Файл: Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 220
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
20 средством улучшения поведения CAP в неустановившихся режимах. В частности, с целью улучшения динамики CAP производная от ошибки часто вводится в пропорциональный закон регулирования. В результате получается
пропорционально – дифференциальный закон регулирования
= kx + k
1
x˙
(1.12)
Регуляторы с законом регулирования (1.12) сокращенно называются
ПД- регуляторами. Они реагируют не только на саму ошибку х, но и на тенденцию ее изменения. Например, в том случае, когда ошибка хвозрастает,
х
˙
> 0 и регулирующее воздействие в ПД-регуляторе оказывается больше, чем в П-регуляторе (коэффициенты k, k
1
считаем положительными). Наоборот, при уменьшении ошибки х
˙
< 0 величина
в ПД-регуляторе будет меньше, чем в
П-регуляторе. Такой характер работы ПД-регулятора способствует демпфированию (гашению) колебаний, возникающих в CAP вследствие инерционности отдельных элементов системы. Более того, ПД-регулятор вступает в действие уже тогда, когда х = 0, но имеется возникшая вследствие тех или иных возмущений скорость изменения ошибки (х
˙
0).
На практике производная вводится в закон регулирования при помощи специальных дифференцирующих устройств, выходная величина которых пропорциональна производной от входной величины. Примерами таких устройств могут служить пассивные дифференцирующие электрические цепи, тахогенераторы, операционные усилители и др.
Регулирование только по производной от сигнала ошибки, т. Е. использование закона регулирования
= kx
˙
, является нецелесообразным хотя бы потому, что регулятор с таким законом регулирования совершенно не реагирует на постоянные ошибки сколь угодно большой величины (при х = const значение
= 0).
Кроме ПИ- и ПД-регуляторов, в практике регулирования часто применяются ПИД- регуляторы с пропорционально-интегрально-диф-
ференциальным законом регулирования
21
+
+
=
t
xdt
k
x
k
k x
0 2
1
, (1.13)
в котором компонент, пропорциональный интегралу от ошибки, обеспечивает требуемую точность работы CAP в установившихся режимах, а компонент, пропорциональный скорости изменения ошибки, предназначен для улучшения динамических свойств CAP.
В качестве примеры технической реализации на рис. 1.6 приведены фотографии цифрового и аналогового ПИД – регуляторов.
Рисунок 1.6 – Цифровой и аналоговый ПИД – регуляторы.
Рассмотренные выше законы регулирования (1.6), (1.9), (1.10), (1.12) и
(1.13) относятся к числу простейших. В более сложных случаях в закон регулирования может быть введено несколько интегралов от сигнала ошибки.
Производные могут вводиться не только первого, но также второго и более высоких порядков, и не только от сигнала ошибки, но и от регулируемой величины или каких-либо промежуточных координат системы. В регуляторах, реализующих комбинированный принцип регулирования, закон регулирования содержит компоненты, зависящие от измеряемого возмущения
22 его производных и интегралов и т. Д.
Уравнения (1.6), (1.9), (1.10), (1.12) и (1.13) являются линейными относительно входящих в них переменных
и
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
х. В связи с этим соответствующие законы регулирования называются также линейными.
В технике регулирования, наряду с линейными, применяются и нелинейные законы регулирования. Простейшими примерами таких законов могут служить соотношения (1.5) и (1.7), если фигурирующие в них функции
(х) и
1
(x) отличны от линейных.
Среди нелинейных законов регулирования наиболее распространены релейные законы. Например, приняв в уравнении (1.5)
0
,
0
,
)
(
max max
−
=
x
если
x
если
x
,
где
max
> 0 — максимальное значение регулирующего воздействия, получим так называемый двухпозиционный релейный закон регулирования. При
н
н
н
н
x
x
если
x
x
x
если
x
x
если
x
−
−
−
=
,
,
0
,
)
(
max max
где x
н
— величина, характеризующая зону нечувствительности регулятора, соотношение (1.5) определяет трехпозиционный релейный закон
регулирования и т. д.
