Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы цифрового управления : основные понятия и описание цифровых систем управления. Ч. 1

Покупка
Артикул: 754373.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Изложены базовые положения современной теории цифровых систем управления непрерывными динамическими объектами. Рассмотрены основные методы описания цифровых систем управления. Пособие соответствует основным разделам дисциплины «Основы цифрового управления». Предназначено для студентов специальности 220301.
Шапкарина, Г. Г. Основы цифрового управления : основные понятия и описание цифровых систем управления. Ч. 1 : учебное пособие / Г. Г. Шапкарина. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2009. - 63 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1245922 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№ 1093

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà êîìïüþòåðíûõ èíôîðìàöèîííûõ è óïðàâëÿþùèõ
ñèñòåì àâòîìàòèêè

Ã.Ã. Øàïêàðèíà

Îñíîâû öèôðîâîãî
óïðàâëåíèÿ

Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïèñàíèå öèôðîâûõ
ñèñòåì óïðàâëåíèÿ

Ó÷åáíîå ïîñîáèå

×àñòü 1

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2009

УДК 681.5.011 
 
Ш23 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.Н. Богданов 

Шапкарина Г.Г. 
Ш23  
Основы цифрового управления. Основные понятия и описание цифровых систем управления: Учеб. пособие. Ч. 1. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2009. – 63 с. 

Изложены базовые положения современной теории цифровых систем 
управления непрерывными динамическими объектами. Рассмотрены основные методы описания цифровых систем управления. 
Пособие соответствует основным разделам дисциплины «Основы цифрового управления». 
Предназначено для  студентов специальности 220301. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Общие положения цифровых систем управления.............................6 
1.1. Основные характеристики цифровой системы управления ......6 
1.2. Основные элементы и режимы работы цифровой 
системы управления...........................................................................11 
Контрольные задания к разделу 1.....................................................18 
2. Обработка сигналов в цифровых системах управления .................19 
2.1. Основные понятия и определения .............................................19 
2.2. Дискретизация и восстановление непрерывного сигнала .......22 
2.3. Квантование и кодирование сигналов.......................................31 
2.4. Связь между аналоговыми и дискретными сигналами............53 
Примеры решения задач ....................................................................54 
Библиографический список...................................................................62 

Введение 

Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективных промышленных установок, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов и систем управления ими. 
При этом постепенно осуществляется переход к автоматизированному управлению технологическими процессами. 
В связи с возрастающими требованиями к повышению качества 
управления, воспроизводимости технологических процессов, снижению энергоемкости производства и др. на первый план выдвигается 
задача разработки систем управления на качественно новом уровне: с 
использованием цифровых средств контроля и управления. Это объясняется тем, что цифровые вычислительные машины (ЦВМ) обладают значительным быстродействием при решении различных логических задач, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управления. 
Интенсивное развитие современных вычислительных средств 
привело к разработке и широкому использованию цифровых автоматических систем регулирования и управления. До последнего времени вычислительные машины ввиду их высокой стоимости использовались в основном для решения комплексных задач: обработки 
массивов данных, контроля и управления сложными технологическими процессами. 
В последние годы был достигнут небывалый прогресс в увеличении вычислительной мощности микропроцессоров, о чем свидетельствуют достижения последних лет в области материаловедения, приведшие к разработке мощных микропроцессоров. Благодаря наличию 
быстродействующих, недорогих и миниатюрных микропроцессоров 
появилась возможность автоматизировать многие производственные 
процессы используя компьютер непосредственно в контуре системы 
управления. 
Использование цифровых систем управления в промышленном 
масштабе стало возможным благодаря интенсивному развитию и совершенствованию технологии производства интегральных полупроводниковых компонентов, обеспечивших создание высокоэкономичных цифровых устройств хранения и обработки информации на базе 
больших интегральных схем (БИС). Можно сказать, что внедрению 
цифровых систем управления в значительной степени способствовало создание на базе БИС микропроцессоров. 

