Echtzeitsysteme: Unterschied zwischen den Versionen
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***zeitliche Bindung | ***zeitliche Bindung | ||
***parallele Berechnung komplexer Algorithmen mit Rechner | ***parallele Berechnung komplexer Algorithmen mit Rechner |
Version vom 17. Juli 2007, 13:25 Uhr
Echtzeitsysteme (EZS) | |
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Vertiefungsrichtung | alle |
Vorlesender | Kowalski |
Ort | K2002B |
URL | Klick! |
Vorlesungsmaterial
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Prozesse – Informatik – Echtzeitsysteme (EZS)
Ziele der Prozeßinformatik (PIF)
- inter-, transdisziplinäres Gebiet
- enger Zusammenhang von PIF und Automatisierung
Ziel: zielgerichtete Beeinflussung technischer Prozesse (siehe: Bild 1.1)
Gründe für Automatisierung und PIF
- physische Grenzen
- psychische Grenzen
- humane Grenzen (zu komplex für den Menschen)
- technische / ökonomische Gründe
- Neuartigkeit
- Wirtschaftlichkeit
- "time to market" (Entwicklung und Überführung/Anpassung)
Merkmalsbetrachtung am Beispiel (eingebetteter) EZS (Bild 1.1a)
Entwurfsrelevante Merkmale
- Einbettung in die Umgebung
- Verteilung
- Zeitanforderungen
- Parallelitäten
- Datenhaltung
Nutzerrelevante (Qualitäts-) Merkmale
- Erfüllung der Funktion
- Benutzbarkeit (für den Bediener)
- Effizienz (Rechenleistung, Kosten à Zeit / Ressourcen)
- Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit
- Änderbarkeit
- Portabilität
- Sicherheitsanforderungen
- gesetzliche Anforderungen
Einordnung von EZS – PDV – Systemen interdisziplinär (Bild 1.2)
(PDV – Prozeß-Daten-Verarbeitung)
Phasen: Analyse / Synthese / Entwurf (Bild 1.3)
Verbindung: (Schnittstelle – SS)
- Art der Modellrepräsentation
- Funktionale Modellrepräsentation
Aufgabe für Prozeßinformatik beim EZ-Systementwurf
(1) Erstellung von geeigneten Verfahren und Entwurfswerkzeugen für Automatiker unter Beachtung der Modellrepräsentation
- Aufbereitung, Nutzung standardisierter Werkzeuge
- Erstellung spezialisierter Entwurfswerkzeuge
(2) direkter Entwurf von Hard- und Software
- Darstellung, Modellierung (allgemeingültig)
- Formalisierung
- Überführung in einen konkreten (einheitlichen) Entwurf
=> 2 Komplexe für die Vorlesung:
- Systeme, Modelle, ...
- Anforderungen an Systeme bzgl. Echtzeitverhalten (EZ-Sprachen)
Systemplanung:
Aussage: es existieren
- Vielzahl von Realisierungsmöglichkeiten
- Vielzahl von Kriterien
1) Voruntersuchung
- Klärung wirtschaftlicher Fragen
- Kosten-Nutzen-Analyse
- Automatisierungsgrad
2) Grobanalyse
- Ziele:
- Grobmodell für Verfeinerung und Implementierung
- Darstellung und Abbildung der möglichen Hierarchie und Struktur
- Auflösung von Elementar- und Einzelprozessen
3) Schema / Konfigurationsaspekte
- Meßaufgaben
- Ort-, Wert-, Zeitverhalten
- Verarbeitung, Übertragung, Meßeinrichtung
- Steuerungsaufgabe
- Lokalisierung, Größen
- Zeitverhalten
- Steuereinrichtung (elektrisch, mechanisch, pneumatisch)
- Stellaufgabe
- Ort-, Wert-, Zeitverhalten
- Übertragung
- Bedienaufgabe
- Darstellung, Protokollierung
- Bedienung, Bedienort / Bedieneinrichtung
- Sicherheitsaufgabe
- Vermeidung von Gefährdung bzw. Ausfall
- Sollkonzept
- Lastenheft / Pflichtenheft
Beschreibung von Elementarprozessen
- funktional
- Verbund (hierarchisch, konzentriert, ...)
Prozeßstrukturen
- statische Strukturen
- Grobstruktur des Aufbaus
- nicht immer Rückschluß auf Funktion möglich
- Blockdiagramme (z.B. Wirkungs- / Transportwege)
- stationäre Strukturen
- analog zu statischen Strukturen
- Darstellung paralleler Abläufe
- Blockdiagramme, ...
- dynamische Strukturen
- Elemente passen strukturell statisch zusammen
- passieren im richtigen Moment (zeitabhängige Übergänge)
- Beschreibung z.B. mit Petri-Netzen (PN)
Repräsentations- und Beschreibungsmöglichkeiten
- graphische Beschreibungsmittel
- Beschreibung für Struktur und Funktion möglich
- in PIF Netzdarstellung
- Instanzennetze
- SADT (erweitertes Instanzennetz)
- Petri-Netze
- Struktur: Verbindung --- Elemente --- Funktion (statisch / dynamisch)
- Beschreibungsmittel
- Knoten: Zustände, Speicherung
- Kanten: Übergänge, Wirkrichtung
- Beispiel:
- Instanzennetze (Bild 1.5)
- Instanzen, Kanäle, Verbindungen
- SADT - Structured Analyse and Design Technique (Bild 1.6)
- Trennung von Daten- und Funktionsmodell
- Redundanter Entwurf --- Sicherheit
- Petri-Netze (Bild 1.7)
- Besonderheiten: Prozeßübergänge und –dynamik beschreibbar
- geeignet für statische, stationäre und dynamische Strukturen
- mathematisches Fundament
- überführbar in andere Beschreibungsmittel
- Tools vorhanden !
