Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования






Скачать 109.72 Kb.
НазваниеЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования
Дата публикации07.12.2014
Размер109.72 Kb.
ТипДокументы
top-bal.ru > Информатика > Документы



Московский государственный технический университет


им. Н. Э. Баумана

Пузанов В. П.




ЛЕКЦИИ
ПО КУРСУ «ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ»

ТЕОРИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Факультет «Специальное машиностроение»

Кафедра «Подводные роботы и аппараты»
2003 год.

ВВЕДЕНИЕ.

Общие сведения о цифровых автоматических системах. Основные понятия и определения.

Рассмотрим систему управления подводной робототехнической системой, которая управляется от УЭВМ, расположенной на корабле-носителе (рис. 1).



Информация о движении подводного аппарата передается по линии связи, которая представляет собой кабель-трос. По линии связи передаются сигналы управления на движительно-рулевой комплекс необитаемого подводного аппарата, на исполнительные приводы манипуляторов, которые установлены на подводном аппарате. Кроме этого по линии связи передается сигнал изображения с передающей телевизионной камеры.

Для передачи нескольких сигналов по одному каналу связи используется режим разделения времени. Значения сигналов передаются в цифровой форме в виде кодовых групп импульсов. Задача передачи многих сигналов по одному каналу решается путем передачи различных сигналов с одним и тем же периодом , но при смещении моментов передачи каждого сигнала на величину (). Эту операцию выполняет специальное устройство – мультиплексор (М). Расшифровав эти кодовые группы в том же порядке, можно восстановить исходные управляющие сигналы в дискретные моменты времени. Операцию восстановления каждого сигнала выполняет устройство – демультиплексор (Д). После преобразования цифровым аналоговым преобразователем (ЦАП) сигналы управления в аналоговом виде передаются на соответствующие приводы робота. Аналогичным образом сигналы обратной связи после преобразования в аналоговом цифровом преобразователе (АЦП) в цифровой вид по линии связи передаются в управляющей электронно-вычислителбной машине (УЭВМ). Функциональная схема управления подводной робото-технической системой приведена на рис. 2.



В УЭВМ предусмотрен ввод команд с пульта управления, с помощью которых оператор на основе наблюдения работы управляемого аппарата на экране телевизора может вмешиваться в управление роботом.

Схема, представленная на рисунке 2 представляет замкнутую многосвязаную цифровую систему управления.

Обобщенная схема цифровой автоматической системы (ЦАС) представлена на рис. 3. Она включает в себя непрерывную часть, состоящую из управляемого объекта, исполнительных органов и датчиков и цифровую часть – управляющую ЭВМ (или систему микропроцессоров). Заметим, что ряд датчиков может быть цифровыми или гибридными устройствами.




Центральным звеном ЦАС является управляющая ЭВМ, которая состоит из двух основных устройств: цифрового вычислительного устройства (ЦВУ) и устройства ввода-вывода данных (УВВ) – преобразователей аналог-цифра (АЦП) и цифра-аналог (ЦАП). Управляющая ЭВМ, используемая для управления, осуществляет преобразование входных процессов в выходные в соответствии с заданными в ней алгоритмами и программами. Обычно в цифровых системах управления управляющая ЭВМ (УЭВМ) работает в режиме разделения времени, т.е. обслуживает в определенной последовательности отдельные каналы управления. Такое управление называется централизованным.

Существуют и такие системы управления, когда каждый канал (или отдельную группу каналов) управления обслуживает своя небольшая ЭВМ (микропроцессор). Такое управление называется децентрализованным. Очередность обслуживания каналов управления может осуществляться либо по жесткой программе в соответствии с временной диаграммой работы УЭВМ, либо по мере поступления заявок от отдельных каналов с использованием принципа приоритетности обслуживания. В первом случае периоды повторения решений в УЭВМ алгоритмов, соответствующих -му каналу можно считать постоянными, хотя и различными для разных каналов. Такие системы называют периодическими (синхронными) ЦАС. Во втором случае интервалы повторения обслуживания оказываются случайными величинами. Такие системы называют непериодическими (асинхронными) ЦАС.

На вход УЭВМ в общем случае поступает весьма разнообразная информация, одна часть которой представляется дискретным способом (в виде кодов), а другая часть – аналоговым способом (в виде токов, напряжений, углов поворота осей, интервалов времени и т.п.). Поэтому УЭВМ содержит устройства, обеспечивающие преобразование кодов входных сигналов в цифровой код машины (преобразователи типа код-код) и преобразователи аналоговых сигналов в цифровой код (преобразователи аналог-цифра (АЦП)).

