Часть 1. Теория дискретных систем автоматического управления

1.1. Общая характеристика дискретных систем

1.1.1. Понятие и классификация дискретных асу

Сигналы, действующие в АСУ, могут быть непрерывными и дискретными. В соответствии с этим АСУ делятся на непрерывные и дискретные.

В непрерывных системах сигналы в процессе их преобразования звеньями системы не прерываются.

В дискретных системах имеются звенья, преобразующие непрерывные сигналы в ряд квантованных (дискретных) сигналов или последовательность импульсов. Таким образом, дискретный сигнал, определяемый последовательностью значений а₀, а₁, а₂, …, а_n, …, вообще говоря бесконечный (рис.1.1).

Рис.1.1. Дискретизация непрерывного сигнала

Эти значения образуют решетчатую функцию . Её можно представить как результат измерения некоторой непрерывной функции в равноотстоящие моменты времени .

Выделение дискретных значений называют также квантованием (дискретизацией) сигнала по времени. Вообще процесс преобразования непрерывных сигналов в дискретные называют квантованием [2-4]. Существенно, что между моментами квантования сигнал не определен. Величину T (см. рис. 1.1) называют периодом или шагом квантования. Различают 3 способа квантования:

• квантование по времени;

• квантование по уровню;

• квантование по уровню и времени (смешанное квантование).

В зависимости от способа квантования различают релейные, импульсные и цифровые АСУ, что иллюстрируется на рис.1.2.

Квантование по уровню	Квантование по времени	Квантование по уровню и времени
а) Релейные АСУ	б) Импульсные АСУ	в) Цифровые АСУ

Рис.1.2. Способы квантования непрерывного сигнала

Сигналы, дискретные по уровню, получаются в результате квантования сигнала или фиксации дискретных уровней в произвольные моменты времени. Системы, включающие такие элементы, называют релейными. Благодаря простоте реализации и приемлемому качеству работы релейные системы получили широкое распространение в бытовой технике, например, системы регулирования температуры в холодильных и электронагревательных приборах.

При квантовании сигнала по времени величины непрерывных сигналов фиксируются в дискретные моменты времени . Такое квантование осуществляет импульсный элемент, а системы, его содержащие, называют импульсными. Примерами импульсных систем могут служить системы радио- и оптической локации, системы с частотными датчиками.

При одновременном квантовании по уровню и времени непрерывный сигнал в дискретные моменты времени заменяется дискретными по уровню значениями, ближайшими к значению непрерывного сигнала. При этом непрерывная величина преобразуется в цифровую, и система называется цифровой. К цифровым системам относятся системы автоматического управления, в замкнутый контур которых включается цифровое вычислительное устройство, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управления. Включение цифрового вычислительного устройства в контур системы управления сопряжено с преобразованием непрерывных величин в дискретные на входе и с обратным преобразованием на выходе.

Развитие дискретных систем обусловлено постоянно повышающимися конструктивными, эксплуатационными и метрологическими требованиями к управлению [5]. Например, в современных электромеханических системах требуется обеспечивать перемещение со скоростью достигающей 0,5 м/с, поддерживать эту скорость с погрешностью около 1%. Погрешность позиционирования при этом не должна превышать 1-2 мкм. Аналоговая система управления не может обеспечить таких показателей из-за инерционности и дрейфа нуля операционных усилителей, на которых, как правило, реализуются устройства управления. Кроме того, при изменении режима работы системы необходимо перестраивать параметры регулятора, а возможно и менять саму структуру системы управления. Эта операция требует значительных затрат времени, а, следовательно, ведет к снижению производительности оборудования.

В дискретных системах отсутствует дрейф нуля, они обладают более высокой помехозащищенностью и устойчивостью к возмущениям, имеют меньшие габариты и вес. Закон управления в них реализуется программно, что позволяет быстро перестраивать параметры регуляторов, а при необходимости и структуру. Применение микропроцессоров в дискретных системах также позволяет расширить функции управления, например, организовать тестовый контроль за работой элементов системы, своевременно обнаружить тенденцию к нарушению работоспособности элементов системы, указать место “отказа” системы, учесть физические ограничения элементов.

Далее рассматриваются только импульсные системы.