Файл: Глава 17.doc

Раздел. III. Микропроцессорные системы управления электроприводами

Глава 17. Основные понятия и математические основы дискретных систем управления

17.1. Значение микропроцессорной техники в развитии систем электропривода

В настоящее время все большее значение приобретают системы микропроцессорного (цифрового) управления электроприводами, вытесняя традиционные непрерывные (аналоговые) системы управления.

Основными достоинствами микропроцессорных систем управления электроприводом (МПСУЭП) являются:

1. гибкость системы, которая обеспечивается реализацией различных алгоритмов управления программными средствами без изменения аппаратной основы;

2. возможность изменения структуры и параметров системы в реальном масштабе времени;

3. обеспечение более высокой точности регулирования;

4. высокая помехоустойчивость;

5. возможность модернизации характеристик управления и реализации нелинейных функций;

6. осуществление непосредственного цифрового управления, реализующего сложные алгоритмы.

До недавнего времени главным недостатком микропроцессорных систем по сравнению с аналоговыми системами было ограниченное быстродействие, но в связи с развитием микропроцессорной техники (МТ) появились микропроцессоры (МП), способные выполнить до нескольких миллионов операций в секунду, что позволяет создавать микропроцессорные системы (МПС), работающие в реальном масштабе времени.

Благодаря широкому внедрению в последние годы гибких производственных систем и роботизированных технологических комплексов, увеличению выпуска систем с числовым программным управлением (ЧПУ) возникает задача расширения производства автоматизированных электроприводов с микропроцессорным управлением, широкого применения встроенных средств на основе микропроцессоров и МП техники.

Эффективным средством повышения технико-экономи-ческих показателей работы систем с программным управлением является разработка комплектного электрооборудования, в состав которого входят устройства ЧПУ, а также программируемые контроллеры, осуществляющие автоматическую работу технологического оборудования [3-13].

Функциональная гибкость электрооборудования увеличивается благодаря программной реализации алгоритмов цифрового управления электроприводом, обеспечивающей перестройку структуры и параметров регуляторов путём изменения программного обеспечения.

---

Использование микропроцессорного управления особенно важно для создания гибких производств.

В современных электроприводах распространены как системы управления с традиционными пропорционально-интег-ральными (ПИ) регуляторами, так и системы, использующие новые принципы управления с переменной структурой, скользящим режимом, с наблюдателями состояния и эталонными моделями. Реализация новых принципов управления наиболее успешна на основе микропроцессоров.

Большое значение имеют вопросы создания средств защиты и диагностирования ЭП. Наблюдается тенденция замены аналоговых систем защиты на цифровые, являющиеся более эффективными.

Анализ применяемости средств МП техники показывает, что наиболее широко в электроприводах с МПС управления применяют 16-разрядные МП “Intel 8086” и “Intel 80186” (отечественные аналоги серия К1810). В электроприводах переменного тока также используют несколько МП или однокристальных микро-ЭВМ с процессором “Intel”. В новых разработках применяют 16-разрядные однокристальные микроконтроллеры “Intel 8096” и “Intel 80196” [3-9, 3-13].

Широкое использование МП-техники в ЭП не означает полного отказа от элементов аналоговой техники. При использовании в ЭП дискретных и аналоговых элементов стремятся достигнуть технико-экономического оптимума.

---

17.2. Основные понятия о дискретных системах управления

Основной особенностью дискретных систем является дискретизация (квантование) непрерывного сигнала, т.е. замена непрерывной функции x(t) дискретными значениями x₁,x₂,…,x_n. Дискретизация (квантование) непрерывного сигнала может осуществляться по времени, по уровню или по времени и по уровню.

Д

Рис.17.1. Дискретизация сигнала по времени

искретизация сигнала по времени состоит в замене не-прерывного сигнала дискрет-ными значениями, взятыми в определенные, заранее задан-ные моменты времени (рис. 17.1). Обычно эти моменты времени равноудалены друг от друга на величинуТ, которая называется периодом дискретности. В этом случае последовательность определяется формулой

.

Д

Рис.17.2. Дискретизация сигнала по уровню

искретизация по уровню предполагает замену непрерывного сигнала числовой последователь-ностьюx₁,x₂,…,x_n, элементы которой могут принимать лишь заранее определенные, обычно равноотстоящие друг от друга значения. Моменты времени, в которые происходит смена уровней, опре-деляются видом непрерывного сигнала x(t) и заранее не известны, что показано на рис.17.2.

В цифровых системах осуществляется дискретизация по времени и по уровню, т.е. совмещаются изложенные выше два способа задания последовательности . При этом непрерывный сигнал заменяется дискретной последовательностьювзятой в заданные моменты времени, и каждый элемент этой последовательности округляется до ближайшего к нему значения уровня из числа разрешенных (рис.17.3).

Обычно принимают следующую классификацию дискретных систем:

• импульсные системы, в которых осуществляется дискретизация хотя бы одной переменной по времени;

• цифровые системы, в которых осуществляется дискретизация сигналов и по времени и по уровню.

---

П

Рис.17.3. Цифровое представление сигнала

ри дискретизации по времени непрерывная функция заменяется решетчатой функцией, которая образуется дискретами, выделенными из непрерывной функции в определенные моменты времениnT,n=1,2,…. Однако на практике нельзя реализовать решетчатую функцию с бесконечно малым временем существования каждого выделенного значения. При конечном времени работы технических устройств получается последовательность импульсов определенной длительности, промодулированная выделенными дискретами непрерывной функции. В теории дискретных систем принято выделять реальный импульсный элемент (РИЭ), осуществляющий дискретизацию и модуляцию. Модуляция заключается в умножении входной величины x(t) на немодулированную последовательность импульсов, каждый из которых представляет собой мгновенный импульс единичной высоты в моменты времениnT,n=1,2,… (рис.17.4). Назовем это идеальное устройство импульсным модулятором. В этом случае можно записать дискретную функцию времени, называемую также решетчатой

, (17.1)

где: - немодулированная последовательностьс периодом квантования по времениТ.

Рис.17.4. Немодулированная последовательность мгновенных единичных импульсов

Отметим, что рассматривается в теории линейных не-прерывных САУ в качестве типового воздействия и обладает следующими свойствами [3-1]

(17.2)

Тогда немодулированная последовательность импульсов

(17.3)

и последовательность импульсов на выходе импульсного модулятора

, (17.4)

---

что справедливо при выполнении условия x(t)=0 при .

Заметим, что замена в (17.3) и (17.4) интегрирования суммированием объясняется тем, что решетчатая функция имеет конечное и счетное число дискрет.

Обратим внимание на то, что в дальнейшем будет использовано идеальное импульсное звено (ИИЗ), на выходе которого генерируется последовательность , поступающая на вход линейного звена с передаточной функцией, на выходе которого должны формироваться реальные импульсы [3-1].

Напомним, что передаточная функция линейного непрерывного звена или системы находится как отношение изображений по Лапласу выходной и входной величин, найденных при нулевых начальных условиях.

При определении временных характеристик линейных непрерывных звеньев и систем используются два типовых воздействия:

единичная ступенчатая функция

(17.5)

изображение по Лапласу, которой

(17.6)

и единичный импульс см. (17.2).

При этом , а поэтому в силу свойств преобразования Лапласа

. (17.7)

Реакция линейного звена или системы, имеющей передаточную функцию W(p), на 1(t) и при нулевых начальных условиях соответственно равны

- переходная функция,

- весовая функция (называемая также импульсной переходной функцией).

Следовательно, если реальное импульсное звено генерирует импульсы S(t), то это звено можно представить в виде последовательного соединения идеального импульсного звена и формирующего линейного с передаточной функцией W_ф(р)=S(р).

---