Основы цифрового управления. Основные понятия и описание цифровых систем управления. Часть 1. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 1093

Кафедра компьютерных информационных и управляющих систем автоматики

Г.Г. Шапкарина

Основы цифрового управления

Основные понятия и описание цифровых систем управления

Учебное пособие

Часть 1

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК 681.5.011 Ш23

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, доц. С.Н. Богданов

Шапкарина Г.Г.

Ш23 Основы цифрового управления. Основные понятия и описа- ние цифровых систем управления: Учеб. пособие. Ч. 1. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 63 с.

Изложены базовые положения современной теории цифровых систем управления непрерывными динамическими объектами. Рассмотрены основ- ные методы описания цифровых систем управления.

Пособие соответствует основным разделам дисциплины «Основы цифро- вого управления».

Предназначено для студентов специальности 220301.

♥Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), 2009

3

Введение

Развитие современного производства идет по пути создания высо- коэффективных промышленных установок, обеспечивающих интен- сификацию технологических процессов и систем управления ими. При этом постепенно осуществляется переход к автоматизированно- му управлению технологическими процессами.

Всвязи с возрастающими требованиями к повышению качества управления, воспроизводимости технологических процессов, сниже- нию энергоемкости производства и др. на первый план выдвигается задача разработки систем управления на качественно новом уровне: с использованием цифровых средств контроля и управления. Это объ- ясняется тем, что цифровые вычислительные машины (ЦВМ) обла- дают значительным быстродействием при решении различных логи- ческих задач, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управ- ления.

Интенсивное развитие современных вычислительных средств привело к разработке и широкому использованию цифровых автома- тических систем регулирования и управления. До последнего време- ни вычислительные машины ввиду их высокой стоимости исполь- зовались в основном для решения комплексных задач: обработки массивов данных, контроля и управления сложными технологиче- скими процессами.

Впоследние годы был достигнут небывалый прогресс в увеличе- нии вычислительной мощности микропроцессоров, о чем свидетель- ствуют достижения последних лет в области материаловедения, при- ведшие к разработке мощных микропроцессоров. Благодаря наличию быстродействующих, недорогих и миниатюрных микропроцессоров появилась возможность автоматизировать многие производственные процессы используя компьютер непосредственно в контуре системы управления.

Использование цифровых систем управления в промышленном масштабе стало возможным благодаря интенсивному развитию и со- вершенствованию технологии производства интегральных полупро- водниковых компонентов, обеспечивших создание высокоэкономич- ных цифровых устройств хранения и обработки информации на базе больших интегральных схем (БИС). Можно сказать, что внедрению цифровых систем управления в значительной степени способствова- ло создание на базе БИС микропроцессоров.

4

Однако методы проектирования цифровых систем существенно отличаются от классических методов, применяемых при анализе и расчете систем непрерывного типа. Во-первых, это связано с тем, что основой математического аппарата проектирования цифровых сис- тем являются разностные схемы, которые заменяют дифференциаль- ные уравнения, описывающие непрерывные системы. Во-вторых, алгоритмы, применяемые при расчете цифровых систем, в частности построение дискретных моделей, зачастую могут быть реализованы только с помощью ЦВМ.

Одной из особенностей проектирования системы управления яв- ляется то, что границы между компетенцией инженеров-технологов, программистов, прикладных специалистов и пользователей в на- стоящее время достаточно размыты, т.е. нельзя рассматривать слож- ную систему только с одной точки зрения, а решения принимать, опираясь на знания специалистов лишь одной области. Чтобы соз- дать сложную систему, состоящую из множества взаимодействую- щих частей, необходим специальный подход, который разрабатыва- ется на этапе проектирования системы.

5

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Основные характеристики цифровой системы управления

Последние годы характеризуются существенным прогрессом в области разработки цифровых систем управления. Популярность этих систем во всех отраслях промышленности объясняется как со- вершенствованием ЦВМ, в частности микропроцессоров, так и пре- имуществом работы с цифровыми сигналами.

Первый пример практического применения управляющей ЭВМ (по опубликованным в открытой печати данным) относится к 1959 году и связан с применением УЭВМ типа RW300 на нефтехи- мическом заводе компании «Texaco». Компьютер, построенный на электронных лампах, следил за расходом, температурой, давлением и концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчиты- вал необходимые управляющие воздействия на основе обработки входной информации. Эта ЭВМ по сравнению с современными ком- пьютерами имела очень низкую эффективность (время, затрачивае- мое на операцию сложения, составляло 1 мс, а умножения – около 20 мс) и невысокую надежность – среднее время между отказами (для ЭВМ этого типа) в лучшем случае составляло от нескольких ча- сов до нескольких дней.

До последнего времени вычислительные машины ввиду их высо- кой стоимости использовались в основном для решения комплекс- ных задач: обработки массивов данных, контроля и управления сложными технологическими процессами. Прогресс в области тех- нологии полупроводников позволил создать такие вычислительные машины, которые по габаритным размерам и стоимости гораздо меньше существовавших до сих пор, хотя они менее производитель- ны и удобны в обслуживании. Их называют микро-ЭВМ, а при спе- циальном использовании для управления различными процессами – управляющими микро-ЭВМ. Информационные связи в микро-ЭВМ осуществляет микропроцессор; в его составе многие тысячи эле- ментов схем монолитно объединяются па площади в несколько квадратных миллиметров.

Теперь с помощью управляющей ЦВМ можно решать задачи управления, что ранее было невозможно по причине существовав-

6

ших до сих пор высокой стоимости и(или) больших размеров ЦВМ. Управляющие микро-ЭВМ в большинстве случаев создаются и про- граммируются для решения специальных задач. Они используются также в качестве устройств, которые можно обслуживать не как ЭВМ, а как обычные устройства управления в привычной для опе- ратора форме. В соответствии с объемом задач, решаемых при управлении, очень разнообразны функции, возложенные на микро- ЭВМ, и их конструктивное исполнение.

При реализации задач управления технологическими процессами очень часто требуется не столько «вычислять», сколько выстраивать сложные логические связи. По основным выполняемым функциям управляющие ЭВМ подразделяются на ЭВМ контроля, управления технологическими процессами, управления производством, а по ти- пам использования – на вычислительные устройства, бортовые ЭВМ

ит.д. С применением интегральных микросхем уменьшились также

игабаритные размеры машин: их усовершенствование шло от боль- ших (управляющих) ЭВМ к малым, мини- и микро- (управляющим) ЭВМ. При этом принципы внутреннего структурного построения вычислительных машин и электронной обработки цифровых данных почти не изменялись.

Управляющие ЦВМ коммутируют и обрабатывают поток ин- формации, поступающий от трех источников:

1– технологического процесса (данные процесса);

2– обслуживающего персонала (данные управления);

3– вышестоящей диспетчерской или координирующей вычисли- тельной машины, например в иерархической схеме соединений ЭВМ или в многопроцессорной системе (данные связи).

При построении систем управления с ЦВМ существенными яв- ляются следующие факторы:

1.Для связи с измерительными и исполнительными звеньями процесса требуются специальные аппаратные средства, которые должны обеспечивать между вычислительным устройством и про- цессом согласование как энергии различных видов и уровней мощ- ности, так и функциональных принципов (вид сигналов процесса в большинстве случаев аналоговый, в вычислительном устройстве – цифровой). Эти аппаратные устройства носят название периферий- ных устройств. В управляющих микро-ЭВМ они часто весьма про- сты и приспособлены для решения специальных задач; в универ- сальных системах они гораздо сложнее и рассчитаны на возможные изменения вариантов их использования.

7

2. Скорость обработки данных технологического процесса ис- пользуемым вычислительным устройством должна быть согласована с временным растром протекающего (реального) процесса, с тем чтобы в моменты времени, соответствующие фазам процесса, мож- но было произвести необходимые измерения и контроль, а также выдать переключающие и управляющие команды. Эта обработка данных процесса в реальном масштабе времени требует специаль- ной организации программирования.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: управляю- щая ЦВМ является цифровым вычислительным устройством со следующими характерными свойствами:

–наличием периферийных устройств для приема данных про- цесса и выдачи командных сигналов;

–возможностью обработки данных процесса в реальном масшта- бе времени;

–способностью к перепрограммированию для решения задач различного рода.

В цифровой системе управления роль управляющего воздейст- вия выполняет компьютер.

Во многих областях деятельности, в том числе и в управлении теория опережает практическое применение. Основным фактором, обусловливающим разрыв между теорией и практикой управле- ния, является отсутствие достаточно надежных средств измерения значений всех существенных для процесса управления перемен- ных, включая качество и состав производимой продукции. По ме- ре создания этих средств значительно возрастает и объем приме- нения в промышленности современных систем управления.

Быстрый рост стоимости энергии и угроза сокращения ее по- требления заставляют предпринимать новые усилия по созданию эффективного автоматического управления энергетическим ком- плексом. С помощью компьютеров удается регулировать исполь- зование энергии на промышленных предприятиях, а также стаби- лизировать и равномерно распределять нагрузку в целях экономии топлива.

В последние годы возникла потребность в производстве мелких партий заказных изделий, а это в свою очередь стимулировало создание гибких автоматизированных систем. Развитие систем управления идет по пути совершенствования их гибкости и обес- печения высокой автономности функционирования. Из-за ограни- ченных возможностей чувствительных элементов системы не об-

8

ладают достаточной гибкостью в плане приспособления к измене- нию условий эксплуатации. Совершенствование систем управле- ния идет по пути оснащения их чувствительными элементами об- ратной связи с улучшенными характеристиками. Исследователь- ские работы в области создания искусственного интеллекта, «ин- теллектуальных» датчиков, компьютерного «зрения», программи- рования комплексов компьютеризированного проектирования и производства должны сделать эти системы более универсальными

иэкономичными. Чтобы уменьшить нагрузку на человека- оператора и повысить эффективность его работы, ведутся интен- сивные исследования в области человеко-машинного интерфейса

иуправления компьютерными базами данных. Цель этих исследо- ваний состоит в снижении затрат и расширении области примене- ния. Они связаны также с улучшением методов получения и обра- ботки информации и дальнейшим развитием языков программиро- вания.

Вцифровой системе управления с обратной связью функции регулятора или корректирующего устройства может выполнять цифровой компьютер. Поскольку ввод информации в компьютер осуществляется через определенные интервалы времени, то необ- ходимо разработать специальный метод математического описа- ния и анализа качества цифровых систем управления.

Последние десятилетия были ознаменованы значительным по- вышением надежности и удешевлением цифровых компьютеров. В связи с этим они все шире стали применяться в качестве регулято- ров (корректирующих устройств). В функциональной схеме одно- контурной цифровой системы управления компьютер по опреде- ленной программе обрабатывает представленную в цифровой форме ошибку и выдает сигнал также в цифровой форме. Про- грамма может быть написана так, что качество системы в целом будет равно или очень близко к заданному. Многие компьютеры способны принимать и обрабатывать несколько входных сигналов, поэтому цифровые системы управления очень часто бывают мно- гомерными.

Компьютер получает и обрабатывает информацию в цифровом (численном) виде, а не в виде непрерывного (аналогового) сигна- ла. В цифровой системе управления обязательно присутствует компьютер, входной и выходной сигнал которого представлены в виде числового кода.

9

В состав компьютера входит центральный процессор (ЦП), уст- ройство ввода-вывода и запоминающее устройство. Габаритные размеры и производительность компьютера зависят от размера, быстродействия и производительности ЦП, а также от объема, бы- стродействия и структуры запоминающего устройства. После 1980 года получили широкое распространение небольшие компьютеры, называемые миникомпьютерами, а в настоящее время пользуются популярностью мощные и недорогие 16- или 32-разрядные микро- компьютеры. В качестве ЦП в микрокомпьютерах используется микропроцессор. Выбор типа компьютера, используемого в сис- теме управления, определяется характером поставленной задачи, объемом данных, подлежащих запоминанию, и требуемой скоро- стью вычислений.

Габаритные размеры компьютеров и стоимость логических эле- ментов, используемых для их создания, уменьшаются по экспо- ненте. Количество активных элементов в одном квадратном сан- тиметре выросло настолько, что это позволило создать сравни- тельно недорогие и высокопроизводительные портативные ком- пьютеры, вычислительные возможности которых вполне могут удовлетворить потребности как студентов, так и специалистов- профессионалов, и которые, по сути, могут заменить традицион- ные настольные микрокомпьютеры.

Цифровое управление имеет ряд преимуществ, к которым отно- сятся: повышенная точность измерений, использование цифровых сигналов (кодов), датчиков, преобразователей и микропроцессо- ров; меньшая чувствительность к шумам и помехам; возможность легко изменять алгоритм управления в программном обеспечении. Повышенная точность (чувствительность) измерений объясняется тем, что цифровые датчики и устройства работают с маломощны- ми сигналами. Наличие цифровых сигналов дает возможность ис- пользовать цифровой спектр устройств и линий коммуникации. Цифровые датчики и преобразователи способны эффективно из- мерять, передавать сигналы и связывать между собой различные устройства. Кроме того, многие системы объективно являются цифровыми, потому что они работают с импульсными сигналами. Примерами таких систем могут служить радиолокационные сис- темы слежения и системы управления спутниками.

Использование ЦВМ в управлении технологическими процес- сами дает возможность:

10