|
Реферат: Полный обзор Windows 98 (Программирование)
Содержание:
1. Обзор Windows 2
1.1. Назначение и характеристика операционной системы Windows 98 2
1.2. Обзор основных возможностей Windows 98 2
2. Взаимодействие прикладных программ с аппаратурой компьютера 7
2.1. Plug and Play 7
2.2. Интерфейс API 7
3. Многозадачный режим работы Windows 98 9
3.1. Кооперативная и вытесняющая многозадачность. Реализация
многозадачности в Windows 98 9
4. 32-х разрядный режим работы Windows 98 10
4.1. Физическая и виртуальная память, распределение памяти в Windows
98 11
5. Динамическое подключение библиотек (DLL) 13
6. Возможность обмена данными между приложениями Windows 13
6.1. Технология clipboard, DDE, OLE. Место технологий в среде
Windows 13
7. Файловая система Windows 98 16
7.1. Длинные имена файлов, виртуальная таблица файлов VFAT, 32-х
разрядный доступ к дискам 16
Список используемой литературы 20
Операционная система Windows 98.
1. Обзор Windows 98.
1.1. Назначение и характеристика операционной системы Windows98.
Основными характеристиками операционной системы Windows 98 являются:
> 32-х разрядная архитектура;
> вытесняющая многозадачность и много поточность;
> графический и пользовательский интерфейс;
> подключение новых периферийных устройств по технологии Plug and Play;
> использование виртуальной памяти;
> совместимость с ранее созданным программным обеспечением;
> наличие коммуникационных программных средств;
> наличие средств мультимедиа;
> интеграция с глобальной сетью Интернет;
> повышение надежности и качества управления;
> повышение производительности.
1.2. Обзор основных возможностей Windows 98.
- Интерфейс пользователя:
Интерфейс Windows 98 характерен своей относительной простотой, по сравнению
с предшествующими версиями операционной системы. Он отличается от его
предшественников более красивой графической средой (поддержка 16-ти и 32-х
битной глубины цвета), простотой (любое приложение можно вызвать, щелкнув
на его ярлык). Отдельного внимания заслуживает рабочий стол Windows98.
На мониторе, перед собой, мы видим рабочий стол. На рабочем столе находится
панель задач, а на панели задач – кнопка Пуск. Начинающие пользователи
могут начать работу с Windows 98 с нажатия кнопки Пуск. Если щелкнуть по
ней мышью, то появится система меню, которая открывает доступ ко всем
основным элементам Windows 98.
С помощью этой кнопки можно найти и запустить любое приложение,
установленное на компьютере. Единственный недостаток – это слишком
маленькие пиктограммы, из-за чего их можно перепутать друг с другом.
Рассмотрим основные компоненты пользовательского интерфейса:
Панель задач. На панели задач находится кнопка Пуск, и кнопки
соответствующие активным приложениям и открытым окнам. На панели задач
присутствуют все активные задачи, как работающие в окне, так и
минимизированные, работающие в фоновом режиме.
Рабочий стол. На поверхности рабочего стола вы можете поместить наиболее
часто используемые программы и документы (точнее указатели на них или
ярлыки).
Активный рабочий стол. Если на компьютере установлен Internet Explorer, то
вы можете использовать дополнительный вид рабочего стола, который
называется Активный рабочий стол (Active Desktop). Эта опция делает рабочий
стол похожим на web-страницу с активным окном и непрерывно обновляемой
информацией.
Папки. Каталоги в рабочей среде Windows 98 называются папками. Если дважды
щелкнуть мышью на пиктограмме папки, то откроется окно, в котором будет
показано содержимое этой папки. Это самый простой способ просмотра дисков и
файлов.
Поиск. Операционная система Windows 98 обладает мощными средствами поиска
файлов по названию, содержимому и дате создания. Так, например, можно найти
все файлы, в названии которых есть слово отчет, содержащие тест компьютер,
и созданные на протяжении последней недели. Процедуры поиска можно
сохранять и модифицировать
Ярлыки. Можно создавать указатели на файлы – так называемые ярлыки. Они
используются для того, чтобы обеспечить доступ к одному и тому же файлу из
различных мест, не копируя его. Ярлыки могут использоваться как для
открытия документов, так и для запуска программ. Например, меню кнопки пуск
состоит из ярлыков.
- Коммуникации:
Удаленный доступ к сети. Использую эту функцию можно подключаться к своему
компьютеру, расположенному в офисе, находясь дома или в гостинице, и
работать с его ресурсами как с локальными.
Доступ к Internet. Можно подключаться к сети Интернет как с помощью
локальной сети, так и с помощью модема. Высокоскоростной 32-х разрядный
протокол TCP/IP позволяет полноценно работать со своего компьютера в этой
сети.
Гипертерминал. Эта программа позволяет подключаться к электронным доскам
объявлений, другим компьютерам и передавать файлы с использованием
нескольких протоколов.
- Управление файлами:
Длинные имена файлов. Названия файлов теперь могут состоять из 255
символов. Все программы, входящие в поставку Windows 98 поддерживают
длинные имена.
VFAT (Virtual File Allocation Table). Обновленная файловая система
представляет собой развитие идеи FAT, использующейся в DOS и предыдущих
версиях Windows.
Динамическое кэширование в защищенной памяти. Windows 98 обеспечивает
быстрое кэширование данных. Теперь не нужно выделять определенный объем
пространства на жестком диске для поддержки виртуальной памяти. Кроме того,
отпадает необходимость в постоянном файле подкачки. Размер файла подкачки
динамически изменяется в зависимости от нужд системы.