Цифровое вычислительное устройство в ЦАС в соответствии с заложенными в нем алгоритмами и программами (идентификация, фильтрация, управление) вычисляет сигнал ошибки , сравнивая на каждом шаге величину с задающим воздействием на систему , и осуществляет соответствующее преобразование сигнала в сигнал , являющийся цифровым представлением сигнала управления .

При управлении объектом непрерывного действия из сигнала , представляющего короткие или в предельном случае импульсы бесконечно малой длительности необходимо сформировать непрерывный управляющий сигнал . Для этой цели служат выходные преобразователи УЭВМ, являющиеся усилителями мощности, преобразующими цифровой код машины в аналоговые величины. Мощность этих сигналов должна быть достаточна для управления исполнительными устройствами. Процесс преобразования выходного кода в непрерывный сигнал обычно включает две операции: декодирование и экстраполяцию.

^ КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ.

Кодирование состоит в преобразовании сигнала в цифровой код УЭВМ. Процесс преобразования совокупности управляемых координат объекта, представляемых непрерывной функцией времени , в цифровой код машины условно можно разделить на три этапа: квантование по времени, квантование по уровню и кодирование.

Квантование по времени соответствует фиксации мгновенных значений непрерывной функции , заданной на континууме значений аргумента в дискретные моменты времени (-дискретное время, -период дискретности по времени).

Схему процесса квантования по времени (импульсной модуляции) можно представить в виде последовательного включения в цепь преобразуемого сигнала ключа (К), замыкающегося через моменты времени и импульсного элемента (ИЭ). На выходе импульсного элемента образуется последовательность импульсов, модулированная сигналом (см. рис. 4).



Процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определенному временному закону какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Основными параметрами немодулированной последовательности импульсов являются высота или амплитуда импульса , длительность или ширина импульса , расстояние между импульсами или период повторения . На выходе импульсного элемента образуется последовательность импульсов, модулированная сигналом .

Таким образом, процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определенному временному закону какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Основными параметрами немодулированной последовательности импульсов (рис. 5) являются высота (амплитуда) импульса , длительность (ширина) импульса , расстояние между импульсами (период повторения) . Величина , определяющая закон модуляции, называется модулирующей величиной. В соответствии с тем, какой параметр варьируется по закону изменения модулирующей величины, различают различные виды импульсной модуляции.

  1. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) – варьируется высота импульса .

  2. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – варьируется ширина импульса, то есть параметр .

  3. Фазо-импульсную модуляция (ФИМ)-варьируется промежуток времени между опорными моментами времени и началом переднего фронта импульсов.




  1. Частотно-импульсную модуляция (ЧИМ)-варьируется частота следования импульсов.

Квантование по уровню состоит в замене в соответствующие моменты времени мгновенных значений непрерывной функции , ближайшими разрешенными дискретными значениями в соответствии со статической характеристикой преобразователя АЦП, показанной на рис.6.



Число уровней этой характеристики однозначно связано с числом двоичных разрядов преобразователя АЦП и, в свою очередь, через цену младшего разряда определяет зону его насыщения: . При одновременном квантовании по уровню и по времени, непрерывный сигнал заменяется ближайшими, для значений непрерывного сигнала в дискретные моменты времени, разрешенными дискретными уровнями (рис. 7).


Кодирование состоит в преобразовании сигнала в цифровой код УЭВМ. Преобразование сигнала во входных устройствах УЭВМ осуществляется с некоторым конечным быстродействием и вносит в систему некоторое временное запаздывание , определяемого временем, необходимым для установления выходного сигнала АЦП с заданной точностью.

Процесс преобразования цифрового кода в непрерывный сигнал обычно включает две операции: декодирование и экстраполяцию.

Декодирование состоит в преобразовании цифрового кода в сигнал с тем или иным видом импульсной модуляции. Экстраполяция заключается в преобразовании импульсного сигнала в аналоговый сигнал.

Декодирование сопровождается квантованием сигнала по уровню в соответствии со статической характеристикой ЦАП. Его характеристика может иметь в рабочем диапазоне (до насыщения) как постоянный шаг квантования по уровню, так и переменный. В первом случае имеет место равномерное квантование, при котором шаг квантования по уровню не зависит от величины преобразуемого сигнала. Тогда число уровней характеристики определяется соотношением , а ее рабочая зона соотношением , где – число двоичных разрядов, а – цена младшего разряда выходного преобразователя УЭВМ.

В ряде случаев может потребоваться с большей точностью воспроизводить либо малые, либо, наоборот, большие уровни сигналов. Обоим этим случаям соответствует неравномерное квантование в ЦАП сигналов по уровню.

