Разомкнутые и замкнутые цифровые СУ. Цифровой компьютер

      Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т. д.), называются программными автоматическими системами. К таким системам относится, например, САР скорости шахтной подъемной машины.

      Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной,  закон изменения  которой  заранее    неизвестен,    называются ^ следящими  автоматическими  системами.  Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая  производство сжатого  воздуха    в    соответствии с  его потреблением,   имеющим  случайный характер  изменения во  времени.

      Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного    управления   (рис. 3, б).  В таких системах    воздействие и вырабатывается    управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигнала z_и, который суммируется с заданием х₃ компенсируя тем самым  вредное влияние возмущения г на управляемую величину х.

      Успешное  развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый! принципом адаптации  (приспособления).  Системы, использующие этот принцип, способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функционирования, например, добычными механизмами и буровыми установками, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства горного массива, масса подвижных частей и др.

      Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (рис. 3, в) содержит дополнительное управляющее устройство УУД, которое вырабатывает корректирующее воздействие , используя информацию об изменении управляемой величины, задающего и возмущающего воздействия. Сигнал вызывает необходимые изменения структуры и параметров основного управляющего устройства УУ₀, т. е. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функционирования.

      В зависимости от характера сигналов, передаваемых от одного элемента системы  к другому, автоматические системы  делятся на непрерывные, импульсные, релейные и цифровые (кодовые).

      Непрерывные системы имеют на входе и выходе всех элементов сигналы, представляющие собой непрерывные функции времени.

      Импульсные  системы содержат по крайней мере один элемент, сигнал на выходе которого представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторений которых зависят от .сигнала на входе этого элемента в отдельные (дискретные) моменты времени.

      Релейные  системы характеризуются наличием хотя бы одного элемента, сигнал на выходе которого изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фиксированные значения, называемые порогами или уровнями.

      Цифровые  системы содержат элементы, которые  преобразуют непрерывные сигналы  в дискретные путем квантования их по уровню и по времени и осуществляют их представление в виде последовательности чисел в цифровом коде.

      Импульсные, релейные и цифровые системы образуют класс дискретных систем управления, характерной особенностью которых является наличие одного или нескольких дискретных сигналов, т. е. сигналов, изменяющихся скачком или представленных в виде последовательности кратковременных импульсов. Дискретные системы в настоящее время в связи с бурным развитием вычислительной техники получают все большее применение в промышленной автоматике.

      В зависимости от характера реакции  на возмущения САУ делятся на статические и астатические.

      К статическим САУ относятся системы, у которых установившееся значение управляемой величины зависит от величины возмущающего воздействия, так что отклонение от задания пропорционально величине последнего, т. е. в системе всегда имеется так называемая статическая погрешность.

      В астатических системах установившееся значение управляв мой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю.

      Проектированию  любой автоматической системы предшествует анализ производственного процесса, условий эксплуатации и формулирование требований к САУ. В связи с этим далее рассматриваются некоторые вопросы теории, раскрывающие принципы построения автоматических систем и закономерности протекающих в них процессов.

2.  Цифровой компьютер 

     Рассмотрим  подробно компьютер, входящий в состав замкнутой цифровой системы управления (рис. 4). Здесь и далее аналоговые сигналы обозначаются сплошными линиями, а дискретные (числовые последовательности) — точечными.

Рис. 4. Блок-схема цифрового компьютера 

      Аналоговые  входные сигналы (задающие воздействия, сигнал ошибки, сигналы обратной связи  с датчиков) поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразуются в цифровую форму (двоичный код). В большинстве случаев АЦП выполняет это преобразование периодически с некоторым интервалом T , который называется интервалом квантования или периодом квантования. Таким образом, из непрерывного сигнала выбираются дискретные значения (выборка, англ. sampling) e[k] = e(kT) при целых k=0,1,…, образующие последовательность {e[k]}. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, сигнал на выходе АЦП можно трактовать как последовательность чисел. Вычислительная программа в соответствии с некоторым алгоритмом преобразует входную числовую последовательность {e[k]} в управляющую последовательность {v[k]}.

      Цифро-аналоговый преобразователь  (ЦАП) восстанавливает непрерывный сигнал управления по последовательности {v[k]}. Чаще всего ЦАП работает с тем же периодом, что и АЦП на входе компьютера. Однако для расчета очередного управляющего сигнала требуется некоторое время, из-за этого возникает так называемое вычислительное запаздывание. На практике принято это запаздывание относить к непрерывной части системы и считать, что АЦП и ЦАП работают не только синхронно (с одинаковым периодом), но и синфазно (одновременно).

      Особенности цифровых систем

      Очевидно, что основные характерные черты цифровых систем управления связаны с наличием компьютера (цифрового устройства) в составе системы. Главные преимущества цифровой управляющей техники сводятся к следующему:

• используется стандартная аппаратура;

• нет дрейфа параметров, характерного для аналоговых элементов;

• повышается надежность и отказоустойчивость;

• существует возможность реализации сложных законов управления, в том числе логических и адаптивных;

• гибкость, простота перестройки алгоритма управления.

      Как обычно, за достоинства приходится расплачиваться. В результате квантования по времени компьютер получает только значения входных сигналов в моменты квантования, игнорируя все остальные. Кроме того, АЦП и ЦАП имеют ограниченное число разрядов, поэтому при измерении входного сигнала и выдаче сигнала управления происходит округление значения к ближайшему, которое сможет обработать АЦП (или ЦАП). Это явление называют квантованием по уровню.

      Таким образом, квантование в цифровых системах приводит к специфическим эффектам, которые можно считать их недостатками:

• между моментами квантования система фактически не управляется, это может привести к потере устойчивости;

• при квантовании по времени теряется информация о значениях измеряемых сигналов между моментами квантования;

• квантование по уровню приводит к потере точности, что может вызвать дополнительную ошибку в установившемся режиме и автоколебания.

ЛИТЕРАТУРА 

1. П.Д. Гаврилов., Л.Я. Гимельштейн, А.Е. Медведев. Автоматизация  производственных процессов. М: Недра,1985

2. Исаковия  Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация  добычи нефти и газа. М.: Недра,1985