- Plätze, Transitionen, Kanten, Marken
- Schaltregel muß erfüllt sein (Vor- / Nachbedingungen)
- Instanzennetze (Bild 1.5)
Begriffe der PIF mit EZS
System – Modell – Prozeß
allgemeines Wirkschema
Wirkschema Normalbetrieb
Prozess ist ursächlich! --> Quelle/Senke von Daten/Befehlen für Steuerung/Regelung
zur Beobachtung/Führung:
--> PDV-EZS mit folgender Spezifikation
- Einhaltung zeitlicher Abfolgen und vorgegebener Bearbeitungszeiten (von Prozeß vorgegebene EZ-Bedingungen)
- Echtzeitverarbeitung
- ständige Aufnahmebereitschaft der PDV-Systeme für äußere(von Prozeß) / innere (Ausnahmezustände, Fehlermeldungen) Informationen / Ereignisse
- deren schritthaltende Verarbeitung (nach vorgegebenen Algorithmen) zum Zweck der:
- Verarbeitung
- Speicherung
- Transport / Übertragung
- Daten/Ereignisse aus Gegenwart und Zukunft auch aus Vergangenheit erfolderlich
- Gesamtsystem (oder Teilsystem) müssen geforderte Funktionen erfüllen
- Gesamtsysteme (Teilsysteme) müssen sicher sein
EZ-Forderungen
- Rechtzeitigkeit
- Vollständigkeit
- Gleichzeitigkeit
- Korrektheit/Sicherheit
Begriffe
- System (aus Sicht der PIF)
- Einheit aus informationstechnischen Maßnahmen zur zielgerichteten Beeinflussung stofflicher, energetischer, informationelle Sachverhalte und Informationsverarbeitungstecnik selbst
- je nach Betrachtung angepasste Modelle für Analyse/Synthese erforderlich
- siehe Bild 2.4 / 2.5
- Modell
- Abbildung eines Systems mittels einer kognitiven Struktur
- Warum Modellnutzung?
- Ausgangspunkt für Systementwicklung
- Ausgangspunnkt für Systemuntersuchung
- gdw. --> am Original: nicht möglich ist; zu teuer; zu langwierig
Modellausprägungen
- physikalische (materielle Modelle)
- nur bei sehr teuren Zielsystemen
- biologischer Bereich
- mathematische Modelle
- formale Modelle
- grafisch, numerisch
Modellunterscheidung nach Charakter der Modellvariablen
- Modellvariablen
- Zeitbezug (--> dynamische /statische Modelle)
- Wertetyp (--> diskrete / stetige Modelle)
- Determiniertheit (--> deterministische / stochastische Modelle)
- siehe Bild 2.6
Modellprüfung
- Validierung: Übereinstimmung von Modell und Realität (Bewertung, Kenntnisse der Domäne)
- Verifikation: Übereinstimmung Computermodell und Realität (iterativ Herbeiführen)
Technische Prozesse
- Vorgang zur Umformung, Transport, Speicherung von Materie, Energie, Information
- dessen Zustandsgrößen mit technischen Mitteln erfasst werden können und beeinflusst werden können
(vgl. DIN 66201)
Unterscheidung wichtig da für verschiedene Grundformen
- angepaßte Regelung-/Führungsstrategien
- Einfluß auf EZ- Systemverhalten
siehe Bild 2.7
Informationen in technischen Prozessen
- Kopplung eines: technischen Prozesses und Steuerungssystems ist Ziel!