Однако методы проектирования цифровых систем существенно 
отличаются от классических методов, применяемых при анализе и 
расчете 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. Во-вторых, 
алгоритмы, применяемые при расчете цифровых систем, в частности 
построение дискретных моделей, зачастую могут быть реализованы 
только с помощью ЦВМ. 
Одной из особенностей проектирования системы управления является то, что границы между компетенцией инженеров-технологов, 
программистов, прикладных специалистов и пользователей в настоящее время достаточно размыты, т.е. нельзя рассматривать сложную систему только с одной точки зрения, а решения принимать, 
опираясь на знания специалистов лишь одной области. Чтобы создать сложную систему, состоящую из множества взаимодействующих частей, необходим специальный подход, который разрабатывается на этапе проектирования системы. 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

1.1. Основные характеристики цифровой 
системы управления 

Последние годы характеризуются существенным прогрессом в 
области разработки цифровых систем управления. Популярность 
этих систем во всех отраслях промышленности объясняется как совершенствованием ЦВМ, в частности микропроцессоров, так и преимуществом работы с цифровыми сигналами. 
Первый пример практического применения управляющей ЭВМ 
(по опубликованным в открытой печати данным) относится к 
1959 году и связан с применением УЭВМ типа RW300 на нефтехимическом заводе компании «Texaco». Компьютер, построенный на 
электронных лампах, следил за расходом, температурой, давлением и 
концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчитывал необходимые управляющие воздействия на основе обработки 
входной информации. Эта ЭВМ по сравнению с современными компьютерами имела очень низкую эффективность (время, затрачиваемое на операцию сложения, составляло 1 мс, а умножения – около 
20 мс) и невысокую надежность – среднее время между отказами 
(для ЭВМ этого типа) в лучшем случае составляло от нескольких часов до нескольких дней. 
До последнего времени вычислительные машины ввиду их высокой стоимости использовались в основном для решения комплексных задач: обработки массивов данных, контроля и управления 
сложными технологическими процессами. Прогресс в области технологии полупроводников позволил создать такие вычислительные 
машины, которые по габаритным размерам и стоимости гораздо 
меньше существовавших до сих пор, хотя они менее производительны и удобны в обслуживании. Их называют микро-ЭВМ, а при специальном использовании для управления различными процессами – 
управляющими микро-ЭВМ. Информационные связи в микро-ЭВМ 
осуществляет микропроцессор; в его составе многие тысячи элементов схем монолитно объединяются па площади в несколько 
квадратных миллиметров. 
Теперь с помощью управляющей ЦВМ можно решать задачи 
управления, что ранее было невозможно по причине существовав
ших до сих пор высокой стоимости и(или) больших размеров ЦВМ. 
Управляющие микро-ЭВМ в большинстве случаев создаются и программируются для решения специальных задач. Они используются 
также в качестве устройств, которые можно обслуживать не как 
ЭВМ, а как обычные устройства управления в привычной для оператора форме. В соответствии с объемом задач, решаемых при 
управлении, очень разнообразны функции, возложенные на микроЭВМ, и их конструктивное исполнение. 
При реализации задач управления технологическими процессами 
очень часто требуется не столько «вычислять», сколько выстраивать 
сложные логические связи. По основным выполняемым функциям 
управляющие ЭВМ подразделяются на ЭВМ контроля, управления 
технологическими процессами, управления производством, а по типам использования – на вычислительные устройства, бортовые ЭВМ 
и т.д. С применением интегральных микросхем уменьшились также 
и габаритные размеры машин: их усовершенствование шло от больших (управляющих) ЭВМ к малым, мини- и микро- (управляющим) 
ЭВМ. При этом принципы внутреннего структурного построения 
вычислительных машин и электронной обработки цифровых данных 
почти не изменялись. 
Управляющие ЦВМ коммутируют и обрабатывают поток информации, поступающий от трех источников: 
1 – технологического процесса (данные процесса); 
2 – обслуживающего персонала (данные управления); 
3 – вышестоящей диспетчерской или координирующей вычислительной машины, например в иерархической схеме соединений 
ЭВМ или в многопроцессорной системе (данные связи). 
При построении систем управления с ЦВМ существенными являются следующие факторы: 
1. Для связи с измерительными и исполнительными звеньями 
процесса требуются специальные аппаратные средства, которые 
должны обеспечивать между вычислительным устройством и процессом согласование как энергии различных видов и уровней мощности, так и функциональных принципов (вид сигналов процесса в 
большинстве случаев аналоговый, в вычислительном устройстве – 
цифровой). Эти аппаратные устройства носят название периферийных устройств. В управляющих микро-ЭВМ они часто весьма просты и приспособлены для решения специальных задач; в универсальных системах они гораздо сложнее и рассчитаны на возможные 
изменения вариантов их использования. 

