к таким системам.

Системы сбора и обработки статистических данных зачастую бывают не менее сложны, чем системы автоматизированного проектирования, при том, что операторы таких систем в среднем имеют существенно меньший опыт работы с ЭВМ. Это определяет специфику задачи разработчика таких систем.

Указанные обстоятельства определяют актуальные задачи, которые должны быть решены при проектировании САПР и систем сбора и обработки данных:

- построение комплексной модели данных, поступающих на систему,

- разработка принципов и алгоритмов построения интерфейсов системы, учитывающих специфику пользователя,

- разработка принципов автоматизации проектирования интерфейсов пользователя,

- разработка инструментария для пользователя САПР.

Эти задачи и решаются в диссертации.

Цель работы заключается в разработке алгоритмов и методов обработки данных и проектирования интерфейсов пользователя для

автоматизированного проектирования систем управления и систем сбора и обработки данных.

Методы исследования, используемые в работе, включают в себя системный анализ и системное проектирование, методы декомпозиции задач и алгоритмов, а также методы синтеза алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена комплексная модель данных, поступающих на систему управления или САПР.

2. Предложены принципы и методы обработки данных, поступающих от объекта управления и от пользователя.

3. Разработано математическое и программное обеспечение интерфейса, позволяющее учесть специфику пользователя.

4. Предложен подход к проектированию интерфейса САПР и систем сбора и обработки данных, при котором настройка на конкретного пользователя производится самим пользователем.

5. Предложены принципы обеспечения безаварийной работы системы сбора и обработки данных и проектирования наглядного представления данных для автоматической генерации входных и выходных форм системы.

Практическая ценность. На основе предложенных моделей и принципов разработаны:

1. Алгоритмы и методы генерации интерфейса САПР систем управления, который настраивается на конкретного пользователя им самим и не требует от него навыков программирования.

2. Разработана САПР систем управления, позволяющая анализировать, синтезировать и проводить поиск наилучших вариантов решений.

3. Разработаны алгоритмы автоматической генерации входных и выходных форм для систем сбора и обработки данных, а также алгоритмы создания интерфейса пользователя для таких систем.

Реализация работы. Результаты, полученные в работе были применены при создании инструментальных средств моделирования и исследования систем управления в научно-исследовательских работах Института проблем управления РАН. Использование этих результатов позволило существенно улучшить интерфейс системы автоматизации динамических расчетов и завершить создание программного комплекса, который был использован при синтезе структур корабельных систем управления и исследовании локальных систем регулирования атомных электростанций. Имеется соответствующий акт внедрения.

Результаты работы, касающиеся систем сбора и обработки данных, были применены при создании автоматизированных рабочих мест "Перевозки на воздушном транспорте", "Использование парка воздушных судов", "Труд и зарплата", которые используются для

обработки и анализа государственной экономико-статистической отчетности в Федеральной авиационной службе России. Имеется соответствующий акт внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на первой международной конференции Интернет МШЕ51М'96.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах и 3 научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы и шести приложений (152 страницы машинописного текста, 30 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 66 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы создания математического и программного обеспечения САПР систем управления и систем сбора и обработки данных, а также сформулированы задачи, решение которых необходимо для разрешения этих проблем. Приведены сравнительные характеристики существующих пакетов для САПР и смежных задач.

В первом разделе рассматривается комплексная модель данных системы управления и автоматизации проектирования.

В любой системе управления можно выделить следующие структурные элементы:

- объект наблюдения (управления),

- систему преобразования данных,

- пользователь систем преобразования данных.

К объекту наблюдения (управления) относится та часть системы, данные от которой мы получаем, обрабатываем и для которой формируем управляющие воздействия или рекомендации. От объекта на систему преобразования данных поступают данные, которые и являются предметом дальнейшего рассмотрения. Эти данные будем далее называть оперативными.

Система преобразования данных - это основной предмет рассмотрения проектировщика системы управления. В диссертации рассматриваются системы преобразования данных, содержащие ЭВМ.

Пользователем системы преобразования данных может быть оператор, вводящий статистические данные, администратор системы, пилот самолета, главный инженер электростанции и т. п. Главной отличительной чертой пользователя является то, что он представляет человеческую составляющую системы - субъект. Характерной особенностью любого типа пользователя являются данные, которые

поступают от него в систему преобразования данных. Эти данные можно разделить на

- стратегические,

- параметрические,

- настроечные,

- архивные.

Стратегические данные определяют стратегию преобразования оперативных данных.