- erfolgt durch: Informationsgewinn aus dem Prozess und Informationsverteilung in dem Prozess
Repräsentation des Systems durch ein Modell ist:
- Darstellung der Systemzustände
- Darstellung der inneren Struktur
--> erfolgt alles durch Informationen
Abbildung der Systemzustände ist Voraussetzung für Prozeßbeobachtung
- Sensorik: (Messglieder) Informationserfassung für Zustand
- Aktorik: (Stellglieder) Informationsausgabe für Zustandsänderung
siehe Bild 2.8
Signale
- zeitlicher Verlauf einer physikalischen Größe x, die Informationen in sich trägt
Problem: Darstellung kontinuierlicher, veränderlicher Systemzustände durch Informationen
- unendlicher Wertevorrat --> wertkontinuierlich, zeitkontinuierlich
- unendlicher Wertevorrat nicht abbildbar in diskreten Systemen
Lösungsansatz
- Quantisierung
- Zustandsbereich auf Intervall beschränken in dem sich Zustandsgröße befindet
- Aufteilung des Intervalls in Inkremente
- Digitalisierung der Informationen
- Entscheidungsgehalt = Maß für Aufwand zur Klassifizierung der Zustandsgröße
- - Zustandsraum
- Auflösung: kleinste einstellbare, erkennbare Inkrement bezogen auf beschränkten Zustandsbereich
- Länge des Inkrements
- Genauigkeit: größte Abweichung des realen Zustandes Xr von seinem durch Information beschriebenem Zustand Xi
- relative Genauigkeit
- Abtastung
- Informationserfassung nur alle ( > 0)
- --> Zeitdiskretisierung
Diskussion
- Abtastfrequenz >> Signalfrequenz
- bei Anwendung können A und G (gleich und) verschieden sein
- hohe A bei kleiner G für Langzeitmessung
- G > A – falsche Abbildung der physikalischen Zustände
- Normalfall: A >,>> G
- Fakt: ADU, DAU --> A > G , G – schlechterer Wert
Prozeßlenkung, Prozeßkopplung, Prozeßrechner
Sensor:
- erfassen x(t)
- wandeln x(t) in x(t)
Verarbeitung: diskret
Aktor:
- stellen
- wandeln y(t) in y(t)
zeitdiskretes Signal
- fungiert über diskrete Zahlenfolgen
- führt auf
Untersuchung von Systemen
(1) statische Systeme
- y(t) hängt ausschließlich von x(t) ab
(2) dynamische Systeme
- y(t) hängt zumindest in einem Zeitpunkt von der Zeit und nicht nur von x() ab
Unterscheidung durch Linearität
(1) lineare statische Systeme
- g.d.w. Überlagerungssatz gilt
(2) lineare dynamische Systeme
- für E-/A-Signale aus Vergangenheit und Gegenwart gilt Überlagerungssatz
- ist das nicht so: nichtlineare Systeme!
Verhalten in linearen dynamischen Systemen
//Bilder
mögliche Systemklassen
- lineare (insbesondere statische) Systeme lassen sich sehr gut beschreiben durch
- Datenflußgraphen (DFG)
- Signalflußgraphen (SFG)
- siehe Bild 3.3. (DFG / SFG)
- gerichteter Graph
- Richtung entspricht Datenfluß
Funktionsbeispiel:
- Knoten / Plätze: Datenspeicher / Variable (a, b, c, y)
- Operatoren: Operationen (ADD, MULT)
Defizit: Reihenfolge der Abarbeitung (Steuerfluß) fehlt
Grundstrukturen
- Reihenschaltung
- Parallelschaltung
- Rückkopplung
- Gegenkopplung (Regler)
- Mitkopplung (Oszillator)
//Bild
Struktur hierarchischer Prozeßlenkungen
Vorraussetzung: Erfassung des Streckenzustandes
Strecke
- Teil des Systems
- technische bzw. physikalische Größen gemäß Zeitfunktion
- meist zeitkontinuierlich
- Streckenmodell durch Messen / Berechnen ermitteln
Art der Einflußnahme
- Steuerung
- ist rückwirkungsfrei
- SFG zyklenfrei
- n-Eingangsgrößen möglich
- Stellgrößen sind Ausgang
- Führungswertsteuerung über externe Führungswerte
- siehe Bild 3.6
- Regelung
- geschlossene Wirkungskette
- Regelabweichung = Istwert – Führungswert
- „Regeltechnisches Paradoxon“
- Führungsbetrieb
- Störbetrieb (externe Störungen)
Automatisierungsziel
- einfach --> einfaches PDV-EZS (autonomes) Automatisierungssystem
- komplex
- Dekomposition, Funktion, Hierarchie
- Taxonomie --> PDV-EZS als Rechnerverbund
- siehe Bild 3.6
- Rechnerverbund --> Ebenen --> Zeitebene, Intelligenz, Komplexität
Besonderheiten der Ebenen
(1) Prozeßebene
- direkte Prozeßüberwachung, -beeinflussung (Steuerung / Regelung)
- Elementar-, Einzel-, Verbundprozesse
- Kopplung Sensor --> Steuerung --> Aktor direkt oder über Busse (z.B. ASI-Bus)
- Bedienung: prozeßnah
- Handbetrieb
- Normalbetrieb
(2) Operativebene
- Überwachung und Bedienung von Gruppen- und Einzelreglern (gegebenenfalls Backup)
- Einzel-, Verbundprozesse
- Bindeglied zwischen (1) und (3) – Koordinationsebene
- Kopplung: EZ-Busse (CAN, Profi-Bus, ...)
