МОДЕЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ИНЖЕНЕРА-ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3+62-5+004.413.2 Игорь Сергеевич Полющенков

ООО НПО «Рубикон - Инновация», кандидат технических наук, инженер, отдел № 36, Россия, Смоленск, e-mail: polyushenckov.igor@yandex.ru

Модельно-ориентированное программирование как инструмент инженера-электромеханика

Авторское резюме

Состояние вопроса. Современные электроприводы с микропроцессорным управлением являются сложными техническими системами, в которых программное обеспечение осуществляет согласование различных физических процессов в целях автоматического управления движением. При этом для инженеров-электромехаников характерен недостаток, связанный с незнанием современной микропроцессорной техники, выразительных и удобных языков программирования, а также современных средств разработки и отладки программного обеспечения, что серьезно затрудняет для них самостоятельную разработку электроприводов. Кроме того, имеется профессиональный барьер между электромеханиками и программистами, который в значительной мере препятствует их совместной работе над программным обеспечением электроприводов. В то же время существуют средства модельно-ориентированного программирования, предназначенные для разработки программного обеспечения в графической форме с описанием встроенных модулей микроконтроллера в виде конфигурируемых модельных блоков. Однако теория и практика применения этой технологии все еще ограничены и требуют развития. В связи с этим задача раскрытия и развития потенциала модельно-ориентированного программирования как полноценного средства разработки систем управления является актуальной.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования с применением метода системного анализа профессиональных компетенций выбраны инженеры-электромеханики, с одной стороны, и специалисты-разработчики программного обеспечения, с другой стороны.

Результаты. Рассмотрено значение программного обеспечения микропроцессорных систем управления электроприводов. Дана оценка возможностей инженера-электромеханика, имеющего подготовку по электромеханическим профилям бакалавриата и магистратуры направления «Электроэнергетика и электротехника», как разработчика электроприводов с микропроцессорным управлением. Определен потенциал модельно-ориентированного программирования как эффективной технологии разработки программного обеспечения микропроцессорных систем управления, предназначенной для различных инженеров, в том числе инженеров-электромехаников, деятельность которых связана с разработкой электроприводов. Предложен подход, основанный на использовании средств модельно-ориентированного программирования для разработки микропроцессорных систем управления электроприводов, который позволяет устранить недостаток компетентности инженера-электромеханика в разработке программного обеспечения систем управления.

Выводы. Предложенный подход способствует продуктивному освоению современной микропроцессорной техники и новейших технологий разработки, становясь эффективным инструментом для самостоятельной разработки инженерами-электромеханиками программного обеспечения систем управления электроприводов без помощи программистов.

Ключевые слова: электропривод, микропроцессорная техника, микропроцессорное управление, системы управления электропривода, модельно-ориентированное программирование, программное обеспечение микропроцессорных систем управления

Igor Sergeevich Polyuschenkov

LLC, Research and Development Company "Rubicon - Innovation", Candidate of Engineering Sciences, (PhD), Engineer of Department № 36, Russia, Smolensk, e-mail: polyushenckov.igor@yandex.ru

Model-based programming as a technique of electromechanical engineer

Abstract

Background. Modern electric drives with microprocessor control are complex technical systems with software that ensures the coordination of various physical processes for automatic motion control. At the same time, electromechanical engineers have a little knowledge about modern microprocessor technology, expressive and convenient programming languages, as well as modern software development and debugging technologies. Thus, it is difficult for them to develop electric drives independently. In addition, there is a professional gap between electromechanical engineers and programmers, which keeps them from cooperation on the software of electric drives. Nowadays, there are model-based programming tools designed to develop software in graphical form with a description of the built-in microcontroller modules in the form of configurable model blocks. However, the theoretical and practical issues of this technology are still

© Полющенков И.С., 2023

Вестник ИГЭУ, 2023, вып. 1, с. 60-70.

limited and require development. Thus, the aim to develop model-based programming as a full-fledged technology for control systems development is relevant.

Materials and methods. Electromechanical engineers, on the one hand, and software developers, on the other hand, are the target of the research using the method of system analysis of professional competencies.

Results. The importance of the software for the electric drive microprocessor control systems is considered. The author assesses the capabilities of an electromechanical engineer who has been trained as a bachelor and master's degree student in the field of "Electric Power and Electrical Engineering" as a developer of microprocessor-controlled electric drives. The author describes the model-based programming technique as an effective technology to develop software for microprocessor control systems intended for engineers of different spheres, including electromechanical engineers, whose activities are related to the development of electric drives. The author suggests an approach based on the application of model-based programming technology to develop microprocessor control systems for electric drives. The approach makes it possible to improve the competence of electromechanical engineers in the field of software development of control systems.

