Сцепление — это лишь один из критериев оценивания качества формулирования задачи. Другим важным критерием этой цели является критерий связности. Функционально связанный модуль содержит объекты, предназначенные для выполнения одной и только одной задачи, например измерения температуры. Функционально законченные задачи объединяются во множества объектов – классов общими структурой и поведением. Например, каналы измерения температуры, давления, ускорений и т. п. объединяются в класс измерительных каналов. Выделим основные уровни иерархии ТЗ АОТ. Это задачи:

1. Измерений;
2. Обработки результатов измерений;
3. Регистрации и отображения;
4. Контроля и диагностики;
5. Управления технологическим объектом.

Задача измерения (первый уровень иерархии задач) – нахождение физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств. Задачи измерения можно условно разбить на четыре класса, включающие в себя следующие задачи:

• абсолютного измерения, основанные на прямых измерениях одной или нескольких главных величин и/или использовании значений физических постоянных;
• динамических измерений, связанные с измерениями мгновенных значений физической величины и её изменения во времени;
• косвенных измерений, подразумевающие измерения, при которых искомое значение физической величины находят по известной зависимости между этой величиной и величинами,определяемыми посредством прямых измерений;
• прямых измерений, связанные с измерениями, при которых искомые значения находятся непосредственно из результатов измерений.

Задача измерений определяется следующими компонентами:

• набором исходных данных, например типа датчика, характеристик измерительного канала, тарировочных характеристик датчиков и т. п.);
• методом (алгоритмом) решения, например тарировкой датчика, определением достоверности результата измерения и т. п.

Результатом решения задачи измерений является получение численного значения физической величины в заданном месте, от одного датчика и в известном времени с признаком достоверности. Примеры задач измерений – "Измерение температуры", "Измерение давления", "Измерение расхода жидкости" и т. п. Задача измерений, в свою очередь, может быть разбита на ряд подзадач преобразования: физической величины в аналоговый электрический сигнал (задача датчика); аналогового сигнала в дискретный сигнал, например с помощью АЦП (отсчет); отсчета в физическую величину (например, с помощью процедуры тарировки) и т. п. Задача измерения решается с помощью аппаратно-программных средств в составе датчика, измерительного канала и процессора обработки. Задачи обработки результатов измерений (второй уровень иерархии задач) – вычисление значений косвенных физических параметров, которые определяются набором исходных данных (измерений, констант и т. п.) и конкретной процедурой обработки. Примерами задач формирования физических параметров являются, например, "Среднее арифметическое от нескольких измерений", "Первое достоверное измерение температуры" (в случае нескольких датчиков) и т. п. Примерами задач вычисления косвенных физических параметров служат "Вычисление плотности окислителя" по нескольким значениям первичных параметров (давления и температуры) и констант; "Формирование признака", что первичный параметр превысил заданное значение, и т. п. При вычислении прямых и косвенных параметров формируются признаки их достоверности, например параметр достоверен, если достоверны все измерения, по которым он вычислен. Прямые и косвенные параметры вычисляются с помощью ТЗ обработки. Задачи регистрации и отображения (третий уровень иерархии задач) – регистрация в памяти системы отсчетов, заданных оператором измерений, прямых и косвенных параметров, а также команд управления. Например, задачи регистрации и документирования для испытаний ЖРД разбиты на две группы. Первая группа реализует задачи регистрации всех отсчетов ("для прокурора") в двоичном формате, причём этот файл с данными всегда можно подать на вход системы для имитации испытаний с измененными процедурами обработки и т. п., например для тренировки операторов. Вторая группа реализует задачи регистрации выделенных оператором измерений, прямых и косвенных параметров, а также выдаваемых команд. Задача регистрации входит в каждую задачу формирования измерений, прямых и косвенных. Аналогично регистрация величины и момента выдачи управляющего воздействия также входит в задачи управления. Задачи контроля и диагностики (четвертый уровень иерархии задач) – формирование информации о правильности функционирования системы, а также передачи и приема команд от других подсистем, например команд "Готовность", "Пуск" и т. п. Задачи контроля и диагностики решаются на основе задач более низкого уровня иерархии (задачи измерения, регистрации и т. п.). Задачи контроля и диагностики определяются набором исходных данных (результатами измерений, первичными и вторичными параметрами, константами и т. п.), конкретными процедурами контроля (например, нахождением контролируемого параметра в заданных пределах, логической обработкой признаков достоверности измерений и т. п.). При решении задач контроля и диагностики формируются логические параметры контроля для выдачи соответствующих сообщений оператору. Задачи управления технологическим объектом (пятый уровень иерархии задач) – выдача требуемого управляющего воздействия на заданный исполнительный орган в необходимый момент времени. Примерами задач управления служат "Выдать заданное управляющее воздействие на исполнительный орган в требуемый момент времени", "Вывести объект испытаний (двигатель) на заданный режим в соответствии с заданным алгоритмом", "Вывести двигатель на заданную тягу" и т. п. Решением конкретной задачи управления является соответствующая команда. Каждая задача управления определяется набором исходных данных (параметрами задачи управления, константами и т. п.) и алгоритмом решения задачи (например, алгоритмом вывода двигателя на режим по линейному закону). Для задач управления без обратной связи задачи измерения, обработки и регистрации, как правило, не используются, а в задачах управления с обратной связью, например при выводе ЖРД на заданный режим тяги, задачи измерения, обработки и регистрации расходов топлива используются обязательно. Анализ особенностей ТП лабораторно-стендовой отработки элементов и конструкций ЛА как объектов автоматизации, а также сформулированных ранее требований к режимам функционирования позволил сформировать следующую структуру автоматизированной системы измерений, контроля и управления нового поколения (рис. 1), включающую в себя верхний и нижний уровни.