- Оборудование:
Самонастраиваемые устройства (Plug and Play). Процесс установки нового
оборудования в системе Windows 98 значительно упростился. При установке
самонастраивающихся устройств их конфигурирование и устранение аппаратных
конфликтов выполняется автоматически.
Подключения оборудования, не отвечающего сертификатам Plug and Play. Все
устройства установленные на компьютере, автоматически определяются при
установке Windows 98. Программа установки создает базу данных об имеющимся
в компьютере оборудовании. При добавлении новых устройств система
обнаруживает возникшие аппаратные конфликты и оповещает о них пользователя.
- Шрифты:
32-х разрядная растеризация TrueType. Растеризация – это процесс
преобразования описания символа в набор точек на экране монитора.
Сглаживание шрифтов. В Windows 98 предусмотрены специальные алгоритмы
улучшения внешнего вида символа на экране монитора.
- Обработка ошибок и надежность:
Локальная перезагрузка. «Зависшие» приложения DOS и Windows могут быть
перезапущены без перезагрузки всей системы.
Безопасный режим. Если система Windows 98 по какой-либо причине не
загружается в нормальном режиме, то она загружается в безопасном режиме с
минимальным набором драйверов. Это позволит сделать все необходимые
изменения и устранить проблему.
- Работа в сети:
Ориентация на работу в сети. Разработчики новой системы учли все
достоинства и недостатки предыдущих версий, причем большое внимание было
уделено работе в сети. Сетевые средства Windows 98 стали более надежными,
быстрыми и защищенными.
Одновременная поддержка нескольких сетей. Компьютер может быть подключен к
нескольким сетям разного типа. Window 98 поддерживает несколько протоколов
TCP/IP. При необходимости в систему может быть добавлена и поддержка других
протоколов.
- Работа в Internet:
При создании операционной системы разработчики особое внимание уделили
развитию ее коммуникационных возможностей. Наиболее ярким внешним
новшеством по сравнению с предыдущей версией является интеграция
операционной системы с обозревателем операционной системы Internet Explorer
4.0, предназначенным для просмотра web-страниц в сети Интернет. Интерфейс
пользователя в Windows 98 можно настроить на работу в сети Интернет. В этом
случае рабочий стол принимает вид web-страницы, а ярлыки действуют как web-
ссылки, которые могут указывать не только на файлы компьютера но и на
данные в сети Интернет. Подобный интерфейс является дополнением к
традиционному интерфейсу Windows.
2. Взаимодействие прикладных программ с аппаратурой компьютера.
1. Plug and Play.
Технология Plug and Play – технология, базирующаяся на возможностях BIOS,
операционной системы и внешних устройств. Позволяет автоматически
определять и настраивать подключенные устройства. Автоматическая настройка
устройств помогает избежать конфликтов между адаптерами, а также оптимально
настроить систему в целом.
Известно, что для подключения нового периферийного в среде операционной
системы MS DOS пользователь должен обладать профессиональными знаниями:
например, уметь написать файл конфигурации, знать структуру команды
подключения необходимого драйвера.
В среде Windows эта задача решается достаточно просто. Система
самостоятельно создает и изменяет файл конфигурации, распознает конкретное
техническое устройство и производит его автонастройку. Подобная технология
получила название Plug and Play – «включай и работай».
Дополнительные устройства подключаются специальными программами-мастерами,
которые могут распознать любое устройство, поддерживающие технологию Plug
and Play. Если устройство не поддерживает эту технология, то программы-
мастера запрашивают дополнительную информацию в наиболее удобной для
пользователя форме, благодаря чему процесс подключения устройства заметно
упрощается.
2. Интерфейс API.
Интерфейсы программирования приложений (Application Programming Interfaces
– APIs) позволяют программистам выполнить больший объем работы меньшими
усилиями за счет стандартизации форма доступа к системных ресурсам и
объектам. Используя стандартный интерфейс, производитель программного
обеспечения может легко изменить детали реализации без проникновения внутрь
других программ, например, Windows API позволяет предполагать наличие у
пользователя стандартных компонентов и устройств с заданным интерфейсом.
В состав Windows 98 включены дополнительные наборы API:
> TAPI – обеспечивает стандартное управление телефонными службами.
> MAPI – обеспечивает стандартное управление системами электронной почты.
Оба интерфейса предоставляют стандартные методы, обеспечивающие эффективную
работу с модемом, и оба интерфейса поддерживаются в Windows 98 в форме
особых утилит:
> Утилита Модем, размещенная в Панели управления, позволяет полностью
настроить модем. Любое приложение Windows 98, поддерживающее TAPI
(Microsoft Exchange, Microsoft Outlook Express или Microsoft Network),
применяет эти настройки. TAPI не используется старыми 16-ти разрядными
приложениями, поэтому, чтобы воспользоваться возможностями TAPI, нужно
установить обновленную версию этих приложений.
> Примером приложения, использующего MAPI, является Microsoft Exchange,
который получает доступ к почтовым службам и сообщениям при помощи
специальных драйверов MAPI. Другой драйвер MAPI используется для доступа
к службе CompuServe. Еще один драйвер MAPI позволяет посылать факсы.
Фактически, для доступа к любой службе необходимо иметь драйвер MAPI.
Преимущества набора этих драйверов, состоит в том, что доступ ко всем
информационным службам осуществляется единообразно. Результатом такой
унификации является изменение интересующей службы сообщения «одним
нажатием клавиши».
