2.2 Языки реального времени

Программное обеспечение для систем реального времени (СРВ) можно писать и на обычных языках программирования. При этом наиболее целесообразно использование специализированных языков реального времени, в синтаксис (или в стандартные библиотеки) которых заложены возможности работы с параллельно выполняющимися задачами:

1. Modula-2;

2. Ada;

3. Java (спецификация RTSJ).

Эти возможности не зависят от используемой ЭВМ и операционной системы. Например, TopSpeed Modula-2 фирмы JPI обеспечивает кооперативную и вытесняющую многозадачность для программ, выполняющихся даже в принципиально однозадачной операционной системе MS-DOS.

3. Пример проектирования и реализации на базе микрокомпьютера

Особенности проектирования и практической реализации систем реального времени рассмотрим на следующем конкретном примере: «Автоматизированная система (микрокомпьютер) для измерения биений вала».

3.1 Постановка задачи

На электростанциях для передачи крутящего момента между рабочим колесом и подвижной обмоткой гидроагрегатов и парогенераторов используется горизонтально расположенный стальной цилиндрический вал диаметром D = 0,8 м, частота вращения которого F = 68,2 об/мин (см. рис. 6). Необходимо измерять «биения» вала, т.е. отклонения ΔZ внешней поверхности вращения от номинального положения Z₀, вызванные неидеальностью формы вала в поперечном сечении; прогибом вала; прецессией оси вращения вала. В процессе измерения требуется контролировать выполнение условия |Z₀-ΔZ | ≤ ΔZ_max = 3 мм. Измерения необходимо производить в течение одного оборота вала на участке длиной L= 5 м с шагом L_ш = 0,5 м. Предельная абсолютная погрешность измерения биений – 0,2 мм, позиционирования вдоль вала – 10 мм.

Рисунок 6 – Вал рабочего колеса

3.2 Общее описание системы

На рисунке 7 изображена функциональная схема автоматизированной системы. Датчик Д1, используемый для измерения «биений», располагается на подвижной каретке, способной двигаться по направляющим рейкам вдоль вала. Для перемещения каретки используются ролики, вращаемые электродвигателем постоянного тока ЭД. Контроль положения каретки выполняется при помощи датчика Д2. Выходные сигналы датчиков Д1 и Д2 имеют унифицированные пределы 0..10В, следовательно промежуточные преобразователи для подключения к АЦП не требуются. Для управления электродвигателем ЭД необходим электрический сигнал определенного уровня и определенной мощности, который генерируется специализированным управляющим контроллером УК, совмещенным с усилителем мощности.

Рисунок 7 – Функциональная схема АС

3.3 Выбор частоты опроса датчика биений

При измерении случайно изменяющегося во времени сигнала (случайного процесса) существует общее правило, позволяющее выбирать частоту дискретизации этого сигнала. Оно базируется на теореме Котельникова (известной также, как критерий Найквиста). Вот это правило: частота дискретизации сигнала выбирается из условия F_изм ≥ 2×F, где F – максимальная частота изменения сигнала.

Имея априорную информацию о поведении процесса (например, выполнив кратковременные измерения с максимально возможной частотой), можно оценить частоту его изменения. (Примечание: при этом предполагается выполнение условий стационарности случайного процесса – т.е. неизменности его параметров во времени и эргодичности случайного процесса – т.е. неизменности его параметров от реализации к реализации.) Для этого, воспользовавшись преобразованием Фурье, можно получить и проанализировать спектр сигнала, т.е. представление его в виде суммы синусоид со всевозможными частотами.

Рисунок 8 – Спектр сигнала «биений» вала

Анализ спектра «биений» вала (см. рис. 8) позволяет сделать вывод о значительном вкладе в формирование сигнала всего двух частот: F₁≈ 1,14 Гц и F₂≈ 4,2 Гц. Следовательно, достаточно измерять сигнал с частотой 2×F₂≈8,4 Гц. Выбираем F_изм = 100 Гц (период ΔT_изм = 0,01 с, 88 измерений на оборот).