Состав, структура и особенности цифровых систем управления

В подавляющем большинстве случаев управляющие устройства систем управления реализуются в виде электронных устройств, которые обеспечивают формирование управляющих воздействий в соответствии с требуемым алгоритмом управления. При реализации управляющих устройств систем управления существенную роль играет выбор электронной элементной базы. В настоящее время возможны два пути реализации электронных управляющих устройств – аналоговое управляющее устройство и цифровое управляющее устройство. В первом случае используются функциональные аналоговые устройства или устройства непрерывного действия, во втором – цифровые управляющие устройства или устройства дискретного действия.

Цифровым управляющим устройствам отдается предпочтение в силу ряда существенных преимуществ. Во-первых, следует отметить, что фундаментальные принципы управления остаются неизменными, т.е., цифровые системы управления могут быть построены по принципу разомкнутого управления, по принципу компенсации возмущений или по замкнутому принципу, в частном случае это могут быть системы регулирования с пропорциональным, пропорционально-дифференциальным или пропорционально–дифференциально–интегральным регулятором. Во-вторых, алгоритмы функционирования систем также не изменяются, так как цифровые системы могут быть стабилизирующими системами, программного управления, следящими системами и т.д. И, в–третьих, неизменными остаются показатели качества систем в статике и в динамике. Однако цифровые системы обладают рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать при их аналитическом конструировании. Эти особенности цифровых систем в первую очередь связаны с цифровой формой представления сигналов и с тем, что цифровые управляющие устройства являются устройствами последовательного действия. Это означает, что вычисление значений управляющих воздействий занимает некоторое время, в отличие от систем с аналоговыми управляющими устройствами, в которых управляющие воздействия вычисляются непрерывно и теоретически мгновенно. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев в реальных системах управления управляющее устройство является цифровым, а управляемый объект непрерывным, поэтому в реальных цифровых системах присутствуют сигналы как непрерывные, так и дискретные, что естественно вносит определенную специфику в их разработку на этапе аналитического конструирования.

Рассмотрим принципы квантования аналоговых сигналов. В целом в системах дискретного действия используется три вида квантования – квантование по уровню, квантование по времени и квантование по уровню и времени одновременно. При квантовании по уровню непрерывный сигнал заменяется суммой ступенчатых сигналов с высотой ступеньки, равной одному кванту q. При квантовании по времени непрерывный сигнал заменяется ступенчатыми функциями с высотой ступеньки, равной значению непрерывной функции в фиксированные равноотстоящие друг от друга на величину Т (период квантования) моменты времени. При квантовании по уровню и по времени одновременно непрерывная величина заменяется суммой ступенчатых сигналов с высотой и равной одному кванту, в фиксированные моменты времени, отстоящие друг от друга на величину периода квантования Т. Далее квантованный сигнал преобразуется в зависимости от вида дискретной системы в другие формы. Так, в импульсных системах квантованный сигнал может быть преобразован в импульсную последовательность с амплитудно-импульсной, широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляциями. В цифровых системах применяется смешанный способ квантования, при этом квантованный по уровню сигнал представляется в виде цифрового кода, значение которого равно количеству квантов, укладывающихся в квантованный сигнал в данный фиксированный момент времени. Максимальное число квантов для конкретного типа АЦП является числом фиксированным и определяется разрядностью АЦП. Так, при разрядности АЦП n=8 максимальное число квантов N= 255=(2ⁿ-1). Значение кванта вычисляется по максимально допустимому значению входного сигнала АЦП U_max и его разрядности

.

Выбор разрядности АЦП

Разрядность АЦП практически не влияет на динамику процессов и сказывается на точности системы, которая определяется по значению установившейся ошибки. Поэтому мы можем определить разрядность АЦП по заданной точности системы. Так как по техническому заданию значение допустимой ошибки не более ε ≤ 0,5[%], то величина кванта по уровню определяется следующим образом:

, тогда допустим, что = 1 В, ε = 0,5% => ε = 0,005 В , тогда количество квантов