Для чего в автоматических системах применяют микропроцессоры
Микропроцессор: что нужно знать начинающим электронщикам
Микропроцессор (CPU или Центральный процессор*) – устройство обработки цифровой и аналоговой информации, основная часть аппаратного контроля системы, а заодно и главный инструмент, способный проводить арифметические и логические операции, записанные с использованием машинного кода.
Основных функций у ЦП* несколько – передача данных между оперативной памятью и остальными компонентами ПК, синхронизация информации на внешних и внутренних накопителях, организация многопотоковой и многопрограммной работы в бесперебойном режиме, дешифрация машинного кода, синхронизация чисел разного регистра. И хотя перечисленные функции сложно переводимы на «обывательский язык», запомнить стоит следующее – «Центральный процессор» – важнейший элемент любого персонального компьютера.
И еще на заметку удивительный факт – за все те годы развития микропроцессоров им так и не нашлось никакой альтернативы. Даже современные новинки от Intel, справляющиеся с нагрузкой в тысячу раз быстрее, чем все конкуренты из далекого прошлого, и домашние чипы, обгоняющие по скорости все компьютеры, находившиеся на базе космического корабля «Аполлон», покорившего Луну, так и остаются процессорами с одинаковыми задачами и целями…
Назначение и область применения микропроцессоров
Функционально микропроцессор предназначен для решения следующих задач:
Кроме того, важно понимать, из каких именно частей состоит любой процессор:
История развития: первый микропроцессор
Транзисторы, электромеханические реле, сердечники, вакуумные лампы – первые процессоры, старательно выполнявшие несложные арифметические и логические операции, появились еще в далеком 1940 году, но оставались ненадежными, громоздкими, да и неприменимыми в бытовых условиях (основное назначение – государственные разработки, крупные и набирающие обороты перерабатывающие фирмы) – слишком большое выделение энергии, неконтролируемая теплоотдача, низкая скорость обработки данных. Мечтать о домашнем применении подобных чипов и не приходилось, хотя бы из-за нехватки свободного места. Поставить в какой-нибудь из комнат ЭВМ с микропроцессором получилось бы лишь во дворце.
Со временем все изменилось. В 1970 году Эдвард Хофф, представлявший крупнейший отдел разработки компонентов для электронно-вычислительных машин, представил руководителям компании Intel интегральную схему, выполнявшую те же функции, что и чипы ЭВМ, но с маленьким нюансом – плата Эдварда помещалась в руке, обрабатывала 4 бита информации в секунду (конкуренты выдавали мощности в разы серьезнее – до 32 бит одновременно), и стоила в тысячу раз дешевле.
Первые калькуляторы снабжали именно процессором 4004 Эдварда Хоффа, которые появились в продаже в начале 1971 года. С этого момента, как принято считать, и началась эра новых процессоров, изменивших мир.
Дальше история развития микропроцессоров двинулась следующим путем:
Далее появились поставки многоядерных процессоров, затем появился Xeon и Intel Core, а после на мировом рынке загорелась новая звезда – модульные процессоры AMD. С тех пор (а именно с 2007 года) между двумя компаниями и ведется беспрерывная война за внимание пользователей.
На текущий момент хотя бы примерно описать состояние рынка МП невозможно – Intel Core представляет новые архитектуры микропроцессора (Coffee Lake, Skylake, Haswell, Kaby Lake) чуть ли не каждый год, а заодно меняет наименования семейства процессоров (Intel Core i3, i5, i7, i9). AMD старается удивлять низкими ценами и внушительными возможностями разгона. И кто в таком хаосе лидер – до сих пор не разобрать.
Разновидности микропроцессоров
И современные, и давно известные миру МП легко разделить на четыре части:
Основные характеристики
К основным характеристикам микропроцессора относятся:
Особенности российских микропроцессоров
С 1998 года и по сей день в отечественном сегменте разработкой микропроцессоров занимается компания «МЦСТ». Результаты впечатляющие – стабильное производство RISC систем, внедрение серии Эльбрус в применение на военно-оборонительных комплексах, космических станциях и засекреченных базах для передачи данных с максимальным уровнем шифрования. Заслуги компании «МЦСТ» серьезные, хотя многими обывателями подобные «успехи» кажутся смешными, на фоне мировых гигантов вроде Intel и AMD.
Да, достижения еще не те, но и цели совсем разные, верно? Едва ли «Эльбрус» стоит расценивать, как игровой чип, способный запустить все современные развлечения в максимальном качестве – это, в первую очередь, система для сверхбыстрой обработки данных (прежде всего, военного назначения) в полевых и даже экстремальных условиях.
История развития процессоров из России:
Микропроцессорные системы
Всё это обязывает электрика знать хотя бы основы работы микропроцессорной техники.
Микропроцессорные системы предназначены для автоматизации обработки информации и управления различными процессами.
Понятие «Микропроцессорная система» очень широко и объединяет такие понятия как «Электронно-вычислительная машина (ЭВМ)», «управляющая ЭВМ», «Компьютер» и т.п.
Необходимо понимать, что система счисления – это всего лишь правила записи чисел, и выбор типа системы определятся удобством применения. Выбор двоичной системы обусловлен её простотой, а значит надёжностью работы цифровых устройств и лёгкостью их технической реализации.
Рассмотрим единицы измерения цифровой информации:
Бит – наименьшая единица представления информации.
Два взаимосвязанных байта называется словом, 4 байта – двойное слово, 8 байт – учетверённое слово.
Почти вся информация, которая нас окружает, является аналоговой. Поэтому, прежде чем информация попадёт на обработку в процессор, она подвергается преобразованию посредством АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Кроме того, информация кодируется в определённом формате и может быть числовой, логической, текстовой (символьной), графической, видео и д.р.
Кроме двоичной и десятичной системы в МС используют шестнадцатеричную систему, в которой для записи чисел используются символы 0. 9 и A. F. Её применение обуславливается тем, что один байт описывается двухразрядным шестнадцатеричным числом, что значительно сокращает запись цифрового кода и делает его более читаемым (11111111 – FF).
Таблица 1 – Запись чисел в различных системах счисления
Перевод чисел из одной системы в другую и основные арифметические и логические операции над числами позволяет производить инженерный калькулятор (стандартное приложение операционной системы Windows).
