1. Общие сведения о дискретных системах

1.1 Характеристика дискретных систем

К дискретным системам относят:

• релейные,

• импульсные.

• цифровые.

Релейные системы – существенно нелинейные, рассмотрим в разделе нелинейные системы. Дискретные САУ делятся на импульсные и цифровые.

В последние годы в связи с интенсивным развитием вычисли­тельной техники в промышленной автоматике все большее приме­нение получают дискретные системы управления. Основным эле­ментом дискретной системы является управляющая вычислитель­ная машина (УВМ), которая может использоваться либо в супервизорном режиме, либо в режиме прямого цифрового управления (ПЦУ). В супервизорном режиме УВМ вырабатывает задания ло­кальным контурам регулирования, реализованным с помощью традиционных технических средств автоматики. При режиме ПЦУ контуры регулирования образуются самой УВМ.

Рассмотрим функциональную структуру системы ПЦУ (рис. 1.1), в которой объектом управления является некоторый технологический процесс (ТП), характеризуемый управляемыми переменными . Эти выходные переменные объекта зависят от управляющих воздействий (расходов сырья, катализатора, энергии, рабочей среды) и возмущений (ка­чественные признаки сырья). Электрические сигналы Ui, пропор­циональные указанным выходным и входным переменным объекта, поступают в УВМ. УВМ в соответствии с заданной целью управ­ления и требованиями к качеству продукции и режиму ТП вы­рабатывает управляющие сигналы, которые с помощью исполни­тельных механизмов ИМ и регулирующих органов РО преобра­зуются в управляющие воздействия — расходы .

В рассматриваемой системе УВМ работает в так называемом режиме разделения времени — поочередно подключается к отдель­ным контурам регулирования (рис. 1.2). Для этого используются специальные коммутирующие устройства — мультиплексор МП и демультиплексор ДМП, которые одновременно подключают циф­ровое вычислительное устройство ЦВУ к датчику Д и исполнитель­ному устройству ИУ i-го контура. Периодичность подключения контуров к ЦВУ задается специальным устройством — таймером. Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и нао­борот осуществляется аналого-цифровым преобразователем АЦП и цифроаналоговым преобразователем ЦАП.

Рис. 1.1 Функциональная структура автоматической системы прямого цифрового управления.

Таким образом, в системе с УВМ наряду с непрерывными сигналами . действуют и дискретные сигналы и , представ­ляющие собой последовательности электрических импульсов, а сама система управления поэтому относится к классу дискретных.

Рис. 1.2 Функциональная структура отдельного контура системы с УВМ

1.2 Квантование сигналов

Передача сигналов осуществляется при помощи модуляции, то есть изменение какого-либо параметра переносчика сообщений по закону передаваемого сигнала.

Устройство модулятор имеет два входа: на один подаётся - сигнал, подлежащий модуляции, – несущий или опорный сигнал, играющий роль переносчика информации, содержащейся в сигнале , рис. 1.3 а.

Выходной сигнал .

В зависимости от характера несущего сигнала различают непрерывную и дискретную модуляцию.

Модуляция называется непрерывной, если сигнал – непрерывен по времени. Модуляция называется дискретной, если – дискретная функция времени по аргументу .

В непрерывных системах в качестве подается постоянный или гармонически изменяющийся сигнал, что соответствует системам постоянного и переменного тока.

В системах переменного тока:

.

а) б) в)

Рис. 1.3

Любой из параметров A, , – для передачи информации о входном сигнале модулятора , рис. 1.3 б.

Если – амплитудная модуляция,

– частотная модуляция,

– фазовая модуляция.

Наибольшее распространение получила амплитудная модуляция системы на несущей частоте.

– гармонические колебания с частотой , амплитуда которых пропорциональна входному сигналу , рис. 1.3 в.

Системы с дискретной модуляцией называются дискретными системами. Они содержат хотя бы один дискретный элемент ДЭ – дискретный модулятор, выходная величина которого изменяется дискретно при непрерывном изменении входной величины.

В зависимости от характера квантования все ДЭ могут быть разбиты на релейные, импульсные, релейно-импульсные (или цифровые).

Соответственно различают амплитудно-импульсную модуляцию , широтно-импульсную , частотно-импульсную .

Различают три вида квантования сигналов: по уровню; по времени; по уровню и вре­мени (совместно).

Квантование по уровню заключается в фиксации вполне опреде­ленных дискретных значений непрерывного сигнала, рис. 1.4 а. При этом непрерывный сигнал (тонкая линия) заменяется ступен­чато изменяющимся сигналом (жирная линия). Смежные дискретные значения отличаются друг от друга на постоянную величину , называемую интервалом квантования по уровню. Переход с одного уровня на другой происходит в моменты времени, когда непрерыв­ный сигнал достигает очередного фиксированного значения.

Квантование по времени заключается в фиксации мгновенных значений непрерывного сигнала в равноотстоящие друг от друга дискретные моменты времени (рис. 1.4, б). При этом квантованный по времени сигнал представляет собой так называемую решетчатую функцию — последовательность идеальных импульсов. Смежные моменты времени отличаются друг от друга на постоянную величину , называемую интервалом дискретности (интервалом квантования по времени, периодом повторения).

