XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Формирование основ теории автоматического управления началось во второй половине XIX в. К концу первой половины ХХ века формирование классической теории автоматического управления, посвященной изучению линейных непрерывных систем, в значительной степени было завершено. Во второй половине ХХ века производство выдвинуло ряд задач по оптимизации и адаптации процессов управления, первоначально при рассмотрении их в небольшом объеме. В будущем возникла необходимость в управлении процессами в рамках крупномасштабной оптимизации. Совершенствование промышленного производства требует постоянного повышения производительности машин и агрегатов, улучшения качества продукции, снижения затрат и, особенно в атомной энергетике, резкого повышения безопасности эксплуатации атомных электростанций и ядерных установок. Реализация поставленных целей невозможна без внедрения систем управления, включающих как автоматизированные (с участием человека-оператора), так и автоматические (без участия человека-оператора) системы управления.

Интенсивное развитие средств вычислительной техники привело к широкому распространению цифровых систем управления, которые в настоящее время используются в различных отраслях промышленности. Внедрению цифровых систем управления в значительной степени способствовало создание в последней четверти прошлого века микропроцессоров и построенных на их основе микро-ЭВМ, создающих благоприятные условия для реализации оптимального и адаптивного управления в режиме реального времени. Методы проектирования подобных систем существенно отличаются от классических методов, применяемых при анализе и расчёте систем непрерывного типа. Во-первых, это связано с тем, что основой математического аппарата проектирования цифровых систем являются разностные схемы, которые заменяют дифференциальные уравнения, описывающие непрерывные системы. Соответственно методы, связанные с использованием обычного преобразования Лаплас заменяются различными формами z-преобразования. Во-вторых, алгоритмы, применяемые при расчёте цифровых систем, в частности построения дискретных моделей, зачастую могут быть реализованы только с помощью ЭВМ.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция увеличения доли цифровых методов управления во всех сферах человеческой деятельности, происходит смена поколений технических средств обработки информации и информационного обмена. Эти инструменты могут напрямую не влиять на традиционные области автоматизации: датчики, исполнительные механизмы, регуляторы, но они изменяют среду автоматизации в целом. В этом заключается актуальность темы, раскрываемой в реферате. Целью реферата является подробный аналитический обзор цифровых систем и приложений цифрового управления.

Достижение этой цели осуществляется путем решения следующих задач:

-раскрытие понятия цифровой системы

-изучение особенностей построения цифровых систем и принципов их работы

-анализ типичных приложений цифрового управления.

1. Понятие цифровой системы.

Система - это совокупность объектов, взаимодействующих между собой. Любая система управления включает в себя:

-объект управления

-привод

-датчики

-регулятор.

Отличительной особенностью цифровых систем является цифровой регулятор, обеспечивающий оптимальную производительность переходных процессов в системах управления. (Рисунок 1)

Рисунок 1- цифровая система управления

В таких системах сигналы в одной или нескольких точках представляются цифровыми кодами, с которыми оперируют цифровая электронная вычислительная машина (ЭВМ) или цифровое устройство. Наличие в некоторых точках системы сигналов в виде цифрового кода, например, двоичного, обуславливает использование цифро-аналогового (ЦАП) или аналого-цифрового (АЦП) преобразователей. [5]

Достоинства цифровых регуляторов:

-Высокая точность измерения регулируемой величины, которая зависит от числа разряда, используемого цифрового кода.

-Возможность использовать в качестве регулирующего устройства универсальные вычислительные машины(УВМ) и ЭВМ.

-Возможность использования любого закона регулирования.

-Способность автоматически обнаруживать и исправлять ошибки и искажения, возникающие в результате обработки сигнала.

-Возможность использования в многоканальных СУ. [2]

Цифровые системы представляют собой особый класс систем управления. Наличие разнородных элементов вызывает значительные сложности при математическом описании процессов. Анализ и синтез цифровых систем с помощью классических методов, разработанных для непрерывных или дискретных систем, дает, как правило, только приближенные решения.

1.1 Классификация цифровых систем

Цифровые системы управления можно разделить на два класса: разомкнутые и замкнутые. Цель управления в обоих случаях - обеспечить требуемые значения управляемых величин (это может быть курс судна, глубина погружения подводного аппарата, скорость вращения турбины и т.п.).

В разомкнутой системе (Рисунок 2) компьютер получает только командные сигналы (задающие воздействия), на основе которых вырабатываются сигналы управления, поступающие на объект.

Рисунок 2 – разомкнутая цифровая система

Использование такого (программного) управления возможно только в том случае, если модель процесса известна точно, а значения управляемых величин полностью определяются сигналами управления. При этом невозможно учесть влияние внешних возмущений и определить, достигнута ли цель управления.