Параметрические данные определяют особенности функционирования данного объекта в конкретных условиях.

Настроечные данные определяют желаемые настройки системы преобразования данных.

Архивные данные представляют собой данные о предыстории функционирования данной системы управления. Способы их хранения, обработки и обновления во многом определяются пользователем и отличаются от способов работы с оперативными данными.

На основании оперативных данных в системе преобразования данных вырабатываются соответствующие управляющие воздействия шш рекомендации. Для систем управления технологическими или движущимися объектами эта функция реализуется регулятором, который в данном случае может быть реализован на основе аналитических или численных методов с использованием адаптивного контура или без него. В системах, обрабатывающих финансово-экономическую информацию выходом обычно являются выходные формы и рекомендации. В любом случае система преобразования данных отображает входной набор данных в некоторый выходной. Такое преобразование данных может быть описано отображением:

СВП= ^[гп,Оп,71п^п,рп] (1)

где: 2П - оперативные данные

Юп - выходные данные системы;

¥[.] - оператор отображения выходных данных;

ап - стратегические данные;

Кп - параметрические данные;

уп - настроечные данные,

ри - архивные данные.

Конкретный вид оператора отображения зависит от типа системы преобразования данных. Общий вид структуры системы преобразования данных приведен на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема системы преобразования данных

В разделе рассмотрены проблемы, связанные с предобработкой данных, поступающих в систему. К задачам предобработки данных относятся:

- оценка корректности данных,

- прогнозирование, фильтрация и сглаживание данных,

- редактирование данных.

Проблема оценки корректности данных, поступающих на систему, особенно важна для данных, в процессе обработки которых участвует человек. Такая ситуация имеет место практически во всех системах сбора и обработки данных.

Оперативные данные в системах автоматизированного сбора и учета статистической информации имеют обычно определенную структуру, в которой данные связаны между собой известными функциональными и логическими зависимостями. Знание этих зависимостей может служить основой для проверки корректности и правильности вводимых данных (функционально-логической оценки данных). В настоящее время данные в системы автоматизированного сбора и учета обычно вводятся вручную оператором, что определяет некоторые их специфические особенности:

-наличие объективно обусловленных ошибок оператора, связанных со случайным или намеренным искажением данных составителем или с некачественным исходным носителем (нечеткие копии, неаккуратно вписанные от руки цифры и т. д.),

-наличие субъективно обусловленных ошибок, связанных с физическим и психологическим состоянием оператора, с неудачным цветовым или функциональным решением интерфейса и т. п.

Очевидно, что предотвратить прохождение ошибок, вызванных составителем данных, через систему автоматизированного сбора и обработки можно только в том случае, если информация о наличии этих ошибок содержится в самих данных. Фактически это означает, что данные, поступающие в систему обработки должны обладать избыточностью, и тем большей, чем большее количество ошибок необходимо обнаруживать и исправлять. Большая часть данных, собираемых с помощью систем автоматизированного сбора и обработки, является данными государственной статистической отчетности. Поэтому количество, состав и форма предоставляемых данных определяется соответствующими организациями. Если в формах статистической отчетности предусмотрены поля, позволяющие осуществлять перекрестные проверки предоставляемых данных, задача выявления (а возможно, и корректировки) ошибок может быть решена. Обычно в формах статистической отчетности предусматриваются графы и/или строки с контрольными суммами. Понятно, что для выдачи конкретных рекомендаций по составлению таких форм необходима привязка к семантике собираемых данных.

Так, при составлении форм бухгалтерской отчетности используются характеристические показатели, которые могут быть получены из предоставляемых данных несколькими способами. Часто это позволяет обнаруживать и даже исправлять ошибки в данных. Если такие показатели в данных отсутствуют, или их недостаточно, вышестоящие организации добавляют в утвержденные формы статистической отчетности данные "для себя", то есть, данные, которые нужны как раз для проверки основных данных на правильность, и которые не передаются в вышестоящую инстанцию. Из сказанного следует, что в системе сбора и обработки информации необходима реализация проверки избыточных данных на правильность и корректность, если это возможно. Способ обработки таких данных как правило однозначно задается органом статистической отчетности, который осуществляет сбор этих данных. Способы и правила обработки оперативных данных для определения их корректности и правильности фиксируются в разделе параметрических данных.

Ошибки, связанные с некачественным исходным носителем, по сути мало отличаются от рассмотренных выше. Основное их отличие заключается в том, что они заведомо непреднамеренные, поэтому для их обнаружения можно использовать очевидные критерии типа:

- сумма граф "в том числе" не должна превышать значения исходной графы (то же касается и строк),

- сумма строк "из строки >1" не должна превышать строки N.