Структура микропроцессорной системы
Основу микропроцессорной системы составляет микропроцессор (процессор), который выполняет функции обработки информации и управления. Остальные устройства, входящие в состав микропроцессорной системы, обслуживают процессор, помогая ему в работе.
Структура микропроцессорной системы представлена на рисунке 1. В упрощённом виде процессор состоит из арифметически-логического устройства (АЛУ), осуществляющего обработку цифровой информации и устройства управления (УУ).
Память обычно включает постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся энергонезависимым и предназначенное для долговременного хранения информации (например, программ), и оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для временного хранения данных.
Рисунок 1 – Структура микропроцессорной системы
шину данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и портами;
шину адреса AB (Address Bus), используемой для адресации процессором ячеек памяти и портов;
шину управления CB (Control Bus), набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на внешние устройства и обратно.
Приставка «микро» в названии процессора означает, что выполняется он по микронной технологии.
Рисунок 2 – Внешний вид микропроцессора Intel Pentium 4
В ходе работы микропроцессор считывает команды программы из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд процессора. Система команд заложена в архитектуре микропроцессора и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами процессора определённых микроопераций.
Основные характеристики микропроцессоров:
1) Тактовая частота (единица измерения МГц или ГГц) – количество тактовых импульсов за 1 секунду. Тактовые импульсы вырабатывает тактовый генератор, который чаще всего находится внутри процессора. Т.к. все операции (инструкции) выполняются по тактам, то от значения тактовой частоты зависит производительность работы (количество выполняемых операций в единицу времени). Частотой процессора можно варьировать в определённых пределах.
2) Разрядность процессора (8, 16, 32, 64 бит и т.д.) – определяет число байтов данных, обрабатываемых за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью его внутренних регистров. Процессор может быть 8-разрядным, 16-разрядным, 32-разрядным, 64-разрядным и т.д., т.е. данные обрабатываются порциями по 1, 2, 4, 8 байт. Понятно, что чем больше разрядность, тем выше производительность работы.
Внутренняя архитектура микропроцессора
Упрощенная внутренняя архитектура типового 8-разрядного микропроцессора показана на рисунке 3. В структуре микропроцессора можно выделить три основных части:
1) Регистры для временного хранения команд, данных и адресов;
Как видно из схемы, основу процессора составляют регистры, которые делятся на специальные (имеющие определенное назначение) и регистры общего назначения.
Аккумулятор – регистр, используемый в подавляющем большинстве команд логической и арифметической отработки; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ.
Регистр признаков (или регистр флагов) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности о результате последней операции АЛУ. Регистр флагов не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок (флаг поднят или опущен. Обычно имеются флаж¬ки нуля, переполнения, отрицательного результата и переноса.
Регистр команды содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды.
Линии внешних шин изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов, а основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.
Лидирующими компаниями по разработке и изготовлению процессоров являются Intel и AMD.
Алгоритм работы микропроцессорной системы
Алгоритм — точное предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в последовательность операций, позволяющих решать совокупность задач определённого класса и получать искомый результат.
Рассмотрим последовательность действий микропроцессор во время выполнения команд программы:
1) Перед выполнением очередной команды микропроцессор содержит ее адрес в программном счетчике РС.
2) МП обращается к памяти по адресу, содержащемуся в РС, и считывает из памяти первый байт очередной команды в регистр команд.
3) Дешифратор команд декодирует (расшифровывает) код команды.
4) В соответствии с полученной от дешифратора информацией устройство управления вырабатывает упорядоченную во времени последовательность микроопераций, реализующих предписания команды, в том числе:
— извлекает операнды из регистров и памяти;
— выполняет над ними предписанные кодом команды арифметические, логические или другие операции;
— в зависимости от длины команды модифицирует содержимое РС;
— передает управление очередной команде, адрес которой снова находится в программном счетчике РС.
Совокупность команд микропроцессора можно разделить на три группы:
1) Команды перемещения данных
Перемещение происходит между памятью, процессором, портами ввода/вывода (каждый порт имеет свой собственный адрес), между регистрами процессора.
2) Команды преобразования данных
Любые данные (текст, рисунок, видеоролик и т.д.) представляют собой числа, а с числами можно выполнять только арифметические и логические операции. Поэтому к командам этой группы относятся сложение, вычитание, сравнение, логические операции и т.п.
3) Команда передачи управления
Очень редко программа состоит из одной последовательной команд. Подавляющее число алгоритмов требуют разветвления программы. Для того, чтобы программа имела возможность менять алгоритм своей работы в зависимости от какого-либо условия, и служат команды передачи управления. Данные команды обеспечивают протекание выполнения программы по разным путям и организуют циклы.
К внешним, относятся все устройства, находящиеся вне процессора (кроме оперативной памяти) и подключаемые через порты ввода/вывода. Внешние устройства можно подразделить на три группы:
1) устройства для связи человек-ЭВМ (клавиатура, монитор, принтер и т.д.);
2) устройства для связи с объектами управления (датчики, исполнительные механизмы, АЦП и ЦАП);
3) внешние запоминающие устройтсва большой ёмкости (жёсткий диск, дисководы).
Для взаимодействия процессора и внешних устройств применяется система (механизм) прерываний.
Это специальный механизм, который позволяет в любой момент, по внешнему сигналу заставить процессор приостановить выполнение основной программы, выполнить операции, связанные с вызывающим прерывание событием, а затем вернуться к выполнению основной программы.
Рассмотрим пример взаимодействия процессора персонального компьютера с клавиатурой (рисунок 4).
Рисунок 4 – Работа процессора с клавиатурой
1) При нажатии клавиши контроллер клавиатуры формирует цифровой код. Этот сигнал поступает в микросхему порта клавиатуры.
2) Порт клавиатуры посылает процессору сигнал прерывания. Каждое внешнее устройство имеет свой номер прерывания, по которому процессор его и распознаёт.
3) Получив прерывание от клавиатуры, процессор прерывает выполнение программы (например, редактор Microsoft Office Word) и загружает из памяти программу обработки кодов с клавиатуры. Такая программа называет драйвер.
4) Эта программа направляет процессор к порту клавиатуры, и цифровой код загружается в регистр процессора.
5) Цифровой код сохраняется в памяти, и процессор переходит к выполнению другой задачи.
