1.2. nPICHMymiiCTBA ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ

Для полного понимания достоинств и преимуществ дискретных си-тем мы должны уяснить, почему используются дискретные сигналы. Другими словами, какие преимущества и характеристики дискретных сис-гем определяют повышенный к ним интерес в современной технике управления? Отвечая на эти вопросы, необходимо прежде всего отметить, что Miiorne физические системь: дискретны, т.е. их поведение может быть описано дискретными или щфровыми моделями. Например, в радарных системах передаваемые и принимаемые сигналы являются импульсными. Существуют многочисленные явления, сощальные, экономические и биологические системы, динамика которых может быть описана дискретными моделями.

Во многих современных системах управления используются дискретные элементы и цифровые процессоры. Некоторьге из преимуществ им-ггульсиых и цифровьгх систем заключаются в следующем: повышенная чувствительность, большая надежность, отсутствие дрейфа, более высокая устойчивость к шумам и возмущениям, меньшие габаритные размеры и масса, меньшая стоимость, удобства в программировании.

Система с падающей дужкой, описанная в п. 1.1, является примером повьгшения чувствительности в дискретной системе. В этом случае малые сигналы усиливаются благодаря операции квантования.

Одним из существенных преимуществ цифровьгх контроллеров является их большая гибкость по сравнению с аналоговыми регуляторами. Программа цифрового регулятора может быть изменена в соответствии с требованиями проектировщиков или приспособлена к характеристикам объекта без каких-;ш6о изменений в аппаратном обеспечении. Цифровые компоненть! электр01ншгх схем часто надежнее, прочнее и компактнее, чем аналоговые компоненть! того же назначения. Эти и другие очевидные преимущества дискретньгх систем склоняют проектировщиков к их выбору.

1.3. ПРИМЕРЫ ИМПУЛЬСНЫХ и ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

Рассмотрим типичньге примеры импульсных и цифровьгх систем управления, обратив внимание на их основные элементы, хотя этот обзор и не будет исчерпывающим.

Автопилот. На рис. 1.7 показана упрощенная структурная схема аналогового автопилота для одного управляемого параметра (угол тангажа, рыскания или крена) летательного аппарата. Это типичная аналоговая, или непрерывная, система, в которой сигналь: могут быть представлены как функции от непрерывного времени t. Целью управления является слежение устройства регулирования угла ориентации аппарата за командным сигналом. Для улучшения устойчивости системы введена обратная связь по скорости. Аналоговый регулятор в системе может быть заменен цифровым, при этом дополнительно требуются аналого-цифровой и цифроанало-говой преобразователи (рис. 1.8). Заметим, что поскольку кроме цифро-

Требуемая вриентация

регулятор

Дипамша летатет-

иого аппарата

Преобразователи полатемия

Гироскоп

Ориентация летательного аппарата

Рис. 1.7. Упрощенная схема аналогового автошшота для одного управляемого параметра

Требуемая ,

>ориентация/!Г>< Преоб

тнтролпер

Преобразадашель полотенип

Гироскоп

Динамит летатель иого аппо-рата

Рис. 1.8. Упрощенная схема цифрового автопилота для одного управляемого параметра

Требуемая гг.-j

ориентация /Г~у. иреоб

)- рзоба- *)-* Ш

Цифробой контроллер

Фиксатор - - Гироскоп

Динамика & летатет-ного олпа-рвта

Квантодатель

Фиксатор -

Преабразодатепь полотеиил

Рис. 1.9. Упрощенная схема цифрового автопилота с многократным квантованием

вого контроллера все остальные элементы системы остались аналоговыми, использование этих преобразователей в ней обязательно.

На рис. 1.9 показана схема цифрового автопилота, в котором сигналы, несущие информацию о положении и скорости летательного аппарата, поступают от цифровых устройств; на схеме они представлены в виде квантователей и фиксаторов. Квантователь преобразует аналоговый сигнал в импульсный в каждый тактовый момент времени, а фиксатор удерживает его уровень неизменным до следующего тактового момента. На рисунке проиллюстрирована ситуация, при которой два квантователя обладают различными периодами квантования {J\ и 72 ). Вообще говоря, если скорость изменения сигнала в одном контуре системы намного меньше, чем в другом, то период квантования в медленном контуре может быть больше. Показанная на рисунке система с двумя квантователями с различными периодами квантования называется системой с многократным квантованием.

Одним из преимуществ систем с квантованием является возможность использования дорогостоящего оборудования в режиме разделения времени.

Цифровая система управления прокатным станом. Многие производственные процессы контролируются и управляются с применением ЭВМ. Практически все современные прокатные станы управляются с помощью ЭВМ. На рис. 1.10 показаны основные элементы такой системы, а на рис. 1.11 изображена ее часть, предназначенная для управления толщиной прокатываемой стальной полосы.

Цифровой контроллер турбины и генератора. На рис. 1.12 показана структурная схема и основные элементы миникомпьютерной системы управления скоростью и напряжением блока турбина-генератор с подсистемой получения Щ1фровых данных. Цифроаналоговые преобразователи образуют интерфейс .межд,у ЭВМ и регуляторами. Подсистема получения щфpoвыx данных обеспечивает измерение и ввод в ЭВМ таких параметров, как угловая скорость генератора, выходное напряжение, ток возбуждения и ток якоря, активная и реактивная мощности. Некоторые из этих параметров могут быть измерены цифровыми преобразователями и через цифровой мультиплексор введены в ЭВМ (рис. 1.13). Сигналы, измеренные аналоговыми преобразователями, поступают на аналоговый мультиплексор, где на обработку каждого сигнала затрачивается определенное время. Устройства, включенные после мультиплексора, используются в режиме разделения времени. Такая подсистема получения данных показана на рис. 1.14. Выход аналогового мультиплексора соединен со входом квантователя. Фиксатор сохраняет значение сигнала на выходе до окончания преобразования этогосигнала аналого-цифровым преобразователем в цифровой код.

Система управления шаговым двигателем. Можно привести пример системы, состоящей только из цифровых элементов, так что в использова-

Прскатите валки

Управление! СматыВающеттолшиной устройство/сдр

ПОЛОСЬ!

Exodmie командт

рео6разоВатет\ Управление Ыатчип натятшем Ьна/пя/цеиия

. Полоса

Датчик

тотцины фаемте устройство

Дисплей

Рис. 1.10. Цифровая система управления прокатным станом

Входной код

тол/динб! I

Органы управления и динамика процесса

То личина

Рис. 1.11. Система рамсниятол1Ц1шо%свд1ной полосы