Введение
Применение микропроцессорной техники, компьютеров или ЭВМ в качестве устройств управления в настоящее время является распространенным явлением. Это связано со значительным удешевлением средств вычислительной техники и ее универсальными возможностями в обработке информации. Ввиду того что обработка информации осуществляется в цифровой форме, системы управления, построенные на основе вычислительной или микропроцессорной техники, называются цифровыми.
При автоматизации работы сложных технических объектов, какими являются робототехнические комплексы, технологические установки текстильного, химического, деревообрабатывающего, машиностроительного производства, энергетические агрегаты, системы цифрового управления целесообразно строить как многоуровневые с иерархической соподчиненностью. Методика синтеза таких многоуровневых систем подробно рассмотрена в учебном пособии [I]. В общем случае выделяется три функциональных уровня – оптимизация процесса, взаимосвязанное (управление) и локальное управление. Такой подход значительно упрощает синтез и практическую реализацию цифровых систем управления.
Например, в децентрализованной системе управления робототехническими комплексами верхний уровень вырабатывает программное задание движения в виде изменения во времени координат положения конкретного звена исполнительного механизма. Локальные регуляторы обеспечивают заданные динамические свойства электропривода и статическую точность отработки угла поворота. Разделение функций между уровнями упрощает задачи синтеза законов управления и снижает требования по быстродействию и объему памяти к вычислительным устройствам каждого уровня. Поэтому многоуровневые системы находят наибольшее практическое применение.
Качество управления в многоуровневых системах в первую очередь зависит от работы локальных регуляторов нижнего уровня, так как они непосредственно управляют нагревательными элементами, электрическими клапанами, электроприводами и другими исполнительными устройствами. Эти регуляторы могут работать как в составе многоуровневых систем, так и использоваться самостоятельно. Отсюда вытекает важность синтеза таких локальных цифровых систем управления, которые обеспечивают высокие статические и динамические показатели.
В цифровых системах на ЭВМ или микропроцессорный регулятор возлагаются также функции логического управления пуском, остановом, переходом с одного технологического режима на другой, также функции диспетчеризации, регистрации и диагностики состояния технологических агрегатов. Эти функции достаточно хорошо алгоритмизируются и, как правило, не вызывают принципиальных затруднений при написании программ управления.
Более сложной является задача синтеза законов цифрового управления (цифровых регуляторов) в замкнутой системе автоматического управления непрерывными технологическими процессами. Простое “механическое” использование методов синтеза, используемых для аналоговых систем управления, для цифровых систем из-за наличия квантования сигналов по времени и уровню возможно не всегда. Это может привести к таким нежелательным последствиям, как получение более худшего качества регулирования, вплоть до потери устойчивости. Поэтому анализ и синтез цифровых систем управления целесообразно осуществлять с учетом квантования сигналов. Этого требует, в свою очередь, переход от описания процессов управления в виде дифференциальных уравнений к разностным и от непрерывного преобразования Лапласа к дискретному.
Кроме того, гибкость программируемых цифровых регуляторов, позволяет не ограничиваться только выбором стандартных пропорциональных, интегральных и пропорционально-интегрально-дифференциальных законов регулирования, как в случае аналоговых устройств. Возникает техническая возможность применять более сложные законы и алгоритмы управления, которые могут обеспечить значительно более высокое качество регулирования по различным показателям, чем в случае использования аналоговых регуляторов. Поэтому знание и умение осуществлять анализ и синтез цифровых систем управления является обязательным требованием к специалистам по автоматизации.
В пособии представлены два подхода: один основан на операторно-структурном описании САУ в виде моделей “вход-выход” или передаточных функций; другой - на понятии переменных состояний или пространства состояний. В обоих случаях решается одна задача – компенсация или нужное размещение нулей и полюсов замкнутой системы, обеспечение требуемого качества переходного процесса.