Поддержка MAPI и TAPI не ограничивается только применением приложениями
Windows 98,. Например, команда Файл, Отправить
в Microsoft Word использует встроенную в Windows 98 поддержку MAPI для
отправки документа по требуемому маршруту. При этом совершенно не нужно
закрывать Word и запускать программу электронной почты.
2. Многозадачный режим работы Windows 98:
1. Кооперативная и вытесняющая многозадачность. Реализация
многозадачности в Windows 98.
Операционная система Windows 98 является многозадачной (multitasking –
мультизадачной) т. е. она способна «одновременно» выполнять несколько
программ. На самом деле один микропроцессор может выполнять инструкцию
только одной программы. Однако операционная система настолько оперативно
реагирует на потребности той или иной программы, что создается впечатление
одновременности их работы. Например, в процессе подготовки текста можно
параллельно печатать содержимое какого либо файла и проверять на вирус
жесткий диск.
Многозадачность может кооперативной и вытесняющей. При кооперативной
многозадачности (cooperative multitasking) операционная система не
занимается решением проблемы распределения процессорного времени.
Распределяют его сами программы. Причем активная программа самостоятельно
решает, отдавать ли процессор другой программе. Момент передачи управления
здесь зависит от хода выполнения задачи. Таким моментом должен быть
системный вызов, т. е. обращение к системе за какой-либо услугой (ввод или
вывод на внешнее устройство). Фоновым задачам выделяется процессорное время
при простое приоритетной задачи (ожидание нажатия клавиши и др.).
Кооперативная многозадачность была реализована в среде Windows 3.1. В
Windows 98 кооперативная многозадачность обеспечивается для 16-ти разрядных
приложений, т. к. эти приложения, созданные для Windows 3.1 умеют
самостоятельно распределять процессорное время.
При вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking) распределением
процессорного времени между программами занимается операционная система.
Она выделяет каждой задаче фиксированный квант времени процессора. По
истечению этого кванта времени система вновь получает управление, чтобы
выбрать другую задачу для ее активизации. Если задача обращается к
операционной системе до истечения ее кванта времени, то это также служит
причиной переключения задач. Такой режим многозадачности Windows 98
реализует для 32-х разрядных приложений, а также для программ написанных
для MS DOS.
3. 32-х разрядный режим работы Windows 98.
Windows 98 – это 32-х разрядная операционная система. Большинство программ
для операционной системы MS DOS относилось к 16-ти разрядным программам,
которые использовали реальный режим работы микропроцессора. Реальный режим
значительно ограничивает возможности программы, т. к. в этом режиме
затруднен доступ в верхние (свыше 1 Мб) области памяти. Операционная
система MS DOS не имеет средств для поддержки
32-х разрядных программ, работающих в защищенном режиме микропроцессора.
Чтобы такие программы могли работать в среде MS DOS, требуется
дополнительное программное обеспечение, расширяющее функции MS DOS.
Возможен также вариант, когда дополнительные функции, обеспечивающие
защищенный режим, включаются непосредственно в код программы, увеличивая
тем самым ее объем. Операционная система Windows 98 полностью обеспечивает
работу 32-х программ, причем она спроектирована таким образом, что
использование 32-х разрядных программ в ее среде является наиболее
оптимальным. В среде Windows 16-ти разрядные программы также успешно
функционируют, но они не могут задействовать все ресурсы системы.
32-х разрядные программы занимают больше оперативной и дисковой памяти,
однако, это компенсируется, во-первых, увеличением скорости работы
программ, во-вторых, удешевлением всех видов памяти, в том числе и
электронной.
1. Физическая и виртуальная память, распределение памяти в Windows 98.
- Виртуальная память.
Виртуальная память – расширение адресного пространства задачи, полученная
за счет использования внешней памяти. В оперативной памяти всегда находится
часть виртуального пространства, выделяемого для решения задачи, остальная
его часть располагается на дисковой памяти. Если оперативной памяти не
хватает для обеспечения работы текущего (активного) приложения, то
приложение или его часть, которые не использует в данный момент
микропроцессор выгружаются (вытесняются) из оперативной памяти на диск. На
их место в оперативную память загружается (подкачивается) необходимый
фрагмент активного приложения. Когда одному из выгруженных приложений
передается управление, оно вновь загружается в оперативную память, что
может привести к выгрузке на диск другого, пассивного в данный момент
приложения.
Таким образом, программы циркулируют между диском и оперативной памятью.
Поддержка виртуальной памяти позволяет открыть большое количество
приложений одновременно, но выгрузка на диск и загрузка с диска снижают
производительность компьютера.
Используемая для это цели часть внешней памяти называется файлом подкачки,
а описанный процесс подкачки – свопинг. Объем файла подкачки может в
несколько раз превышать объем оперативной памяти.
Файл подкачки – файл на жестком диске, используемый для организации
виртуальной памяти.
Настройка виртуальной памяти производится автоматически и вручную.
- Физическая память.
К физической памяти относится дисковая и оперативная т. е. та память
компьютера, которая остается постоянной (неизменной), несмотря на операции
проводимые компьютером. Размер физической памяти определяется
характеристикой комплектующих компьютера (объемом жесткого диска,
оперативной памятью и т. д.).
- Распределение памяти.
Виртуальная память используется для хранения данных которые в данный момент
не загружены в оперативную память, но часто ею используются. Виртуальная
память формируется за счет физической памяти, т. е. файл подкачки
пользуется ресурсом жесткого диска.
4. Динамическое подключение библиотек (DLL – файлы).