Благодаря высокой скорости работы, процессор выполняет одновременно большое количество процессов.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Микропроцессорные автоматические системы
Микропроцессорные автоматические системы
Основные требования, предъявляемые к автоматическим системам с микроЭВМ. В развитии человечества было несколько этапов научно-технических преобразований, связанных с вопросами управления. Первая промышленная революция характеризовалась заменой физического труда человека работой машин. В дальнейшем оказалось, что многие машины, в частности паровые, нуждаются в постоянном управлении. Так появился первый в мире регулятор Дж. Уатта.
Затем были изобретены и начали широко применяться многие другие регулирующие и управляющие автоматические системы, улучшившие качество управления и освободившие человека от выполнения ряда монотонных функций умственной и физической деятельности. При реализации автоматических систем все шире используются электронные вычислительные машины (ЭВМ) и микроЭВМ, поэтому необходимо иметь представление о возможностях и особенностях построения таких систем.
Автоматическая система с микроЭВМ имеет непрерывные сигналы на входе сигнал задания x(t) и на выходе y(t), разность которых преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Преобразованный сигнал интерпретируется микроЭВМ как последовательность чисел, обрабатываемых по определенному алгоритму для получения новой последовательности, которая преобразуется в непрерывный сигнал управления при помощи цифро-аналогового преобразователя (АЦП). Преобразование информации производится в строго определенные моменты времени, которые синхронизируются таймером реального времени.
Современные автоматические системы с ЭВМ должны удовлетворять общим требованиям, отражающим интересы народного хозяйства. Основными из этих требований являются простота и удобство использования, гибкость, живучесть и экономичность. Простота и удобство использования связаны с необходимостью освоения систем без привлечения дефицитных, высококвалифицированных специалистов. Сроки обучения специалистов и освоения ими техники должны быть минимальными.
Гибкость систем характеризуется их способностью к модернизации. Известно, что в процессе эксплуатации свойства объекта регулирования, его структура могут изменяться. Это требует изменения алгоритма и внесения поправок в программы управления. Если автоматическая система не предусматривает таких возможностей, то из прогрессивного фактора она становится фактором консервативным.
Понятие «живучесть», являющееся несколько более широким, чем понятие «надежность», связывают с сохранением работоспособности системы не только в нормальных условиях эксплуатации, но и при внешних аварийных воздействиях. При этом допускается некоторое ухудшение качества управления. Живучесть систем обычно обеспечивается введением резервирования, диагностирования и тестирования, правильным построением структуры и изысканием более надежных методов измерения и управления.
Экономичность обусловливается малыми капитальными вложениями и малыми эксплуатационными расходами. Известно, что в составе системы управления относительная стоимость технических средств с каждым годом уменьшается, а доля стоимости проектирования и программирования возрастает, достигая% общих затрат на систему. Некоторые зарубежные фирмы предоставляют пользователям ЭВМ даже бесплатно, требуя оплаты только математического обеспечения. В связи с этим исключительно актуальным становится широкое использование систем автоматизированного проектирования (САПР), снижающих трудоемкость и продолжительность проектирования программного обеспечения.
Микропроцессорные системы с позиций пользователя просты и удобны в эксплуатации. Они высоконадежны, самотестируемы и ремонтопригодны. Высокая технологическая надежность обеспечивается малым числом выводов БИС при высокой степени их интеграции. Самотестируемость является следствием программируемости. Она реализуется путем решения контрольных задач с выводом результатов проверок на индикацию. Контрольные (тестовые) задачи могут быть решены также по запросу пользователя. Ремонтопригодность обусловливается модульным принципом конструирования, позволяющим производить оперативную замену неисправных блоков.
При работе с микроЭВМ, включенной в контур автоматической системы, специалист имеет, по существу, в своем распоряжении высококвалифицированного «партнера», берущего на себя многие функции по поиску и локализации неисправностей, принятию решений, хранению справочных сведений и других данных, обеспечивающих достижение высокой эффективности эксплуатации автоматических систем.
Программируемость микропроцессорных систем, перестраиваемость их структуры определяют высокую гибкость автоматических систем с микро-ЭВМ, их способность к модернизации. Автоматические системы с микроЭВМ могут быть легко приспособлены для решения новых или модифицированных задач. Вносимые при этом изменения в микроЭВМ сводятся зачастую к замене одной БИС памяти на другую. В микроЭВМ с перестраиваемой структурой изменение структуры происходит автоматически в процессе решения задачи. Большими возможностями по адаптации к решаемой задаче обладают многопроцессорные вычислительные системы. Большая гибкость представляет собой одно из основных достоинств микропроцессорных систем. Это свойство обеспечивает возможность внесения изменения в структуру и в программу работы системы при ее испытании и наладке, а также в процессе эксплуатации.
Высокая живучесть автоматических систем с микроЭВМ объясняется многими причинами, из которых отметим две: наличие программной и аппаратурной избыточности в сочетании с высокой технологической надежностью элементной базы.
МикроЭВМ, составляющие основу соответствующих автоматических систем, являются относительно дешевыми техническими средствами. Это связано с высокой технологичностью их массового производства, высокой надежностью и меньшими затратами на поддержание систем в работоспособном состоянии.
Применение систем с программируемой логикой (т. е. систем на базе микроЭВМ) в сравнении с системами на основе аппаратной (жесткой) логики позволяет сократить сроки разработки новой техники, повысить качество решения проектных задач. Особенно сильно это проявляется там, где требуется создать систему, подобную существующим, но с отличающимися свойствами. Если разработчик приобрел опыт при проектировании одной системы на основе микроЭВМ, то разработка последующих систем существенно ускоряется.
Отмеченные характеристики микропроцессорных систем, сочетающиеся с низким энергопотреблением и малогабаритностью, определяют целесообразность применения микропроцессоров и микроЭВМ в совершенно новых областях науки и техники, т. е. там, где ранее применение вычислительных машин было неприемлемым по соображениям стоимости, надежности, размеров и потребления энергии.
Наряду с нетрадиционными на микропроцессоры и микроЭВМ все более широко возлагаются традиционные задачи управления, решавшиеся ранее схемами с жесткой логикой. Появилась возможность реализации в автоматических системах алгоритмов, приближающихся по своим характеристикам к оптимальным. Наметился сдвиг в стратегии управления в направлении децентрализации.
МикроЭВМ в промышленных, системах автоматического управления и регулирования. Внедрение микроЭВМ в автоматические системы технологическими объектами и процессами наряду с простой заменой элементной базы и некоторым расширением функций аппаратуры создает также принципиально новые возможности в построении децентрализованных или распределенных комплексов. При этом децентрализация предполагает не только рассредоточение аппаратуры, но и распределение функций обработки информации и управления между автономными микроЭВМ. Такие системы могут включать в свой состав и центральную ЭВМ, выполняющую функции оптимизации, учета, планирования и координации работ.
Построение промышленных систем автоматического управления на базе микроЭВМ осуществляется обычно в два этапа. Первый этап соответствует переводу на микропроцессорную технику только центральной части средств автоматического регулирования. На втором этапе аналоговые датчики и исполнительные механизмы заменяются цифровыми. Оба эти этапа при проектировании новых систем управления технологическими объектами и процессами целесообразно совместить, так как экономически более выгодным является создание нового производства, чем его модернизация.
Внедрение микропроцессоров и микроЭВМ в автоматические системы связано с принципиальными изменениями как структуры, так и. характеристик самих автоматических систем. Появляется аппаратура новых видов, которую раньше, до появления микропроцессоров и микроЭВМ, разработать и изготовить было невозможно. Пересматриваются установившиеся взгляды на объем и методы использования вычислительной техники в системах автоматики. Меняются также методы и технические средства проектирования. Все это связано с рядом особенностей микропроцессоров и микроЭВМ на их основе.
Главными их особенностями, как мы уже отмечали, являются малые габариты, масса, энергопотребление и стоимость. Микропроцессоры обладают относительно большой вычислительной мощностью. Они сделали технически и экономически целесообразным распределение вычислительных средств по всей системе, превращая ее в децентрализованную, функционально более надежную и эффективную. Появились принципиально новые структуры многопроцессорных систем, предназначенных для решения вычислительных задач в реальном времени. В результате перед разработчиками микропроцессорных систем встал ряд проблем разной степени сложности, которые условно можно объединить в группы, связанные с выбором микропроцессорных средств, обеспечением заданных показателей качества управления, разделением функций автоматических систем между аппаратными и программными средствами, выбором архитектуры микроЭВМ, сопряжением цифровой и аналоговой частей автоматической системы, выбором средств и методов проектирования, обеспечением заданных показателей надежности.
Проблема выбора микропроцессорных средств. Современная электронная промышленность предоставляет разработчикам автоматических систем широкий ассортимент микропроцессорных средств. Это различные универсальные и специализированные микроЭВМ, а также разнообразные микропроцессорные комплекты БИС и однокристальных микроЭВМ, отличающиеся своими характеристиками, параметрами, функциональными возможностями, способами и языками программирования, принципами организации вычислительных процессов, полнотой и качеством программного обеспечения, доступностью, популярностью и т. д.
Разобраться в обилии микропроцессорных средств непросто. Еще труднее осуществить их правильный выбор. От того, насколько успешно осуществлен выбор микропроцессорных средств, решающим образом зависит эффективность всего проектирования автоматической системы.
Выбор микропроцессорных средств невозможно осуществить в отрыве от задачи управления, ее алгоритмического выражения. Он опирается также на требования технического задания по быстродействию автоматической системы, точности и другим показателям качества регулирования и основывается на предварительных расчетах, а также знаниях и, в определенной степени, интуиции разработчика.
Разработчик автоматических систем с микроЭВМ должен детально представлять себе особенности тех или иных микропроцессорных средств, владеть основными принципами их выбора и руководствоваться этими принципами на практике.
Принципы выбора микропроцессорных средств обычно рассматриваются и используются во взаимосвязи. Это обусловлено тем, что многие из них являются взаимно противоречивыми. Например, реализация цифрового фильтра на основе рассмотренных принципов приводит к значительной специализации микроЭВМ, что снижает гибкость ее использования. Для увеличения гибкости микропроцессорных средств следует ориентироваться на применение универсальных микроЭВМ. Но, с другой стороны, универсальные микроЭВМ могут обладать чрезмерной избыточностью аппаратных и программных средств, что делает экономически нецелесообразным использование их, например, в децентрализованных многопроцессорных вычислительных системах и т. д.
Трудность выбора микропроцессорных средств усугубляется также тем, что решение этой задачи можно считать найденным лишь тогда, когда система разработана, испытана и начато ее промышленное производство. Поэтому при выборе микропроцессорных средств на начальном этапе проектирования всегда имеется некоторая доля риска, размер которой может быть уменьшен правильной организацией соответствующей работы.
При вычислениях в микроЭВМ возникают также новые составляющие шумов, называемые шумами округления. Это связано с тем, что, например, при умножении 8-разрядных чисел с фиксированной запятой результат получается 16-разрядным. Для последующих расчетов обычно используют только восемь старших разрядов. Отбрасывание восьми младших разрядов уменьшает точность вычислений и может привести к снижению запаса устойчивости и даже к неустойчивости цифровой системы. Поэтому в следящих системах отбрасывают старшие разряды. В этом случае система работает на линейном участке амплитудной характеристики чувствительного элемента. Важным является также следующее обстоятельство. В современных системах автоматического регулирования со сложной коммутируемой структурой широко используются различные решающие устройства.
Однако, ориентируясь на современный уровень технологии производства микропроцессоров и микроЭВМ, разработчику для достижения необходимой производительности микроЭВМ в автоматических системах можно рекомендовать использовать распараллеливание вычислительных задач между многими микропроцессорами, выполняемое различными методами.
Рациональное распределение функций автоматической системы между аппаратными и программными средствами. Применение микропроцессоров и микроЭВМ в автоматических системах основано на использовании различных концепций построения микропроцессорных средств.
Так, характерные особенности микропроцессоров и микроЭВМ привели к широкому развитию децентрализованных автоматических систем. Многие функции центральных управляющих ЭВМ переданы. периферийным микроЭВМ, на базе которых созданы и разрабатываются «интеллектуальные» датчики. В результате резко повысилась живучесть автоматических систем.
Дополнительно к указанному при выборе микропроцессорных средств для использования в автоматических системах необходимо учитывать:
— требования, связанные с надежностью работы систем управления, ее устойчивостью к влиянию внешних воздействий (климатических, механических, химических) и способностью сохранять свои характеристики в течение заданного промежутка времени. Сюда относятся в первую очередь такие требования, как вероятность безотказной работы, интервал рабочих температур, вибростойкость и вибропрочность, ресурс, требуемое время, условия хранения и т. п.;
— требования, связанные с характером эксплуатации систем управления. Сюда относятся условия обслуживания системы в процессе ее работы, квалификация обслуживающего персонала, возможность ремонта и восстановления, периодичность производства проверок и т. д.;
— требования, связанные с допустимой массой и габаритами системы и допустимым потреблением энергии. Кроме общего уровня мощности потребления, часто важным является вид энергии (постоянный или переменный ток, пневмопитание), а также стабильность источников питания;
— требования, связанные с технологичностью изготовления системы управления. Сюда могут относится такие требования, как необходимость использования уже освоенных или унифицированных элементов и узлов, простота сборочных и регулировочных операций, экономические показатели и т. п.;
— требования, связанные с общей ситуацией, имеющей место при проектировании. Сюда относятся требования патентной новизны и чистоты, необходимость использования имеющихся научных, конструкторских и производственных заделов, наличие сложившихся исследовательских и конструкторских кадров и др.
Из этого видно, что в процессе проектирования системы управления необходимо учитывать весьма большой круг технических требований. Эти требования могут вступать в противоречие друг с другом. В принципе возможно построение оптимальной системы управления, когда из этих частных требований формируется единый критерий качества системы, экстремальное значение которого будет соответствовать оптимальному построению системы. Однако современное состояние теории оптимизации не позволяет надеяться, что эта задача получит строгое и обоснованное решение в ближайшие годы.
Статические и динамические требования к автоматическим системам с микроЭВМ учитывают весьма разнообразный комплекс требований, связанных с различными их характеристиками. Эти требования можно объединить в некоторые основные группы.
К первой группе следует отнести требования, связанные со статическими и динамическими свойствами. Среди них важнейшее место занимают точностные характеристики. Они определяют ошибки, которые могут иметь место в системе управления в различных режимах. На ранних стадиях развития теории автоматического управления главенствовал детерминистский подход, когда входные воздействия, полезные и возмущающие, задавались в виде известных функций времени. При этом, конечно, нельзя было гарантировать, что в реальной системе все будет происходить подобным же образом.
Затем стал использоваться статистический подход, когда воздействия считались случайными функциями времени, но с известными их характеристиками. Для линейных систем задание корреляционных функций или спектральных плотностей воздействий позволило не только решить задачу об оценке точности рассматриваемой системы, но и спроектировать ее оптимальным образом в смысле получения экстремального (чаще всего минимального) значения некоторой оценки точности.
Такой подход вызвал появление большого числа работ, посвященных решению проблемы оптимального построения систем управления.
Были разработаны критерии качества (критерии оптимальности) в виде функционалов, которые следовало минимизировать в процессе синтеза системы. Можно, например, сформулировать задачу оптимального управления как такую задачу, когда при работе в течение длительного времени установившееся значение дисперсии ошибки минимально при заданных полезном входном воздействии и возмущениях. Возможны формулировки понятия оптимальности на основе минимизации времени переходного процесса, минимизации потребления энергии и т. п.
Появление оптимальных методов проектирования характерно не только для области автоматического управления и регулирования. Эти методы находят в настоящее время использование практически во всех областях науки, техники, экономики. Однако достигнутые успехи в части построения оптимальных систем автоматического управления в ряде случаев имеют лишь методическое, а не практическое значение. Это обусловлено тем, что решение задачи оптимизации требует знания априорной информации о воздействиях в системе в смысле знания их статистических характеристик (корреляционных функций, спектральных плотностей или иных эквивалентных исходных данных).
Эта информация, как правило, достоверно неизвестна, что приводит во многих случаях к невозможности спроектировать хорошо работающую оптимальную систему. В принципе возможно построение оптимальных систем, в которых происходит уточнение априорной информации о входных воздействиях. Однако это приводит в большинстве случаев к значительному усложнению системы, что сказывается на других ее показателях (стоимости, надежности и др.).
Вероятно, в настоящее время и в ближайшем обозримом будущем одной из основных форм задания точности систем управления и регулирования остается задание допустимых ошибок (максимальных, среднеквадратичных и др.). Это не исключает использования оптимальных методов в отдельных случаях, когда существуют достаточно надежные исходные данные по входным воздействиям и требуемым критериям качества. Вероятно, со временем, по мере накопления статистики, круг задач, имеющих оптимальное решение, будет непрерывно расширяться.
Решение задач, относящихся к первой группе требований, называется динамическим синтезом систем управления и регулирования. Естественно, что в таких условиях задача динамического синтеза должна решаться оптимальным образом.
Построение автоматических систем с микроЭВМ требует от разработчиков, во-первых, умения практически использовать для объединения технических средств и программного обеспечения те традиционные способы, которые применялись ранее при разработке больших и сложных автоматических систем. С появлением микропроцессоров специалисты-системотехники, которые до настоящего времени проектировали малые системы, должны, во-вторых, повысить свою квалификацию до такого уровня, когда они окажутся способными проектировать всю систему в целом, включая разработку программного обеспечения.
Микропроцессоры и микроЭВМ обеспечивают высокую гибкость их применения вследствие программируемой логики работы: для изменения назначения зачастую достаточно изменить только программу. Программа работы микроЭВМ является основным и самым дорогим результатом труда проектировщика новой автоматической системы. Разработка программы требует основных затрат времени и интеллектуальных усилий.
Важным остается также этап схемотехнического проектирования. Однако с появлением микропроцессоров схемотехническое проектирование значительно упростилось: перед проектировщиком возникает относительно простая задача, напоминающая известную игру «Конструктор», где из готовых элементов по заданным правилам составляется изделие. Следует учесть только, что степень готовности этих элементов может быть различной.
Состав микропроцессорной автоматической системы в отдельных практических случаях может быть различным. Однако в общем случае микроЭВМ, как и ЭВМ вообще, состоит из центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода. Отдельные составные части микроЭВМ соединяются между собой группами линий (шинами), по которым передаются управляющие сигналы и информация (данные, команды, адреса).