Такого типа критериев может существовать множество, их

количество и тип зависит от конкретного вида предоставляемых данных, и они достаточно очевидны.

Субъективно обусловленные ошибки, связанные с физическим и психологическим состоянием оператора и т. п., - это ошибки, которые в большой степени могут быть устранены грамотным проектированием интерфейса оператора системы

автоматизированного сбора и обработки данных.

Во втором разделе рассмотрены общие проблемы создания интерфейсов взаимодействия человека с системой. Рассмотрена специфика интерфейсов пользователя САПР систем управления и системы сбора и обработки данных, а также специфические особенности пользователей таких систем.

Независимо от типа системы преобразования данных, качество ее функционирования во многом определяется ее приспособленностью к пользователю (оператору) системы, учетом специфических особенностей конкретного пользователя.

Учет специфики пользователя фактически означает автоматизацию программирования интерфейса пользователя на этапе установки и использования прикладного пакета. Для построения

модели пользователя в процессе эксплуатации системы в первую очередь используются данные о реакции пользователя на штатные и нештатные ситуации, возникающие в системе. В простейшем случае система отслеживает все пожелания пользователя по настройке параметров и запоминает их в специальном настроечном файле, который считывается при каждом запуске системы.

Формирование многоуровневых интерфейсов для различных режимов производится на начальном этапе программистом на основе эвристических предположений. В процессе функционирования системы фиксируется взаимодействие пользователя с системой, а затем на основе полученной информации осуществляется коррекция структуры интерфейса. В разделе предложена методика проведения такой коррекции с использованием модели интерфейса в виде графа.

Адаптация параметров интерфейса к конкретному пользователю требует использования понятия "модель пользователя". Такая модель должна учитывать особенности конкретного пользователя и быть постоянно в наличии. Модель должна обладать следующими свойствами:

- быть достаточно абстрактной,

- быть доступной и

- быть актуальной.

Абстрактность модели предполагает независимость ее от конкретных прикладных пакетов. Она должна отражать особенности пользователя в отношении

- цветовой гаммы, используемой на экране в различных режимах,

- количества и вида интерактивных взаимодействий (popup меню, адаптивные меню, подсказки, переключатели, кнопки и т.п.),

- количества и вида звуковых сигналов в различных режимах,

- способов входа и выхода из программ,

- использования различных вспомогательных и справочных программ, окон, скрин-сейверов и т. д.

Доступность модели означает, что необходимо постоянное присутствие ее в рабочей среде для оперативной корректировки интерфейса. При этом подразумевается, что, с одной стороны, модель должна иметь достаточно универсальный интерфейс общения с прикладными пакетами, с другой стороны, сами пакеты должны понимать модель для использования ее в процессе установки и для оперативной корректировки своего интерфейса. Реализация этих свойств требует разработки некоторых соглашений (а возможно, и стандартов) для определения специфических характеристик пользователя.

Актуальность модели определяется адекватностью ее субъекту в данный момент и в данных условиях. Очевидно, что модель, построенная в момент установки прикладного пакета, не может быть исчерпывающей, так как пристрастия пользователя зависят от времени суток, возможно, времени года, ситуации на экране, да и вообще меняются со временем.

Для обеспечения актуальности модели пользователя необходимо постоянное уточнение ее параметров. Это можно делать двумя способами: периодическим проведением тестирования или постоянным "слежением" за состоянием пользователя. Первый способ более прост, но может вызвать недовольство пользователя и не всегда отражает истинные пристрастия пользователя. Второй способ позволяет выполнять идентификацию пользователя оперативно и незаметно, но требует наличия резидента, постоянно следящего за поведением пользователя. Реализация такого резидента может вызвать определенные трудности при работе на 1ВМ-совместимых ЭВМ в реальном режиме.

В третьем разделе описывается разработанный автором комплекс программ, реализующий функции генерации интерфейса различного уровня, а также функции динамического расчета, моделирования и оптимизации. Этот комплекс входит в состав пакета "Экспресс-Радиус", предназначенного для моделирования свойств динамических процессов в природе и технике.

Процесс взаимодействия пользователя САПР с системой обычно начинается с освоения интерфейса этой системы (зачастую длительного и трудоемкого). В настоящей работе предлагается заменить процесс ознакомления с интерфейсом на процесс его создания пользователем. Для этого используется пакет программ, позволяющий автоматически генерировать интерфейс САПР в соответствии со склонностями и пожеланиями пользователя. От пользователя требуется лишь знание предметной области и не требуется навыков программирования.