Dynamic Link Library (Библиотека динамической компоновки) - библиотека
процедур, которые можно вызывать из приложения. Слова «динамическая
компоновка» означают, что связь с процедурой устанавливается динамически,
во время исполнения программы и только в том случае, если процедуру
фактически требуется вызвать. Динамическая компоновка противоположна
статической компоновке, когда используемая библиотека присоединяется к
программе на этапе компиляции или редактирования связей. Библиотека
динамической компоновки имеет следующие преимущества: библиотека может быть
обновлена не зависимо от использующей ее программы, процедуры не занимают
место в памяти до тех пор, пока они фактически не понадобятся.
5. Возможность обмена данными между приложениями Windows.
1. Характеристика технологий clipboard, DDE, OLE. Место технологий в
среде Windows.
Буфер обмена (clipboard) играет важнейшую роль при организации обмена
данными. Это часть виртуальной памяти, которая служит неким перевалочным
пунктом при обмене данными. При небольших объемах передаваемых данных для
буфера обмена выделяется часть оперативной памяти.
Буфер обмена – специальная область памяти, которая предназначена для
временного хранения переносимого, копируемого или удаляемого объекта.
Основные приемы работы с буфером обмена поддерживаются большинством
программных продуктов. Его широко используют:
> При создании и редактировании простого документа, когда с помощью буфера
обмена осуществляются копирование, перемещение или удаление его
фрагментов;
> при создании и редактировании составного документа, когда необходимо
использовать объекты из разных приложений;
> при перемещении или копировании объектов файловой системы, (файлов и
папок);
> для сохранения в файле выделенного фрагмента документа.
Буфер обмена обслуживается операционной системой и характеризуется
следующими свойствами:
> в буфере обмена хранится объект, помещенный в него одним из известных
пользователю способов;
> в буфере обмена хранится объект до тех пор, пока не будет в него помещен
новый объект;
> буфер обмена доступен из любого приложения;
> содержимое буфера обмена можно просмотреть или сохранить в файле с
помощью приложения Просмотр буфера обмена;
> буфер обмена очищается при перезагрузке операционной системы либо
специальной командой;
> объект в буфере обмена хранится в формате, определяемом приложением-
источником, но при его вставке в составной документ, как правило,
предоставляется возможность преобразования в другой формат.
При обмене данными между приложениями через буфер обмена можно установить
связь между источником и приемником. Эта связь позволяет редактировать
объект непосредственно в составном документе средствами приложения-
приемника (связь между составным документом и приложением-источником) либо
обновлять объект, если он был записан в файл и впоследствии изменен
приложением-источником (связь между составным документом и файлом).
Обмен данными через буфер выполняется в следующей последовательности:
> выделяется объект, подлежащий копированию или перемещению;
> выделенный объект переносится в буфер обмена с помощью команды Копировать
или Вырезать (например, через контекстное меню);
> указатель мыши устанавливается в место вставки объекта;
> объект вставляется в указанное место командой Вставить или командой
Специальная вставка (через контекстное меню или меню Правка).
DDE (динамический обмен данными) является наиболее старой технологией
обмена данными между приложениями. Тем не менее, поддержка DDE была
сохранена в Windows 98 и, скорее всего эта технология будет использоваться
еще достаточно долго. Даже в Проводнике Windows (приложении, разработанном
специально для Windows 98) используется возможности DDE. Кроме того, каждое
приложение, поддерживающее OLE, в той или иной мере использует и DDE.
Однако при работе DDE существует ряд трудностей. В частности, с помощью DDE
можно создать только статическую связь приложений, которая по своим
возможностям не многим отличается от средств, предоставляемых Буфером
обмена Windows. Достоинством DDE является стандартизованный макроязык,
который позволяет открывать файлы и производить достаточно сложные операции
с документами.
DDE – это протокол обмена сообщениями, позволяющий инициировать выполнение
команды одного приложения из другого. Изначально технология DDE
использовалась для выполнения операций с документами без открытия
приложений и при работе с Буфером обмена Windows. Макроязык DDE включает в
себя как команды DDE, так и команды макроязыка приложения. Таким образом,
для использования макроязыка DDE недостаточно изучит внутренний язык
интересующего приложения, необходимо еще знание DDE и знание языка
серверного приложения. Макроязык DDE слишком сложен, - не только обычные
пользователи, но и многие программисты считают работу с ним трудной.
Поэтому, вопреки ожиданиям Microsoft, технология DDE не реализовала в
полной мере всех возложенных на нее надежд.
И все же технология DDE сохранилась и используется до сих пор. Причина тому
– возможность создания связи для проведения автоматизированной процедуры
обмена данными между приложениями. Классическая спецификация OLE
обеспечивает не все возможности по созданию связи между приложениями. Для
изменения этого положения было предложено и другое решение, сочетающее в
себе качества DDE и OLE. Новая технология получила название OLE
Automation.
OLE (Object Linking and Embedding) – внедрение и связывание объектов, метод
передачи и совместного использования информации различными приложениями,
который позволяет создавать составные документы.
6. Файловая система Windows 98.
1. Длинные имена файлов, виртуальная таблица файлов VFAT, 32-х
разрядный доступ к дискам.
Существуют некоторые особенности, которые отличают операционную систему
Windows 98 от ее предшественников. Как и в Windows 95, имеется поддержка
длинных имен файлов.
FAT32 представляет собой усовершенствованную версию старой широко
известной файловой системы FAT16. Кластер в этой файловой системе имеет
меньший размер на жестких дисках большого объема, таким образом,
увеличивается эффективность хранения информации, и также немного
увеличивается скорость доступа к информации. Файловая система FAT32
появилась в версии OSR2 операционной системы Windows 95. (Эта версия
Windows была доступна только поставщикам аппаратного обеспечения, ее нельзя
купить в магазине.)
