Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматического управления высокой точности. Учебное пособие для СПО
.pdf
Рис. 10.32. Ошибка второго канала в эксперименте по рис. 10.26 (синяя линия –
ошибка без фильтрации, черная линия – ошибка после фильтрации)
171
11. СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ
11.1. Что такое скользящий режим и чем он плох
Скользящим режимом называют режим, в котором управляющий сигнал «бесконечно быстро» переключается от максимального до минимального значения и обратно.
Примером системы в скользящем режиме может служить сигма-дельта
АЦП, поэтому структура на рис. 10.1 аналогична САУ в скользящем режиме. В общем виде систему в скользящем режиме можно показать структурой, представленной на
рис. 11.1 или рис. 11.2. Принцип действия такой
системы в целом идентичен принципу действия указанного типа АЦП.
Компаратор выдает максимальный положительный или максимальный
отрицательный сигнал, в зависимости от того, что больше – задание или
выходной сигнал объекта. Это эквивалентно вводу усилителя-ограничителя с бесконечным коэффициентом усиления (или реле) на
выходе устройства сравнения, вычисляющего ошибку управления. Предположительно резкое изменение сигнала на выходе компаратора вызовет
практически одновременное столь же резкое увеличение выходного сигнала на выходе регулятора, что также вызовет практически одновременное
резкое изменение выходного сигнала. На это изменение компаратор, предположительно, отреагирует столь же одновременно. Отсюда и исходит
мнение о бесконечной частоте переключения. Это представление о том,
что частота переключений бесконечна, всегда ошибочно. Если бы все элементы системы были линейны, не имели даже малейшего гистерезиса и ни
малейшего запаздывания, это предположение имело бы оснований.
В реальности объектов без запаздывания не существует. Компараторов
без самого малейшего гистерезиса в природе практически не существует.
Мгновенных датчиков для измерения выходного сигнала объекта также не
существует, поэтому потребуется некоторое время, пока скачок сигнала
вызовет отклик на выходе объекта, который породит обратное срабатывание компаратора. Частота переключения фактически будет зависеть от
параметров, которые разработчик такой системы не принимает в расчет,
считая их несущественными.
Задание Компаратор Объект
Рис. 11.1. Упрощенная структура системы в скользящем режиме
Регулятор
172
Задание Компаратор Объект Регулятор
Рис. 11.2. Другой вариант упрощенной структуры системы в скользящем режиме
Дифферен-
циальный
усилитель
Подобный режим работы в практике простейших регуляторов –
стабилизаторов широко используется в бытовых устройствах. В таких
устройствах используется не электронный компаратор, а какое-либо
устройство, чаще всего реле, которое срабатывает в одну сторону, если
выходной сигнал объекта больше задания, и в обратную сторону, если
этот сигнал меньше задания.
Пример 23. В электрическом утюге и электрической духовке использу-
ется реле из биметаллической пластины. За счет различных коэффициентов теплового расширения такая пластина при изменении температуры
изгибается. Конструкция реле такова, что холодная пластина замыкает
цепь нагревателя, если же пластина нагревается, то цепь нагревателя размыкается, вследствие чего нагревание прекращается. Таким образом, в
цепи постоянно происходят колебания, но вместо интенсивного охлаждения попросту отключается нагревание. Думается, нет необходимости подчеркивать, что частота переключения в такой системе отнюдь не бесконечна. Из практики работы утюга общеизвестно, что период переключений
составляет несколько минут. Это же имеет место в электрической духовке.
Можно утверждать, что режим постоянного переключения управления
из максимального к минимальному и обратно никак не соответствует требованиям, предъявляемым к системам
высшей точности.
11.2. Когда следует применять скользящий режим, а когда не следует
В системах с существенной нелинейностью скользящий режим может
оказаться единственным средством для обеспечения требуемой высокой
статической точности.
Например, в системах с гистерезисом обеспечение нулевой статической
погрешности иными способами может оказаться невозможным. Режим
быстрого переключения управляющего сигнала может в среднем устранить гистерезис, т. е. неотъемлемую неопределенность выходного сигнала.
Если гистерезис относится к неотъемлемым свойствам привода, лучшим решением было бы принудительная организация высокочастотных
переключений управляющего сигнала, т. е. перевод исполнительного
устройства в режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
173
Пример 24. Автомобили с механической коробкой передач крайне
трудно заставить ехать на сверхмалой скорости. Действительно, когда водитель нажимает педаль газа недостаточно сильно, двигатель может заглохнуть. Если же водитель нажимает педаль газа слишком сильно, двигатель работает быстрее, чем следует, и медленного движения не получается. Решением может оказаться относительно быстрое движение ноги водителя при нажатии на педаль туда и обратно, например с амплитудой около
10 см и частотой около двух нажатий в секунду. При этом гистерезис перестает ограничивать возможности водителя по достижению особо малой
скорости вращения вала двигателя. Изменение среднего значения может
достигаться либо изменением среднего положения ноги, либо изменением
скважности, т. е. соотношения между пребыванием ноги в максимально
нажатом и в максимально отжатом положении.