В замкнутых системах (Рисунок 3) используется обратная связь, с помощью которой управляющий компьютер получает информацию о состоянии объекта управления.

Рисунок 3 –замкнутая цифровая система

Это позволяет учитывать неизвестные заранее факторы: неточность знаний о модели процесса и влияние внешних возмущений (помех измерений, нагрузки двигателя, сил и моментов, вызванные морским волнением и ветром). Поэтому в большинстве технических систем управления используется обратная связь. В компьютер может также поступать информация об измеряемых возмущениях, что позволяет улучшить качество управления.

Компьютеры, управляющие процессами, имеют другие задачи, нежели компьютеры, используемые для "классической" обработки информации. Основная разница состоит в том, что управляющий компьютер должен работать со скоростью, соответствующей скорости процесса. Само понятие "реальное время" указывает на то, что в реакции компьютерной системы на внешние события не должно быть заметного запаздывания.

1.2 АЦП и ЦАП в цифровой системе.

Рассмотрим подробно компьютер, входящий в состав замкнутой цифровой системы управления.

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 e[k] = e(kT) при целых k = 0,1, K, образующие последовательность {e[k]}. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, сигнал на выходе АЦП можно трактовать как последовательность чисел. [7]

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).

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).

2.Типичные приложения цифрового управления.

Примеры цифрового управления можно найти повсюду, от потребительских товаров до высокотехнологичных продуктов. Сегодня в большинстве автомобилей используются компьютеры для контроля зажигания, состава бензиновой смеси и температуры в салоне. Даже настройка ресивера водителю не доверяется, а управляется микропроцессором, что иногда не упрощает, а наоборот усложняет жизнь.

На первый взгляд может показаться, что системы управления химическим производством или движением на большой железнодорожной станции имеют мало общего с роботами для окраски автомобилей или бортовым компьютером космического корабля. Однако все эти системы имеют одинаковые функциональные блоки — сбор данных, управляемые таймером или прерываниями функции, контур обратной связи, обмен данными с другими компьютерами и взаимодействие с человеком-оператором. [3]

2.1 Пресс для пластика.

Управление прессом для пластика — это пример типичной задачи компьютерного управления процессом.

Компьютер должен одновременно регулировать температуру (поддерживать ее постоянной) и координировать последовательность технологических операций. Если применять обычные методы программирования, то задача структурирования программы становится неразрешимой. Поэтому требуется другой подход.

Управляющий компьютер периодически считывает текущую температуру и рассчитывает тепло, необходимое для ее поддержания на требуемом уровне. Тепло поступает от нагревательного элемента, управляемого компьютером. Время его работы согласовано с количеством тепла, которое необходимо подвести. [6] (Рисунок 3)

Рисунок 3 –пресс для пластика

Нижняя часть пресса состоит из поршня, выталкивающего определенное количество расплавленного пластика через насадку. Когда поршень находится в крайнем правом положении, цилиндр заполняется пластиком. Затем поршень быстро перемещается влево, выдавливая требуемое количество пластика. Положение поршня контролирует импульсный датчик, генерирующий определенное число импульсов на каждый миллиметр перемещения, а объем выдавливаемого пластического материала определяется числом импульсов за время перемещения. Движение поршня прекращается при достижении заданного числа импульсов.

Чтобы обеспечить приемлемую производительность, температура пластика должна иметь заданное значение к тому моменту, когда поршень при движении вправо минует выходное отверстие контейнера.

Компьютерная система должна регулировать температуру и движение поршня одновременно. Значение температуры поступает в виде непрерывного сигнала от датчика. Положение поршня рассчитывается исходя из числа импульсов. Кроме того, еще два датчика генерируют двоичные сигналы при достижении поршнем крайнего положения. Компьютер не содержит отдельного внутреннего интервального таймера и поэтому должен отсчитывать время с помощью счетчика сигналов от внешнего источника времени.

2.2 Цифровой контроллер турбины и генератора.

Миникомпьютерная системa управляет частотой вращения и напряжением турбогенератора с подсистемой получения цифровых данных. Цифро-аналоговые преобразователи образуют интерфейс между ЭВМ и регуляторами. (Рисунок 4) Подсистема получения цифровых данных обеспечивает измерение и ввод в ЭВМ таких параметров, как угловая скорость генератора, выходное напряжение, ток возбуждения и ток якоря, активная и реактивная мощности. [5]

Рисунок 4 –цифровое управление блоком турбина-генератор

Некоторые из этих параметров могут быть измерены цифровыми преобразователями и введены в ЭВМ через цифровой мультиплексор. Сигналы, измеренные аналоговыми преобразователями, поступают в аналоговый мультиплексор, где на обработку каждого сигнала уходит определенное время. Устройства, подключенные после мультиплексора, используются в режиме разделения времени. (Рисунок 5)

Рисунок 5 - Подсистема получения цифровых данных

Выход аналогового мультиплексора соединен со входом квантователя. Фиксатор сохраняет значение сигнала на выходе до конца преобразования этого сигнала аналого-цифровым преобразователем в цифровой код.