В прикладных задачах, связанных с применением средств вычислительной техники в системах автоматического управления, понятие «микропроцессорные средства»‘ целесообразно отождествлять с понятием «микроЭВМ», разделяя последние по их функциональному назначению и методам организации вычислительного процесса.
С этих позиций к микропроцессорным средствам можно отнести серийные микроЭВМ универсального назначения, серийные проблемно ориентированные микроЭВМ и специализированные микроЭВМ.
Серийные микроЭВМ изготовляются промышленностью и поставляются потребителю по его запросу в комплекте, включающем, например, наряду с микроЭВМ также средства отладки программного обеспечения, программирования памяти и т. д. Это обусловливает относительно низкую стоимость и сравнительно невысокую степень сложности проектирования автоматических систем: длительность и трудоемкость этапа схемотехнического проектирования микроЭВМ резко сокращаются, так как они сводятся к несложной задаче сопряжения микроЭВМ с остальной частью автоматической системы. Наличие развитого математического обеспечения и отладочных средств снижает трудозатраты при разработке программного обеспечения.
В то же время серийные микроЭВМ по своим функциональным возможностям не всегда могут перекрыть тот круг задач, которые поставлены перед ними. Например, недостаточными могут оказаться быстродействие и (или) длина разрядной сетки, объем адресуемой памяти, несовершенной может быть система команд и т. д. Следует также учитывать, что серийные микроЭВМ могут обладать недостатком противоположного характера, связанным с наличием функциональной избыточности. Так, с позиций конкретного применения микроЭВМ может иметь чрезмерно высокое быстродействие и (или) длину разрядной сетки, объем адресуемой памяти, существенно превосходящий требуемый объем, и т. п.
В обоих приведенных случаях необходимо применять специализированные микроЭВМ, так как отмеченная функциональная недостаточность делает невозможным, а функциональная избыточность — экономически не оправданным выбор для решения соответствующих задач серийных микроЭВМ. Термин «специализированные микроЭВМ» не является строгим, поскольку в данном случае речь идет преимущественно о специализированных микропроцессорных устройствах обработки информации. Однако учитывая, что по функциональному назначению, составу, методам организации взаимодействия с внешней средой эти устройства имеют много общего с серийными микроЭВМ, применяемыми для обработки информации в системах автоматического управления, будем ориентироваться на применение этого термина.
Специализированные микроЭВМ разрабатываются в ходе проектирования разработчиками автоматических систем. Они обладают, как правило, функциональными возможностями, строго ориентированными на их конкретное применение. Система команд и структура специализированных микроЭВМ являются в этом смысле функционально ориентированными. Вследствие этого специализированные микроЭВМ высокоэффективны, например, при решении задач управления в реальном времени. Однако создание таких микроЭВМ является более трудоемкой задачей, так как в этом случае разрабатывается полный комплекс вопросов, связанных как со схемотехническим проектированием, так и с проектированием программного обеспечения.
С точки зрения разработчика автоматических систем с микроЭВМ важным является метод организации вычислительного процесса. В серийных, проблемно ориентированных и в специализированных микроЭВМ могут быть использованы как аппаратный, так и микропрограммный принцип управления вычислительным процессом.
Аппаратный принцип управления основан на использовании фиксированной (жесткой, аппаратной) логической схемы управления вычислительным процессом, реализованной в жестких связях между элементами микропроцессора и не допускающей ее изменения при проектировании автоматических систем. Такое управление называется внутренним микропрограммированием.
Необходимо учитывать также следующее обстоятельство. Программирование выполняется для разных микропроцессорных средств по-разному. Например, однокристальные микропроцессоры с аппаратным принципом управления программируются на основе списка базовых команд, а программирование многокристальных микропроцессоров с изменяемым набором команд производится на уровне микрокоманд и с учетом структуры микроЭВМ, которая к началу программирования должна быть уже разработана.
Методы исследования автоматических систем с микроЭВМ во многом аналогичны методам, рассмотренным при исследовании импульсных автоматических систем. Такая автоматическая система может быть связанной многомерной, если осуществляется управление сложным многомерным объектом, и несвязанной многомерной, если осуществляется управление группой несвязанных одномерных объектов. В последнем случае микропроцессорная автоматическая система распадается на совокупность одномерных систем.
Первые зачатки теории цифровых автоматических систем явились результатом анализа особых автоматических систем, построенных с использованием вычислительной техники. Одной из основных проблем теории цифрового управления является способ описания линейной части автоматической системы, связанной с микроЭВМ аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями.
Построение дискретного эквивалента линейной части автоматической системы, которая связана с цифровой частью ее только в фиксированные моменты времени. Для достижения удовлетворительных результатов необходимо выполнить математическое описание линейной и дискретной частей автоматической системы, удовлетворяющее требованиям точности и воспроизводимости.
При управлении сложным объектом или группой объектов центральный процессор обслуживает по очереди отдельные каналы управления. Эта очередь может осуществляться по жесткой программе или по мере поступления заявок от отдельных каналов с возможностью использования в последнем случае приоритетного обслуживания. При жесткой программе обслуживания каналов период дискретности оказывается обычно постоянным, хотя он может быть разным в отдельных каналах. При обслуживании по гибкой программе период дискретности оказывается случайной величиной с некоторым математическим ожиданием и дисперсией.
Автоматическая система с микроЭВМ может быть описана как с помощью внутренних, так и внешних моделей. Внутренние модели, например, модели пространства состояний, описывают все внутренние связи между переменными автоматической системы. Внешние модели выражают зависимость только между входом и выходом без детализации внутренней структуры автоматической системы.
Основной для исследования обычно является одномерная система. Она содержит входные преобразователи непрерывной (аналоговой) величины в код АЦП. Кодироваться может входное задающее воздействие х(t), представляющее собой желаемое значение управляемой величины y(t), сама управляющая величина, а также другая, поступающая извне информация. В результате такого кодирования на вход микроЭВМ, а точнее ее процессора, поступают цифровые представления этих величин: хi и yi.
Дискретность ввода этих величин в процессор иллюстрируют импульсные элементы ИЭ, работающие с периодом дискретности Т. Выходная величина процессора hi есть цифровое представление сигнала управления. Далее эта величина проходит через преобразователь кода в непрерывную (аналоговую) величину ЦАП и превращается в некоторую величину, представляющую собой в большинстве случаев электрическое напряжение. Эта величина поступает затем на непрерывную часть системы, куда относятся объект управления, исполнительные устройства, усилители, непрерывные корректирующие средства и др.