- Bedienung:
- problemspezifische Programmierumgebung
- Funktionstastaturen
- Ausgabe: Störmeldungen, Protokolle, Trendanalyse
(3) Koordinationsebene
- Gruppen der Operativebene zusammengefaßt
- Funktionskoordinierung:
- Voraussetzung für Prozeßlenkung über Leitrechner
- Funktionsoptimierung:
- max. Effizienz der Teilprozesse nach gemeinsamen Zielfunktionen
- Kopplung:
- (3) --> (2): EZ-Busse
- (4) <-- (3): nicht EZ-Busse, (EZ-Busse möglich)
- Redundanz für (2) (abhängig von Kopplung: EZ / nicht EZ)
- Bedienung:
- Abfrage aller unteren Schichten (z.B. Bedienung von (2))
- Programmierumgebung
- Steuerstrategien
(4) Leitebene / Managementebene
- zentrale Leitung des Ausgabesystems
- Betriebsprozesse
- Planung / Statistik / wirtschaftliche Strategie
- Trennung zwischen System und Umgebung
- Kopplung (4) --> (3): nicht EZ-Busse
- Bedienung:
- leistungsfähige (graphische) Programmierumgebung
- Protokollierung / Archivierung
Zeithorizonte der Ebenen
konkrete Aufgabenstellung in der Hierarchie bestimmt:
- Zeitforderungen / Abläufe der Kopplung
- Enge der Kopplung einer Rechners an den Prozeß
- Eingriffsmöglichkeiten von Mensch und / oder Rechner auf den technischen Prozeß
- --> Unterscheidung von Kopplungsprinzipien
- Stärke der Kopplung
- Mitwirkung Mensch, Rechner
Varianten:
- Mensch --> technischer Prozeß
- Rechner --> technischer Prozeß
- Mensch --> Rechner
Kopplungsprinzipien
- handbediente Prozesse
//Bild
- indirekte Prozeßkopplung
- siehe Bild 3._
Rechner zur Kopplung technischer Prozeß à Prozeßrechner (PR)
Prozeßrechner
2 Arten:
- erweiterte technische Lösung einer allgemeinen Universalrechnerstruktur (Operativ-, Kooperativebene)
- spezielle Realisierung mittels Mikroprozessoren als integrierte Systeme (Operativ- und / oder Prozeßebene)
--> siehe Bild 3.7.
- leistungsfähiger Rechenkern
- modularer Aufbau
- Konfigurierung von Meß- und Stellperipherie
- (z.B. bis 100 Regelkreise)
- Prozeßperipherie
- peripheres Gerät = f(Aufgabenstellung)
- Bsp.: Gerät = Druckmesser, Aufgabe = Druckmessung, ...
- oft höhere Kosten als ZVE (zentrale Verarbeitungseinheit)
- bestimmen maßgeblich Signalverhalten, Zeitverhalten, Sicherheit
- peripheres Gerät = f(Aufgabenstellung)
- Kommunikationsperipherie
- Peripherie für Bedienung / Beobachtung
- Kommunikation mit Bediener
- Programmierung / Parametrierung (Entwickler)
--> für Systemkommunikation
- Rechnerverbund
- für Systemstart und Führung
- funktionale Vernetzung mehrerer Rechner
- fernwirkende E/A-Bedienung
zu Bild 3.8.: spezielle Mikrocomputer der PDV als EZS / embedded!
spezielle PR:
- Ansatz
- Aufgaben klein (bis mittel)
- Verteilung von Aufgaben auf „kleine“ Systeme
- Vorteile
- dezentrale (parallele) Verarbeitung
- hohe Geschwindigkeit
- kurze Wege für E/A
- hohe Zuverlässigkeit (Redundanz)
- überschaubare Hard- / Software
=> Funktionsrechnerkonzept
- hohe Anforderungen an Kommunikationsperipherie
- hoher Kommunikationsaufwand
Komplexe Systeme
- Verteilung
- Realisierung als Mehrprozessorsystem bzw. Mehrrechnersystem
Prozeßrechner als Mehrprozessorsystem (Bild 3.9)
- es entstehen verschiedene Zeitebenen in den Knoten und beim Informationsaustausch
- Konzept: hohe Rechenleistung und gewisse Universalität
- Coprozessoren:
- Arithmetik
- E/A-Verkehr
- Speicher-Verkehr
- Busverkehr
- Besonderheit: Kommunikationssystem erforderlich
a) einzelne Prozessoren – feste Kopplung über gemeinsamen Speicher (intern), Bussysteme
b) zusammenhängende Kommunikationskanäle
- E/A-Kommunikation
- Punkt zu Punkt
- Busse (Linie, Ring, Stern)
Prozeßrechner als Mehrrechnersystem (Bild 3.10)
Multicomputersysteme
- System aus gleichartigen, einzelnen Rechnern (Prozessor, Peripherie, Speicher)
- Verbindungssystem für Informationsaustausch
- feste Kopplung (gemeinsame, globale Speicher)
- lose Kopplung (Gerätekopplung, E/A-Kopplung)
Spezielle Mehrprozessorsysteme (Bild 3.11)
//Bild
Transputersysteme:
- CPU + zusätzliche IO-Prozessoren (mit mehreren Kanälen) bilden einen Knoten (Rechner)
Abschätzung:
- Aufwand reine Rechenzeit
- Aufwand Übertragung über Links
Echtzeitkommunikation / Busse / EZ-Busse
Anforderungen an EZ-Busse
- definierte Antwortzeiten
- Übertragungssicherheit
- Fehlererkennung und –behebung
- Verfügbarkeit, Preis
- effiziente Protokolle (Geschwindigkeit)
- Standardisierung (breite Anwendung)
Beispiel
- ASI: Aktor-Sensor-Bus (Interface)
- begrenzte Adressierbarkeit
- begrenzter Datenaustausch (Sensorabfrage)
- verbinden "intelligenter" E/A
- Prozeßebene (Sensor-Aktor-Ebene) <-> technischer Prozeß
- CAN-Bus: (Profibus, Interbus) à siehe Folie
- Regelungs-Steuerungs-Ebene
Prozeßperipherie
Aufgabe: Prozeßdaten vom und zum Prozeß zu übertragen!