При проектирования системы управления пользователь должен определить для себя структурную схему системы и описать математические модели составляющих ее блоков. Подготовив эти описания, пользователь может сгенерировать соответствующие программы и приступить к моделированию и оптимизации системы.

Для решения этих задач в диссертации разработаны:

- модуль автоматической генерации программы расчета,

- библиотека управляющих функций,

- редактор кусочно-линейных функций,

- модули редактирования, моделирования и оптимизации для программы динамических расчетов.

Предлагаемый набор модулей позволяет сгенерировать интерфейс пользователя для всех основных режимов работы системы и обеспечить выполнение необходимых расчетов в этих режимах. На рис. 2 представлен пример сгенерированного интерфейса.

Структурная схема моделируемой системы, а также описания ее модулей могут быть совершенно различны. Для того, чтобы можно было моделировать произвольную систему, в диссертации разработано математическое и программное обеспечение для осуществления интерактивного ввода описаний, где пользователь описывает различные элементы модели формально или графически. Для задания формул пользователь может пользоваться синтаксисом языка программирования Си.

Для графического задания функций используется разработанный автором редактор кусочно-линейных функций. Этот редактор позволяет создавать, просматривать и редактировать библиотеки кусочно-линейных функций. Его можно вызывать из редактора схем или программ расчета, или запускать самостоятельно.

Экран редактора функций в режиме редактирования показан на рис. 3. Слева в две колонки расположены функциональные кнопки программы, с помощью которых можно редактировать функции, выводить графики на печать производить расчеты и т. д. Большую часть экрана занимает прямоугольное рабочее поле с координатными осями, на котором строятся графики функций. Ниже рабочего поля в два ряда располагаются кнопки с именами функций текущей библиотеки. Кнопки функций одной переменной выводятся голубым цветом, семейств - ярко-голубым, годографов - зеленым. Чтобы поместить график функции на рабочее поле достаточно нажать на нем левую кнопку "мыши".

После того, как введены данные о структуре и блоках, автоматически генерируется программа расчета, и ей передается управление. Программа расчета работает в трех режимах: редактирования, моделирования и оптимизации. Она позволяет подключать к координатам системы блоки управления, которые позволяют оперативно изменять значения координат, и блоки индикации, которые отображают состояние системы в виде чисел и графиков. Можно изменять параметры, количество и размеры этих блоков не перекомпилируя программу расчета.

Режим редактирования - основной режим работы программы расчета, включающийся при ее запуске. В этом режиме к координатам системы можно подключить блоки управления и индикации, разместить их на экране, задать параметры каждого из них (цвет, размер и т.п.), а также сохранить или загрузить конфигурационный файл. Экран программы расчета в режиме редактирования представлен на рис. 2.

Система: TEST

Процесс 1

IDS

ibo

ЩИ

шш

t*

j—|Регулятор I

S"—fMi]

оТШ

«—IПрибор I

Индикаторы

уровня

У

BßmR

1 ю яо

а: ООО.о --[Число

I-jfрзфик|

та] jio.oj Щ {Щ ЦЩ [öITj I a j [mo

Рис. 2. Интерфейс пользователя САПР

Рис. 3. Экран редактора функций

Рабочее поле содержит структурную схему системы. В нижней части экрана изображается библиотека элементов управления и отображения, которые могут быть "вытащены" из нее на рабочее поле.

В режиме моделирования (рис. 4) место набора элементов занимает изображение временной оси, а в правом верхнем углу экрана появляется текущее значение времени. При входе в этот режим процесс моделирования начинается не сразу. Для его начала следует нажать управляющую кнопку Пуск. Расчет начинается с текущего момента времени (или с нуля, если нет записанного процесса). При этом на полоске в нижней части экрана, изображающей временную ось, увеличивается закрашенная часть, а над ней двигается стрелка, указывающая текущий момент времени. В правом верхнем углу экрана выводится текущее значение системного времени. В процессе расчета отображающие элементы следят за координатами системы и индицируют их значения (или строят графики). С помощью левой кнопки "мыши" можно перемещать рукоятки движковых регуляторов, нажимать кнопки, входить в режим ввода чисел (процесс при этом приостанавливается до окончания ввода). Через определенное время рассчитанные значения будут сбрасываться на диск. Так будет продолжаться до достижения времени останова или до нажатия кнопки Стоп, после чего процесс останавливается. Сразу после остановки текущее время совпадает с последней рассчитанной точкой процесса (стрелка внизу экрана указывает на конец закрашенной части полоски). Текущее время можно сместить, "перетащив" эту стрелку в другое место в пределах закрашенной части. На графиках точка, соответствующая текущему времени выделяется прямоугольником.

