84. Поясните построение и работу систем с упреждением по возмущающему воздействию. Обоснуйте основные преимущества и недостатки такого управления.

Регулятор или управляющее устройство — в теории управления устройство, которое следит за состоянием объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.

Простейшие регуляторы реализуют коррекцию управлений по рассогласованию между заданным и реальным значениями управляемого параметрами. Такое рассогласование может быть обусловлено с одной стороны – изменением задающего воздействия, с другой стороны – внешними возмущениями. В первом случае имеет место "известное" возмущение. Можно построить регулятор, который будет использовать соответствующую информацию для упреждающего управления (feedforward control).

В структуре такого регулятора два контура (рис. 1.5)

Рис. 1.7. Структура регулятора с упреждением.

Контур упреждающего управления контролирует изменение задающего сигнала и формирует корректирующую поправку к выходному сигналу управления для того, что бы система более оперативно, с минимальной погрешностью реагировала на входной сигнал.

Если возмущения, действующие на управляемую систему, имеют предсказуемое поведение и их можно измерить, то можно провести упреждающее управление до того, как выходной параметр изменится значительно. В этом случае регулятор обеспечивает упреждающее управление по возмущению (feedforward from process disturbances), которое в определенных случаях позволяет существенно улучшить качество управления. Эти способы упреждающего управления базируются на предположении относительно будущего поведения системы. Для этого упреждающие регуляторы должны включать в себя модель динамики управляемой технической системы.

Основные принципы разработки структур управления.

Качество упреждающего управления в значительной степени зависит от качества измерения возмущений и точности модели процесса. Любой реальный регулятор должен сочетать в себе упреждающее управление по опорному значению и возмущению с контуром обратной связи. Упреждающее воздействие обеспечивает быструю коррекцию ошибок выходного параметра процесса, обусловленных изменением опорного значения или возмущениями, а обратная связь ‑ более медленную реакцию на изменение выхода процесса.

Главное преимущество обратной связи в том, что она компенсирует неточности модели процесса, погрешности измерений и ошибки выходной величины, связанные с неучтенными возмущениями. Ниже перечислены основные положения, которые необходимо учитывать при создании систем с обратной связью и упреждающим управлением.

Ограничения управления с обратной связью, которые могут быть компенсированы упреждающим управлением:

• Механизм обратной связи не вносит коррективы до тех пор, пока не будет обнаружено отклонение в величине выходного параметра. Поэтому "идеальное" управление, при котором управляемая величина точно повторяет измерения опорного значения или некоторое время не влияет на изменение характеристик процесса, практически невозможно.

• Даже если возмущения известны, обратная связь не может их компенсировать предсказуемым образом.

• В системах с большими постоянными времени или с большими задержками обратная связь работает неудовлетворительно. При наличии больших и частых возмущений процесс может быть прекращен из-за того, что он постоянно носит переменный характер и никогда не достигает предусмотренного установившегося состояния.

• Если точное значение выходной переменной нельзя измерить, управление с обратной связью невозможно.

Причины, затрудняющие упреждающее управление:

• Для многих приложений невозможно постоянно в оперативном режиме измерять возмущения.

• Необходимо иметь адекватную модель физического процесса ‑ качество упреждающего управления зависит от точности модели процесса.

• Во многих случаях упреждающий регулятор должен выполнять точное дифференцирование, которое практически сложно реализовать.

• Структура регулятора должна включать в себя как упреждающее управление по задающему (опорному) значению и возмущениям процесса, так и обратную связь по выходной величине процесса.

Наибольшее практическое распространение получили ПИД – регуляторы (Proportional-Integral-Derivative). На его выходе формируется сигнал, определяемый тремя составляющими. Первая – пропорциональна ошибке выходной величины, вторая – обеспечивает интегральную зависимость от входного сигнала, третья – корректирует выходной сигнал в зависимости от скорости изменения задающего воздействия.

85. Перечислите основные этапы проектирования микропроцессорных систем управления и раскройте задачи, решаемые на каждом этапе.

86. Приведите пример генетического алгоритма и назовите генетические операции.

Генетические алгоритмы (ГА) – это адаптивные методы поиска, построенные с использованием принципов теории биологической эволюции Ч. Дарвина. По аналогии с эволюционным механизмом, ГА работают с популяцией, в которой каждая из входящих в нее хромосом представляет собой возможное решение данной задачи. Каждая хромосома оценивается мерой ее приспособленности, которую называют также функцией пригодности

Важным понятием в ГА считается функция приспособленности, иначе называемая функцией оценки. Она представляет меру приспособленности данной особи к популяции. В задачах оптимизации эта функция, как правило, оптимизируется и называется целевой функцией

Рис. 45 Блок-схема генетического алгоритма.