Применение релейных законов регулирования во многих случаях дает возможность решать задачу автоматического регулирования той или иной физической величины весьма простыми техническими средствами, при малом весе и габаритах регулирующей аппаратуры и высоком ее быстродействии. Во многих случаях использование нелинейных законов регулирования и управления позволяет добиться таких результатов, которые принципиально не могут быть достигнуты при помощи линейных регуляторов. Поэтому направление, связанное с разработкой и применением нелинейных законов
23 управления, в настоящее время интенсивно развивается.
1.4 Понятие об автоматизированном технологическом
объекте
Во всяком технологическом объекте можно выделить несколько основных частей (рис. 1.7).
Технологический объект
(ОР)
д а
тч и
ки
М
ул ьт и
пл е
кс о
р
АЦП
ЦАП
(ИЭ)
Силовые преобразователи
(РО)
ЭВМ
(ПЭ, СЭ, ЗЭ)
Ethernet
И
нт е
р ф
е й
с и
л и
а д
а пт е
р
Т
Р
V
Y аналоговый
Y цифровой.
цифров.
аналог.
(ЧЭ)
Измерительная система
Рисунок 1.7 – Обобщенная блок-схема автоматизированного технологического объекта.
Во-первых, имеется технологический объект, который реализует какой либо процесс. Процесс должен воспроизводится при определенных значениях определяющих его параметров. Для задания и выдерживания заданных значений этих параметров объект снабжается системой управления, включающей в себя силовые и цифро-аналоговые преобразователи.
Следующей по основному потоку движения информации является измерительная система. Измеряемыми величинами являются физические величины (напряжение, ток, температура, линейный, объемные и угловые перемещения, давление и др.). Первоначальными источниками информации о значениях измеряемых величин служат датчики. Датчики чаще всего выдают сигнал в аналоговой форме (непрерывной во времени), если сигнал слабый, то
24 его усиливают.
Сигналы от датчиков поступают на измерительные устройства.
Измерительные устройства, применяемые в автоматизированных системах, имеют, как правило, цифровую индикацию и цифровое представление результата на выходе. Узел, переводящий аналоговую информацию в
цифровую, носит название аналого-цифрового преобразователя – АЦП.
Часто при практической реализации системы с целью экономии оборудования одни и те же измерительные устройства могут обслуживать большое число датчиков. Поочередное подключение датчиков к АЦП осуществляется мультиплексором (коммутатором).
Следующей частью системы является узел обработки и управления. Он включает в себя процессор, оперативное запоминающееся устройство и систему математического обеспечения. Чаще всего в этой роли выступают промышленные компьютеры, интеллектуальные контроллеры на базе тех или иных процессоров, а иногда и обычные персональные компьютеры (ЭВМ).
Процессор осуществляет обработку данных по заданному алгоритму. Под
алгоритмом будем понимать набор формальных правил, описывающих
способ преобразования исходных данных для получения результата.
Кроме этого, имеются устройства ввода-вывода. Форма и способ представления информации на входах и выходах различных устройств (АЦП,
ЦАП рис.1.7) могут не совпадать. Для возможности соединения устройств между собой выработаны стандарты на сопряжения – интерфейсы и по этим стандартам выполняются соединения. Главный интерфейс системы – это стык между ЭВМ и измерительной системой.
В автоматизированный системах, в случае, если какие-либо узлы или блоки системы, подключаемые к ЭВМ, не имеют стандартного интерфейса, они подключаются через адаптеры (переходники). Функционально
законченные элементы системы, имеющие одинаковый интерфейс ввода-
вывода, называются модулями. При наличии типовых модулей различного
25 назначения система автоматизированного управления может быть составлена из них полностью или частично.
После обработки в ЭВМ информации, поступающей с датчиков, по тому или иному алгоритму или математической модели принимается решение
(вырабатывается сигнал управления µ) и через интерфейс подается в ЦАП.