Переместив указатель текущего времени (стрелку), можно просмотреть процесс с этого момента, нажав кнопку Воспроизведение (с изображением кинопленки). Воспроизведение будет продолжаться до конца рассчитанного процесса или до нажатия кнопки Стоп. Если процесс дошел до времени останова и остановился, можно снова нажать кнопку Пуск. При этом время останова автоматически увеличится в два раза, перестроятся в новом масштабе все графики, одна из осей которых связана со временем, и расчет продолжится.

Масштаб графиков можно оперативно изменять. Для подробного просмотра интересующих участков графиков процесса служит кнопка Увеличение с изображением лупы. При ее нажатии курсор принимает вид знака "плюс". Можно увеличить участок временной оси или графика. Для увеличения участка оси времени следует отметить интересующую область на полоске внизу экрана, "растягивая" пунктирную рамку. При этом все графики, одна из осей

Рис. 4. Экран программы расчета в режиме моделирования

ОтчЕтКа • ••даежеяо.'

. СЛЙСОГ.- ' ♦ <

Райча? шш • ¥

Еровврка

~ Печет. ; • ►

Яоьее

- Удалять *

'"Со.хралитй"; Загрузить

ЗШвакие « дата ( Л реглиэюм^" Вадойс' ';!», »" * 4 *йрма и ,» • Справка; к 4ориг Ш 2/:' Сткязк дебиторов Отсс'к- крсдятороа. • •'

•£орми 1 1-ТА ►

•*0)ЯЮ 1-т. (кварт! I. *; -рс ►

5 СчзядцелъЦ'Зй .транса.'; Средств. На" ¿еадизасош гса ^

* Яа 'пола^рва-уелей «итсэяарйг ^< Зядолжа'пяг'гть • передг:дор .'фэгшоа.'-

'З'.гмиеиоякы* фодя " ' ,

• 8 фояц 'сця, етраховамхв

фсия замтасти ■ Прочие йнгВ«дайТвйв; фонда ;

Рис. 5. Экран главного меню АРМ

которых - ось времени, перестроятся в новом масштабе. Для возврата к прежнему масштабу следует нажать кнопку 1:1.

В режиме оптимизации можно выполнить параметрическую оптимизацию системы управления. Критерий оптимальности определяется пользователем путем задания весовых коэффициентов и/или задания собственного блока формирования критерия. Критерий оптимизации имеет вид:

т

I = ы е(Т) I + rd с I + г3«Тр + J (r4.e2 + rs-e2)dt, (2)

о

где: е(.) - обобщенная ошибка,

ё - производная ошибки по времени,

а - перерегулирование,

Тр - время регулирования,

Т - интервал оптимизации,

r-t, г2, Гз, г4, Г5 - весовые коэффициенты.

Критерий оптимизации задается таким образом, что может быть сформирован любой из стандартных критериев оптимизации регулирования, обобщенный квадратичный критерий, или произвольный критерий, формируемый пользователем. Критерий, формируемый пользователем, определяется коэффициентом IY Переменная е(.) может быть обычной ошибкой слежения, а может быть сформирована блоком пользователя в виде произвольной функции или функционала.

В качестве примера применения программного пакета "Экспресс-Радиус", в который в качестве составной части входят программы и алгоритмы, разработанные в диссертации, рассмотрен процесс создания системы управления лодкой, называемой часто авторулевым.

Для сравнения рассматриваемого пакета с существующими пакетами программ для САПР или SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - контроль, управление и сбор данных) предлагается перечень признаков, которые являются важными для САПР систем управления:

- Возможность создания собственных блоков и библиотек, т.е. открытость системы. Для систем SCADA этот параметр применим в меньшей степени, поскольку в них, как правило, не реализованы возможности моделирования процесса.

- Возможность графического задания соединений блоков (задание системы в виде структурной схемы).

- Возможность создания макроблоков (иерархия схем).

- Наличие обширной библиотеки стандартных алгоритмов.

- Возможность логического управления расчетом (для SCADA -поведением интерфейса).