Conclusions. Model-based programming technique contributes to the development of modern microprocessor technology and development technologies as an effective tool for independent development of software of electric drive systems by electromechanical engineers without assistance of programmers.

Key words: electric drive, microprocessor technology, microprocessor control, electric drive control systems, modelbased programming, software of microprocessor control systems

DOI: 10.17588/2072-2672.2023.1.060-070

Введение. Микропроцессорная техника (МПТ) широко распространена в различных технических системах, например электромеханических, электротехнических, теплотехнических, электроэнергетических в связи с ее универсальностью как средства управления. Однако круг разработчиков программного обеспечения (ПО) микропроцессорных систем управления (МПСУ) ограничен. Это связано с тем, что для применения технологий программирования и средств разработки на их основе с учетом специфики микропроцессорной техники требуется особая подготовка и значительный опыт, которых специалисты по названным выше системам, как правило, не имеют. Поэтому под их контролем разработку программного обеспечения осуществляют профессиональные программисты. Помимо увеличения времени, такое выполнение разработки затруднено отсутствием у программистов знаний физических процессов, математического описания и принципов функционирования технических систем. Профессиональный барьер между специалистами-разработчиками приводит к трудностям такого подхода уже при постановке задач, которые специалист по технической системе должен сформулировать в виде, понятном для программиста, и тем более при их решении и анализе результатов. Это в полной мере относится к разработке микропроцессорных систем управления электроприводов (ЭП) и к инженерам-электромеханикам, деятельность которых с ней связана. Как правило, их знания и опыт применения микропроцессорной техники ограничены устаревшей элементной базой и устаревшими средствами и технологиями разработки и отладки программного обеспечения.

Модельно-ориентированное программирование (МОП) [1-3], позволяющее автоматически генерировать программное обеспечение из графических исполнительных моделей, является таким средством разработки, которое позво-

ляет специалисту в предметной области технической системы самостоятельно, без помощи программиста разрабатывать программное обеспечение, опираясь на свои знания и опыт, снижая при этом затраты времени и трудоемкость. Среди средств МОП следует назвать библиотеки Waijung Blockset и Embedded Coder для микроконтроллеров семейства STM32 из состава Matlab.

В настоящее время практика применения МОП представлена различными примерами, как простейшими [1-3], так и более содержательными [2, 4-6]. Однако технические решения, принципиальные для достижения высоких характеристик систем управления и поэтому вызывающие особый интерес, как правило, описываются весьма поверхностно. Детальная оценка известных примеров использования МОП, в том числе анализ автоматически сгенерированного программного обеспечения, позволяет говорить о невысоком уровне примененных в них технических решений. Сказанное в первую очередь относится к компоновке программного обеспечения в виде графической модели в целях обеспечения согласованного выполнения многих задач управления и распределения ограниченных ресурсов микроконтроллера. Поэтому все еще не приходится говорить о существовании полноценной технологии применения МОП как профессионального средства разработки.

В связи с этим актуальным является раскрытие потенциала МОП как полноценного средства разработки программного обеспечения микропроцессорных систем управления, которое расширяет профессиональные возможности специалистов-электромехаников, не имеющих профессионального уровня программирования и использования микропроцессорной техники.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• раскрыть назначение программного обеспечения в микропроцессорном управлении электроприводом с учетом протекания разнообразных физических и информационных процессов;

• исходя из характерного уровня профессиональной подготовки, оценить возможности инженера-электромеханика по разработке программного обеспечения для электроприводов с микропроцессорным управлением, а также возможности повышения его профессионального уровня для выполнения этой разработки;

• оценить значение технологии модельно-ориентированного программирования для расширения возможностей и профессионального уровня инженера-электромеханика при разработке микропроцессорных систем управления электроприводов и их программного обеспечения.

Методы исследования. Рассмотрим назначение программного обеспечения в электроприводе с микропроцессорным управлением, а также оценим возможности и профессиональный уровень инженера-электромеханика как разработчика систем электроприводов и, в частности, их ПО.

Чтобы раскрыть назначение программного обеспечения в управлении электроприводом, следует описать его состав и специфику как объекта управления. Электропривод - это сложная электромеханическая система, в которой осуществляется управляемое обратимое преобразование электрической энергии и механической энергии с учетом КПД [7]. Основной целью функционирования электропривода является управление движением, в том числе стабилизация и ограничение его координат -электромагнитного момента, скорости движения и положения, а также воспроизведение заданных траекторий. При этом физические и управляющие процессы, протекающие в электроприводе, взаимосвязаны с характеристиками применяемых технических средств. Элементами ЭП (рис. 1) являются: электромеханический преобразователь ЭМП, как правило электрическая машина; кинематическая передача (КП); производственный механизм (ПМ) с исполнительным механизмом (ИМ). Система управления (СУ), получающая целевые координаты {Цзу} от задающего устройства (ЗУ), имеет энергетическую (ЭСУ) и информационную части (ИСУ). Взаимодействие между перечисленными элементами электропривода осуществляется с помощью электрических и механических координат и информационных сигналов, к которым относятся сигналы обратных связей иос1 - иос3 и управляющие сигналы Цу1 -Цу3, используемые при автоматическом управлении электроприводом. Среди электрических координат в функциональной схеме на рис. 1 показаны напряжения, токи и частоты питаю-