Unterscheidung: Prozeßgrößen / Prozeßdaten aus der Sichtweise
//Bild
--> siehe Bild 4.0 – Prozeßgrößen
- Prozeßperipherie:
- erfaßt bzw. überträgt zum Prozeß
- Prozeßdaten: analog, digital, hybrid
Prozeßzustandserfassung
klassifizierbar nach:
- Auslösen der Zustandserfassung (Steuerungssystem, technischer Prozeß)
- Dauer der Prozeßzustände (statisch, dynamisch)
--> n-Tupel Tabelle
Initiator der Prozeßzustandserfassung | Dauer des Prozeßzustande | |
---|---|---|
langfristig | kurzfristig | |
Steuerung | statische Zustandssignale | technische Zustandsignale |
technischer Prozeß | statische Alarmsignale | dynamische Alarmsignale |
Statische Zustandssignale (siehe Folie 4.1)
- Prozeßsteuerung fordert zu definierten Zeiten regelmäßig Informationen aus Prozeß an, um bestimmte Reaktionen auszuführen
- nur sinnvoll, wenn (Anforderungsrate Prozeßsteuerung > Änderungsrate des Prozesses)
- Erfassung relevanter Zustände mit Abtasttheorem ( )
Dynamische Zustandssignale
- kurzfristige Zustandsänderungen die erfaßt werden müssen, wenn (Dauer eines Prozeßzustandes < Periodendauer für Erfassung)
- Zustandsänderung dynamischer Signale müssen gepuffert werden (Aufheben)
--> Betriebsart: Taste-Halte-Glied (analog)
- FlipFlop (binär)
- bis zum Überschreiben bleibt Pufferwert gültig
- sinnvoll auf kurzfristige Ereignisse
- nicht schritthaltend reagiert werden muß
Statische Alarmsignale
- zeigen längerdauernde (insbesondere binäre) Zustände an
- erweiterte Möglichkeit zur Abfrage und Auswertung von Prozeßsignalen durch:
- Wegfall der zyklischen Abfrage bei seltenen Zuständen (vermeidet "busy-wait")
- oder um bei Eintreten solcher Zustände unmittelbare Reaktionen zu veranlassen (Reaktionszeit)
- oder wenn während bestimmter Zustände im Prozeß keine Zustandserfassung möglich ist (Grenzwertüberschreitungen)
Dynamische Alarmsignale
- Informationsparameter ist zeitlicher Ereignispunkt eines bestimmten Zustandswechsels
- Reaktionszeit entspricht Prozeßzeit
--> echtzeitfähige Reaktion
- geht über Erfassung von Zustandssignalen hinaus
- geeignete Mechanismen zur prozeßzustandsabhängigen Steuerung / Regelung
//Bild
- Reaktion echtzeitfähig aus jedem beliebigen Zustand der PR-Steuerung heraus
Funktionen und Funktionsgruppen der Prozeßperipherie
Hauptfunktionen:
- Abtastung
- Quantisierung
- Digitalisierung
Nebenfuntionen:
- Signalanpassung
- Signalübertragung
- Vermeidung Eliminierung von Störungen
Realisierung:
- Hardware (ADU, DAU, RC-Filter, ...)
- Software (Kodiealgorithmen, Filteralgorithmen, ...)
--> Bild 4.2.
- vollständige Meßkette / Stellkette
- n-stufig
- Realisierung durch Hardware und Software
- Signale:
- elektrisch, nicht elektrisch
- analog, digital, ...
- Eigenschaften der Signale erfordert spezielle Prozeßperipherie
Klassifikation der Prozeßsignale
a) nach Aufbereitung der Signale im Meßprozeß
- primäre Meßwerte
- direkt am Prozeß aufgenommen
- "unverfälscht"
- dem Prozeßzustand zugeordnet
- sekundäre Meßwerte
- entstehen nach mindestens einer Umwandlung aus primären Meßwerten
- können zusätzliche Fehler aufweisen
b) nach technischer Natur
- elektrische Meßwerte
- nichtelektrische Meßwerte (Mehrzahl in der Natur)
c) nach zeitlichen Verhalten
- statische Signale
- Werte sind zeitlich konstant
- stationäre Signale
- über längere Zeit wie statische Signale
- änderbar
- quasistationäre Signale
- verhalten sich wie stationäre Signale
- langsame Änderung möglich
- dynamische Signale
- schnelle Änderung der Signalparameter
- nicht nur Momentanwert, auch Änderungsrate ggf. interessant
- Ereignisse (Alarme)
- sprunghafte Änderung entscheidet
- nicht unbedingt Wert interessant
- Richtung und/oder Zeitpunkt interessant
d) Klassifikation nach Signalformen
- Gestaltung der Peripherie
- beschreibt wie
- Signal vom Meßglied bereitgestellt wird
- vom Stellglied erwartet wird
--> Bild 4.3.