Удобным средством изучения линейных разностных уравнений, описывающих поведение автоматической системы с микроЭВМ, с начальными условиями и без них является дискретное преобразование Лапласа иои z- преобразование.
Задачи, которые приходится решать микроЭВМ в системах автоматического управления, весьма разнообразны. Они могут быть связаны с обработкой поступающей информации, требующей вычислительных или логических операций, с улучшением динамических свойств системы управления за счет введения некоторых корректирующих программ, реализуемых в цифровой части системы, с операциями адаптации и оптимизации системы, с операциями контроля, подготовки к работе, поиска неисправностей и др.
Среди этих задач выделим две, наиболее часто встречающиеся в системах автоматического управления. Первая связана с большим объемом вычислительной работы, требуемой для определения задающего воздействия, которое должно воспроизводиться системой управления. Во многих случаях, особенно в настоящее время, необходимо резкое повышение точности работы систем управления самого различного назначения, и непрерывные вычислительные устройства уже не могут справиться с возросшими требованиями. В этих случаях приходится переходить на использование цифровой вычислительной техники. Задачей микроЭВМ оказывается иногда только определение текущей разности между задающим воздействием и управляемой величиной, т. е., по сути дела, микроЭВМ работает в этом случае как сравнивающее устройство замкнутой автоматической системы. Однако выработка этой разности иногда требует производства такого объема вычислений, с которым может справиться не всякая управляющая микроЭВМ.
Вторая, наиболее часто возлагаемая на микроЭВМ задача, заключается в обеспечении желаемых динамических характеристик системы управления посредством использования корректирующих программ в микроЭВМ. В этом случае микроЭВМ представляет собой по существу цифровой фильтр с заданными характеристиками.
Системы управления с микроЭВМ имеют квантование по времени, что относит их к классу импульсных систем, и квантование по уровню (в АЦП и ЦАП), что делает их нелинейными. Существующие методы исследования нелинейных систем сравнительно мало пригодны для автоматических систем с микроЭВМ. Методы фазового пространства и фазовой плоскости могут применяться для сравнительно простых систем, обычно, за малым исключением, не имеющих практического значения. Метод гармонической линеаризации оказывается здесь сравнительно сложным вследствие необходимости учета влияния квантования по времени. Осложнение также вызывает непрерывное смещение начальных точек отсчета на нелинейных статических характеристиках входных и выходных преобразователей, вызванное изменяющимися внешними воздействиями. Другие аналитические методы исследования также еще пока малоэффективны.
Поэтому основным методом исследования автоматических систем с микроЭВМ является их моделирование на универсальных цифровых вычислительных машинах. Однако такое моделирование не может проводиться без параллельного аналитического исследования, предназначенного для обоснования структуры проектируемой системы, определения основных ее параметров и качественных показателей и предварительного выбора всех элементов. При этом аналитические методы могут предполагать вынесение сложных расчетов на вычислительную технику с целью экономии времени и возможного просмотра большого количества вариантов.
Все это предъявляет к возможным аналитическим методам требования высокой эффективности И обозримости получаемых результатов. Наиболее пригодными здесь оказываются методы расчета, основанные на рассмотрении линеаризованных импульсных систем с учетом влияния, оказываемого квантованием по уровню, в виде дополнительных шумов квантования или в виде дополнительных периодических режимов. Она основана на том, что при создании новых цифровых систем управления точный расчет динамики с учетом квантования по уровню не представляет особого интереса. Здесь обычно оказывается достаточной лишь оценка дополнительных движений системы и дополнительных ошибок, вызываемых квантованием по уровню.
Многообразие возможных дополнительных режимов в автоматической системе с микроЭВМ и их непрерывный переход от одного вида к другому делает всю картину весьма сложной, плохо поддающейся анализу при моделировании подобных систем на универсальных ЭВМ.
Применительно к автоматическим системам с микроЭВМ обычный метод линеаризации разложением в ряд Тейлора с удержанием только линейного члена оказьвается непригодным. Он может использоваться только для линеаризации непрерывной части автоматической системы. Распространить его только на цифровую часть (микроЭВМ с устройствами ввода и вывода) не представляется возможным.
Сама микроЭВМ может реализовать как линейные, так и нелинейные законы управления. В последнем случае линеаризация не должна осуществляться при исследовании, так как при этом будет потерян весь смысл использования нелинейных законов управления.
Входные и выходные преобразователи имеют статические характеристики ступенчатого (релейного) вида. Для подобных характеристик тангенс угла наклона либо равен нулю, либо стремится к бесконечности. Поэтому для входных и выходных преобразователей микроЭВМ используется иной метод линеаризации. Он основан на предположении, обратном тому, которое принимается при линеаризации непрерывных автоматических систем. Если принять, что изменения входного сигнала по своей величине значительно больше единицы младшего разряда преобразователя, то можно пренебречь влиянием ступенчатости характеристики и линеаризовать ее, проведя некоторую «среднюю» прямую.
В дальнейшем изложении будем предполагать, что протяженность всех горизонтальных площадок статической характеристики одинокова и равна единице младшего разряда d1. Это означает, что для характеристики справедлива следующая зависимость
Для линеаризованной характеристики коэффициент усиления должен быть равен k1 = 1/d1. Наибольшая ошибка входного преобразователя при переходе от нелинейной характеристики к линейной не будет превышать по модулю 0,5 d1.
Для выходного преобразователя могут быть получены аналогичные выражения.
Если в микроЭВМ для установившегося режима получена прямая пропорциональность чисел на входе и выходе, то микроЭВМ может рассматриваться как пропорциональное звено с коэффициентом усиления равным единице. Хотя в некоторых частных случаях эта завасимость не соблюдается.
Следует отметить, что микроЭВМ может представляться не как пропорциональное звено, а интегрирующее. Тогда ее линеаризованный коэффициент усиления будет связывать между собой в установившемся режиме входную величину и среднюю скорость изменения входной величины
Линеаризованная автоматическая система с микроЭВМ может рассматриваться как импульсная. При этом учитываются только явление квантования по времени, а влиянием квантования по уровню пренебрегают. Для исследования подобных автоматических систем используется математический аппарат исследования импульсных автоматических систем. Однако подобное исследование должно рассматривается как первое приближение.
Повышение быстродействия автоматических систем с микроЭВМ напрямую связано с производительностью центрального процессора, совпадающей со скоростью протекания управляемых процессов.
Наиболее универсальным показателем быстродействия системы управления является время, протекающее от момента ее включения до момента, когда она начинает выполнять свои функции. В это время входят различные составляющие. К их числу относятся, например, время разгона двигателей, время достижения требуемого температурного режима, время переходного процесса и т. п.
В некоторых случаях понятие быстродействия имеет более узкое значение и может оцениваться по времени переходного процесса, полосе пропускания, степени устойчивости и т. п., т. е. здесь принимаются во внимание только динамические характеристики самой системы управления.
В отличие от критериев запаса устойчивости, для характеристики быстродействия не существует универсальных оценок. Они должны устанавливаться в каждом конкретном случае в зависимости от требований, предъявляемых к системе управления в части времени готовности к выполнению возложенных на нее функций.
В течение отрезка времени, равного длительности машинного цикла, микроЭВМ в автоматической системе выполняет значительную работу, связанную с задачами фильтрации сигналов, их спектрального или корреляционного анализа, идентификации, преобразования координат объекта регулирования, формирования управляющих воздействий и т. п. Для решения этих и ряда других задач микроЭВМ в автоматической системе должны обладать значительной вычислительной мощностью.
Характеристикой вычислительной мощности является производительность, учитывающая как быстродействие процессора микроЭВМ, так и метод организации вычислительных средств.
Архитектура вычислительной системы определяет ее основные функциональные возможности. Она зависит в свою очередь от особенностей решаемой задачи.
В настоящее время сформировался относительно общий подход к анализу понятия «архитектура» вычислительных систем. Говоря об архитектуре вычислительных систем с микроЭВМ, следует отметить, что такие вычислительные системы являются специализированными. Каждому алгоритму может соответствовать своя архитектура вычислительной системы, в которой оптимально с точки зрения производительности объединены аппаратные и программные средства.
Аппаратные средства обычно представляются двумя большими группами (прикладные аппаратные средства и системные аппаратные средства), каждая из которых оказывает влияние на производительность вычислительных систем.
Прикладные аппаратные средства представляются структурами с непрограммируемой, так называемой «жесткой», программируемой и комбинированной логикой. Структуры с программируемой логикой обеспечивают в среднем меньшую производительность вычислительных систем, чем структуры с «жесткой логикой» и комбинированные структуры.
Системные аппаратные средства включают технические средства организации внутри и межсистемного взаимодействия.
Программные средства включают прикладное программное обеспечение и системное программное обеспечение.
Прикладное программное обеспечение оказывает влияние на производительность вычислительных систем в силу многообразия программных алгоритмов, которые могут быть использованы для решения одной и той же задачи. Так, например, преобразование Фурье может быть выполнено на основе дискретного или одного из быстрых преобразований. Диапазон изменения производительности вычислительной системы в этом случае может изменяться в десятки и сотни раз. Это время может быть самым различным: от нескольких часов в крупных энергетических установках до нескольких миллисекунд в электронных системах управления.
Системное программное обеспечение предназначено для эффективной эксплуатации аппаратных и программных средств системы. К числу важнейших возможностей, предоставляемых программным обеспечением, относится управление процессом организации вычислений, которое реализуется операционной системой.
Правильный выбор операционной системы является во многих случаях важнейшим условием, обеспечивающим решение задачи управления в реальном масштабе времени.
Операционные системы, состоящие из программных модулей, управляют ресурсами технических средств, разрешают конфликтные ситуации, обеспечивая режим приоритетного обслуживания, оптимизируют производительность вычислительной системы с микроЭВМ в целом. Операционные системы как распорядители ресурсов управляют процессорами, памятью, устройствами ввода-вывода. Они следят также за использованием информационных ресурсов, обеспечивают требования защиты информации и т. д.
Реализация многообразных функций операционных систем по управлению вычислительными системами обеспечивается на основе использования аппаратных средств организации памяти и взаимодействия с внешними устройствами.
Перспективным направлением повышения производительности вычислительных систем с микроЭВМ является применение комбинированных аппаратных средств реализации алгоритмов. В таких вычислительных системах отдельные наиболее часто используемые процедуры реализуются в виде структур с «жесткой» логикой.
Точность поддержания регулируемой величины определяется не только величиной быстродействия вычислительного устройства, но и характером внешних возмущений. Принято выделять следующие типы возмущений:
— отклонение нагрузки;
— ошибки измерений;
— отклонение параметров автоматической системы.
Отклонения нагрузки влияют на переменные процесса автоматического регулирования. Их источником могут быть внешние возмущающие силы, например, изменение профиля пути, воздействие порывов ветра и т. п. Возмущения нагрузки происходят обычно медленно. Они могут быть единичными или периодическими.
Колебания параметров автоматической системы могут принимать сложный характер. Так как линейные модели получают линеаризацией нелинейных, то некоторые возмущения проявляются в виде колебаний параметров линейных автоматических систем.
При использовании микроЭВМ с одним процессором может возникать проблема ограниченности быстродействия цифровой части при достаточно сложной необходимой обработке поступающей информации.
При выполнения требований по точности в смысле ограничения максимальных или среднеквадратичных ошибок часто возникает необходимость такого значения общего коэффициента усиления разомкнутого контура системы, при котором она либо теряет устойчивость, либо имеет сильную склонность к колебанию, определяемую близостью к границе колебательной устойчивости. Это приводит, как правило, к необходимости использовать в системе корректирующие (демпфирующие) средства.
Достаточность удаления системы от колебательной границы устойчивости может определяться различными критериями. Используются такие оценки, как колебательность (отношение мнимой части корня характеристического уравнения к вещественной), запасы устойчивости по амплитуде и по фазе, перерегулирование, показатель колебательности и др. Все эти критерии в общем приводят к цели.
При расчете систем управления частотными методами и, в частности по логарифмическим частотным характеристикам, удобно использование и частотных оценок запаса устойчивости. Для этой цели наиболее удобен показатель колебательности, равный отношению максимального пика амплитудной частотной характеристики замкнутой системы к ее начальной ординате на нулевой частоте.