- Использование стандартного языка программирования для задания моделей блоков и модулей. Наличие такой возможности существенно уменьшает трудности при работе с пакетом, поскольку пользователю не приходится изучать совершенно незнакомый язык.

- Возможность наблюдения любой координаты системы без внесения существенных изменений в проект.

- Возможность управления системой непосредственно в процессе расчета/моделирования. Очень немногие пакеты, кроме SCADA, для которых эта возможность является обязательной, обладают ей.

- Возможность изменения образов блоков в структурной схеме (если в пакете вообще реализована возможность ввода структурных схем).

- Свободное изменение конфигурации и вида органов управления и наблюдения. Во многих пакетах эта возможность реализована не полностью и требует обязательного наличия какого-либо внешнего программного обеспечения (например пакета AUTOCAD или графического редактора).

- Возможность использования создаваемого продукта отдельно от системы разработки.

- Встроенные средства связи с объектом и сетью.

Результаты сравнения представлены в табл. 1.

В таблице использованы обозначения: "+" - признак присутствует, "-" - признак отсутствует, "+/-" - признак присутствует отчасти, "++" - признак ярко выражен. Пакеты типа SCADA занимают последние три столбца, отделенные от остальной части таблицы пробелом. Это обусловлено тем, что из-за специфического назначения этих пакетов в них отсутствуют возможности моделирования. Сравнение с этими пакетами осуществляется лишь с точки зрения их интерфейсных возможностей.

Результат сравнения, приведенный в таблице, показывает, что из признаков, которыми должна обладать САПР систем управления, Экспресс-радиус, рассматриваемый в работе, не обладает лишь двумя -обширной библиотекой стандартных алгоритмов и встроенными средствами связи с объектом. Эти свойства должны быть реализованы в пакете в дальнейшем.

В четвертом разделе описывается разработанный автором комплекс программ, реализующий функции генерации интерфейсов различного уровня, для системы сбора и обработки данных.

Анализ проблем, возникающих при обеспечении взаимодействия с ЭВМ пользователя системы сбора и обработки данных показал, что наилучшим решением в данном случае является иерархическая система меню, которая не требует высокой квалификации от пользователя и больших ресурсов от ЭВМ.

Сравнительный анализ программных, пакетов для САПР и смежных задач

Табл. 1

Параметр сравнения CSMP/360 ASCL СИАМ MATLAB (MathWorks Inc.) i Lab View (National Instruments] ISEE Simnon Express-Radius 2 A! MAX [ TRACE MODE LOGOVIEW +

Создание _ 4- _ 4- + _ _

собственных блоков и

библиотек

Графическое задание - 4- 4- + + - - -

соединений

Создание _ _ _ 4- 4- _ + _ _

макроблоков

Обширная 4- 4- +/- 4-4- 4- +/- +/- +/- +/-

библиотека

стандартных

алгоритмов

Возможность 4- 4- - +f- 4- - +/- + + 4-

логического

управления расчетом

Использование _ - - + _ -

стандартного языка

программирования

Возможность 4- 4- 4- +/- +/- + + 4- + 4-

наблюдения любой

координаты

Возможность _ _ 4- 4- 4- + +

управления в

процессе расчета

Возможность _ +/- _ + + +/- +/- +/-

изменения образов

блоков

Свободное изменение _ _ +/- +!- _ +/- +/- +/- +/-

конфигурации и вида

органов управления и

наблюдения

Продукт может - - _ 4- 4- + 4-

использоваться

отдельно от системы

Встроенные средства _ _ _ 4- _ 4- 4- +

связи с объектом

Тип пакета Язык Язык Модели САПР Моделир САПР САПР SCADA SCADA SCADA

моделир моделир рование СУ SCADA СУ

Интерфейс пользователя в рассматриваемой системе состоит из главного меню и подменю низшего уровня. На рис. 5. приведен экран АРМ. Пункты главного меню расположены в верхней строке экрана. При выборе пункта основного меню, раскрывается соответствующее подменю. Уровень вложенности главного меню не превышает четырех. На рисунке видно главное меню и три раскрытых подменю. Здесь выбраны пункты:

- главное меню Предприятие

• подменю Корректировка

- подменю Внебюджетные фонды

• пункт Приобретение трансп. средств

Все эти подменю развернуты на фоне перечня введенных данных, который появляется на экране сразу после входа в АРМ.

В интерфейсе пользователя АРМ реализован основной принцип, изложенный в разделе 2 - максимальное упрощение интерфейса с точки зрения пользователя.