- analoge Signale: konstante Änderung, jeder beliebige Wert möglich
- diskontinuierliche Signale: zu bestimmten Zeitpunkten jede beliebige Amplitude möglich
- diskrete Signale:
- wertdiskret (endlich viele Werte möglich)
- zeitdiskret (endlich viele Zeitpunkte möglich)
- wert- und zeitdiskret
- binäre Signale: 2 Zustände
- Impulsfolgen: Impulsabstand / Impulsanzahl
- Abtastimpulse
Zusammenfassung
- Prozeßperipherie muß an speziellen Charakter der Meß-/Stellwerte angepaßt werden
- leider häufig neu entwickelt werden
- im Regelfall (PDV) sind es quasistationäre bzw. dynamische, nichtelektrische, analoge Meßwerte (als Primärsignale)
- aus Signalart folgt:
- Art der Meßgeräte (Bild 4.4.)
- Kette der Prozeßgrößenaufnahme (Bild 4.5.)
Quantisierung / Digitalisierung
- Prinzip A/D-Umsetzung
//Bild AD-Umsetzer
//Bild Spannungs-Frequenz-Wandler (UF-Umsetzer)
- Prinzip D/A-Umsetzer
//Bild DA-Umsetzer
//Bild FU-Umsetzer
Prozeßgrößenübertragung
Grundfunktionen
- Anpassung
- Schaltungsanpassung (Widerstände, Potentialtrennung, Rückwirkungsfreiheit)
- Pegelanpassung (Verstärkung Meßsignal)
- Übertragung
- Signalverhalten
- Übertragungseigenschaften
- Störempfindlichkeit
- Kosten
--> siehe Bild 4.8.-10.
Multiplexen / Demultiplexen
(Technik zur Umsetzung vieler Signale) --> Bilder auf den Folien 4.11. / 4.12
Steuergröße, Stellglieder, Stelleinrichtung
Steuergröße:
- Wirkt auf Stellglied
- direkte Wirkung auf Stellgröße (Strom → Heizung)
Stellgröße
- wirkt am Stellort (Durchfluss bei Ventilen)
- praktisch geringere Vielfalt als P-Messgrößen
- Klassifizierung nach verschiedenen Gesichtspunkten
→ Bild 4.14
Statisches Verhalten
- durch Kennlinie
- Eingang ist Funktion vom Ausgang E=f(A)
- z.B. Drehzahl (Fördermenge)
- stetige Kennlinie
- monoton
- Kontinuierlich
- ==> stetiger Algorithmus
- schaltende Geräte
- 2-Punkt Regelung (an/aus)
- 3-Punkt Regelung (+,aus,-) z.B. Motor (rechts, aus, links)
dynamisches Verhalten
- Stellglieder sind in der Regel langsamer als Messglieder (Mechanische/Thermische Geräte)
- Zeitverhalten muss im Prozess berücksichtigt werden (als Sprungantwort/ Impulsantwort)
- oft zusätzliches nichtlineares Verhalten ==> Einfluss auf das Gesamtkonzept
- Siehe Bild "Unterscheidung nach Sprungantwort"
- dezentrale Systeme
- z.B. Messglieder, Stellglieder, Busse
- z.B. verschiedene Tastzeiten (TS)
- Tsalgo, TsADU ==> Verschiebung durch nicht Synchrone Ts möglich (siehe später)
Grundlagen der Regelung mit Digitalreglern
→ Regelkreis
Beschreibung linearer dynamischer Systeme
f[x1(t)+x2(t)] = f[x1(t)] + f[x2(t)]
==> Überlagerungssatz gilt !
Bild/Tab 5.1
Analytische Beschreibung von Prozessen
- Funktionsbeziehung(Zeitfunktion/Zeitbereich)
- Beschreibt analytisch das physikalische Verhalten von Systemkomponenten
- ordnet Eingangsgrößen einer Ausgangsgröße y zu: y(t)= f(x(t))
- Bsp.: Sprung (zu einer Bestimmung der Funktionalenbeziehung als Testsignal)
- Verallgemeinerte Ableitung des Sprungs wird als Gewichtsfunktion bezeichnet, deren Laplace-Transformation Übertragungsfunktion heißt
- Übertragungsfunktion
- Bild Funktionen,Frequenzbereich
- durch Laplace Transformation aus Zeitfunktion von E und A Signalen mit einfachen Rechenregelwerk
- Def: Laplace-Transformation L{f(t)} ordnet der Zeitfunktion f(t) in eindeutiger weise eine komplexe Funktion F(s) zu
- s ist komplexe Variable: s= p+jw
- Bild 5.3.1
- Bild 5.3.2
- Bild 5.5
- Bsp Roboterarm
- 1 Elektrischer Teil
-
- Wobei gilt:
- Zeitbereich !!
-
- 2 Mechanischer Teil
- Zeitbereich !!
