Глава 13 цифровые системы автоматического управления

13.1. Включение эвм в сау

В современных САУ для реализации сложных алгоритмов управления применяют как аналоговые, так и цифровые ЭВМ. Аналоговые вычислительные устройства используют, например, для сложения и вычитания воздействий в контурах управления, вычисления производных и интегралов, построения перестраиваемых моделей ОУ в адаптивных системах, т. е. там, где реализуются основные достоинства аналоговой техники: большое быстродействие, возможность работы в реальном масштабе времени и непосредственного сопряжения с измерительными и исполнительными устройствами, относительная простота, высокая экономическая эффективность. Но недостаточные точность и помехоустойчивость аналоговых устройств, неудобство и ограниченные возможности программирования, а также все возрастающая сложность подлежащих реализации алгоритмов обусловливают применение цифровых ЭВМ.

При использовании цифровой вычислительной техники в САУ необходимо преобразовать аналоговые сигналы в цифровые при вводе их в цифровую вычислительную машину (ЦВМ) и цифровые сигналы в аналоговые при их выводе. Для этого используют соответственно аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи (рис. 13.1).

Аналого-цифровое преобразование осуществляют посредством квантования непрерывного сигнала по времени и уровню (рис. 13.2).

Квантование по времени производят на основании теоремы Котельникова. Согласно этой теореме непрерывный сигнал, спектр которого ограничен частотой f_min, можно представить в виде его отдельных значений *(/,), взятых через промежуток времени Δt ≤ 1/(2 f_max). Соответственно частота дискретного сигнала fо = f_max, где коэффициент запаса k₃ = 2... 10 (выбирается в зависимости от требуемой точности и уровня помех).

В результате использования квантованных по времени сигналов САУ становится импульсной, т.е. с ее помощью можно осуществлять многоточечное управление, при котором одно управляющее устройство используется для управления многими объектами (или различными параметрами одного объекта) путем последовательного переключения.

Квантование по уровню заключается в том, что весь диапазон возможных значений непрерывного сигнала х_mах разбивается на М уровней. При этом в качестве значения сигнала в момент времени t_i берется не истинное его значение, а номер ближайшего уровня т в виде цифрового кода. Как видно из рис. 13.2, возникающая при этом ошибка квантования по уровню δ_x не превышает половины шага квантования Δх. Следовательно, увеличивая число уровней квантования М и соответственно уменьшая Δх, ошибку δ_x можно сделать сколь угодно малой.

Квантование по времени приводит к необходимости применения при анализе управляющих систем дискретного преобразования Лапласа, используемого для импульсных систем. Квантование по уровню является существенно нелинейной операцией, приводящей к необходимости рассмотрения цифровых систем в качестве нелинейных, поэтому с позиций теории регулирования цифровые САУ являются нелинейными импульсными системами. Однако в предельном случае, т. е. при fо >> f_max и Δх << х_mах, их можно рассматривать как линейные непрерывные системы.

В САУ используют как специализированные цифровые вычислительные устройства, так и серийные ЦВМ. Специализированные вычислительные устройства управления, иначе называемые цифровыми регуляторами, разрабатываются специально для конкретных САУ, т.е. использование их рационально в тех случаях, когда программы управления постоянны и перепрограммирования не требуется. В настоящее время для этих целей все шире применяют встроенные микропроцессоры, сочетающие в себе большие алгоритмические возможности с высокой экономической эффективностью (например, при построении систем числового программного управления станками и промышленными роботами-манипуляторами) .

Для многоточечного управления сложными ОУ используют серийно выпускаемые управляющие микро- и мини-ЭВМ (УВМ).

Основными особенностями малых ЭВМ, предназначенных для применения в САУ, являются:

упрощенная система команд;

ограниченный объем оперативной памяти (примерно 64 Кбайт);

сокращенная длина машинных слов (обычно 2 байта);

упрощенный интерфейс;

наличие дополнительных устройств для автоматического схемного контроля работы всех блоков и резервирование особо важных блоков в целях повышения надежности работы ЭВМ.

В настоящее время в САУ вместо отдельных ЭВМ используют управляющие вычислительные комплексы (УВК), представляющие собой унифицированную систему технических и программных средств эксплуатационного обеспечения и стандартов. УВК используются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП), при автоматизации научных и технических экспериментов, в испытательных и измерительных САУ.

Набор технических средств УВК включает в себя процессорные устройства различной производительности, устройства ввода-вывода, устройства связи с объектами (УСО), устройства передачи данных (УПД), мультисистемные средства и другие устройства, позволяющие компоновать самые разнообразные САУ.

Области применения САУ все время расширяются, и сложность ОУ непрерывно возрастает, например Единая автоматизированная система связи (ЕАСС), автоматизированные системы управления предприятиями и целыми отраслями промышленности и т.д. Во всех перечисленных САУ необходимо оперативно обрабатывать столь большие объемы информации, что в качестве центрального вычислительного устройства в них используются универсальные высокопроизводительные ЭВМ.

В последние годы появились задачи управления, для реализации которых недостаточно возможностей ни аналоговых (малы точность и алгоритмические возможности), ни цифровых (мало быстродействие) ЭВМ. К таким задачам относятся:

управление движущимися объектами, когда траектория формируется в процессе движения;

моделирование и идентификация сложных объектов (включая биологические) в реальном масштабе времени;

создание комплексных тренажеров (например, для подготовки летчиков и космонавтов).

Для решения подобных задач используют гибридные (аналого-цифровые) вычислительные системы, сочетающие в себе достоинства аналоговых и цифровых ЭВМ.