Рассмотрим кратко архитектуру файловой подсистемы Windows 98 и наиболее
важного ее компонента — VFAT. Виртуальная таблица размещения файлов
(Virtual File Allocation Table — VFAT) может выглядеть и работать как
расширенная версия старой системы.
Теперь рассмотрим файловую систему VFAT, которая поддерживает Windows 98.
Главной причиной смены файловой системы была неудовлетворенность
пользователей именами файлов в формате 8.3. Пользователям необходимо
работать с длинными именами файлов, а файловая система FAT не могла их
обеспечить. Файловая система VFAT представляет собой попытку компании
Microsoft предоставить пользователям то, что им необходимо, и сохранить
совместимость с предыдущими версиями MS-DOS на определенном уровне (и, что
более важно, совместимость с приложениями MS-DOS). Следующие разделы
содержат немного истории и текущие сведения о том, как Windows обрабатывает
доступ к файлам.
Доступ к файловой системе в Windows 98.
Windows 98 полностью обходит проблему доступа к диску в реальном режиме,
потому что в этой операционной системе все функции включены в 32-разрядную
архитектуру. Компания Microsoft называет эту технологию интерфейсом VFAT.
Ее полное название звучит как файловая система FAT защищенного режима
(protected mode FAT system). Использование драйверов защищенного режима
означает, что у приложения меньше шансов
вызвать сбой системы, т. к. Windows 98 никогда не остается в реальном
режиме на время, достаточное для вызова сбоя — она всегда выполняется в
защищенном режиме. (Исключением из этого правила являются ситуации, когда
при помощи файла CONFIG.SYS загружается драйвер реального режима для
поддержки старомодного устройства, такого как CD-ROM. Windows 98
переключает процессор в виртуальный режим 8086, чтобы получить доступ к
этому устройству, которое использует драйвер реального режима.)
Использование защищенного режима означает, что операционная система
постоянно следит за всеми событиями, происходящими на компьютере. За ней
остается последнее слово прежде, чем произойдет определенное событие. Эта
новая система выполняется полностью в защищенной области памяти и уменьшает
возможность сбоя системы, связанного с доступом к диску, почти до нуля и
значительно повышает скорость доступа к диску.
Существует несколько отдельных компонентов, составляющих файловую систему
Windows 98. Компания Microsoft называет эти компоненты слоями (layers).
Потенциально в файловой системе Windows 98 существует 32 слоя. (Текущая
конфигурация не использует все 32 слоя.) Слой 0 наиболее близок к
подсистеме ввода/вывода, в то время как слой 31 наиболее близок к
аппаратному обеспечению. Текущая версия Windows 98 требует для своей работы
'только некоторое количество этих слоев (обычно 12). Остальные слои
зарезервированы. Каждый слой предоставляет место для поставщиков
программного обеспечения, используемого для поддержки специальных файловых
систем и устройств. Например, добавление нового сетевого драйвера к слою
файловой системы позволяет получать доступ к дискам, расположенным на
других компьютерах. В отличие от предыдущих версий Windows, поставщик может
изменить файловую систему Windows 98 таким образом, что она будет
поддерживать некоторые дополнительные возможности.
Список используемой литературы.
1. П. Нортон, Дж. Мюллер. Windows 98: энциклопедия системных ресурсов. –
Москва, 1998.
2. Н.В. Макарова. Информатика. – Москва «Финансы и статистика» 2001.
3. Б. Ливингстон, Д. Штрауб. Секреты Windows 95. 4-е издание. Киев-Москва
«Диалектика» 1997.
Реферат на тему: Получение уравнения переходного процесса по передаточной функции
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ 5.
ПОЛУЧЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА
ПО ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ.
ЦЕЛЬ. Научиться определять уравнение переходного процесса по
изображению регулируемого параметра по
Лапласу.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
Построение переходного процесса является завершающим этапом
исследования автоматической системы. По полученному графику переходного
процесса при единичном воздействии можно наглядно определить основные
показатели качества регулирования - время регулирования, перерегулирование,
установившуюся ошибку.
Пусть нам известны:
Wy(p) - передаточная функция системы по управлению;
Wf(p) - передаточная функция системы по возмущению;
U(p) - управляющий сигнал;
f(p) - возмущающий сигнал.
Тогда изображение по Лапласу регулируемого параметра будет:
x(p)=Wy(p)*U(p) + Wf(p)*f(p).
Вначале рассмотрим случай, когда на систему действует управляющий
сигнал U(p), а возмущающее воздействие f(p)=0:
x(p)=Wy(p)*U(p)=[pic].
Таким образом для получения изображения по Лапласу регулируемой
координаты необходимо передаточную функцию (ПФ) умножить на изображение по
Лапласу входного воздействия.
Согласно таблице 1 задания 4 для входного воздействия в виде
одиночного импульса U(t)=1’(t) изображение U(p)=1, для входного воздействия
в виде единичного скачка U(t)=1(t) изображение U(p)=.
Рассмотрим несколько примеров получения уравнения переходного процесса
по известной передаточной функции.
ПРИМЕР 1. Входное воздействие - единичный импульс U(t)=1’(t).
Передаточная функция:
W(p)=[pic].
Определить уравнение весовой функции.
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра x(p),
учитывая, что U(p)=1.
x(p)=W(p)*U(p)=[pic][pic].
2. Определяем корни характеристического уравнения.
p=[pic]
2. Преобразуем выражение x(p) согласно формуле №8 табл.1 (задания 4).
x(p)=[pic].
2. Определяем уравнение весовой функции по формуле №8.
x(t)=4*e-2t*sin(6t).