- → Laplacetransformation
- → Linearkombination
- → Differenziation
- → Verzögerungsglied
- → I-Glied
- 1.Verstärker und Stromrichter haben proportionales Verhalten
- → Kv, Ksr
- 2. Summierpunkt
- 3. (Ausgang) =
- Übertragungsfunktion:
- 4. proportional Wirkende Motorkonstante
- (Übergang zum mechanischen Teil)
- 5. Summierpunkte: (Eingang)
- 6. Ω (Ausgang) Übertragnungsfunktion
- 7. Rückwirkung:
Informationsverarbeitung in Prozeßrechnern
Echtzeitbetrieb
- Kopplung an technischen Prozeß nur sinnvoll, wenn auf Forderungen des technischen Prozesses zeitgerecht reagiert wird
- Echtzeitbetrieb ist Betriebsart eines Rechners, bei dem die Verarbeitung sich an dynamisch ändernde Anforderungen des technischen Prozesses anpaßt
- Zustände, Zeitbedingungen, Wichtigkeiten
technischer Prozeß:
- dynamische Änderung
- Zeitbedingungen
Prozeßrechner:
- Anpassung
- spezielle E/A
- spezielle Kommunikation und zusätzlich Erfassung zeitlicher Bedingungen
- --> angepasste Reaktion
--> entsteht Problem der Realisierung (Abbildung) von Zeiten
EZ-Forderungen
- Rechtzeitigkeit
- Zeitforderungen für Antwortzeit
- Start bzw. Ende Reaktionsprogramm
- Gleichzeitigkeit
- im technischen Prozeß sind Teilprozesse zeitlich / wirkungsmäßig parallel
- Reaktionsprogramme müssen parallel / quasiparallel ablaufen
- Vollständigkeit
- alle Teilprozesse sind auszuführen
- Korrektheit
Echtzeit
- harte Echtzeit
- bei Nichteinhaltung Schäden am Prozeß bzw. Gefährdung
- weiche Echtzeit
- Nichteinhaltung macht nichts
verallgemeinertes Zeitspiel:
--> siehe Bild 6.1.
- für EZ-Betrieb maßgeblich:
- Einhaltung aller Erfassungs- und Antwortzeiten aller Teilprozesse
i = 1,2, ...
Abbildung von Zeiten in Prozeßrechner
- absolute Zeiten --> Echtzeituhr (EZU)
- aus HW-Signal (Interupt)
- aus SW-Uhrenmodell
- relative Zeiten (Zeiträume)
- --> aus HW-Signal (Interupt)
- --> aus Taktbasis (Schleifen / Zyklen)
- Auszählung von Takten bei Befehlsabarbeitung
- Problem: Cache-Sprünge, Unterbrechung durch Interupt, Busrequest
- -->Zwischenform: Zählerregister
- laufen mit Takt
- Abfrage per Befehl möglich
- Sprung / Aktivität bei 0
Zeitabbildung
- Zeiträume --> Zyklen
- Zeitpunkte --> Bedingungen, Ereignisse
Koordination der Informationsverarbeitung
Zyklen: 3-Phasen-Zyklus
- Erfassen aller Meßsignale (Eingabe Prozeßabbild)
- Verarbeitung (Algorithmus entsteht Ausgabeprozeßabbild)
- Ausgabe (Ausgabeabbild über Stellsystem an Prozeß)
--> 3 Teilprozesse (Tasks) für n Aufgaben
- Anzahl der möglichen Prozesse: n * 3
--> Koordination und Planung erforderlich!
statische Koordinierung
//Bild
- polling
- feste Reihenfolge
- keine sofortige Reaktion ist eher Regel
dynamische Koordinierung
- Reaktion abhängig von Prozeßzustand
- führt auf verteilte Steuerstrukturen
Formen:
- Polling
- Erfassung aller Prozeßeingangsignale
- Abhängig von Signal wird Reihenfolge festgelegt
- selbstinitiierte Koordination
- kürzere Bearbeitungszeit
- weniger Einflußnahme auf Ausnahmesituationen
prozeßgesteuerte Koordinierung
- Reaktion auf kritische Zustände
- ereignisgetrieben
- feste Bindung an Prozeß
- asynchrone Programme
- keine Zyklen
- Konflikte durch Prioritäten gelöst
- Planung ggf. mit Bedienmodellen
- Realisierung über Interuptsignale
Reaktionsprogramme mit Prioritätsprinzip
- prozeßgesteuerte Koordinierung
einfach Realisierung:
- alarmbedingter Programmsprung (kein Rücksprung, RESTART)
- alarmbedingter direkter Programmsprung (HW-Verteiler, Interupt --> Sprung --> Rücksprung)
- alarmbedingter indirekter Programmsprung (SW-Verteiler: entscheidet, wohin gesprungen wird, Sprung --> Rücksprung)
komplexe Realisierung:
- Echtzeitbetriebssystem (EZBS)
- Prozesse sind Tasks
- Prozesse mit Taskzustandsmodell (TZM) beschrieben
//Bilder
Zeitgerechte Einteilung (Bild 6.4)
Planung: deterministische Systeme (konzentriert)
- Zeiten sind bekannt
- Festlegung
- Messung
- worst-case-Berechnung
- Prioritäten
- Zeiten (Antwortzeiten, Spielraum)
- Planung / Prüfung (Gannt-Diagramm, Bild 6.5)
Auswahl = f(Ein- oder Mehrprozesse bzw. gleich oder ungleiche Startzeiten der Prozesse)
verteilte determinierte (zyklische) Systeme
//Bild
- Verbundsystem mit Kommunkation
Gesamtprozeß:
- Gesamtzykluszeit (min, max, average)
- Gesamtlaufzeiten (min, max, average)
Zykluszeit des Verbundes
Extremwert der Verzögerung
Antwortzeit
– Bearbeitungszeiten (Laufzeiten)
- für n Elemente weitere Zusammenfassung möglich
stochastische Prozesse
- Bedienmodelle / Systeme (Kapitel 7)
- Einplanung nach:
- Ankunft --> Variation von Prioritäten, Warteschlangen
- Laufzeit --> Variation von Prioritäten, Warteschlangen oder shortest remaining processing time
Bedientheorie / Bediensysteme
- Versuch der Bedienung (echtzeitfähig) von stochastischen Anforderungen
- Versuch stochastische Systeme zu modellieren ?!