щей сети Цс, /с, Ъ, а также энергетической части системы управления ид, /д, fд. От двигателя к исполнительному механизму последовательно передаются моменты Мд, Мкп и Мпм, чтобы преодолеть момент нагрузки Мн, а также скорости ®д, ®кп, ®пм, чтобы осуществить движение исполнительного механизма со скоростью юн.

ЭСУ

и /с

Мн

Шн

ИМ

ид /д

ЭМП КП

Мд Мкп

ии

ПМ

Шд

Шк

ИСУ

{Цз}

{иосз}

Мпм

Шпм

ЗУ

{Цу}

Рис. 1. Функциональная схема электропривода

При достижении цели управления движением для электроприводов характерно выполнение задач, которые можно сгруппировать по уровням - нижнему, среднему и верхнему (рис. 2). Задачи нижнего уровня связаны с используемым типом электрического двигателя и степенью технического совершенства управления им с помощью силового преобразователя, который, в зависимости от типа электрического двигателя, может иметь разнообразные конструкции [8]. К среднему уровню управления отнесены задачи автоматического управления движением, которые лишь косвенно связаны с нижним уровнем управления, так как характерны для электроприводов независимо от типа электрического двигателя. К верхнему уровню отнесены задачи, решение которых позволяет объединить системы управления электроприводов в единый технологический процесс и в более крупные производственные системы.

Верхний уровень управления:

- обеспечение работы в технологической системе

- пользовательский интерфейс

- системы программного управления

Средний уровень управления:

- регулирование координат

- формирование динамических процессов

- обеспечение функционала управления

- функционал взаимодействия с периферией

Нижний уровень управления:

- формирование электромагнитных процессов специфичных для электрического двигателя

- управление силовым преобразователем

Рис. 2. Задачи управления электроприводом

Исходя из сказанного, очевидным является то обстоятельство, что при микропроцессор-

с

ном управлении электроприводами назначение программного обеспечения состоит в формировании и координации протекания электрических, электромагнитных, электромеханических и механических процессов для управления движением в реальном времени. Формирование и координация перечисленных выше процессов происходят на основе взаимодействия системы управления с периферийными устройствами путем детектирования, захвата и обработки сигналов от измерительных и задающих устройств, обеспечивающих работу электропривода, а также путем генерирования сигналов (рис. 3).

Рис. 3. Функциональная схема электропривода с микропроцессорным управлением

При проектировании электроприводов их программное обеспечение должно быть детально проработано с учетом взаимосвязи протекания физических процессов, свойств аппаратных средств системы управления и вычислительных ресурсов микроконтроллера с ха-

рактеристиками электроприводов, которые требуется обеспечить. Этому способствует применение вычислительных алгоритмов, менее затратных по ресурсам и времени выполнения, и программно-аппаратная реализация технических решений при максимальном использовании модулей, встроенных в микроконтроллер. Также повышению характеристик электроприводов и расширению их функциональности способствует применение структуры программного обеспечения, наиболее рациональной по использованию вычислительных ресурсов микроконтроллера, которые ограниченны.

Очевидно, что наиболее компетентными носителями знаний в области электроприводов, а также практического опыта их разработок и применения, являются инженеры-электромеханики. Для того чтобы оценить их возможности по разработке электроприводов с микропроцессорным управлением, рассмотрим примерный уровень их подготовки, а именно, сумму знаний, подкрепленных умением применить их на практике, которые имеет инженер-электромеханик в результате обучения в вузе по профилям бакалавриата и магистратуры «Электропривод и автоматика» направления «Электроэнергетика и электротехника». Что касается электротехники, электроники, электромеханики, а также теории автоматического управления как специального математического аппарата [7], то уровень подготовки этих специалистов примерно соответствует достойному или среднему (рис. 4). Электромеханика включает в себя сумму знаний по электрическим машинам, теории электропривода и ее специальным разделам, а также по системам управления. Это связано с тем, что оборудование в перечисленных областях опирается на неизменные физические принципы, основы теории и математическое описание.

