1. Введение Цель курса «Цифровые системы автоматического управления»

В процессе проектирования системы автоматического управления решаются следующие основные задачи:

1. аппаратная реализация системы; на этом этапе проектирования выбирается соответствующий тип контроллеров, устройства ввода/вывода, устройства отображения параметров системы управления и ввода задающих сигналов; решаются вопросы электромагнитной совместимости оборудования системы управления;

2. разработка или выбор соответствующей операционной системы, разработка драйверов устройств, использование языков программирования;

3. разработка алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые показатели точности, устойчивости, качества переходных процессов.

Целью данного курса является изучение методов анализа и синтеза цифровых систем автоматического управления, т.е. изучение вопросов, относящихся к третьей группе перечисленных выше задач.

1. Введение

1.1. Общие сведения

Дискретные и цифровые системы управления отличаются от непрерыв­ных или аналоговых тем, что сигналы в одной или нескольких точках этих систем представляют собой последовательность импульсов или цифровой код. В литературе по управлению термины "импульсные системы", "диск­ретные системы", "системы с дискретным временем", "цифровые систе­мы "используются довольно произвольно. Правильнее термин"импульс­ные"относить к системам с амплитудной модуляцией импульсов, при ко­торой информационным параметром является амплитуда импульса, тер­мин"цифровые"обычно относят к системам, в которых сигналы генери­руются ЭВМ или цифровыми устройствами в виде кодов. Однако в реальных системах управления могут присутствовать как аналоговые и импульсные сигналы, так и цифровые коды.

На рис. 1.1 показана типичная импульсная система управления с обрат­ной связью. Квантователь представляет собой устройство, выходной сигнал которого имеет вид периодической или непериодической последователь­ности импульсов, причем между двумя соседними импульсами информа­ция отсутствует.

Рис1.1. Импульсная система управления с обратной связью

Рис. 1.2 иллюстрирует принцип работы квантователя. Непрерывный входной сигнал е(t) квантуется по времени, при этом выходной сигнал квантователя представляет собой последовательность импульсов. Пред­полагается, что в рассматриваемом случае частота квантования постоян­на, а амплитуда импульса в момент замыкания определяется соответствующим значением входного сигналае(t). Существуют и другие способы квантования сигналов, например, квантование с циклически изменяю­щимся периодом, многократное, со случайным периодом, с широтно-импульсной модуляцией. На практике наиболее распространены кванто­вание с постоянным периодом и многократное квантование. Расположенный между квантователем и управляемым процессом фильтр выполняет функцию сглаживания, так как большинство управ­ляемых процессов рассчитано на прием аналоговых сигналов.

а) б)

Рис. 1.2. Непрерывный входной (а) и дискретный выходной (б) сигналы квантователя

В цифровой системе управления сигналы в одной или нескольких точ­ках представляются цифровыми кодами, с которыми оперируют цифро­вая электронная вычислительная машина (ЭВМ) или цифровое устройст­во. Структура типичной цифровой системы управления показана на рис. 1.3. Наличие в некоторых точках системы сигналов в виде цифрового кода, например, двоичного, обусловливает использование цифроаналогового (цап) и аналогоцифрового (АЦП) преобразователей. Хотя между структурами и элементами импульсной и цифровой систем имеются су­щественные различия, математические описания этих систем достаточно близки, и они могут быть исследованы одинаковыми аналитическими ме­тодами.

Рис. 1.3. Типичная цифровая система управления

В современных системах управления используются дискрет­ные элементы и цифровые процессоры. Некоторые из преимуществ им­пульсных и цифровых систем заключаются в следующем: повышенная чувствительность, большая надежность, отсутствие дрейфа, более высокая устойчивость к шумам и возмущениям, меньшие габаритные размеры и масса, меньшая стоимость, удобства в программировании. Одним из существенных преимуществ цифровых контроллеров яв­ляется их большая гибкость по сравнению с аналоговыми регуляторами. Программа цифрового регулятора может быть изменена в соответствии с требованиями проектировщиков или приспособлена к характеристикам объекта без каких-либо изменений в аппаратном обеспечении.