ПРИМЕР 2. Дана следующая ПФ:
x(p)=[pic]
Определить уравнение весовой функции.
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра.
x(p)= [pic]
1. Корни характеристического уравнения.
p1,2= -2(j3.
3. Преобразуем выражение x(p) согласно формулам №8 и №9.
x(p)=[pic]
3. Определяем уравнение весовой функции по формулам №8 и №9.
x(p)=3*e-2t*sin(3t) + e-2t*cos(3t).
ПРИМЕР 3. Определить уравнение переходной функции по сле-
дующей ПФ:
W(p)=[pic].
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра,
учитывая, что U(p)=.
x(p)=[pic]*.
2. Корни характеристического уравнения.
p1=0, p2= -0.2.
3. Преобразуем изображение x(p) согласно формуле №20.
x(p)=[pic].
4. Определяем уравнение весовой функции по формуле №20.
x(p)=30*(1- e-0.2t).
Таким образом для построения любого переходного процесса (весовой или
переходной функций) необходимо прежде всего определить корни изображенного
по Лапласу регулируемого параметра. Это сделать сложно, если знаменатель
является полиномом выше третьего порядка.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОРНЕЙ МЕТОДОМ ПРИБЛИЖЕНИЯ.
Рассмотрим этот метод на конкретном примере.
ПРИМЕР 4. Определить корни в следующем характеристическом уравнении:
L(p)=p4+7.04p3+6.842p2+3.7104p+0.5904=0
РЕШЕНИЕ.
В первом приближении один из корней можно определить по двум последним
членам этого уравнения.
3.7104p+0.5904=0 p1= -= -0.1591.
Если бы этот корень был бы вычислен точно, то данное уравнение
разделилось бы на (p+0.1591) без остатка. В действительности получаем:
_p4+7.04p3+6.842p2+3.7104p+0.5904 | p+0.1591_________.
p4+0.1591p3 p3+6.8809p2+5.748p
_6.8809p3+6.842p2
6.8809p3+1.094p2
_5.748p2+3.7104p
5.748p2+0.9145p
2.7959p+0.5904
По полученному остатку 2.7959p+0.5904 определяем корень во втором
приближении.
p2=[pic]
Снова делим уравнение на p+0.211 и получаем остаток 2.570p+0.5904.
Тогда корень в третьем приближении p3= -0.2297. Уравнение снова делим на
p+0.2297 и т.д. Наконец, корень в девятом приближении p9= -0.24, а частное
от деления
p3+6.8p2+5.21p+2.46=0.
По двум последним членам этого уравнения снова определяем корни в
первом приближении
5.21p+2.46=0 p1= -0.472.
После деления уравнения на p+0.472 остаток 2.223p+2.46 и корень во
втором приближении равен p2= -1.1066. Корень в третьем приближении
p3=+2.256. Процесс расходится. Корень не может быть положителен в
устойчивой САУ.
Тогда по трем (а не по двум) последним членам этого уравнения
определяем сразу два комплексных корня характеристического уравнения.
[pic]
Остаток в первом приближении 6.033p2+4.848p+8.46.
Остаток во втором приближении 5.996p2+4.802p+2.46.
Остаток в третьем приближении 6.00p2+4.80p+3.46, который незначительно
отличается от остатка во втором приближении и по нему определяем значение
комплексных корней.
p2,3= -0.4(j0.5.
Частное от деления на остаток в третьем приближении
0.210p+2.46=0, тогда p4= -6.0.
Примечание. Корни кубического уравнения p3+6.8p2+5.21p+2.46 можно
определить методом Карно. Для этого представим его в виде
p3+ap2+bp+c=0
и путем подстановки p=[pic] приводим к (неполному( виду.
y3+n*y+m=0,
где n=[pic]
m=[pic]
Корни y1,y2,y3 (неполного( кубического уравнения равны:
y1=A+B y2,3=[pic]
A=[pic] B=[pic] Q=[pic].
Определим численные значения корней (неполного( кубического уравнения.
Q=[pic]
A=[pic]
B=[pic]
y1=A+B=-1.579+(-2.155)=-3.734
[pic]
=1.867(j0.49968.
Определяем корни данного характеристического уравнения третьего
порядка.
p1=y1-[pic]= -3.734-[pic]= -6.0 p3,4=1.867(j0.4996-[pic]=
-0.4(j0.5.
Результаты вычисления корней уравнения третьей степени методом
приближения и методом Карно - совпали.
Проведем проверку правильности определения корней уравнения по теореме
Виета.
-b= -6.8=p1+p2+p3= -6.0-0.4+j0.5-0.4-j0.5= -6.8
-c= -2.46= -6.0*(0.42+0.52)= -2.46
РАЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО
ПАРАМЕТРАНА СУММУ ПРОСТЫХ ДРОБЕЙ.
Определение уравнения переходного процесса x(t) по изображению
регулируемого параметра в случае, когда знаменатель имеет (n( корней можно
выполнить путем разложения изображения на простые дроби, по которым затем
получить прямое преобразование Лапласа, согласно табл.1 задания 4.
x(p)=[pic]
где ci - коэффициент разложения;
pi - корень уравнения.
Коэффициент разложения ci в зависимости от вида корней уравнения
определяется следующим образом.
1 СЛУЧАЙ. Все корни действительные и разные.
ci=[pic]
где A((p)=[pic] p=pi.
Тогда уравнение переходного процесса
x(t)=([pic].
2 СЛУЧАЙ. Среди (n( действительных корней есть корень p=0.
ci=[pic]
Тогда уравнение переходного процесса
x(t)=[pic]+ ([pic].