Достойный уровень Средний уровень Поверхностный уровень

.■■'' Информационная "'-•. электроника

I Архаичные языки и | средства разработки:

машинные коды I - ассемблеры (RISC)

- отладчики в DOS

- решение простых задач

I Устаревшая МП техника: | - КР580 I - Intel8051

- Intel8086

- PIC12 - PIC18 (RISC)

Поверхностные знания и отсутствие практики

I

применения цифровых интерфейсов и линий связи UART, CAN, I2C, SPI и технических средств ,

передачи информации в целом

Алгоритмизация управления:

- взаимосвязь архитектуры и ресурсов микроконтроллера и задач управления

- распределение вычислительных и аппаратных средств микроконтроллера

Рис. 4. Сумма знаний инженера-электромеханика

Что же касается микропроцессорной техники и технологий программирования, то имеет место колоссальное отставание от их современного уровня. Как правило, в настоящее время в учебных целях применяется давно устаревшая элементная база микроконтроллеров и микропроцессоров - КР580, Intel8086, Intel8051, восьмибитные микроконтроллеры PIC и AVR, а также устаревшие и крайне непроизводительные технологии разработки и отладки программного обеспечения на основе ассемблеров с минимальным набором инструкций RISC (Reduced Instruction Set Computer). Следует отметить, что ассемблер, как и низкоуровневые средства разработки и отладки, удобны для изучения архитектуры и функционирования микроконтроллеров. Однако разработка и отладка программного обеспечения сложной технической системы, обладающей высокой степенью технического совершенства, на низкоуровневом языке с помощью архаичных отладочных средств затратна по времени, чрезвычайно напряженна, трудоемка и утомительна. Кроме того, очевидно, что устаревшая микропроцессорная техника недостаточна по производительности для современных электроприводов с высокой степенью технического совершенства.

Еще одним недостатком в подготовке инженера-электромеханика следует назвать отсутствие теории и подкрепляющей ее практики по применению цифровых линий связи и сетевых интерфейсов, в их числе UART (Universal Asynchronous Receive-Transmitter), CAN (Controller Area Network), I2C (Inter-Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface), которые позво-

ляют осуществить верхний уровень управления электроприводом [9].

Из сказанного следует, что, даже будучи способным к решению комплекса задач управления на уровне математического описания, алгоритмизации и распределения ресурсов микроконтроллера, инженер-электромеханик сталкивается с трудностями в разработке полноценного и полнофункционального программного обеспечения для системы электропривода. Исходя из этого, на рис. 5 показана примерная схема распределения задач при разработке микропроцессорной системы управления электропривода между электромехаником, электронщиком, конструктором и программистом. Такое разделение связано с большим объемом работы, а также с необходимостью специальных знаний и опыта, которые в комплексе отсутствуют у отдельно взятого специалиста-разработчика. Частичное перекрытие секторов на рис. 5 обозначает задачи, решаемые совместно смежными специалистами. Лишь один из разработчиков, а именно программист, не имеет отдельного сектора с задачами. Электромеханик, являясь для программиста поставщиком задач, должен сформулировать их в понятном для программиста виде вплоть до уровня синтаксических конструкций, самостоятельно осуществив декомпозицию программного обеспечения, распределив аппаратные средства микроконтроллера и назначив приоритетность выполнения задач, что согласуется с распространенной практикой проектирования. Программист же имеет единственную цель -разработать программное обеспечение с учетом целевого микроконтроллера, в точности осуществив замысел электромеханика.

Согласование:

- параметры электромагнитной совместимости и конструкции

- масса и габариты

- параметры тепловых режимов

- степень защиты

Электронщик:

- выбор комплектующих

- схемотехника измерительных, силовых и управляющих цепей

- компоновка электротехнического и электронного оборудования

- оценка тепловых режимов и электромагнитной совместимости

Согласование:

- схема силового преобразователя

- виды и диапазоны сигналов

- типы и расположение датчиков

- энергетический обмен с сетью

Конструктор:

- детальный расчёт тепловых режимов и электромагнитной совместимости

- обеспечение теплоотвода и степени защиты

- технология производства

- разработка конструкторской документации

Согласование:

- проведение и контроль испытаний

- сопровождение производства

Программист:

- разработка программного обеспечения микропроцессорной системы управления в точном соответствии с замыслом электромеханика

Электромеханик:

- составление технического задания или оценка его требований

- выбор технических решений для формирования электромагнитных и электромеханических процессов для автоматического регулирования координат, для взаимодействия с управляющими и подчинёнными устройствами

- оценка энергетического обмена с сетью в динамических режимах

- распределение задач управления между программным, аппаратным и программно-аппаратным решениями

