1.2. Виды и форма измерительных сигналов в системах управления и автоматизации
Материальным носителем информации при автоматизации управления технологическими объектами является сигнал. Сигналы текущей информации о состоянии ТОУ вырабатываются датчиками и далее обрабатываются каналами обратной связи.
В преобразовании сигналов прямой и обратной связи можно выделить два аспекта:
преобразование природы, формы и параметров сигнала (усиление, формирование, модуляция, квантование и пр.);
установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемого и контролируемого параметров (кодирование: состояние – сигнал; перекодирование: сигнал – сигнал; декодирование: сигнал – состояние).
Для управления ТОУ наиболее часто используются электрические сигналы, реже – механические, пневматические, гидравлические. Классификация представления сигналов в системах управления (СУ) ТОУ приведена на рис.1.2.
Рис.1.2. Классификация представления сигналов в СУ ТОУ
В соответствии с классификацией сигналы делятся на две группы:
аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне находиться в бесконечно большом количестве состояний;
дискретные, способные в определенном интервале находиться в конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной сигнал логического элемента или узла цифровой схемы и т.д.).
Аналоговые сигналы могут быть потенциальными с линейным и нелинейным преобразованиями первичного состояния параметра и гармоническими, отрабатывающими изменение первичного состояния параметра соответствующим изменением амплитуды, частоты или фазы сигнала. Получение первых осуществляется более простыми устройствами, вторые являются более гибкими, устойчивыми к помехам, позволяют осуществлять гальваническую развязку цепей.
Дискретные сигналы бывают квантованными по уровню и времени. Они являются лишь определенным приближением к аналогу параметра, измеряемого датчиками или полученного в преобразованном виде.
Для источников аналоговых сигналов характерна большая, чем у дискретных, чувствительность к помехам и инструментальным погрешностям преобразователей (дрейф нуля, температурные колебания коэффициентов усиления и т.п.). Источники дискретных сигналов лишены этих недостатков, т.к. образующие их элементы работают не в усилительном, а в релейном режиме.
Квантование
сигналов по
уровню
(рис.1.3, а) сводится к замене текущих
значений непрерывного сигнала конечным
числом его уровней. В результате
непрерывный сигнал y(t)
заменяется ступенчатой функцией
.
Разность уровней y(t)
называется разрешающей способностью
сигнала или шагом квантования по уровню.
Квантование непрерывного сигнала y(t) по времени сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени Т = t. Последний называется шагом квантования или периодом квантования по времени и может быть постоянным или переменным. Дискретные сигналы могут быть представлены в виде импульсов, модулированных по амплитуде А, частоте f = 1/Т и скважности =/T, как показано на рис.1.3, б, в, г.
При амплитудной модуляции в моменты времени tк значение амплитуды импульса Ак равно значению непрерывного сигнала в данный момент времени. При модулировании по частоте – частота импульсов пропорциональна аналоговому сигналу; при модуляции по скважности – скважность пропорциональна измеряемому сигналу.
Следовательно,
при модуляции по частоте и скважности
амплитуды дискретного сигнала Аf
и
остаются неизменными (рис.1.3, в, г), а
изменяются пропорционально исходному
аналоговому сигналу соответственно
период квантованного сигнала Тi
(на рис.1.3, в
Тi
уменьшается,
т.е. увеличивается
)
и длительность импульсов
(на рис.1.3, г
возрастает,
т.е. возрастает
).
а) б )
в) г)
Рис.1.3. Квантование сигналов:
а – по уровню, б, в,г - по времени, где б – модулирование по амплитуде;
в – по частоте; г – по скважности