3 СЛУЧАЙ. Среди (n( действительных корней есть (m( пар комплексно-
сопряженных.
Для каждой пары комплексно-сопряженных корней p1,2= -((j( определяется
два значения коэффициентов c:
с1=[pic] с2=[pic],
которые являются тоже комплексно-сопряженными выражениями c1,2=((j(.
В этом случае определяется модуль |c| и угол (.
|c|=[pic] (=arctg[pic]
По табл.1 (задание 4) каждой паре комплексно-сопряженных корней
соответствует переходный процесс
x(p)=2*|c|*e-(t*cos((t+().
В общем случае при наличии в характеристическом уравнении одного
нулевого корня, (k( - действительных корней и (m( - комплексно-сопряженных
переходный процесс описывается уравнением:
x(t)=[pic]
Примечание. 4-й случай, когда в уравнении есть кратные вещественные
корни в данном задании не рассматриваются.
Рассмотрим несколько примеров такого способа получения уравнений
переходного процесса.
ПРИМЕР 5. Единичный импульс подан на систему с передаточной функцией
W(p)=[pic]
Определить уравнение весовой функции.
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра, учитывая,
что U(t)=1’(t), тогда U(p)=1.
x(p)= [pic]
2. Определяем корни характеристического уравнения.
p1= -1 p2= -2 p3= -4.
3. Разложим полученное изображение x(p) на простые дроби.
x(p)= [pic]
4. Коэффициенты заложения ci будем определять согласно 1-му случаю (все
корни вещественные и разные).
c1(-1)=[pic]
c2(-2)=[pic]
c3(-4)=[pic]
Примечание. При нулевых начальных условиях алгебраическая сумма
полученных коэффициентов разложения должна быть равна нулю.
c1+c2+c3= -0.1666 + 1- 0.8334=0
5. Изображение регулируемого параметра.
x(p)=[pic]
6. Уравнение весовой функции согласно формуле 5 табл.1 (задание 4).
x(t)= -0.1666*e-t+1*e-2t -0.8334*e-4t.
ПРИМЕР 6. На систему с передаточной функцией примера 5 подано
единичное ступенчатое воздействие. Определить уравнение переходной функции.
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра.
x(p)=[pic]
2. Определяем корни характеристического уравнения.
p1=0 p2= -1 p3= -2 p4= -4
3. Разложим полученное выражение x(p) на простые дроби.
x(p)=[pic]
4. Коэффициенты разложения ci будем определять согласно 2-му случаю
(среди вещественных корней есть один нулевой корень).
c1(-1)=[pic]
c2(-2)=[pic]
c3(-4)=[pic]
c0(0)=[pic]
Проверка: c1+c2+c3+c0=0.1666 -0.5 -0.2084 +0.125=0.
5. Изображение регулируемого параметра.
x(p)=[pic]
6. Уравнение весовой функции согласно формулам №3 и №5 табл.1 (задание
4).
x(t)=0.125+0.1666*e-t-0.5*e-2t-0.2084*e-4t.
Примечание. Учитывая, что производная по уравнению переходной функции
дает уравнение весовой функции, сравним полученные решения
в примере №6 с решение в примере №5.
x’(t)=0+(-1)*0.1666*e-t-(-2)*0.5*e-2t+(-4)*0.2084*e-4t=
= -0.1666*e-t+e-2t-0.8336*e-4t.
ПРИМЕР 7. Определить уравнение переходной функции, если ПФ имеет вид:
W(p)=[pic]
РЕШЕНИЕ.[pic]
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра, учитывая,
что u(p)=[pic].
x(p)=[pic]
2. Определяем корни характеристического уравнения.
p1=0 p2,3=-3(j4 p4=-2
3. Разложим полученное изображение x(p) на простые дроби.
x(p)=[pic]
4. Коэффициенты разложения ci будем определять согласно 3-му случаю
(среди (n( действительных корней есть комплексно-сопряженные).
c0(p1=0)=[pic]
c1(p2=-3(j4)=[pic]
Для возведения в квадрат комплексного числа (-3+j4) представим его в
показательной форме.
[pic]
[pic]
Полученное комплексное число в показательной форме представим в
алгебраической форме.
25*ej*253(36’=
=25*cos253(36’+j*25*sin 253(36’=25*(-0.28401)+j*25*(-0.95882)=
=-7.100-j*23.970.
ПРИМЕЧАНИЕ. Возведение в квадрат можно произвести и без представления
его в показательной форме:
(a+jb)3=(a3-3ab2)+j(3a2b-b3).
(-3+j4)2=((-3)2-42)+2*(-3)*j4=-7-j24.
Продолжаем определять c1(p2).
c1(p2=-3+j4)=[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
=[pic]
Так как третий корень p3= -3-j4 комплексно-сопряженный со вторым
p2= -3+j4, то значение c2(p3) будет отличаться от c1(p2) только знаком
степени e.
c2(p3=-3+j4)=1.877*e-j*111(06’.
Определяем значение c3(p4=-2).
[pic]
5. Изображение по Лапласу регулируемого параметра в виде простых дробей
с учетом полученных значений c0,c1,c2,c3.
x(p)=[pic]
6. Уравнение переходной функции получаем путем проведения обратного
преобразования по Лапласу (см. табл.1 задание 4).
x(t)=10-11.33*e-2t+1.877*e+j111(*e(-3+4j)*t+1.877*e-j111(*e(-3-4j)*t=
=10-11.33*e-2t+1.877*(e+j*(111(+4t)+e-j*(111(+4t))*e-3t.