Рис. 5. Разработка микропроцессорной системы управления электропривода

Очевидно, что способность программиста понять задачи, поставленные ему электромехаником, и, не исказив его замысла, разработать программное обеспечение основана на особенностях образования программиста, связанных в первую очередь с содержанием изученных им дисциплин в вузе. Исходя из сказанного, программистов можно разделить на несколько профессиональных групп. К первой группе отнесены программисты, специализирующиеся в области прикладной математики и вычислительных применений программирования, которые не связаны с процессами управления техническими системами и микропроцессорной техникой как средством их осуществления, либо являющиеся специалистами по компьютерному моделированию и инженерным расчетам. Очевидно, что такой объект управления, как электропривод, им неизвестен и к его описанию они подходят абстрактно, исходя из математики, а не специального аппарата теории автоматического управления. Кроме того, таким программистам не знакомы реальные свойства физических сигналов и закономерности протекания электромеханических процессов, а также принципы работы микропроцессорной техники. Ко второй группе отнесены электронщики, которые специализируются на микропроцессорной технике в большей степени, чем на схемотехнике. В значительной степени для таких программистов микроконтроллер является как средством реализации системы управления или обработки информации, так и сам по себе объектом управления. Кроме того, они, как правило, в должной для разработки электроприводов степени не владеют теорией автоматического управления, в том числе ее приложениями для систем управления движением, и рассматривают электрические машины лишь как нагрузку для устройств силовой электроники. Для продуктивной совместной работы от электромеханика потребуется особым образом формулировать частные задачи, чтобы такой программист смог их понять и решить исходя из своих знаний микропроцессорной техники. К следующей, третьей группе отнесены программисты, связанные с информационными технологиями. Как правило, технические системы, в том числе электроприводы, им не знакомы не только на уровне физики, математики и теории автоматического управления, но и на понятийном уровне. Часто они владеют лишь технологиями разработки текста программного обеспечения и поэтому за синтаксическими конструкциями теряют из вида физические принципы, их математическое описание, считая программное обеспечение самоцелью, а не средством осуществления замысла по управлению системой.

Очевидно, что программист, относящийся к любой из перечисленных групп, не может разработать программное обеспечение микропроцессорной системы управления электроприво-

да ни под руководством электромеханика, ни тем более самостоятельно. Между ними имеется профессиональный барьер, который затрудняет постановку задач электромехаником в понятном для программиста виде, а также их решение и оценку результатов. Более того, в процессе решения поставленных электромехаником задач программист может исказить его замысел. Сказанное приводит к выводу о непродуктивности и несостоятельности концепции разработки программного обеспечения электропривода программистом под контролем инженера-электромеханика.

Возможность преодоления указанного профессионального барьера за счет обучения программистов весьма затруднительна. Чтобы понять задачи, сформулированные электромехаником, а затем выполнить их, программист предварительно должен получить значительную сумму знаний, которые имеет инженер-электромеханик (рис. 4), что соизмеримо с прохождением полноценной подготовки в вузе по программам бакалавриата, а затем магистратуры. Естественно, что это невозможно как в связи с узкой направленностью такой подготовки на разработку единичного проекта, так и в связи с большими затратами времени и трудоемкостью. Если обозначенный профессиональный барьер преодолевать за счет обучения электромеханика, то оказывается, что он, будучи способным разложить задачи управления электроприводом до понятного программисту уровня синтаксических конструкций и алгоритмов, вплотную приближается к тому, чтобы разработать программное обеспечение самостоятельно, без помощи программиста. Это ставит под сомнение саму необходимость преодоления обсуждаемого профессионального барьера между электромехаником и программистом при их совместной работе над программным обеспечением - постановке электромехаником задач и их выполнении программистом. Более актуальным и продуктивным выглядит преодоление другого барьера - между электромехаником без знаний и практики применения современной микропроцессорной техники и технологий разработки программного обеспечения и электромехаником, который такие знания и практику имеет. Сказанное в полной мере относится и к другим специалистам, например в области электроэнергетики, теплотехники и некоторых областях электроники. Для них знание микропроцессорной техники и технологий программирования имеет такое же значение, как и для электромеханика при разработке технических систем, начиная с нижнего уровня управления и частично среднего уровня.

Процесс изучения электромехаником микропроцессорной техники и технологий на профессиональном уровне по трудоемкости соизмерим с изучением цикла дисциплин по программам бакалавриата и магистратуры. Он мо-

жет потребовать оценки и самооценки приобретенных знаний и опыта. Например, возникновение задач захвата и генерирования сигналов может потребовать заново обратиться к архитектуре микроконтроллера, а изучение синтаксических конструкций языка программирования может привести к доработке элементов ранее разработанного программного обеспечения.

Чтобы процесс изучения микропроцессорной техники и программирования был продуктивным и содержательным, но занимал меньше времени, он должен обладать следующими свойствами:

• опираться на уже имеющиеся индивидуальные знания и опыт;

• ориентироваться на современную элементную базу микропроцессорной техники и современные средства разработки программного обеспечения;

• ориентироваться на прикладное применение микропроцессорной техники и технологий программирования в конкретной области;

• опираться на взаимосвязь ресурсов и архитектуры целевого микроконтроллера с достижением характеристик и функциональности технических систем.