- --> basiert auf Wahrscheinlichkeiten
siehe Folie 7.1. / 7.2.
Modell eines Bediensystems
--> siehe Folie 7.3. / 7.4.
Klassifikation von Bedienprozessen
--> Folie 7.5.
Statistische Kennwerte
--> Folie 7.6. bis 7.8.
Offene Bediensysteme (Folie 7.9.)
- keine Rückführung
- Anforderungen nicht Ergebnis einer Bedienung
- Anzahl der Anforderungen --> unendlich
Geschlossene Bediensysteme (Folie 7.10.)
- Rückführung
- Anforderung ist Funktion der Bedienung
- Anzahl der Anforderungen (Qi) endlich
--> Folie 7.11. / 7.12.
Echtzeitsysteme / Echtzeitprogrammierung
Ziel: Programmsysteme, die echtzeitfähig die Anforderungen erfüllen!
- Zeitbedingungen (zeitgerechte Einplanung)
- Prioritäten
- Synchronisation (Steuerablauf) / Kommunikation von Prozessen (Datenaustausch)
- --> gegenseitige Abhängigkeiten
- Ereignis- / Ausnahmebehandlung
Realisierungen:
- synchrone Programme
- Betriebssysteme mit Taskkonzept
- universelle BS (Windows)
- erweiterte universelle BS (EZ-Linux)
- EZ-BS (QNX)
- Echtzeitprogrammiersprachen
Echtzeitbetriebssysteme (EZBS)
- Eigenschaften und Größe = f(Anforderungen)
Eigenschaften, die über universelle BS hinausgehen:
- 1) direkter Zugang zu E/A-Geräten
- direkte Programmierung von E/A
- gerätespezifische Realisierung (Effizienz)
- definierte Zugriffszeiten
- 2) Interrupts auf Anwenderebene
- schnelle Reaktion auf Interrupt auf Algorithmenebene
- Operationen nötig: Maskierung, Priorisierung, Spezialisierung
- 3) Zeitverwaltung
- für alle Anforderungen der möglichen Taskplanung
- Fähigkeit einer EZ-Uhr
- 4) effektives Scheduling
- effektive Prozessorvergabe
- Einhaltung aller EZ-Forderungen
- 5) flexible Konfiguration (Skalierung)
- Anpassung an Umfang der Aufgabe
--> Folie 8.1.
Abruf-BS
- Kontrolle der Programme durch sequentielle Abläufe
--> Takt- / Befehlsabarbeitung
- eingeschränkte EZ-Fähigkeit
- kleine / kompakte Systeme (Signalprozessoranwendungen)
- nicht flexibel
- Problem: Bedienung, Kommunikation, Anzeige
Interrupt-BS
- Zeitbasis ist Interrupt!
- Interrupt (HW / SW) führt auf Realisierungsprogramm
- zeitliche Kopplung an HW-Signal
- flexibler: erweiterbar, Abhängigkeiten, Maskieren, ...
Monitor-BS
- sehr flexibel
- Task sind durch Programmierung beliebig änderbar (Prozesse aufnehmen, entfernen, umpriorisieren)
Taskkonzept
- Prozeß-EZ-System
- Erfassungstask
- Verarbeitungstask
- Ausgabe / Shell Tast
- Task-Konzept --> TZM
erfüllt werden muß:
- EZ-Forderungen
- Rechtzeitigkeit
- Gleichzeitigkeit
- Korrektheit
nötig-weiterhin:
- Taskkommunikation (Datenaustausch)
- Tasksynchronisation
zur Synchronisation / Kommunikation Mechanismen
- Semaphore (Informationsträger)
- Monitore (spezielle Datenstruktur, Daten + Mechanismen)
- Rendezvous
- Bolt-Variable (ähnlich Semaphore)
TZM
Grundlage für:
- Verwaltung / Planung der Takte
- für Umschaltung
Betrieb von Mehrprozessorsystem
- n-gleiche
- PR1 <----Kommunikation --> Prn
- gemeinsamer BS
Prozessprogrammiersprachen (EZ Sprachen)
- zusätzliche Eigenschaften von EZ-Sprachen gegenüber herkömmlichen Prozeßprogrammiersprachen
- Operationen für spezielle E/A
- Operationen für Zeitabarbeitung
- Operationen für Unterbrechungsverarbeitung (Ind, Alarme, dyn. Prozessorkopplung)
- Operationen für Taskverarbeitung
- z.B. Create
- Terminate (T-Zyklen, T-Prioritäten)
- Operationen für Synchronisierung
- Operationen für Kommunikation
- Wege der Realisierung
- vorhandene Speicher
- EZ-C
- EZ-PASCAL
- neu Erstellen
- Ada. Für Multiprozessorsysteme
- Pearl für PDV Systeme
- --> Create REG Ti for n-Times TERMINATOR
- vorhandene Speicher