2.2.2. Простой контур управления — регулятор температуры

Рассмотрим бак, заполненный жидкостью, температура которой должна поддер­живаться постоянной (рис. 2.8). Все сигналы в этом примере — аналоговые, т. е. из­менение температуры отслеживается непрерывно, в отличие от предыдущего приме­ра, где проверялось лишь превышение порогового значения, а подача тепла может регулироваться плавно.

Рис. 2.8. Простая система регулирования температуры

Температура измеряется датчиком, выходное напряжение которого пропорцио­нально текущей температуре (пропорциональная зависимость существует как минн­ом в интересующем диапазоне температур). Измерения периодически, например каждую секунду, поступают в компьютер, и текущее значение температуры сравнивается с требуемым (опорным), которое хранится в памяти компьютера. Величина нагрева или охлаждения рассчитывается по разности между опорным и измеренным значениями (рис. 2.9).

В зависимости от исполнительного механизма — устройства, непосредственно влияющего на процесс, — меняется вид управляющего сигнала, подающегося на его вход. Температуру можно регулировать с помощью нагревателя, периодически включаемого на заданный интервал времени, или использовать теплообменник, со­единенный с трубопроводами пара и холодной воды. В первом случае управляющим действием является момент включения нагревателя; во втором — регулирование осу­ществляется за счет открытия или закрытия клапанов трубопроводов пара и охлаж­дающей жидкости.

Рис. 2.9. Простой контур управления — система регулирования температуры

Регулятор температуры демонстрирует некоторые основные свойства контура управления. Температура должна измеряться с частотой, определяемой постоянной времени процесса. Если теплоемкость бака велика, то постоянная времени имеет от­носительно большое значение. Наоборот, если объем бака небольшой, а нагреватель мощный, то постоянная времени процесса мала и система управления должна достаточно часто измерять температуру и включать или отключать нагреватель. Таким образом, при проектировании цифровой системы управления должны быть учтены основные динамические характеристики процесса. Соответствующие алгоритмы ре­гулирования будут изложены в главе 6.

2.2.3. Генерация опорного значения

Иногда в химической реакции необходимо поддерживать величину температуры в соответствии с опорным значением (reference value) — уставкой (setpoint value), -которое постоянно пересчитывается во время протекания процесса. Вычисление опорной температуры не должно иметь заметного запаздывания — каждое ее новое значение должно быть рассчитано до момента очередного сравнения с текущей тем­пературой. Этот процесс схематично представлен на рис. 2.10.

Система, отслеживающая значение опорного сигнала с достаточной точностью и быстротой, называется сервомеханизмом или, кратко, серво. В сервосистемах опор­ные значения либо рассчитываются, либо задаются в виде таблиц. Например, в системе управления роботом перемещения манипулятора как функция времени описывают­ся траекторией. Траектория рассчитывается заранее как кривая в пространстве, ко­торая называется путь (path) или контур (contour) и хранится в табличном виде в памяти компьютера вместе с заданными интервалами времени. Таким образом, на­бор опорных значений для контроллеров положения шарниров манипулятора извес­тен в любой момент времени. Однако во многих случаях траектория должна рассчи­тываться одновременно с перемещением манипулятора робота, что существенно загружает ЦП из-за сложной геометрии манипулятора.

Рис. 2.10. Генерация опорного значения

Каждое вновь вычисленное опорное значение сравнивается с текущим положени­ем. Затем компьютер посылает сигналы коррекции двигателям, управляющим меха­ническими шарнирами. Должна быть также предусмотрена и обратная операция — определение положения манипулятора по углам поворотов шарниров. Оба вида рас­четов требуют значительных вычислительных ресурсов и критичны по времени.