2.3 Шаговые двигатели в устройстве дисковода.

Они преобразуют управляющий сигнал в линейное или угловое перемещение ротора, фиксируя его в заданном положении, без устройств обратной связи.

Движение осуществляется в двух направлениях с определенным приращением, называемым шагом. Обеспечивается шаг поворотом двигателя на определенный угол, после этого он останавливается. Перемещение происходит между двумя ограничителями, а остановка в определенном конечном положении. Позиционирование не может выполняться непрерывно. Каждый шаг определяет дорожку на диске. Контроллер управляет двигателем. Сигналы позиционирования на двигатель поступают из контроллера. Шаг поворота двигателя соответствует расстоянию между дорожками. Двигатель является биполярным и имеет одну обмотку в каждой фазе, которая для изменение направления магнитного поля должна переполюсовываться драйвером. [1] (Рисунок 6)

Рисунок 6 –биполярный двигатель

Для такого типа двигателя требуется мостовой драйвер (Рисунок 7) или полумостовой с двухполярным питанием. Всего биполярный двигатель имеет две обмотки и соответственно четыре вывода. Момент, создаваемый шаговым двигателем, пропорционален величине магнитного поля создаваемого обмотками статора.

Рисунок 7 – микросхема L298N

Чаще всего двигатель соединяется с держателем головок специальной лентой, намотанной по спирали, она преобразует вращательное движение в поступательное.

2.4 Металлорежущие станки

В автоматизированном станке копир и копировальный прибор заменены цифровым устройством, в котором необходимый профиль обработки детали задается в числовой форме с помощью перфоленты. [4] (Рисунок 8)

Рисунок 8 – Запись символов на перфоленте

Цифровое вычислительное устройство, формирующее необходимые команды движения режущего инструмента и деталей, которые с помощью систем слежения воздействует на силовые агрегаты станка. Замена дорогих копировальных аппаратов перфолентой снижает затраты на подготовительные работы. Цифровое устройство обеспечивает автоматический контроль не только перемещением инструмента, но и последовательностью операций станка; оператор полностью исключен из процесса управления. Особенностью системы является возможность непрерывной работы без остановок для набора и ввода новых программ в счетное устройство. Исходная информация, вводимая в цифровое устройство, представляет собой список последовательных элементарных прямолинейных приращений пути, пройденного режущим инструментом. Каждое приращение определяется указанием трех координат, а также времени, в течение которого это приращение должно выполняться. Цифровое устройство, которое управляет станком, выполняет большой объем вычислительной работы, сравнивая текущие данные с предыдущей информацией и генерируя команды для управления машиной.

В наиболее простом случае цифровое устройство определяет промежуточные положения инструмента путем линейной интерполяции или интерполяции более высокого порядка, что, естественно, увеличивает объем вычислительной работы.

Заключение

В данном реферате были рассмотрены цифровые системы управления и регулирования. Проведен аналитический обзор компьютерных систем управления, особенности их работы показаны на практических примерах существующих схем управления. Выявлены преимущества цифровой управляющей системы, главное это реализация сложных законов управления, в том числе логических и адаптивных, удовлетворяющих различных потребителей. Проведен анализ применения вычислительной техники на примерах цифрового управления технологическими процессами производства, как потребительских товаров, так и высокотехнологичных продуктов. Выявленные достоинства компьютерных систем управления показали важность внедрения цифровых систем и дальнейшего развития цифровизации экономики.

Список литературы

Емельянов А.В. Шаговые двигатели / А.В. Емельянов, А.Н. Шилин — Волгоград, 2006 — 46 с

Иванов В.И. Цифровые и аналоговые системы передачи / В.И. Иванов В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов — Москва, 2003 — 232 с

Изерман Р. Цифровые системы управления / Пер. с английского — Москва, 1984 — 541 с

Китов А.И. Электронные вычислительные машины / А.И. Китов — Москва, 1958 — 32 с

Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления / Б. Куо — Москва, 1986. — 448 с

Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. Олссон, Д. Пиани — Санкт-Петербург, 2001 — 557 с

Поляков К.Ю. Основы теории цифровых систем управления / К.Ю. Поляков — Санкт-Петербург, 2006 — 162 с

Код для цитирования: Скопировать