Очевидно, что распространенные средства разработки программного обеспечения (IAR, Keil, Code Composer Studio, MPLab) в виде структурированного текста на языке высокого уровня не в полной мере соответствуют желаемым свойствам процесса изучения микропроцессорной техники и программирования, перечисленным выше. Без значительной практики применения они неудобны, так как не описывают техническую систему с такой наглядностью, как функциональные и структурные схемы, понятные электромеханику. Кроме того, их применение сопряжено с использованием документаций целевых микроконтроллеров и инструкций по языкам их программирования, внушительных по объему и трудоемких по освоению, особенно на начальных этапах. Отдельно следует подчеркнуть, что вхождение в процесс изучения и накопления практики применения технологий программирования специалистами в различных областях зависит от первоначального уровня их знаний и компетенций. Так, электромеханик имеет базовые знания основ микропроцессорной техники (рис. 4), пусть и устаревшей. Специалисты же, например, в электроэнергетике, теплотехнике и некоторых областях электроники таких знаний, как правило, не имеют.

Следует отметить то принципиальное обстоятельство, что в программном обеспечении микропроцессорной системы могут быть выделены два уровня - аппаратно-ориентированное и математическое программное обеспечение. Первое из них специфично для применяемой элементной базы и представлено подпрограммами для инициализации и конфигурирования встро-

енных аппаратных модулей, а также для доступа к ним в процессе функционирования технической системы. Математическое программное обеспечение, специфичное для объекта управления, основано на принципах его функционирования и выражено в форме численных методов математики или логики. Оно зависит от элементной базы в той части, когда требуется сопоставить затраты вычислительных ресурсов на его выполнение с имеющимися ресурсами. Разработка программного обеспечения, связанного с аппаратной спецификой целевого микроконтроллера, у инженера-электромеханика может вызвать наибольшие трудности, в то время как математическое программное обеспечение принципиально алгоритмически ему понятно.

Результаты исследования. Исходя из описанных выше обстоятельств, особое значение, по сравнению с традиционными средствами разработки, имеют средства модельно-ориентированного программирования с автоматическим генерированием текста программного обеспечения, которые используются на основе системы компьютерной математики Matlab, известной разработчикам в различных предметных областях как средство моделирования.

Сказанное в полной мере относится к разработке и разработчикам электроприводов с микропроцессорным управлением. Такими средствами МОП являются библиотеки Embedded Coder и Waijung Blockset для микроконтроллеров STM32 [1-3].

Элементы упомянутого выше аппаратно-ориентированного ПО в этих библиотеках представлены стандартными модельными блоками, которые конфигурируются с помощью меню, снабженных справочной информацией и аналогичных меню блоков Matlab/Simulink. Разработка программного обеспечения в этом случае осуществляется в виде графической исполняемой модели [1-3, 10-12], в которой микропроцессорная реализация учтена применением модельных обработчиков встроенных модулей микроконтроллера (рис. 6). В зависимости от опыта использования МОП, этап разработки компьютерной модели и отладки на ней алгоритмов может не потребоваться.

Рис. 6. Блок-схема последовательности модельно-ориентированной разработки

На рис. 7 дана оценка применения технологии модельно-ориентированного программирования по различным критериям, которая в полной мере распространяется и на разработку электроприводов с микропроцессорным управлением. Такая оценка, основанная на обобщении опубликованных материалов [1-6], позволяет сделать вывод об ограниченности практики применения модельно-ориентированного программирования и доступного описания ключевых технических решений, принципиальных для получения характеристик и функциональности технических систем, с учетом аппаратных и вычислительных ресурсов микроконтроллера. На устранение этого пробела, а также на расширение теории и практики МОП путем формирования полноценной технологии его применения и повышения технического уровня разработок направлены публикации [10-12], посвященные различным системам электроприводов (рис. 7). О доступности изучения и применения модель-но-ориентированного программирования свидетельствует то обстоятельство, что автор статьи, имея уровень подготовки, соответствующий иллюстрации на рис. 4, и опираясь на имеющиеся у него знания и опыт применения устаревшей микропроцессорной техники, самостоятельно

разработал программное обеспечение для нескольких электроприводов [10-12], имеющих высокую степень технического совершенства.