87. Приведите примеры применения МС в медицине. Какие признаки позволяют отнести конкретное устройство к мехатронным?

медицинское оборудование (реабилитационное, клиническое, сервисное)

88. Какими параметрами численно характеризуются динамические свойства датчиков? Как граничная частота преобразования должна соотноситься с частотой собственных колебаний датчика, чтобы динамическая погрешность датчика во всем диапазоне частот измеряемого сигнала была минимальной? Поясните это в графическом виде.

Средства измерения могут использоваться в статическом или динамическом режимах работы. В статическом режиме измеряемая величина остается неизменной в процессе измерений или изменяется очень медленно, а в динамическом режиме - изменяется в процессе ее измерения. В соответствии с этим различают статическую и динамическую погрешности. Причиной появления динамической погрешности является инерционность средства измерения. Динамическая погрешность проявляется в запаздывании выходного сигнала датчика по сравнению с измеряемой величиной на его входе (например, при помещении электронного термометра в зону измерения температуры его показания устанавливаются не сразу, а через несколько минут). Важными параметрами, характеризующими динамические свойства средства измерения, являются время преобразования и граничная частота преобразования. Время преобразования – это промежуток времени, по истечении которого (при единичном скачкообразном изменении измеряемой величины) динамическая погрешность становится допустимой. Граничной частотой преобразования называется такая частота изменения входной величины, при которой динамическая погрешность становится допустимой. Большинство датчиков могут быть описаны дифуравнениями 2-го порядка. Если измеряемая величина изменяется с частотой, не превышающей собственную частоту колебаний датчика f₀ (см. рисунок 3.2А), можно считать, что динамическая погрешность датчика отсутствует. Динамическую погрешность датчика можно уменьшить либо увеличив собственную частоту его колебаний (например, взяв более короткую или более толстую балку, на которую наклеены тензорезисторы), либо включив последовательно с датчиком корректирующее звено, частично компенсирующее падение ЛАЧХ датчика.

89. Укажите основные факторы, которые необходимо учитывать при распределении функций между программным и аппаратным обеспечением микропроцессорной системы управления.

90. Выберите тиристоры для реверсивной схемы тиристорного преобразователя, собранного по трехфазной мостовой схеме, с параметрами электродвигателя:

Uн= 200 В; Iн = 100 А; R=1 Ом; кратность пускового тока равна 2.

91. Приведите примеры использования МС в робототехнике, а также пример интеллектуального робота. По каким признакам можно отнести конкретный робот к МС?

92. Какими возможностями обладают нейронные сети в области обработки информации?

93. Емкостный датчик давления с номинальным значением емкости ненагруженного датчика 100 пФ, питающийся частотой 1 МГц, подключен на вход усилителя напряжения с Rвх=1 Мом. Соблюдается ли в этом случае условие согласования датчика и усилителя напряжения? Сколько процентов выходного сигнала Uвых датчика при этом теряется?

94. Рассмотрите особенности применения кодов NRZ, RZ, Манчестерского и Бифазного для организации цифрового канала связи в системе управления распределенного типа.

95. Что такое адаптивные захватные устройства? Приведите примеры. Какие датчики (по измеряемым величинам и принципам действия) могут располагаться на пальцах схвата? конспект

96. Какие особенности технология изготовления тонкопленочных ИМС Вы знаете? Ми

97. Что такое время преобразования датчика? Как определяется время преобразования при колебательном переходном процессе в датчике? Поясните это на графике. Ма

98. Приведите примеры реализации перспективных направлений развития мехатроники из областей бытового, медицинского, военного применения МС. Ма Че

99. Назовите основные стадии в технологии разработки экспертных систем

Экспертная система — система, объединяющая возможности компьютера со знаниями и опытом эксперта в такой форме, что система способна предложить разумный совет или осуществить разумное решение. Дополнительно желаемой характеристикой такой системы является способность пояснять ход своих рассуждений в понятной для человека форме.

При разработке ЭС, как правило, используется концепция "быстрого прототипа". Смысл ее состоит в том, что разработчики не пытаются сразу построить конечный продукт. На начальном этапе они создают прототип (прототипы) ЭС. Прототип – это усеченная версия ЭС, спроектированная для проверки правильности кодирования фактов, связей, стратегий рассуждения. Прототипы должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, они должны решать типичные задачи конкретного приложения, а с другой - время и трудоемкость их разработки должны быть весьма незначительны, чтобы можно было максимально запараллелить процесс накопления и отладки знаний (осуществляемый экспертом) с процессом выбора (разработки) программных средств (осуществляемым инженером по знаниям и программистом). Для удовлетворения указанным требованиям, как правило, при создании прототипа используются разнообразные средства, ускоряющие процесс проектирования.

