1.5. Способы кодирования иформации в системах управления

Сигналы  материальные носители информации о цели управления, состоянии объекта и среды. На физическом уровне  это механические, акустические или электромагнитные возмущения, протекающие во времени, т. е. разнообразные процессы. Сигналы на входах и выходах функциональных элементов систем управления рассматриваются как носители информации, а сами элементы — преобразователи сигналов — как устройства передачи и обработки этой информации

Если информация кодируется уровнями сигналов в любой момент времени (рис. 1.15, а), то говорят о непрерывных системах (системы с непрерывным временем, аналоговые системы).

В том случае, когда информация кодируется каким-либо параметром (высота, ширина, фаза) импульсов определенной формы, то имеют дело с импульсными системами. Между импульсами уровень сигнала неинформативен и, как правило, резко отличается от уровня сигнала в моменты прохождения импульсов, например, равен нулю или близок к нулю.

Рис. 1.15. Типы сигналов

Если информативным признаком импульса является его амплитуда, принимающая любой уровень, то говорят об амплитудно-импульсной модуляции. На рис. 1.15, б изображена последовательность прямоугольных импульсов, высота (амплитуда) которых кодирует информацию в моменты времени, кратные периоду T ; это случай амплитудно-импульсной модуляции. Если, например, информация кодируется как длительность (ширина) импульсов фиксированной амплитуды  это широтно-импульсная модуляция. Информация может кодироваться и как время между импульсами, как это бывает в фазоимпульсных (времяимпульсных) устройствах. При фазоимпульсной модуляции тактовые импульсы следуют с периодичностью Т, а интервал до информативного импульса (временной сдвиг) кодирует информацию. Существуют автоматические системы, в которых информация кодируется частотой (периодом) следования импульсов.

Важное место занимают системы управления, в которых информация кодируется амплитудой переменного тока, т. е. огибающей несущего сигнала. Примерами таких систем являются автоматические системы с двигателями переменного тока, системы с радиоканалами с амплитудной модуляцией и др. (см. рис. 1.15, в).

В ряде систем автоматического управления информация о непрерывно изменяющемся состоянии объекта может быть получена с точностью до принадлежности к конечному множеству событий. Например, о температуре в помещении известно, что "холодно", "комфортно", "жарко". Следовательно, сигнал может принимать три различных значения. Если увеличить число градаций ("холодно", "прохладно", "комфортно", "тепло", "жарко"), то количество информации увеличивается, так как конкретизируется одна из пяти возможных ситуаций вместо трех. Чем больше число градаций, тем больше информации, наименьшее же число, очевидно, равно двум ("холодно", "тепло"). С другой стороны, и число уровней управляющего воздействия на объект часто бывает конечным. Очевидно, и здесь наименьшее число равно двум (например, "включить", "выключить").

Если уровни сигнала могут принимать значения из счетного или конечного множества, а время непрерывно, то это сигналы, дискретные по уровню и непрерывные во времени. Это, например, случай релейных сигналов и систем. В принципе, такие сигналы способны нести меньший, по сравнению с непрерывными сигналами, объем информации, так как сообщают о состоянии объектов с точностью до конечного числа событий. На рис. 1.16 иллюстрируется сигнал на выходе трехпозиционного релейного элемента. Хотя и здесь сигнал имеет импульсный характер, но существенное отличие от импульсных сигналов заключается в том, что переключения реле происходят в произвольные моменты времени (асинхронно), а не являются кратными определенному периоду.

Рис. 1.16. Пример релейного сигнала

В общем случае, при малой информации о состоянии нетривиального объекта и малом разнообразии управляющих воздействий качество процессов управления будет невысоким. С повышением требований к точности управления растет и количество требуемой информации — необходимое число различаемых ситуаций. Например, если разбивать диапазон температур через каждый градус, то в задаче стабилизации температуры в жилых или офисных помещениях такое количество информации практически не отличается от непрерывного измерения. Ясно также, что повышение качества процессов управления, в принципе, связано с увеличением разнообразия воздействий на объект.

Информация может кодироваться в виде "пакетов" из конечного числа импульсов, следующих с периодичностью Т. Чаще всего, импульсы двух определенных типов соответствуют единице и нулю. В цифровых системах пакеты импульсов кодируют конечное число событий в двоичной системе. Это случай цифровых сигналов. В цифровых системах управления, как и в импульсных, происходит дискретизация времени. Кроме того, в силу конечности разрядной сетки вычислительных устройств уровень принадлежит конечному множеству (хотя, быть может, и очень большой мощности).