Одной из главных проблем систем статистического учета является проблема входных (и выходных) форм, так как структура вводимых (и выводимых) данных директивно изменяется вышестоящими органами достаточно часто. Стандартные средства построения входных форм (включая и генераторы экранов) рассчитаны на жесткую структуру и формат вводимых данных. При изменении формата хотя бы одного поля данных (например, добавление одного знака до или после десятичной точки) необходима модификация программы, которая реализует эту входную форму. Проблема существенно осложняется при использовании этой программы в нескольких АРМах (возможно, разнесенных в пространстве).

В работе предложен принцип проектирования наглядного представления данных для автоматизации программирования входных и выходных форм систем сбора и обработки данных. Любая входная форма определяется набором полей О, в которые должны вводиться конкретные значения данных.

0 = {с1|}11 = 1.....N (3)

где: \ - номер поля в форме, <11 - значение данных в поле N - количество полей ввода в форме.

Каждому полю ввода ставится в соответствие характеристика

§ = Pi.fi,Vi, i = 1.....N (4)

где: Pi - образ или шаблон, в соответствии с которым в поле вводятся данные, f¡ - псевдоним или имя переменной, в которую будет

производиться запись введенного значения, v¡ - функция или процедура, осуществляющая проверку введенных данных на корректность, верность и/или совместность.

Каждая из компонент характеристики (4) определяется набором стратегических, параметрических и настроечных данных системы:

p¡=p¡{o,7t,v}, i=1.....N (5)

fi=fifav}, i=1.....N (6)

v¡=v¡{a,7t,v}, 1=1.....N (7)

где: а - стратегические данные; % - параметрические данные; v - настроечные данные. Помимо полей ввода, непосредственно связанных с вводимыми данными, во входной форме всегда присутствует большее или меньшее количество элементов оформления, которые непосредственно не связаны с данными, но обеспечивают лучшую читаемость, понимаемость и наглядность входной формы и данных в ней. Для обеспечения универсальности представления формы, характеристики полей оформления описываются таким же образом, как и характеристики полей ввода. Практически это эквивалентно увеличению размерности вектора характеристик и вектора полей формы

H={^},i=1,...,N+M (8)

A = {U¡=1,...N+M (9)

M£bd¡},Í=1,...,N+M (Ю)

где: S - вектор характеристик формы, Л - вектор полей формы, X¡ - i-e поле формы di - значение данных в поле i, N - количество полей ввода данных, М - количество полей оформления.

В целом изображение входной формы представляется отображением

лвх = е{Н,о},1=1.....и+м (п)

Предложенное представление входной формы позволяет формализовать описание конкретного вида этой формы.

Выходная форма АВыХ описывается аналогично входной, но с другим назначением элемента v¡ характеристики поля выходной формы.

Лвьк = ф{Н,0}>1=1,...^+М (12)

Здесь этот элемент отвечает не за проверку данных, так как вся проверка сосредоточена на этапе ввода, а за выполнение вычислений выводимого элемента, если в поле выводится вторичный (вычисляемый на основе основных) элемент данных.

На основе предложенного принципа разработано математическое и программное обеспечение для генерации универсальных входных и выходных форм, вид которых определяется специальным файлом. Программа, генерирующая такую форму, не зависит от конкретной структуры или формата вводимых или выводимых данных. При использовании такой программы в АРМе проблема модификации входной/выходной формы решается простой заменой файла, определяющего вид этой формы. Это может сделать даже самый малоквалифицированный пользователь. Механизм формирования универсальной входной и выходной форм идентичен (выходная форма отличается от входной только отсутствием полей ввода, что несколько упрощает ее реализацию).

Универсальная входная форма позволяет использовать одну и ту же программу для ввода разнообразных по структуре строк/столбцов форм. Структура формы при этом задается специальным ОВР-файлом. Ширина каждого столбца формы должна быть такой, чтобы он вмещал самое широкое из полей этого столбца. Если форма не помещается целиком в окне вывода, она будет прокручиваться соответствующим образом по горизонтали и/или по вертикали.

Для обеспечения безаварийной работы системы в работе предложена методика запуска АРМ с проверкой корректности завершения предыдущего сеанса работы, проверкой целостности файлов базы данных и самого АРМ. Блок-схема алгоритма такого запуска АРМ приведена на рис. 6. Для осуществления проверки корректности выхода из предыдущего сеанса работы используется специальный флаговый файл, который создается при начале работы АРМ и уничтожается при корректном выходе из него.