Если оценивать формирование полноценной технологии применения модельно-ориентированного программирования [10-12] при разработке электроприводов и других сложных систем с микропроцессорным управлением, то следует рассмотреть несколько аспектов. Первый из них связан с компоновкой программного обеспечения, чтобы оно функционировало по принципу операционной системы и диспетчера задач, и с рациональным распределением ресурсов микроконтроллера. На рис. 8 в общем виде показана блок-схема такого программного обеспечения с указанием атрибутов выполнения задач управления, перечисленных на рис. 2. В зависимости от значимости, требуемой интенсивности обновления информации, стабильности периодичности выполнения задач по времени, подпрограммам назначены приоритеты, интервалы повторения, способы вызова и тактирования. При применении МОП программное обеспечение с такой структурой составляется из модельных схем, выполняющих одну или несколько задач управления (рис. 9).

Рис. 7. Практика применения модельно-ориентированного программирования

Рис. 8. Блок-схема программного обеспечения

Модельные схемы, показанные на рис. 9, позволяют проиллюстрировать второй аспект применения технологии МОП. Это применение стандартных модельных блоков и схем из них совместно с пользовательскими подпрограммами на языке С, которые включаются в исполняемую модель с помощью блоков

Basic Custom Code (рис. 9,г) из библиотеки Waijung Blockset, помещенных в управляемые подсистемы Simulink, которые вызываются в зависимости от программных или системных флагов.

Анализ опыта разработок [10-12] позволяет сделать вывод о целесообразности применения пользовательского программного обеспечения, если стандартные модельные блоки и составленные из них схемы громоздки и недостаточно выразительны. Сказанное относится и к случаям, когда автоматически сгенерированное программное обеспечение нерационально по времени выполнения или некорректно выполняется по отношению к замыслу, положенному в основу составления модельных схем. Исходя из сказанного, перспективен принцип, иллюстрация которого дана на рис. 10. Согласно ему, стандартные модельные блоки используются для компоновки структуры программного обеспечения, конфигурирования встроенных модулей микроконтроллера и доступа к ним при выполнении ПО. Использование меню для задания параметров таких модельных блоков упрощается благодаря аналогии с устаревшей микропроцессорной техникой, в значительной мере знакомой инженеру-электромеханику (см. рис. 4).

Timer: TIM14 Priority Group: 4 Рге-Emption (Basic) Priority: 4 Subpriority: 0

Ts (sec) : 0.025 \£_

Timer (Time Base) IRQ

а)

IRQ

furction()

[IRQ Handler] .RQ void EXTI2_IRQHandler(void)

& 1

functk>n()

IRQ Custom Code

Consta nt

Function-Call Subsystem

Function-Call Subsystem

б)

Triggered Subsystem

в)

Basic Custom Code

г)

Рис. 9. Модельные элементы компоновки программного обеспечения: а - обработчик прерывания при переполнении таймера; б - обработчик внешнего прерывания; в - обработчик задачи в фоновом цикле; г - модельный блок с пользовательской подпрограммой на языке С

Рис. 10. Сочетание различных технологий при разработке программного обеспечения

Математическое же программное обеспечение в значительной степени разрабатывается на языке C. Описываемое численными методами вычислительной математики, основанное на аппарате теории автоматического управления и различных областей электромеханики, это ПО принципиально понятно инженеру-электромеханику и реализуется на языке C в таком объеме, что его синтаксические конструкции подобны языку Pascal из общего курса информатики. В числе такого математического программного обеспечения подпрограммы регуляторов, за-датчиков движения, обработчиков сигналов, получаемых от датчиков, и другие подпрограммы, характерные для систем управления электроприводов. Также возможно редактирование автоматически сгенерированного программного обеспечения в целях его детальной коррекции под требования частных задач управления электроприводом, что вполне доступно инженерам-электромеханикам согласно их профессиональному уровню (рис. 4).

Выводы. Электроприводы с микропроцессорным управлением являются сложными техническими системами, в которых программное обеспечение предназначено для формирования и координации протекания разнообразных физических и информационных процессов в целях управления движением исполнительного механизма в реальном времени с учетом специфики микроконтроллера и ограничений его вычислительных ресурсов и встроенных аппаратных модулей.

Инженеры-электромеханики, имеющие подготовку по электромеханическим профилям бакалавриата и магистратуры, обычно не обладают достаточными знаниями и практикой применения современной микропроцессорной техники и современных технологий программирования для самостоятельной разработки программного обеспечения электроприводов. Концепция, при которой инженер-электромеханик должен объяснить программисту свой замысел, а тот в соответствии с ним разработать программное обеспечение, является непродуктивной из-за наличия профессионального барьера между ними.

Модельно-ориентированное программирование позволяет устранить этот недостаток инженеров-электромехаников и способствует продуктивному освоению ими современной микропроцессорной техники и технологий программирования. В силу этого МОП становится для них эффективным инструментом самостоятельной разработки программного обеспечения без помощи программиста. Это обстоятельство связано с подобием средств МОП и средств имитационного моделирования, а также с описанием встроенных модулей микроконтроллера в виде конфигурируемых модельных блоков, с компоновкой программного обеспечения из мо-

дельных схем и авторских подпрограмм, разработанных на языке C.