В линейных системах скользящий режим не следует применять никогда. В нелинейных системах скользящий режим целесообразен только при
наличии именно таких нелинейностей, которые не могут быть рассмотрены как несущественные в равновесном режиме, а именно: гистерезис, зона
нечувствительности, динамическая зона нечувствительности и подобные
проблемные нелинейности. Специально формируемые колебания для линеаризации подобных нелинейностей предпочтительны. Лучше специально обеспечить колебательный режим, в котором контролируется и частота
колебаний, и их амплитуда, нежели довериться случаю, предполагая, что
частота бесконечна, а амплитуда равна нулю, но убедиться, что на самом
деле эта идеализированная ситуация не достигнута.
174
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бармасов С. В. Прецизионное управление лазерным спектрометром
с помощью синтезаторов частоты, персональной ЭВМ и цифро-аналогового интерфейса / С. В. Бармасов, А. А. Воевода, В. А. Жмудь,
И. В. Падюков // Сб. науч. трудов Новосиб. гос. техн. ун-та. Новосибирск,
1998. № 4(11). С. 145–152.
Жмудь В. А. Электронная система стабилизации частоты
2.
He-Ne-лазера по линиям поглощения метана / В. А. Жмудь, С. В. Бармасов, В. Д. Гительсон // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 4.
С. 127–133.
Жмудь В. А. Численная оптимизация замкнутых систем автомати-
3.
ческого управления в программе VisSim: новые структуры и методы : монография / В. А. Жмудь. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2016. 259 с.
Бугров С. В. Методы стабилизации частоты лазеров для нановибро-
4.
метрии / С. В. Бугров, В. А. Жмудь, В. М. Семибаламут // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск, 2008. № 4(54). С. 89–94.
Жмудь В. А. Электронные системы управления лазерным излучением :
5.
учеб. пособие / В. А. Жмудь. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1998. Ч. 1. 63 с.
Жмудь В. А. Прецизионные системы управления лазерным излучени-
6.
ем : учеб. пособие / В. А. Жмудь. Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2005. 152 с.
Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. М. :
7.
Мир, 1984. Т. 1, 2.
Титце У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк ;
8.
пер. с нем. ; под ред. А. Г. Алексеенко. М. : Мир, 1983.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы : справ. /
9.
С. В. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др. М. : Радио и
связь, 1990. 496 с.
Шило В. Л. Популярные микросхемы КМОП : справ. / В. Л. Шило.
10.
М. : Изд-во «Ягуар», 1993. 64 с.
Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхе-
11.
мы / В. Л. Шило. М., 1982. 128 с.
Булычев А. Л. Аналоговые интегральные микросхемы : справ. /
12.
А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко. 2-е изд., перераб. и доп.
Минск : Беларусь, 1993. 382 с.
Коломбет Е. А. Применение аналоговых микросхем / Е. А. Колом-
13.
бет, К. Юркевич, Я. Зодл. М. : Радио и связь, 1990. 320 с.
Пейтон А. Дж. Аналоговая электроника на операционных усилите-
14.
лях / А. Дж. Пейтон, В. Волш. М. : БИНОМ, 1994. 352 с.
Алексенко А. Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем
15.
/ А. Г. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стaродуб. 2-е изд. перераб. и
доп. М. : Радио и связь, 1985. 304 с.
175
16.
Analog Devices, Inc., 1994. Design-in Reference Manual: Data convert-
ers, Amplifiers, Special linear products, Support Components.
MAXIM 1995 New Releases Data Book. Vol. 4.
17.
18.
Burr Bruwn IC Data Book, Linear Products, 1995.
Сигма-дельта АЦП. URL: http://we.easyelectronics.ru/Theory/sigma-
19.
delta-acp.html
20. Основные принципы дельта-сигма АЦП. URL:
http://scanti.ru/bulleten.php?v=409&p=29
21. Модель сигма-дельта АЦП или о том, как Попугаю проглотить 38
Удавов + один удавский хвостик, который можно и не считать. URL:
http://model.exponenta.ru/sd_adc.html
22. Сигма-дельта АЦП. Электронный ресурс. URL:
http://www.rfe.by/media/kafedry/kaf4/publication/chudovski/AD-DA/AC-DC-
05.pdf
23. Аналого-цифровые преобразователи. URL:
http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/adc/index.htm
24. Фильтр Салена – Ки. URL:
http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/op/funop_11_6.htm
25. ДолговА. Н. Анализ применимости фильтров низких частот в мик-
роэлектромеханических системах // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. № 4(97). URL:
http://www.nntu.ru/trudy/2012/04/353-357.pdf
Марше Ж. Операционные усилители и их применение / Ж. Марше;
26.
пер. с фр. Л. : Энергия, 1974. С. 190–211.
Фрайден Дж. Современные датчики : справ. / Дж.Фрайден. М. :
27.
Техносфера. 2005. 592 с.
Жмудь В.А. Измерительные элементы автоматики : учеб. пособие. /
28.
В. А. Жмудь. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. 72 с.
Better reliability via system tests. Electron. Eng. Times 40-41, Aug. 19,
29.
1991.
CIPM, BIPM Proc.-Verb. Corn. Int. Poids et Mesures 49, pp. 8-9, No.
30.
26, 1981 (in French).
ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurements. Interna-
31.
tional Organization for Standardization, Geneva, 1993.
Taylor, B. N. and Kuyatt, C. E. Guidelines for Evaluation and Expressing
32.
the Uncertainty of NIST. Measurement Results. NIST Technical Note 1297,
Gaithersburg, 1994.
176
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]