Цифровые системы управления техническими средствами

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА : ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ № 33 ТЕМА: ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ ТЕМА: ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ Цель : получить знания по вопросам теории построения и функционирования цифровых систем управления и практической реализации программно-аппаратных средствах с цифровым управлением Вопросы 1. Общее понятие о цифровых системах управления (ЦСУ). Характеристика ЦСУ. 2. Особенности аппаратной реализации цифровых систем управления. Литература. 1.Курс лекций по дисциплине «Информационно-управляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2015 г, лекция № 33 2.Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с. 2 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ (ЦСУ). ХАРАКТЕРИСТИКА ЦСУ. ОСОБЕННОСТИ АППАРАТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ЦСУ. В современных условиях сохраняется устойчивая тенденция . увеличения доли цифровых методов преобразования, обработки, передачи и хранения информации во всех сферах деятельности человека, идёт смена поколений технических средств обработки информации и информационного обмена. Эти средства могут непосредственно не затрагивать традиционные области автоматизации: датчики, приводы, регуляторы, однако меняют среду существования средств автоматизации в целом. 3 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ (ЦСУ В период бурного развития микропроцессорной техники (80-е годы 20-го века) было разработано и внедрено огромное . количество технических устройств для САУ с жёсткой логической структурой, обладавших вполне удовлетворительными характеристиками. Вместе с тем становилось ясно, что только использование перепрограммируемых и универсальных устройств обеспечит будущее технических средств автоматики. На этом этапе произошло разделение путей развития САУ на две линии: на основе универсальных ЭВМ, и на основе контроллеров и более простых ЭВМ, но зато оптимизированных для требуемой задачи. Оба подхода получили право на жизнь, а их разумное сочетание обеспечивает высокое качество систем автоматического управления (САУ). 4 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ (ЦСУ) В САУ обычно имеется большое количество разнообразных датчиков и преобразователей информации физических величин, . как температура, давление, расход жидкостей, скорость и т.п. таких, Датчики преобразуют исходную физическую величину в некоторую стандартную величину, например, напряжение. При использовании в САУ ЭВМ встаёт задача преобразования этой промежуточной величины в цифровую форму, Развивается новое поколение датчиков, в которых имеются встроенные контроллеры, осуществляющие такое преобразование. Такой интеллектуальный датчик сам становится элементом вычислительной сети, поддерживающим сетевой протокол и передающим данные в цифровой форме. Часто в контроллере такого датчика производится предварительная цифровая обработка сигнала, например, коррекция систематической погрешности преобразователя, предварительная фильтрация случайных помех, а также контроль работоспособности. 5 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ. Сегодня большинство технических средств САУ становятся чисто цифровыми, в которых преобразование физических . данных происходит непосредственно в цифровую форму, подготовленную к передаче по каналу связи. Цифровыми и интеллектуальными (со встроенными микроконтроллерами) в САУ могут быть и другие составные части: исполнительные устройства, каналы связи, задатчики воздействий, фильтры и т.п. Кроме перепрограммируемости, это даёт повышение надёжности за счёт гибкости конфигурации. Количество компьютеров, используемых для управления процессами производства и в задачах управления, нарастает практически экспоненциально. 6 ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. . 7 ЗАДАЧИ РЕШАЕМЫЕ ЦСУ 8 1. ОСОБЕННОСТИ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ Работа дискретных систем (ДС) связана с воздействием, передачей и преобразованием последовательности импульсов. В . отдельные точки ДС сигналы управления поступают в некоторые заданные или произвольные промежутки времени. Характерной чертой любой ДС является наличие импульсных элементов (ИЭ), с помощью которых осуществляется преобразование непрерывных величин в последовательности дискретных сигналов. Современная теория управления располагает универсальным методом исследования дискретных систем на основе специального математического аппарата - дискретного преобразователя Лапласа, который позволил максимально приблизить методологию исследования ДС к методологии исследования непрерывных систем. Однако работа ДС связана с квантованием непрерывных сигналов и теория управления дискретными системами имеет особенности, обусловленные наличием в этих системах импульсных элементов. 9 1. ОСОБЕННОСТИ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ При квантовании по уровню непрерывный сигнал х(t) преобразуется в последовательность дискретных сигналов, . фиксированных в произвольные моменты времени при условии Dx = const. Системы, в которых используются сигналы, квантованные по конечному числу уровней (часто 2-3 уровня), называются релейными системами. Квантование по уровню является нелинейным преобразованием сигналов, следовательно, релейные системы относятся к классу нелинейных систем. При квантовании по времени сигналы фиксируются в дискретные моменты времени Dt = const. При этом уровни сигнала могут принимать произвольные значения. Системы, реализующие квантование сигналов по времени, называются импульсными системами (ИС). Квантование по времени осуществляется импульсным элементом, который в частном случае пропускает входной сигнал х(t) лишь в течение некоторого времени. 10 1. ОСОБЕННОСТИ ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ При квантовании по уровню и по времени непрерывный сигнал заменяется дискретными уровнями, ближайшими к . значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты времени Dt = const. Дискретные системы, реализующие сигналы, квантованные по уровню и по времени, называются релейно-импульсными, или цифровыми. В этих системах квантование по уровню и по времени осуществляется кодоимпульсным модулятором или цифровым вычислительным устройством. 11 ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Коэффициент усиления kи импульсного элемента - отношение величины модулируемого параметра импульсов к величине входного сигнала хвх(t) в соответствующий дискретный момент времени. Например, коэффициент усиления амплитудного импульсного элемента kи = А/xвх, где А - амплитуда импульса, хвх - соответствующее дискретное значение входной величины. Период повторения импульсов Т или частота повторения импульсов ω0 = 2π/Т. Длительность импульсов τ = bТ, где b - скважность импульсов, показывающая, какую часть периода повторения импульсов занимает длительность импульса. Форма импульса S(t) может быть прямоугольной, треугольной, синусоидальной, экспоненциальной, и пр. Характеристика импульсного элемента - зависимость величины модулируемого параметра импульсов от соответствующих дискретных значений входной величины. Может быть как линейной, так и нелинейной (логарифмической), а также комбинированной. 12 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 13 ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ЦСУ. Многие задачи требуют формирования таких сложных законов управления объектами, которые не могут быть реализованы традиционными элементами и устройствами автоматики. Так, например, в системах управления движущимися объектами требуются сложные вычисления с преобразованием координат, решением прямоугольных и сферических треугольников, счислением пути и т. п. Очень сложные вычисления производятся в адаптивных системах управления. Эти задачи решаются с помощью средств вычислительной техники, вводимых в контур управления динамической системой. По принципу действия ЭВМ, используемые в системах управления, разделяются на два типа: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЭВМ). 14