Прототип должен продемонстрировать пригодность методов инженерии знаний для данного приложения. В случае успеха эксперт с помощью инженера по знаниям расширяет знания прототипа о проблемной области. При неудаче может потребоваться разработка нового прототипа или разработчики могут прийти к выводу о непригодности методов ЭС для данного приложения. По мере увеличения знаний прототип может достигнуть такого состояния, когда он успешно решает все задачи данного приложения. Преобразование прототипа ЭС в конечный продукт обычно приводит к перепрограммированию ЭС на языках низкого уровня, обеспечивающих как увеличение быстродействия ЭС, так и уменьшение требуемой памяти. Трудоемкость и время создания ЭС в значительной степени зависят от типа используемого инструментария.

В ходе работ по созданию ЭС сложилась технология их разработки, включающая шесть следующих этапов (рис.30):

идентификацию, концептуализацию, формализацию, выполнение, тестирование, опытную эксплуатацию. На этапе идентификации определяются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, определяются эксперты и типы пользователей.

 На этапе концептуализации проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач.

На этапе формализации выбираются ИС и определяются способы представления всех видов знаний, формализуются основные понятия, определяются способы интерпретации знаний, моделируется работа системы, оценивается адекватность целям системы зафиксированных понятий, методов решений, средств представления и манипулирования знаниями.

На этапе выполнения осуществляется наполнение экспертом базы знаний. В связи с тем, что основой ЭС являются знания, данный этап является наиболее важным и наиболее трудоемким этапом разработки ЭС. Процесс приобретения знаний разделяют на извлечение знаний из эксперта, организацию знаний, обеспечивающую эффективную работу системы, и представление знаний в виде, понятном ЭС. Процесс приобретения знаний осуществляется инженером по знаниям на основе анализа деятельности эксперта по решению реальных задач.

Таким образом, процесс разработки промышленной ЭС можно разделить на следующие этапы: выбор проблемы; разработка прототипа; доработка до промышленной ЭС; оценка ЭС для проверки точности и надежности; стыковка ЭС с другими программными средствами; обучение пользователей.

100. Поясните методику обнаружения ошибок при передаче данных, используя линейную и матричную проверку на четность, а также избыточное кодирование. См

101. Обоснуйте применение дифференциального датчика давления масла в гидросистеме мобильного робота. Каковы преимущества дифференциальной конструкции датчика? Поясните, за счет чего эти преимущества достигаются. Ма

Дифференциальный датчик состоит из двух близких по характеристикам одиночных датчиков, расположенных таким образом, что увеличение измеряемой величины вызывает увеличение выходного сигнала одного датчика и уменьшение выходного сигнала другого (см. рисунок 3.12).

Дифференциальная конструкция обладает следующими преимуществами:

1. удвоение выходного напряжения;

2. компенсация дополнительных погрешностей (например, температурной);

3. расширение линейного участка характеристики преобразования;

4. компенсация ненулевого начального сигнала на выходе датчика.

102. Поясните назначение, основные характеристики, организацию и типичные области применения микроконтроллера PIC16F628 в СУ МС. Лу

PIC16F628A - высокопроизводительные 8-разрядные КМОП микроконтроллеры с Flash памятью. PIC16F628A имеет внутренний генератор 4 МГц, 128 байт памяти EEPROM данных, захвата / сравнения / ШИМ, USART, компараторы и программируемый источник опорного напряжения, что делает его идеальным для аналогового / интегрированных приложений уровня в автомобильной, промышленной, бытовой техники и потребительских приложений.

Таблица 1 – Основные характеристики микроконтроллера PIC16F628A

Память программ, байт	ОЗУ данных	Част., МГц	Порты вв./выв.	Послед. интерфейс	АЦП/ЦАП	ШИМ	Перезап. по сбою питания	Компа- ратор	Таймеры	Програм. на плате
2048	224	20	16	USART	0/0	1	Есть	2	3 + WDT	Есть

Особенности микроконтроллеров:

• Внешний и внутренний режимы тактового генератора

• Прецизионный внутренний генератор 4МГц, нестабильность +/- 1%

• Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц

• Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора

• Режим энергосбережения SLEEP

• Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB

• Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

• Режим низковольтного программирования

• Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

• Защита кода программы

• Сброс по снижению напряжения питания BOR

• Сброс по включению питания POR

• Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

• Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В

• Промышленный и расширенный температурный диапазон

• Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

• 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

• 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных

• Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет