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

–резко увеличить число регулируемых параметров (от 2–5 в обычных регуляторах до многих сотен и даже тысяч);

–реализовывать сложные механизмы управления;

–быстро перестраиваться на требуемые алгоритмы управления;

–с помощью памяти учитывать при управлении не только те- кущее состояние объекта, но и его предысторию.

1.2. Основные элементы и режимы работы цифровой системы управления

Использование ЦВМ при проектировании систем управления свя- зано с двумя группами вопросов: 1 – с проектированием самой ЦВМ, а также входных и выходных ее устройств, 2 – выяснением вопроса о влиянии дискретных выходных сигналов на динамические свойства системы.

В общем случае система цифрового управления техническим процессом состоит из следующих компонентов:

–управляющей ЭВМ;

–каналов обмена информацией;

–аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);

–датчиков и исполнительных механизмов;

–собственно технологического процесса.

На вход ЦВМ от соответствующих датчиков поступает измери- тельная информация о текущих значениях параметров технологиче- ского процесса x1, … , xn. Вычислительная машина обрабатывает эту информацию в соответствии с заданным законом управления (алго- ритмом управления), определяет управляющие воздействия u1, …, um, которые необходимо приложить к исполнительным механизмам (ИМ) для изменения значений регулируемых параметров (y1, …, ym), чтобы оптимизировать управляемый процесс. Измерительные датчи- ки, как правило, выдают сигналы в виде электрического напряжения, тока или угла поворота вала, т.е. в форме непрерывного (аналогово- го) сигнала. Подобно этому подаваемые на исполнительные меха- низмы управляющие воздействия u1, u2, …, um также имеют непре- рывный вид (электрическое напряжение, ток, перемещение).

ЦВМ обычно оперирует с дискретными (цифровыми) величина- ми. Поэтому поступающие на ее вход величины x1, x2, …, xn предва- рительно преобразуются в дискретную (цифровую) форму представ- ления, а вырабатываемые ею цифровые значения управляющих воз-

11

действий Uj′ вновь преобразуются, но уже из цифровой формы в ана- логовую. Некоторые входные сигналы (например, сигналы от конеч- ных выключателей, фотореле и др.) и отдельные выходные управ- ляющие воздействия имеют релейный характер – это так называемые сигналы типа «ДА – НЕТ».

Система управления с компьютером в контуре управления должна содержать на входе ЦВМ аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования измерительной информации (X1), а на выходе – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования управляющей информации (U1′).

Вцелях уменьшения объема оборудования АЦП выполняется многоканальным. Через коммутатор АЦП поочередно подключается

ккаждому датчику; полученный в результате преобразования сигна- ла с датчика цифровой код вводится в запоминающее устройство ЦВМ. Коммутатор на выходе ЦВМ обеспечивает передачу в опрее- деленную цепь цифрового кода управляющего воздействия для пре- образования его в соответствующее напряжение.

Внастоящее время наибольшее распространение получил син- хронный принцип связи ЦВМ с объектом: процесс управления рас- членяют на циклы равной продолжительности тактирующими сигна- лами. Цикл начинается с приходом тактирующего сигнала на уст- ройство прерывания. В начале каждого цикла производятся последо- вательный опрос датчиков и преобразование их сигналов в цифровой код. Время, затрачиваемое на преобразование и ввод измерительной информации в запоминающее устройство ЦВМ, как правило, значи- тельно меньше периода колебаний выходной величины в управляе- мом процессе. Поэтому полагают, что вся измерительная информа- ция одного данного цикла вводится практически одновременно. При необходимости в алгоритмах управления может учитываться неод- новременность поступления измерительной информации по разным каналам.

Компьютеры, используемые в системах управления, соединяются с регулируемым объектом и исполнительным устройством при по- мощи преобразователей сигнала.

Технологический процесс, с точки зрения процесса управления, определяется следующими параметрами:

– измеряемыми параметрами x1, x2, …, xn, к которым относятся нерегулируемые параметры, зависящие от внешних факторов (неко- торые характеристики исходного продукта и др.), выходные пара- метры, характеризующие качество продукции; выходные параметры,

12

по которым непосредственно или расчетным путем определяются эффективность, экономичность и др. или ограничения, накладывае- мые на условия протекания этого процесса;

–регулируемыми параметрами y1, y2, …, ym, которые могут изме-

няться в ходе процесса посредством воздействия соответствующих исполнительных механизмов, изменения уставок регуляторов и т.п.;

–нерегулируемыми и неизмеряемыми параметрами f1, f2, …, fk

(например, химический состав сырья, изменяющиеся во времени ха- рактеристики оборудования и др.).

После того как вся измерительная информация через АЦП пере- дана в запоминающее устройство, ЦВМ в течение некоторого време- ни Тв производит обработку поступивших данных и расчет необхо- димых значений управляющих воздействий. Затем выполняется пре- образование этих величин в аналоговую форму (управляющее воз- действие), после чего ЦВМ останавливается до следующего такти- рующего сигнала либо переходит к выполнению вспомогательных расчетов, которые могут прерываться (без нарушения программы и промежуточных результатов) тактирующими сигналами. Получен- ные в начале цикла управления значения управляющих воздействий uj сохраняются неизменными на протяжении данного цикла управле- ния.

Входные и выходные данные в ЦВМ представлены цифровым ко- дом. Для упрощения расчетов полагают, что входные и выходные данные ЦВМ связаны однозначной зависимостью и поэтому имеется возможность замены ЦВМ эквивалентной схемой, которая включает

всебя дискретный фильтр, изменяющий вид модуляции входной по- следовательности импульсов, и элемент запаздывания, который вво- дится в структурную схему для учета времени прохождения сигнала через дискретный фильтр. Однако в некоторых случаях принимают, что ЦВМ осуществляет линейное преобразование входных сигналов. Следовательно, в результате принятых допущений имеется возмож- ность считать систему управления с ЦВМ линейной и использовать для ее расчета аппарат линейных импульсных систем.

АЦП является необходимым интерфейсным устройством анало- говой подсистемы, выходные сигналы с которой предполагается об- рабатывать в ЦВМ. Иногда в АЦП встраивают «устройство выборки и хранения», которое осуществляет выборку аналогового сигнала и затем сохраняет его уровень постоянным до следующей выборки (в некоторых системах это устройство выполняется автономным).

13

Функция многоканальности АЦП в большой части систем выпол- няется с помощью мультиплексора. В тех случаях, когда сигналы от нескольких устройств должны быть обработаны одним и тем же процессором или переданы по одному информационному каналу, для представления этих сигналов в виде некоторой заданной последова- тельности используется мультиплексор. Например, если сигналы с нескольких цифровых устройств должны быть обработаны цен- тральным процессором, то связь этих устройств с процессором осу- ществляется с помощью мультиплексора посредством общего канала параллельных линий связи.

Основным элементом выходного устройства ЦВМ является пре- образователь кода, который решает задачу преобразования числового кода в амплитудно-импульсный код в дискретные моменты времени, которые согласованы с периодом цикла обработки информации ЦВМ.

Характерная особенность таких систем – наличие квантования по времени и по уровню сигналов, поступающих на регулирующее уст- ройство, обработка дискретной информации по запрограммирован- ному алгоритму и преобразование квантованных регулирующих воз- действий в кусочно-непрерывный сигнал для подачи на исполни- тельные механизмы.

Процесс внедрения ЦВМ в системы управления условно можно разбить на следующие этапы:

–начальный этап (около 1955 года);

–этап прямого цифрового управления (1962);

–этап миникомпьютерной техники (1970);

–этап микропроцессорной техники (1975).

Указанными в скобках датами отмечено появление либо новых технических средств, либо новых теоретических разработкок по син- тезу дискретных и цифровых систем управления.

Вычислительные машины того времени имели низкое быстродей- ствие, были дорогими и ненадежными; для более полного использо- вания этих дорогих вычислительных устройств они должны были выполнять множество заданий. Из-за ненадежности вычислительных машин они осуществляли управление объектом лишь печатая инст- рукции оператору или изменяя контрольные точки аналогового регу- лятора. Такие режимы управления получили название «управление через оператора» и «управление по контрольным точкам».

В ходе исследований как процессов управления без применения ЦВМ, так и возможностей использования средств вычислительной

14

техники применительно к процессу управления был накоплен огром- ный опыт. Стало очевидным, что практика управления процессами предъявляет специфические требования к вычислительным маши- нам. Так, необходимость быстро реагировать на запросы объекта управления привела к развитию системы прерываний – специального оборудования, позволяющего прерывать текущую работу ЭВМ для обслуживания более неотложного задания. Вместе с тем ощущалась нехватка многих необходимых типов датчиков и существовали опре- деленные трудности с внедрением новой технологии в ряде отраслей промышленности.

Первые управляющие ЦВМ работали в режиме косвенного управ- ления, осуществляя связь с управляемым объектом либо через опера- тора, либо по контрольным точкам. В обоих случаях для реализации процесса управления требовалось традиционное аналоговое обору- дование. В 1962 году Английская фирма ICI заменила все аналоговое оборудование для управления процессом одним компьютером, кото- рый измерял 224 параметра и непосредственно контролировал 129 вентилей, при этом функции системы управления остались прежни- ми. Чтобы подчеркнуть, что компьютер сам управляет объектом, был введен термин «прямое цифровое управление» (ПЦУ). В 1962 году типичной управляющей вычислительной машине требовалось 100 мкс на сложение двух чисел и 1 мс на их умножение. Время на- работки на отказ составляло около 1000 ч.

Основным критерием оценки системы управления стала стои- мость, которая росла пропорционально числу контуров управления, входящих в эту систему. Хотя начальная цена ЭВМ была велика, стоимость основных и дополнительных контуров была незначитель- на, и, таким образом, «удельная» цена цифровых систем управления падала при увеличении их габаритных размеров. Одним из преиму- ществ таких систем являлось радикальное изменение связи с опера- тором – вместо нагромождения аналоговых приборов появилась опе- раторская панель управления вычислительной машины; панель сис- темы, созданной фирмой ICI, представляла собой цифровой дисплей и несколько кнопок.

Другим преимуществом цифровых систем была гибкость: если изменение аналоговых систем управления осуществлялось путем пе- рекомпоновки звеньев, то цифровых систем – перепрограммировани- ем. Цифровая техника имела и другие преимущества. Стало возмож- ным простое взаимодействие между несколькими контурами управ- ления, параметры которых изменялись в зависимости от условий ра-

15

боты системы. Однако при эксплуатации таких систем возникала проблема осуществления непредусмотренных стратегий управления, что, естественно, тормозило создание систем управления.

Достижения в области миникомпьютерной техники в сочетании со знаниями об управлении технологическими процессами с помо- щью ЭВМ, накопленными в начальный период использования ЭВМ и в период прямого цифрового управления, позволили расширить сферу применения цифровых систем. Некоторые фирмы стали вы- пускать специализированные управляющие компьютеры.

Важным фактором, благодаря которому стало возможно быстрое распространение цифрового управления, явилась миниатюризация ЭВМ; появилась возможность использовать компьютерное управле- ние для регулирования небольших объектов и решения локальных проблем управления.

С развитием микрокомпьютеров стало возможным наращивать управляющие модули, а это означало, что цифровое управление в принципе могло быть реализовано для любого объекта управления независимо от его масштабов. Появились небольшие микропроцес- сорные системы цифрового управления; были сконструированы ие- рархические системы управления с большим количеством микропро- цессоров и спроектированы регуляторы специального назначения на базе микро-ЭВМ.

При разработке систем управления существенными факторами являются не только технические характеристики вычислительного устройства, но и принцип связи этого устройства с управляемым объектом.