^ Запуск ^

1

Анализ завершения: запуск или перезапуск

Ж

<^Желает?^>—►(")

! Да

Перепись данных в новую структуру

Стирание старой копии

О

Анализ существования индексных файлов

|Нет

Сообщение об аварийном завершении

1 Г

^ Конец ^

Создание индексных файлов

Инициал функций с глобальнь изация бработки 4Х ОШИбОК

1 г

Основной цикл работы АРМ

1 г

Индикация нормального завершения

' г

^ Конец ^

Рис. б. Блок-схема алгоритма запуска АРМа с проверкой корректности инициализации

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе предложена комплексная модель данных, поступающих на систему управления или САПР. Предложены принципы и методы обработки таких данных и наглядного их представления.

2. Разработано математическое и программное обеспечение для генерации интерфейса САПР систем управления, который настраивается на конкретного пользователя им самим и не требует от него навыков программирования.

4. Разработана САПР систем управления, позволяющая анализировать, синтезировать и проводить целенаправленный поиск наилучших вариантов систем управления в режиме активного взаимодействия проектировщика с ЭВМ. Разработаны алгоритмы автоматизированного создания интерфейса пользователя для таких систем. Они реализованы в:

- модуле автоматической генерации программы расчета,

- модуле библиотеки стандартных функций,

- модуле редактора кусочно линейных функций,

- модуле программы расчета, которая может работать в режимах редактирования, моделирования и оптимизации.

По ряду показателей эта САПР превосходит отечественные и многие зарубежные программные пакеты такого же типа.

5. Результаты, полученные в работе, были применены при создании инструментальных средств моделирования и исследования систем управления в научно-исследовательских работах Института проблем управления РАН. Программный комплекс, был применен для синтеза структур корабельных систем управления и исследования локальных систем регулирования атомных электростанций. Имеется соответствующий акт внедрения.

6. В работе предложен принцип проектирования наглядного представления данных для автоматизации программирования входных и выходных форм систем сбора и обработки данных.

7. На основе этого принципа разработаны алгоритмы автоматической генерации входных и выходных форм, позволяющие формализовать процесс внесения изменений в эти формы.

8. Разработан алгоритм прогнозирования данных, подверженных сезонным колебаниям.

9. Результаты, полученные в работе, были применены при создании автоматизированных рабочих мест "Перевозки на воздушном транспорте", "Использование парка воздушных судов", "Труд и зарплата", которые внедрены в Федеральной авиационной службе России. Имеется соответствующий акт внедрения.

Основные положения диссертации были представлены на первой

международной конференции Интернет MINESIM'96

и опубликованы в следующих работах:

1. Дорри М.Х., Рощин A.A. Отчет о НИР по теме № 712-94/49 Инструментальные средства проектирования алгоритмов и программ для распределенных микропроцессорных систем. Инструкция по динамическим расчетам систем управления, per. № НМ-6381, ИПУ РАН. - М: 1995.

2. Дорри М.Х., Рощин A.A. Отчет о НИР по теме № 712-94/49 Инструкция по созданию элементов оперативного управления и отображения информации, per. № НМ-6382, ИПУ РАН. - М:

1995.

3. Дорри М.Х., Рощин A.A. Отчет о НИР по теме № 712-94/49 Инструкция по созданию библиотек кусочно-линейных функций на базе программных средств "экспресс-функция", per. № НМ-6382, ИПУ РАН.-М: 1995.

4. Дорри М.Х., Рощин A.A. Инструментальные средства "Экспресс-Радиус" для автоматизации динамических расчетов систем управления. - М: Приборы и системы управления № 8,

1996, сс. 7-10.

5. Дорри М.Х., Рощин A.A. Изучение свойств динамических процессов в природе и в технических системах с помощью пакета "Экспресс-Радиус". - М: Компьютеры в учебном процессе № 9, сентябрь 1996, сс. 3 - 32.

6. Дорри М.Х., Рощин A.A. Использование инструментальных средств "Экспресс-Радиус" в учебном процессе,- М: Приборы и системы управления № 3, 1997.

7. Рощин A.A. Проблемы взаимодействия пользователя САПР с моделируемой системой. - М: МГАПИ, 1996.

8. Рощин A.A. Инструментарий пользователя САПР системы управления технологическим процессом. - М: МГАПИ, 1996.

9. Рощин A.A. Динамические расчеты в САПР системы управления технологическим процессом. - М: МГАПИ, 1996.

Ю.РощинА.А. Кусочно-стационарная модель для прогнозирования показателей. - М: МГАПИ, 1996.