Рис. 1.

Верхний уровень системы обеспечивает загрузку исходных данных и ПО в подсистемы нижнего уровня, его инициализацию, прием, анализ и обработку информации об измерительных параметрах, долговременное хранение и отображение информации, проведение испытания в целом, включая интерфейс пользователя, стратегические задачи управления испытанием, реализацию ЭС. База исходных данных гарантирует хранение и загрузку исходных данных, формирование алгоритмов функционирования системы управления и организации работы с подсистемами нижнего уровня. Она должна обеспечить полную разработку алгоритмов испытаний – начиная с адресации каналов ввода/вывода и кончая разработкой циклограмм управления режимами работы объекта и их регулирования. Исходные данные задают необходимую информацию для испытания объекта. Организационная структура исходных данных может быть представлена виде реляционной БД, в рамках которой осуществляются их хранение и организация экспорта таблиц в подсистемы нижнего уровня. Подсистема сбора, оперативного отображения информации и управления ходом ТП испытаний объекта предназначена для отображения состояния системы и выдачи управляющих воздействий от АРМ оператора, обеспечивает оперативное отображение информации на дисплеях штатных рабочих мест оператора и устройстве отображения коллективного пользования. Номенклатура и вид представления отображаемой информации на разных устройствах могут быть неодинаковыми. На рабочем месте оператора обеспечивается возможность получения информации о значении любого параметра или группы параметров из текущего кадра подсистемы измерения в числовом виде. Пакет для отображения информации – панели оператора с привязкой измерительных и управляющих данных, который может быть реализован в среде SCADA. В функции подсистемы моделирования процессов и организации вычислений входит решение задач моделирования процессов измерения и управления, а также их элементов. Она объединяет матричные вычисления, численный анализ, обработку сигналов, анализ данных и пр. Подсистема может быть достаточно просто реализована в широко распространенной и эффективно используемой программной среде Matlab. Подсистема ведения протокола работы системы предназначена для регистрации действий оператора системы и внедрена на верхнем уровне. В протоколе фиксируются моменты включения/выключения системы, а также переключения режимов работы системы с указанием результатов выполнения предыдущего режима работы. Подсистема позволяет визуально просматривать как весь протокол, так и с выборкой по полям с заданными критериями. Подсистема решения задач коммуникационного обмена обеспечивает следующие виды взаимодействия верхнего и нижнего уровней системы:

• интерпретацию запросов оператора на нижнем уровне;
• загрузку на нижний уровень исходных данных;
• оперативную передачу текущей информации от нижнего к верхнему уровню системы, включая аварийные сообщения;
• копирование (сброс) зарегистрированной информации с нижнего на верхний уровень (по запросу).

Подсистемы нижнего уровня выполняют сбор данных от датчиков, их обработку, оперативное управление техническими средствами (измерительной аппаратурой и исполнительными устройствами), запись данных и передачу их на подсистемы верхнего уровня. Нижний уровень должен быть построен таким образом, чтобы после загрузки ПО и запуска мог функционировать автономно и независимо от верхнего уровня. Более того, оператору для контроля процесса не надо включать ПЭВМ. Для этого можно воспользоваться клавиатурой и экраном дисплея, выполняющего при наличии соответствующего ПО в контроллере крейта VME роль интеллектуального инженерного пульта. Отделом автоматизации экспериментов МАИ на основе разработанного подхода к анализу и проектированию систем создан ряд ИПК для контроля испытании объектов новой техники и управления ими. Одним из примеров ИПК служит система управления режимами (СУР) ЖРД, которая предназначена для управления режимами ракетных двигателей при стендовых огневых испытаниях на базе научно-испытательного комплекса в качестве составной части стендовой АСУТП. Она выполняет следующие функции:

• запуск и останов ЖРД по заданной циклограмме;
• контроль основных параметров ЖРД, а при достижении ими критических значений — выдачу сигнала аварийного останова в подсистему верхнего уровня;
• изменение режимов работы ЖРД;
• управление стендовыми клапанами, поддержание заданных давлений наддувов и продувок;
• проверку наличия компонентов топлива в стендовых баках;
• контроль целостности электрических цепей ЖРД;
• выдачу команд в систему измерения и на запись параметров для контроля работы системы управления;
• формирование временных команд;
• ручное управление стендом и ЖРД при подготовке их к испытанию и во время испытания.

Система управления режимами ЖРД представляет собой ИПК с многоуровневой модульной структурой, характеризуется высокой гибкостью и способностью к расширению. Взаимодействие операторов с системой реализовано в виде двух различных процессов. Рассмотрим их.

1. Подготовка исходных данных осуществляется на ПЭВМ путём занесения информации в БД Access, которые по соответствующим запросам передаются в систему нижнего уровня. Формирование исходных данных заключается в возможности определения параметров конфигурирования ИПК: в формировании событий; выдаче управляющих воздействий; создании циклограммы испытания и т. п.
2. Проведение технологических операций и непосредственное отображение результатов испытания осуществляются с помощью пакета SCADA InTouch.

Нижний уровень ИПК построен на базе крейта VME с контроллером VM662 под управлением ОС РВ OS-9, набором измерительных и управляющих модулей фирмы PEP (Германия). В настоящее время ИПК СУР ЖРД внедрен в штатную эксплуатацию в НПО "Энергомаш" (Московская обл.) для натурных испытаний ЖРД и обеспечил проведение испытаний нескольких десятков ЖРД. База исходных данных реализована на основе MS Access и является механизмом для работы с системой нижнего уровня. База данных позволяет провести разработку испытаний, начиная с адресации каналов ввода/вывода и заканчивая разработкой циклограмм на испытания. Базу данных в соответствии с задачами ИПК можно условно разделить на три части (рис. 2).