2. Скорость обработки данных технологического процесса используемым вычислительным устройством должна быть согласована 
с временным растром протекающего (реального) процесса, с тем 
чтобы в моменты времени, соответствующие фазам процесса, можно было произвести необходимые измерения и контроль, а также 
выдать переключающие и управляющие команды. Эта обработка 
данных процесса в реальном масштабе времени требует специальной организации программирования. 
Таким образом, можно сделать следующий вывод: управляющая ЦВМ является цифровым вычислительным устройством со 
следующими характерными свойствами: 
– наличием периферийных устройств для приема данных процесса и выдачи командных сигналов; 
– возможностью обработки данных процесса в реальном масштабе времени; 
– способностью к перепрограммированию для решения задач 
различного рода. 
В цифровой системе управления роль управляющего воздействия выполняет компьютер. 
Во многих областях деятельности, в том числе и в управлении 
теория опережает практическое применение. Основным фактором, 
обусловливающим разрыв между теорией и практикой управления, является отсутствие достаточно надежных средств измерения 
значений всех существенных для процесса управления переменных, включая качество и состав производимой продукции. По мере создания этих средств значительно возрастает и объем применения в промышленности современных систем управления. 
Быстрый рост стоимости энергии и угроза сокращения ее потребления заставляют предпринимать новые усилия по созданию 
эффективного автоматического управления энергетическим комплексом. С помощью компьютеров удается регулировать использование энергии на промышленных предприятиях, а также стабилизировать и равномерно распределять нагрузку в целях экономии 
топлива. 
В последние годы возникла потребность в производстве мелких 
партий заказных изделий, а это в свою очередь стимулировало 
создание гибких автоматизированных систем. Развитие систем 
управления идет по пути совершенствования их гибкости и обеспечения высокой автономности функционирования. Из-за ограниченных возможностей чувствительных элементов системы не об
ладают достаточной гибкостью в плане приспособления к изменению условий эксплуатации. Совершенствование систем управления идет по пути оснащения их чувствительными элементами обратной связи с улучшенными характеристиками. Исследовательские работы в области создания искусственного интеллекта, «интеллектуальных» датчиков, компьютерного «зрения», программирования комплексов компьютеризированного проектирования и 
производства должны сделать эти системы более универсальными 
и экономичными. Чтобы уменьшить нагрузку на человекаоператора и повысить эффективность его работы, ведутся интенсивные исследования в области человеко-машинного интерфейса 
и управления компьютерными базами данных. Цель этих исследований состоит в снижении затрат и расширении области применения. Они связаны также с улучшением методов получения и обработки информации и дальнейшим развитием языков программирования. 
В цифровой системе управления с обратной связью функции 
регулятора или корректирующего устройства может выполнять 
цифровой компьютер. Поскольку ввод информации в компьютер 
осуществляется через определенные интервалы времени, то необходимо разработать специальный метод математического описания и анализа качества цифровых систем управления. 
Последние десятилетия были ознаменованы значительным повышением надежности и удешевлением цифровых компьютеров. В 
связи с этим они все шире стали применяться в качестве регуляторов (корректирующих устройств). В функциональной схеме одноконтурной цифровой системы управления компьютер по определенной программе обрабатывает представленную в цифровой 
форме ошибку и выдает сигнал также в цифровой форме. Программа может быть написана так, что качество системы в целом 
будет равно или очень близко к заданному. Многие компьютеры 
способны принимать и обрабатывать несколько входных сигналов, 
поэтому цифровые системы управления очень часто бывают многомерными. 
Компьютер получает и обрабатывает информацию в цифровом 
(численном) виде, а не в виде непрерывного (аналогового) сигнала. В цифровой системе управления обязательно присутствует 
компьютер, входной и выходной сигнал которого представлены в 
виде числового кода. 

