Структурные схемы цифровых систем

В настоящее время при модернизации оборудования аналоговые системы часто заменяются цифровыми системами. На этот выбор влияют разные соображения, четыре из которых - это точность, полоса частот (быстродействие), стоимость и надежность.

В аналоговых системах управления максимальная точность ограничена рядом факторов, основные из которых:

- ошибки задания;

- ошибки преобразования сигналов обратной связи;

- ошибки математических преобразований, выполняемых регулятором.

В частности в аналоговых системах, точность регулирования частоты вращения не может быть выше 0,25÷1 %, а регулирования положения – не выше 0,1÷0,5 % рабочего хода механизма. Для многих механизмов такая точность достаточная. Однако имеются системы управления (роботами, станками с ЧПУ, агрегатами редуцирования труб, приводами летучих ножниц, приводами нажимных винтов и т.д.), к которым предъявляются повышенные требования к точности отработки задания и которые целесообразно проектировать с использованием цифровых контуров регулирования.

В цифровых системах точность и динамический диапазон ограничен применением АЦП (от12 до 23) бит. Дополнительные недостатки цифровых систем - это то, что частота дискретизации и время вычислений ограничивает полосу частот. Из-за этого системы, в которых требуется повышенное быстродействие (частота среза свыше 10⁶ Гц.), выполняются аналоговыми.

Кроме повышения точности цифровые системы имеют и другие преимущества:

- «относительная» простота оптимизации режимов работы, заключающаяся в написании соответствующих программ:

- резкое уменьшение массогабаритных показателей;

- унификации и повышения надежности оборудования.

Однако в большинстве случаев пригодны и аналоговые и дискретные системы, и выбор между ними определяется, в основном, стоимостью и надежностью.

В научной и технической литературе приведен анализ нескольких типов структурных схем цифровых систем, которые отличаются друг от друга применением корректирующих устройств (аналоговых, дискретных или комбинированных) и точками, в которых осуществляется согласование непрерывной части системы с дискретной частью. [11,12].

Отличие в структурных схемах приводит к отличию математической модели, описывающей процессы в физической системе. Поэтому, создавая структурную схему, следует обратить внимание на следующее:

- соответствует ли структурная схема исследуемой физической сиситеме;

- соответствует ли математическое описание выбранной структурной схеме.

И только после выполнения вышеуказанных пунктов следует приступить к расчетам, а затем методами моделирования проверить правомерность принятых решений.

Из всего многообразия структурных схем рассмотрим три наиболее распространенных (рис.5.31).

А

Б

В

Рис.5.31. Структурные схемы цифровых систем: А – с прерыванием в канале

ошибки и аналоговым корректирующим устройством; Б – прерывание в канале ошибки и дискретное корректирующее устройством; В – прерывание в цепи

обратной связи и на выходе регулятора

Несмотря на то, что в структурной схеме рис.5.31. А компенсируется только составляющая ошибки задания и этой структуре соответствует ограниченный класс промышленных систем, ей уделено достаточно много внимания в технической и учебной литературе. Это объясняется тем, что системы этого класса были пионерами при внедрении импульсных систем, выполняли важные задачи и и на основе их работы создавалась теория импульсных систем ХХ.

Классическим примером схемы (рис.5.31,А) является радиолокационная следящая система (система слежения с помощью сканирования), осуществляющая сравнения величины отраженного сигнала с посылаем сигналом. Так как отраженный сигнал появляется спустя некоторое время, то траектория цели между двумя отсчетами интерполируется последовательным аналоговым корректирующим устройством, определяющим положение цели между моментами съема. Соединение аналогового корректирующего устройства с остальной частью системы осуществляется без дополнительных согласующих блоков, что позволяет применить Z-преобразование к передаточной функции разомкнутой системы, состоящей из интерполятора и объекта регулирования. Выходная величина системы в дискретные моменты времени определяется с использованием известного соотношения [12].

. (5-50)

В системе на рис.5.31,Б используется дискретное корректирующее устройство (цифровой регулятор), что требует применение согласующих блоков между цифровой и непрерывной частью. Это нашло отражение в структурной схеме и передаточной функции замкнутой системы [11,12].

. (5-51)

Использование структуры на рис.5.31,В позволяет наиболее полно реализовать возможности цифровой техники, так как компенсирует три составляющие ошибок: задания, математических преобразований и сигналов обратной связи. Ввод в канал обратной связи АЦП изменило структуру (рис.5.31,В) и передаточную функцию замкнутой системы [20,22].

. (5-52)

Хотя структурные схемы состоят из одинаковых блоков, но разное расположение импульсных элементов приводит к разным передаточным функциям замкнутых систем и, как следствие этого, к разным выходным сигналам при одинаковых входных сигналах. Отличие в математических выражениях состоят в том, что нижеприведенные выражения не эквиваленты.

В настоящее время в связи с усложнением системы регулирования (применения многоконтурных систем с цифровым регулятором по каждому каналу) и с применением одного АЦП для нескольких каналов обратной связи, появилась необходимость в разработке и исследованию новых структурных схем цифровых систем. На рис.5.32 представлена структурная схема типовой двухконтурной системы управления двигателем постоянного тока.

Рис.5.32. Структурная схема двухконтурной системы регулирования:

, ‑ передаточные функции непрерывной части; , ‑

передаточные функции цифровых регуляторов скорости и тока, MUX,

DEMUX – блоки коммутации)

Как видно из структурной схемы в обратной связи стоит один АЦП, который средствами коммутации преобразует аналоговые сигналы в двух каналах.