Рис. 1.4 Виды квантования и модуляции непрерывного сигнала

При совместном квантовании по уровню и по времени фикси­руются дискретные по уровню значения, ближайшие к значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты времени причем приоритетным является квантование по времени, рис. 1.4 в.

В зависимости от применяемого вида квантования все дискрет­ные системы разделяют на три класса: релейные, импульсные и циф­ровые. В релейных системах квантование осуществляется только по уровню, в импульсных — по времени, а в цифровых — и по уровню и по времени.

Квантование по уровню производится специальными элемен­тами — квантователями. Простейшими квантователями являются двух- и трехпозиционные реле. Они квантуют непрерывный сигнал соответственно по двум и трем уровням. Такие элементы называют релейными.

При достаточно большом числе уровней и малом интервале квантования, обеспечиваемых в УВМ, релейную систему можно приближенно рассматривать как непрерывную.

Квантование по времени осуществляется с помощью импульс­ного элемента. Импульсный элемент преобразует непрерывный вход­ной сигнал в последовательность импульсов, амплитуда, длитель­ность или период повторения которых зависят от значений вход­ного сигнала в дискретные моменты времени. При этом преобра­зующее действие квантователя можно рассматривать как процесс модуляции последовательности одинаковых импульсов по закону изменения входного непрерывного сигнала, а сам квантователь по времени — как импульсный модулятор.

В зависимости от того, какой из параметров модулируемой последовательности импульсов изменяется по закону изменения модулирующего сигнала , различают модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ) и частотно-им­пульсную (ЧИМ). При АИМ значениям модулирующего сигнала пропорциональны амплитуды (высоты) импульсов (рис. 1.4 г):

при ШИМ — длительности импульсов (рис. 1.4, д):

и при ЧИМ — частота импульсов (рис. 1.4, е):

;

где — частота дискретизации или частота повторения. Совместное квантование сигналов по уровню и по времени в циф­ровых системах осуществляется при помощи АЦП. В АЦП кроме квантования по уровню и по времени происходит кодирование дискретных значений сигнала — представление их в виде последова­тельности чисел и запись в каком-либо цифровом коде.

Отметим, что при сравнительно большом шаге квантования по уровню цифровая система существенно нелинейна, а при доста­точно малом шаге дискретностью по уровню можно пренебречь и рассматривать систему как линейную амплитудно-импульсную.

Дискретные системы управления с УВМ находят широкое при­менение в современной автоматике благодаря наличию следующих преимуществ перед непрерывными системами.

Дискретное управляющее устройство можно использовать для одновременного управления несколькими однотипными объектами. Для этого оно поочередно с периодом повторения Т подключается к каждому объекту. Импульсные и цифровые элементы, входящие в дискретные системы управления, обеспечивают более высокую точность передачи и преобразования сигналов. Системы управле­ния, скомплектованные из дискретных элементов, имеют, как пра­вило, меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. Они надеж­нее и лучше защищены от помех. Дискретные элементы более удобны для агрегатно-блочного построения систем. Наконец, цифровые вычислительные устройства могут реализовать более сложные и сле­довательно, более гибкие законы управления.

а) б)

Рис 1.5

Рассмотрим амплитудно-импульсную модуляцию, рис. 1.5 а.

Примером может служить периодически замыкаемый и размыкаемый контакт электрической цепи, допустим, контакт электромагнитного реле, обмотка которого питается периодически изменяющимся напряжением , рис. 1.5. В период замыкания контакта выходная величина изменяется по закону входной , рис. 1.6.

Рис 1.6

Релейно-импульсный элемент РИЭ – устройство, осуществляющее квантование входного сигнала по уровню и по времени, и представляющее собой последовательное соединение ИЭ и РЭ.

Рис 1.7

Осуществляется импульсно-кодовая модуляция сигналов и выходной сигнал представляется в виде кода.

Кодирование позволяет повысить точность и помехозащищенность передачи информации. Устройство, преобразующее непрерывный сигнал в цифровой код (чаще всего в двоичный код) – аналого-цифровой преобразователь АЦП.

Общее для импульсных и цифровых систем – наличие квантования по времени. Они отличаются от непрерывных наличием ИЭ.

Любая дискретная система представляется в виде совокупности ИЭ и НЧ, рис. 1.8

НЧ – все элементы и устройства непрерывного действия.

Рис 1.8

ЭВМ выполняет функции задающего, сравнивающего и корректирующего устройств.

В общем случае ЦЭВМ, рис. 1.9.

Рис 1.9

Импульсный элемент ИЭ символизирует дискретный характер входных сигналов ЭВМ, ДФ – устройство, имитирующее процесс выработки управляющих сигналов (процесс изменения закона модуляции импульсов, поступающих на его вход), РЭ – учитывает эффект квантования сигналов по уровню, Э – характеризует процесс преобразования дискретных значений управляющего сигнала в непрерывный сигнал.

Часто квантованием по уровню пренебрегают, и цифровые системы относят к импульсным. Характерная особенность импульсных систем, эквивалентных цифровым, – наличие ДФ и Э.