Вряде систем управления синхронный принцип связи объекта с ЦВМ оказывается неприемлемым. В таких установках используется асинхронный принцип связи ЦВМ с объектом. В этом случае вместо тактирующих сигналов электронных часов на устройство прерыва- ния поступают сигналы от нескольких датчиков прерывания, непо- средственно связанных с объектом (например, датчики прохождения слитка, конечные выключатели, датчики аварийного состояния, об- рыва полосы и др.). Каждый поступающий сигнал прерывания экви- валентен требованию о прекращении производимых вычислений и переходе к выполнению подпрограммы, соответствующей данному сигналу прерывания. ЦВМ реагирует на сигнал прерывания с учетом права приоритета одних сигналов прерывания перед другими.

Внекоторых системах используют оба принципа связи ЦВМ с объектом: наряду с электронными часами, выдающими тактирующие

16

сигналы, применяют связанные с объектом датчики прерывания (на- пример, датчики аварийных сигналов, переводящих ЦВМ на работу по программе для аварийного режима).

Система управления обычно имеет второй контур, в котором дей- ствует (при необходимости) оператор-технолог. ЦВМ обеспечивает оператора обработанной и обобщенной измерительной информацией о ходе процесса и состоянии технологического оборудования, может в определенных режимах запрашивать подтверждение оператора на свои предполагаемые действия либо переходить в режим, когда управление процессом оператор берет на себя, задавая управляющие сигналы с пульта технолога.

Режим работы, при котором ЦВМ, воздействуя на исполнитель- ные механизмы, непосредственно осуществляет управление произ- водственным процессом, называется прямым цифровым управлени- ем. Однако при управлении сложными системами или комплексом агрегатов, объединенных единым технологическим процессом, мо- жет оказаться более рациональной структура управления, при кото- рой отдельные параметры процесса регулируются соответствующи- ми автоматическими регуляторами, а ЦВМ, обрабатывая измери- тельную информацию, рассчитывает уставки этих регуляторов.

При подобной структуре управления повышается надежность сис- темы в целом, так как ее работоспособность сохраняется и при отка- зах ЦВМ. Кроме того, при такой структуре ЦВМ может быть более простой, снижаются требования к ее быстродействию и другим ха- рактеристикам, появляется возможность практической реализации более эффективных алгоритмов оптимизации процесса, требующих большого объема вычислений.

Многие важные задачи управления решаются путем использова-

ния ЦВМ в разомкнутой схеме управления. Это системы типа «со-

ветчик», представляющие собой частный случай общей структурной системы автоматического управления с ЦВМ. В режиме советчика ЦВМ обрабатывает измерительную информацию, поступающую с контролируемого объекта, и определяет, какие регулирующие воз- действия следует произвести для того, чтобы производственный процесс протекал наилучшим образом. Выработанная ЦВМ инфор- мация служит рекомендацией, на основании которой оператор при- нимает решение по управлению процессом. Работа ЦВМ в режиме советчика, как правило, предшествует ее включению в замкнутую цепь управления.

17

Контрольные задания к разделу 1

1.Оцените погрешность измерения технологического параметра в случае использования:

а) дискретных измерительных устройств; б) аналогового измерительного устройства.

Приведите структурные схемы системы измерения.

2.Определите количество уровней квантования для измерения указанного параметра.

3.Переведите в двоичный код заданное число (по предложенному преподавателем варианту).

4.Приведите структурную схему системы измерения температуры

сминимально возможным значением погрешности измерения.

5.Приведите основные схемы включения преобразователей АЦП в структурную схему системы измерения.

6.Перечислите основные задачи управления, решение которых осуществляется ЦВМ.

7.Перечислите основные преимущества использования ЦВМ в контуре управления.

8.Перечислите основные типы систем управления.

9.Перечислите основные элементы цифровой системы управле-

ния.

10.Определите оптимальное число разрядов для представления сигнала в цифровой форме.

18

2. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

2.1.Основные понятия и определения

Влюбую систему информация поступает в виде сигналов. Значе- ния различных параметров физических процессов с помощью датчи- ков обычно преобразуются в электрические сигналы. Как правило, это сигналы в виде непрерывно изменяющихся тока или напряжения, но возможны и импульсные сигналы. В системах связи ЦВМ с объ- ектами управления для передачи информации в основном использу- ются электрические сигналы. Выбор электрических сигналов обу- словлен удобством их передачи по линиям связи, наличием соответ- ствующих датчиков, удобством применения этих сигналов в ЦВМ и

висполнительных устройствах цифровых систем.

Для конкретных задач управления обычно требуется значительно меньше информации, чем поступает с аналоговых датчиков в виде сигналов, изменяющихся во времени непрерывно, поэтому возможно ограничиться отсчетами, взятыми через определенные моменты вре- мени, принимая во внимание априорные сведения об этих сигналах. В этом случае осуществляется преобразование непрерывного сигнала в дискретную форму.

Во многих случаях информация об объекте управления извлекает- ся и передается с целью дальнейшей обработки средствами цифро- вой техники, в первую очередь ЭВМ и микропроцессорами. Рацио- нальное выполнение операций дискретизации и квантования при этом приводит к значительному экономическому эффекту как за счет снижения затрат на хранение и обработку получаемой информации, так и вследствие сокращения времени обработки информации, что ведет к улучшению качества управления.

При передаче и обработке информации в цифровой технике суще- ствует принципиальная возможность значительного снижения веро- ятности получения ошибочного результата, так как при использова- нии дискретных сигналов, во-первых, применимы методы кодирова- ния, обеспечивающие эффективное обнаружение и исправление оши- бок, а во-вторых, можно избежать свойственного аналоговым сигна- лам эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обра- ботки.

19

Выражение информации в цифровой форме облегчает унифика- цию операций ее преобразования на всех этапах обращения инфор- мации. Массовый характер изготовления типовых узлов и блоков, простота их настройки, отсутствие необходимости регулировки в процессе эксплуатации позволяют, в свою очередь, улучшить такие важнейшие технико-экономические показатели средств цифровой техники, как стоимость изготовления и эксплуатационные характре- ристики, а также надежность. Низкая стоимость и высокая надеж- ность больших интегральных схем являются мощными стимулами дальнейшего расширения областей использования цифровых сигна- лов.

При всем многообразии описания сигналов для исследования задач управления наиболее часто используют математическое представле- ние сигналов в виде детерминированных и случайных сигналов.

Детерминированным (регулярным) называется сигнал, значения которого в любые моменты времени являются известными величи- нами, иначе говоря, регулярный сигнал соответствует известному

сообщению. Выражение регулярного сигнала определенной функци- ей времени называют временным представлением сигнала; представ-

ление (или разложение) сигнала по частотным спектрам носит назва-

ние частотного представления сигнала.

Если значения сигнала в любые моменты времени являются слу- чайными величинами, то такой сигнал называется случайным.

Сигналы каждой из названных групп в свою очередь могут быть подразделены на непрерывные и дискретные.

Непрерывным называется сигнал, являющийся функцией непре- рывно изменяющейся независимой переменной t. Сигнал должен быть однозначно определен для всех значений t на заданном интер- вале за исключением, возможно, счетного числа точек. Следует иметь в виду, что определение непрерывного сигнала шире, чем ма- тематическое определение непрерывной функции.

Непрерывная функция непрерывного аргумента (непрерывный сигнал) представлена на рис. 2.1, а. В этом случае значения, которые может принимать функция x(t) и аргумент t, заполняют конечные (или бесконечные) промежутки интервала существования сигнала соответственно.

Непрерывная функция дискретного аргумента (дискретный во времени сигнал) представлена на рис. 2.1, б. Здесь значения функции x(t) определяются лишь на дискретном множестве значений аргумен- та t.

20