Список литературы

1. Model-Based Design [Электронный ресурс]. -Режим доступа: www.mathworks.com (дата обращения 23.05.2022).

2. Exponenta [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.exponenta.ru (дата обращения 23.05.2022).

3. Waijung Blockset [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://waijung.aimagin.com (дата обращения 23.05.2022).

4. Борисевич А.В., Омельченко Н.В. Реализация векторного управления асинхронным электродвигателем на микроконтроллере STM32F4 [Электронный ресурс] // Современные научные исследования и инновации. - 2014. - № 4, Ч. 1. - Режим доступа: http://web.snauka.ru/issues/2014/04/33144 (дата обращения 23.05.2022).

5. Automatic code generation from Matlab/Simulink for critical applications / J. Krizan, L. Ertl, M. Bradac, et al. // Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2014 IEEE 27th Canadian Conference. - Canada, 2014. - P. 1-6.

6. Horvath K., Kuslits M. Model-Based development of induction motor control algorithms with modular architecture // 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), 25-28 Sept. 2016. - Varna, Bulgaria, 2016. - P. 133-138.

7. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. - М.: Изд. дом МЭИ, 2015. - 373 с.

8. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные устройства электромеханических систем: учеб. пособие для вузов. - М.: Изд. центр «Академия», 2004. -272 с.

9. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 608 с.

10. Polyuschenkov I. Model-oriented Programming Technique In The Development of Electric Drive Control System // 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED). - М., 2019. - Р. 1-6. DOI: 10.1109/IWED.2019.8664388.

11. Polyuschenkov I. Development of Control System for Interconnected Electric Drives with Electromechanical Torsion // 2020 27th International Workshop on Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary (IWED), 2020. - М., 2020. - Р. 1-6. DOI: 10.1109/IWED48848. 2020.9069571.

12. Polyuschenkov I.S. Model-Based Development of a Servo Tracking Electric Drive // Russ. Electr. Engin. - 2021. - Vol. 92. - Р. 748-754. https://doi.org/10.3103/S1068371221120105.

References

1. Model-Based Design. Available at: www.mathworks.com (Date of appeal 23.05.2022).

2. Exponenta. Available at: http://www.exponenta.ru (Date of appeal 23.05.2022).

3. Waijung Blockset. Available at: http://waijung.aimagin.com (Date of appeal 23.05.2022).

4. Borisevich, A.V., Omel'chenko, N.V. Reali-zatsiya vektornogo upravleniya asinkhronnym

elektrodvigatelem na mikrokontrollere STM32F4 [Implementation of an asynchronous electric motor vector control on STM32 microcontroller]. Sovremennye Nauchnye Issledovaniya i Innovatsii, 2014, no. 4, part 1. Available at: http://web.snauka.ru/issues/2014/04/ 33144 (Date of appeal 23.05.2022).

5. Krizan, J., Ertl, L., Bradac, M., Jasansky, M., Andreev, A. Automatic code generation from Matlab/Simulink for critical applications. Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2014 IEEE 27th Canadian Conference. Canada, May 2014, pp. 1-6.

6. Horvath, K., Kuslits, M. Model-Based development of induction motor control algorithms with modular architecture. 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), 25-28 Sept. 2016. Varna, Bulgaria, 2016, pp. 133-138,

7. Anuchin, A.S. Sistemy upravleniya elektro-privodov [Control systems of electric drives]. Moscow: Izdatel'skiy dom MEI, 2015. 373 p.

8. Rozanov, Yu.K., Sokolova, E.M. Elektronnye ustroystva elektromekhanicheskikh sistem [Electronic equipment of electromechanical systems]. Moscow: Iz-datel'skiy tsentr «Akademiya», 2004. 272 p.

9. Denisenko, V.V. Komp'yuternoe upravlenie tekhnologicheskim protsessom, eksperimentom, obo-rudovaniem [Computer control of process, experiment, equipment]. Moscow: Goryachaya liniya - Telekom, 2009. 608 p.

10. Polyuschenkov, I. Model-oriented Programming Technique In The Development of Electric Drive Control System. 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED). Moscow, 2019, pp. 1-6. DOI: 10.1109/IWED.2019.8664388.

11. Polyuschenkov, I. Development of Control System for Interconnected Electric Drives with Electromechanical Torsion. 2020 27th International Workshop on Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary (IWED), 2020. Moscow, 2020, pp. 1-6. DOI: 10.1109/IWED48848.2020.9069571.

12. Polyuschenkov, I.S. Model-Based Development of a Servo Tracking Electric Drive. Russ. Electr. Engin., 2021, vol. 92, pp. 748-754. Available at: https://doi.org/ 10.3103/S1068371221120105