В состав компьютера входит центральный процессор (ЦП), устройство ввода-вывода и запоминающее устройство. Габаритные 
размеры и производительность компьютера зависят от размера, 
быстродействия и производительности ЦП, а также от объема, быстродействия и структуры запоминающего устройства. После 1980 
года получили широкое распространение небольшие компьютеры, 
называемые миникомпьютерами, а в настоящее время пользуются 
популярностью мощные и недорогие 16- или 32-разрядные микрокомпьютеры. В качестве ЦП в микрокомпьютерах используется 
микропроцессор. Выбор типа компьютера, используемого в системе управления, определяется характером поставленной задачи, 
объемом данных, подлежащих запоминанию, и требуемой скоростью вычислений. 
Габаритные размеры компьютеров и стоимость логических элементов, используемых для их создания, уменьшаются по экспоненте. Количество активных элементов в одном квадратном сантиметре выросло настолько, что это позволило создать сравнительно недорогие и высокопроизводительные портативные компьютеры, вычислительные возможности которых вполне могут 
удовлетворить потребности как студентов, так и специалистовпрофессионалов, и которые, по сути, могут заменить традиционные настольные микрокомпьютеры. 
Цифровое управление имеет ряд преимуществ, к которым относятся: повышенная точность измерений, использование цифровых 
сигналов (кодов), датчиков, преобразователей и микропроцессоров; меньшая чувствительность к шумам и помехам; возможность 
легко изменять алгоритм управления в программном обеспечении. 
Повышенная точность (чувствительность) измерений объясняется 
тем, что цифровые датчики и устройства работают с маломощными сигналами. Наличие цифровых сигналов дает возможность использовать цифровой спектр устройств и линий коммуникации. 
Цифровые датчики и преобразователи способны эффективно измерять, передавать сигналы и связывать между собой различные 
устройства. Кроме того, многие системы объективно являются 
цифровыми, потому что они работают с импульсными сигналами. 
Примерами таких систем могут служить радиолокационные системы слежения и системы управления спутниками. 
Использование ЦВМ в управлении технологическими процессами дает возможность: 

– резко увеличить число регулируемых параметров (от 2–5 в 
обычных регуляторах до многих сотен и даже тысяч); 
– реализовывать сложные механизмы управления; 
– быстро перестраиваться на требуемые алгоритмы управления; 
– с помощью памяти учитывать при управлении не только текущее состояние объекта, но и его предысторию. 

1.2. Основные элементы и режимы работы 
цифровой системы управления 

Использование ЦВМ при проектировании систем управления связано с двумя группами вопросов: 1 – с проектированием самой ЦВМ, 
а также входных и выходных ее устройств, 2 – выяснением вопроса о 
влиянии дискретных выходных сигналов на динамические свойства 
системы. 
В общем случае система цифрового управления техническим 
процессом состоит из следующих компонентов: 
– управляющей ЭВМ; 
– каналов обмена информацией; 
– аналого-цифровых 
и 
цифро-аналоговых 
преобразователей 
(АЦП и ЦАП); 
– датчиков и исполнительных механизмов; 
– собственно технологического процесса. 
На вход ЦВМ от соответствующих датчиков поступает измерительная информация о текущих значениях параметров технологического процесса x1, … , xn. Вычислительная машина обрабатывает эту 
информацию в соответствии с заданным законом управления (алгоритмом управления), определяет управляющие воздействия u1, …, 
um, которые необходимо приложить к исполнительным механизмам 
(ИМ) для изменения значений регулируемых параметров (y1, …, ym), 
чтобы оптимизировать управляемый процесс. Измерительные датчики, как правило, выдают сигналы в виде электрического напряжения, 
тока или угла поворота вала, т.е. в форме непрерывного (аналогового) сигнала. Подобно этому подаваемые на исполнительные механизмы управляющие воздействия u1, u2, …, um также имеют непре-
рывный вид (электрическое напряжение, ток, перемещение). 
ЦВМ обычно оперирует с дискретными (цифровыми) величинами. Поэтому поступающие на ее вход величины x1, x2, …, xn предварительно преобразуются в дискретную (цифровую) форму представления, а вырабатываемые ею цифровые значения управляющих воз
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину