Вопрос 4. Цифро-аналоговое преобразование сигналов

Важным этапом во многих процессах управления является цифро-аналоговое (ЦА, Digital/Analog – DA) преобразование – генерация аналогового сигнала с уровнем напряжения, соответствующим цифровому значению на входе. Эта процедура используется для передачи от компьютера управляющего сигнала исполнительному механизму или опорного значения для регулятора. ЦА-преобразование – также необходимый шаг в выполнении обратного аналого-цифрового (АЦ) преобразования.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, Digital-analog Converter, D/A converter– DAC) вырабатывает выходной аналоговый сигнал, линейно зависящий от n-битного цифрового входного сигнала. В наиболее распространенных схемах каждый бит входного слова управляет некоторой составляющей выходного напряжения, которое генерируется каскадом сопротивлений (рис. 6.3). Величины резисторов выбираются так, чтобы получать напряжения, равные 1/2, 1/4, ..., 1/2ⁿ опорного значения, которые соответствуют позиции соответствующего бита в слове. Эти значения складываются под управлением входных бит и затем усиливаются. ЦАП можно также сконструировать и для получения токового выхода.

Рис. 6.3. Цифро-аналоговый преобразователь с каскадом сопротивлений.

Положение ключей соответствует либо 0, либо 1 во входном цифровом слове. входное напряжение составляется из последовательно убывающих членов

.

Например, в 8-битном ЦАП байт 01011001 приводит к следующему выходному напряжению (при = – 10 В)

Очевидно, что ЦАП выдает только дискретные выходные напряжения с разрешением .

Необходимо отметить, что если при изменении значения входного слова соответствующие ключи ЦАП не изменяют своего состояния все одновременно, то в переходном режиме может появиться нежелательный всплеск (glitch) напряжения на аналоговом выходе. Для устранения этой проблемы последовательно с ЦАП включают схему выборки и хранения (стабилизатор), которая поддерживает выходное значение постоянным, пока ключи не установятся.

Самые важные характеристики ЦАП, которые нужно учитывать при его выборе или разработке, перечислены ниже.

• Линейность (linearity): в какой степени связь между цифровым входом и выходным напряжением линейна, или, иначе, величина отклонения реального выходного напряжения от расчетного из-за нелинейности.

• Нулевое смещение (offset error): значение выходного сигнала при нулевом значении на цифровом входе. Всегда должна быть возможность подстроить это значение, например с помощью потенциометра или программного управления.

• Время установления (settling time): время, необходимое для установления выходного напряжения на новое постоянное значение.

• Быстродействие (slew rate): максимальная скорость изменения выходного напряжения (выражается в В/мкс). Быстродействие зависит от времени установления.

Вопрос 5. Использование эвм в замкнутых и разомкнутых контурах управления

Управление есть целенаправленное воздействие управляющего объекта на объект управления, осуществляемое для организации функционирования объекта управления по заданной программе.

Простейшая ситуация - два объекта: один - управляющий, другой - управляемый. Например, человек и телевизор, хозяин и собака, светофор и автомобиль. В первом приближении взаимодействие между такими объектами можно описать следующей схемой:

В приведенных примерах управляющее воздействие производится в разной форме: человек нажимает клавишу или поворачивает ручку управления телевизором, хозяин голосом подает команду собаке, светофор разными цветами управляет движением автомобилей на перекрестке.

С кибернетической точки зрения все варианты управляющих воздействий следует рассматривать как управляющую информацию, передаваемую в форме команд. В примере с телевизором через технические средства управления передаются команды типа "включить-выключить", "переключить канал" и др. Хозяин передает собаке команды "сидеть", "лежать", "взять" голосом. Световые сигналы светофора шофер воспринимает как команды: "красный - стоять", "зеленый - ехать", "желтый - приготовиться". В данном выше определении сказано, что управление есть целенаправленный процесс, т. е. команды отдаются не случайным образом, а с вполне определенной целью. В простейшем случае цель может быть достигнута после выполнения одной команды. Для достижения более сложной цели бывает необходимо выполнить последовательность (серию) команд.

Последовательность команд, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом.

В таком случае объект управления можно назвать исполнителем управляющего алгоритма. В приведенных выше примерах телевизор, собака, автомобиль являются исполнителями управляющих алгоритмов, направленных на вполне конкретные цели (посмотреть интересующую передачу, выполнить определенное задание хозяина, благополучно проехать перекресток).

Итак, мы видим, что кибернетический подход объединяет как материальные, так и информационные процессы, в которых имеет место управление.

Если внимательно обдумать рассматриваемые примеры, то приходишь к выводу, что строго в соответствии с рассмотренной схемой работает только система "светофор - автомобили". Светофор "не глядя" управляет движением машин, не обращая внимание на обстановку на перекрестке. Совсем иначе протекает процесс управления телевизором или собакой. Прежде чем отдать очередную команду, человек смотрит на состояние объекта управления, на результат выполнения предыдущей команды. Если он не нашел нужную передачу на данном канале, то переключит телевизор на следующий канал; если собака не выполнила команду "лежать!", хозяин повторит эту команду. Из этих примеров можно сделать вывод, что управляющий не только отдает команды, но и принимает информацию от объекта управления о его состоянии. Этот процесс называется обратной связью.

Обратная связь - это процесс передачи информации о состоянии объекта управления к управляющему объекту.

Управлению с обратной связью соответствует следующая схема:

Системы управления с обратной связью называются замкнутыми системами управления, а системы управления, не имеющие корректирующей обратной связи, - разомкнутыми системами.

В варианте управления без обратной связи алгоритм может представлять собой только однозначную последовательность команд. Например, алгоритм работы светофора: красный – желтый – зеленый – красный – желтый – зеленый - и т. д. Такой алгоритм является линейным, или последовательным.

При наличии обратной связи алгоритм может быть более гибким, допускающим альтернативы и повторения. При этом сам управляющий должен быть достаточно «интеллектуальным» для того, чтобы, получив информацию по обратной связи, проанализировать её и принять решение о следующей команде. Во всех случаях, где управляющим является человек, это условие выполнено.

Если вместо светофора на перекрестке дорог работает милиционер-регулировщик, то управление движением станет более рациональным. Регулировщик следит за скоплением машин на пересекающихся дорогах и дает "зеленую улицу" в том направлении, в котором в данный момент это нужнее. Нередко из-за "безмозглого" управления светофора на дорогах возникают "пробки", и тут непременно приходит на помощь регулировщик. Таким образом, при наличии обратной связи и "интеллектуального" управляющего, алгоритмы управления могут иметь сложную структуру, содержащую альтернативные команды (ветвления) и повторяющиеся команды (циклы).

Системы, в которых роль управляющего поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением.

Для функционировании такой системы, во-первых, между ЭВМ и объектом управления должна быть обеспечена прямая и обратная связь; во-вторых, в память компьютера должна быть заложена программа управления (алгоритм, записанный на языке программирования). Поэтому такой способ управления называют программным управлением.

Еще раз кратко сформулируем суть кибернетического подхода к процессу управления:

- управление есть информационное взаимодействие между объектом управления и управляющей системой;

- управляющая информация передается по линии прямой связи в виде команд управления;

- по линии обратной связи передается информация о состоянии объекта управления;

- последовательность управляющих команд определяется алгоритмом управления;

- без учета обратной связи алгоритм может быть только линейным, при наличии обратной связи алгоритм может иметь сложную структуру, содержащую ветвления и циклы.

Кибернетика по такой схеме описывает управление в технических системах, в живом организме и даже в человеческом обществе. Специалисты, работающие в этой области, исследуют и проектируют различные технические управляющие системы, начиная от достаточно простых систем автоматического регулирования до сложных автоматизированных систем управления – АСУ. В рамках технической кибернетики развивается и теория построения вычислительных машин, а также логические методы синтеза дискретных управляющих устройств.

Биологическая кибернетика изучает процессы переработки информации в нервной ткани животных и человека и создаёт различные искусственные системы живой природы.

Экономическая кибернетика – наука, где расчёты и модели экономических процессов столь же привычны, как и в ранее формализованных науках.

Наконец, социальная кибернетика изучает процессы управления, протекающие в человеческом обществе (модели распространения слухов, модели возникновения лидерства и т.п.).

В современном обществе кибернетика уступила пальму первенства информатике, решающей многие задачи, которые поставила перед собой кибернетика. Но значение кибернетики как науки об общих принципах управления в живых и неживых системах, в искусственных системах и обществе сохраняется и сейчас.