Выражение в скобках преобразуем согласно формуле Эйлера.
[pic] (e+j(+e-j()=2*cos(
x(t)=10-11.33*e-2t+1.877*e-3t*2*cos(4t+111()=
=10-11.33*e-2t+3.75*e-3t*cos(4t-1.204).
Примечание. cos(111()= -cos(180(-111()= -cos(-69()= -cos(-1.204), где
1.204 угол в радианах от (=69(.
Проверим правильность вычисления коэффициентов c.
При t=0 значение x(t=0)=0, т.к. начальные условия нулевые.
x(t)=10-11.33*1+3.75*1*cos(-1.2)=-1.33+3.75*0.3583=-1.33+1.343=0.
Условия выполняются в пределах точности вычисления.
6.Уравнение переходной функции.
x(t)=10-11.33*e-2t+3.75*e-3t*cos(4t-1.204).
ПРИМЕР 8. Определить уравнение весовой функции по ПФ примера №7:
W(p)=[pic]
РЕШЕНИЕ.
1. Определяем изображение по Лапласу регулируемого параметра, учитывая,
что U(p)=1.
x(p)= [pic]
2. Определяем корни характеристического уравнения.
p1= -2 p2,3= -3(j4.
4. Разложим полученное изображение x(p) на простые дроби.
x(p)=[pic]
5. Определяем коэффициенты разложения c.
c1(p1=-2)=[pic]
c2(p2=-3+j4)=[pic]
[pic]
[pic]
c3(p3)=-3-j4=7.45*e+j*137(54’.
5. Представим изображение по Лапласу регулируемого параметра в виде
простых дробей с учетом полученных значений c1,c2,c3.
x(p)=[pic]
6. Уравнение весовой функции получаем путем проведения обратного
преобразования по Лапласу.
x(t)=22.66*e-2t+7.45*e-j*137(54’*e(-3-j4)*t+7.45*ej*137(94’*e(3+j4)*t=
=22.66*e-2t+7.45+7.45*e-3t*(ej*(-137(54’+4t)+e-j*(-137(54’+4t))=
=22.66*e-2t+14.9*e-3t*cos(4t-2.4),
где 2.4 угол в радианах от (=-137(54’.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ.
Определить уравнение переходного процесса по заданной П.Ф.
W(p)=[pic]
Значения коэффициентов k и Тi показано в таблице 1.
Таблица 1 - Значение коэффициентов k и Т для задания 5.
|№ |Вид | | | | | |
|варианта |воздейств|k |T1 |T2 |T3 |T4 |
| |ия | | | | | |
|1 |1(t) |2 |0.25 |0.005 |0.07 |0.325 |
|2 |1(t) |4 |0.3 |0.00625 |0.03 |0.325 |
|3 |1(t) |5 |0.16 |0.0 |0.05 |0.4 |
|4 |1(t) |3 |0.12 |0.0077 |0.107 |0.4 |
|5 |1(t) |10 |0.24 |0.015 |0.21 |0.8 |
|6 |1’(t) |6 |0.15 |0.03 |0.4 |1.2 |
|7 |1’(t) |8 |0.2 |0.002 |0.04 |0.18 |
|8 |1’(t) |4 |0.08 |0.012 |0.16 |0.62 |
|9 |1’(t) |4 |0.72 |0.018 |0.18 |2.2 |
|10 |1’(t) |2 |0.32 |0.01 |0.06 |0.92 |
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
1. Записать передаточную функцию, вид управляющего воздействия согласно
варианту задания.
2. Определяется регулируемый параметр в изображении по Лапласу.
3. Определить корни.
4. Разложить изображение по Лапласу регулируемой величины на простейшие
дроби.
5. Определить коэффициенты разложения C.
6. Преобразовать простейшие дроби с комплексными корнями к виду,
удобному для проведения обратного преобразования по Лапласу по
первому и второму варианту.
7. Получить уравнение переходного процесса при нулевых начальных
условиях.
4. СОДЕРЖЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ВЫПОЛНЕНОЙ РАБОТЕ.
В отчете должно быть показано:
1. Заданная ПФ.
2. Вид воздействия.
3. Начальные условия.
4. Изображение по Лапласу регулируемого параметра.
5. Определение корней.
6. Представление регулируемого параметра через простые дроби.
7. Вычисление коэффициентов разложения.
8. Уравнение переходного процесса.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как выглядит изображение по Лапласу регулируемого параметра при
импульсном воздействии, если u(t)=4.
2. Как выглядит изображение по Лапласу регулируемого параметра при
скачкообразном воздействии, если u(t)=4(t).
3. Как определяется изображение по Лапласу регулируемого параметра,
если u’(t)=4t.
4. Какой вид имеет переходный процесс при скачкообразном воздействии,
если корни вещественные отрицательные.
5. Какой вид имеет переходный процесс, если корни чисто мнимые.
6. Какой вид имеет переходный процесс, если корни комплексные.
7. Какой вид имеет переходный процесс, если корни вещественные
положительные.
8. Как в первом приближении можно определить корни характеристического
уравнения.
9. Как во втором приближении можно определить корни характеристического
уравнения.
10. Что делать, если при определении корней процесс расходится.
11. Как определяются коэффициенты разложения, если корни вещественные и
разные.
12. Как определяются коэффициенты разложения, если есть один корень
равный нулю.
13. Как определяются коэффициенты разложения, если корни комплексные.
14. Как проверить правильность получения коэффициентов разложения.
15. Как получить уравнение переходного процесса при одновременном
воздействии управляющего и возмущающего сигналов.
| |