Процесс декодирования дополнительно сопровождается некоторым временным запаздыванием , причем обычно .

Экстраполяция при АИМ, как правило, представляет фиксацию выходного сигнала УЭВМ на постоянном уровне в течении времени дискретизации по времени (запоминание нулевого порядка). В ряде случаев для лучшего сглаживания выходных сигналов УЭВМ могут использоваться и другие виды экстраполяции – линейная (запоминание первого порядка), квадратичная (запоминание второго порядка) и т.д. Кроме амплитудно-импульсной модуляции в выходных устройствах УЭВМ могут использоваться и другие виды импульсной модуляции: ШИМ, ФИМ, ЧИМ.

Дискретные системы характерны не только для систем управления с УЭВМ. Проблемы обработки дискретных данных возникают и в других приложениях, например:

-при решении задач, в которых измеряемые переменные доступны лишь в определенные моменты времени (при измерении расстояний с помощью радио- и эхолокаторов, при отборе проб вещества с целью их последующего лабораторного анализа и использовании полученных данных для корректировки управления в технических, метеорологических, социально- экономических и других системах);

-при мультиплексировании (использовании принципа разделения времени), экономии дорогостоящего оборудования (кабельных линий, каналов связи).

^ КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ.

Как следует из приведенных примеров, на практике широко применяются системы с различным представлением циркулирующих в них сигналов. Рассматривая возможные виды сигналов в автоматических системах, их можно обобщить в виде таблицы, представленной на рис. 8.


Время

Амплитуда


Непрерывное


Дискретное


0

t

t
t

Непрерывная

X

0

x


0

t

t

Дискретная

X

0

x


0

t

t



Двоичная

X

0


x


Рис. 8. Возможные виды сигналов в автоматической системе
Так сигналы могут быть непрерывными функциями времени или задаваться на конечном или счетном множестве моментов времени. По уровню сигналы также могут изменяться непрерывно или принимать конечное или счетное множество значений. Наконец, сигналы могут быть представлены в виде двоичных числовых кодов, которые во времени изменяются или непрерывно, или дискретно.

Систему, которая содержит хотя бы один дискретный сигнал, называют дискретной.

Как следует из рис. 8, системы могут быть дискретными по времени, по уровню или и по времени и по уровню.

Система называется импульсной, если в ней присутствуют сигналы дискретные по времени.

Система называется релейной, если в ней присутствуют сигналы дискретные по уровню.

Система называется цифровой, если в ней присутствуют сигналы дискретные как по времени, так и по уровню.

Приведенная классификация является достаточно условной, так непрерывные релейные системы относятся к классу непрерывных нелинейных систем и, следовательно, изучаются в соответствующем разделе курса ТАУ.

В этой части курса изучаются линейные дискретные системы. Поэтому будем предполагать, что непрерывная часть системы является линейной, а число разрядов УЭВМ достаточно велико (т.е. шаг квантования по уровню мал) и квантованием по уровню можно пренебречь. Таким образом, эта часть курса фактически является теорией линейных импульсных систем. Кроме того, из всех возможных видов модуляции линейной операции соответствует лишь амплитудная импульсная модуляция. Другие виды модуляции приблизительно близки к линейным только при малых уровнях сигналов. Поэтому, строго говоря, эта часть курса является "Теорией линейных импульсных систем автоматического управления".

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим нелинейную систему автоматического уравнения, динамика которой описывается уравнениями

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим характеристическое уравнение гармонически линеаризованной системы управления

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического
Кроме этого широкое применение в теории цифровых систем нашли методы, которые используют аппарат передаточных функций

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим особые точки и фазовые портреты линейных систем, математическими моделями которых являются дифференциальные уравнения...

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
...

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория линейных...
Автоматика – область науки и техники, в которой рассматриваются вопросы исследования и проектирования технических систем, действующих...

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых...
Дискретная система может быть работоспособной, т е выполнять свои функции только в том случае, если собственные движения в ней затухают....

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория линейных...
Для того, чтобы добиться желаемого качества процессов управления (устойчивость, качество переходного процесса, точность отработки...

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория нелинейных...
Рассмотрим систему автоматического уравнения, в качестве нелинейного элемента которой используется звено с релейной характеристикой...

Лекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического управления и регулирования iconЛекции по курсу «теория автоматического управления» теория цифровых систем автоматического
Дискретность сигналов в цифровых системах обусловлена их квантованием по уровню и по времени. В противоположность непрерывным сигналам,...



Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
top-bal.ru

Поиск