Сигнал управления, после преобразования в ЦАП в аналоговую форму, воздействует на силовые преобразователи, которые меняют состояние технологического объекта в необходимом направлении. Данные о процессе через сеть передаются в головной компьютер или сервер данных.
Если сравнить рис.1.4 и рис.1.7 то увидим, что автоматизированный технологический объект реализует схему автоматического регулятора, работающего по ошибке. Где технологический объект это объект регулирования (ОР), сигналы датчиков – измеряемые величины (y), измерительная система – чувствительный элемент (ЧЭ), ЭВМ – задающий, сравнивающий и промежуточный элементы (ЗЭ, СЭ, ПЭ), ЦАП – исполнительный элемент (ИЭ), силовые преобразователи – регулирующий орган (РО).
Из рис 1.7 видно, что для создания реально работающей схемы автоматизированного технологического объекта необходимо познакомится в первую очередь с принципами организации ЭВМ, системами наиболее популярных интерфейсов, измерительными системами, системами датчиков.
Знакомство начнем с принципов организации ЭВМ.
26
2 Архитектура ЭВМ
2.1
Понятие архитектуры ЭВМ. Представление информации
в ЭВМ
Для автоматизации технологических процессов используют различные
ЭВМ, начиная от больших и заканчивая микроЭВМ, встраиваемыми в приборы. Выбор ЭВМ в каждом конкретном случае определяется рядом факторов: сложностью решаемой задачи, уровнем организации работ по автоматизации, стоимостью оборудования и т.п. Дадим краткую классификацию
ЭВМ и определим класс машин, о которых будет идти речь в дальнейшем.
ЭВМ, входящие в вычислительные системы, подразделяются на сверхбольшие, большие, средние, мини и микроЭВМ. Первые три вида в основном применяются для выполнения сложных расчетов, в информатике, в системах коллективного пользования и редко используются непосредственно для целей автоматизации. Типичными представителями больших и средних ЭВМ являются 'Эльбрус", "Грей" и ЕС-1066. Основная часть систем автоматизации создается на базе мини и микроЭВМ. В связи с прогрессом в области микропроцессорной техники и появлением новых моделей мини и микроЭВМ деление машин часто отражает лишь размеры вычислительной системы, определяемые в основном периферийными устройствами, а не возможностью самой машины. В середине 80-х годов резко возросло производство различных типов персональных компьютеров: IBM-XT, IBM-AT, Apple, Macintoch и др., отличающихся малыми размерами и снабженных компактной периферией.
Вычислительные возможности наиболее развитых моделей ПК находятся на уровне возможностей мини-ЭВМ. ПК так же широко используются для целей автоматизации.
Мини и микроЭВМ образуют программно-совместимые семейства. Модели внутри каждого семейства различаются по возможностям, предоставляемым пользователям: по быстродействию, объему памяти и т.п. Объединяет их то, что программа, написанная для одной из моделей, может быть выполнена на другой того же семейства. Модели внутри семейства обычно совместимы снизу вверх,
27 т.е. программа, написанная для модели, обладающей меньшими возможностями, может быть без изменения выполнена на модели с большими возможностями, но не наоборот.
Работу ЭВМ можно рассматривать на трех уровнях. Самый низкий уровень составляют технические или аппаратные средства - электронные схемы и элементы, из которых состоит ЭВМ, их функциональное назначение, способы соединения и т.д. Эти сведения необходимы при разработке, как самой ЭВМ, так и систем автоматизации, в состав которых она входит.
Следующий уровень - архитектура и организация. Термин "архитектура" используется для описания функциональных возможностей, предоставляемых пользователю аппаратными средствами ЭВМ. Архитектура отображает доступные пользователю элементы структуры (набор регистров, адресное пространство, элементы памяти и т.п.), а также средства и возможности, необходимые для программирования работы ЭВМ (способы представления информации, система команд, способы адресации и т.д.). Организация ЭВМ определяет, каким образом реализуются возможности, заложенные в архитектуре.
Верхний уровень – программное обеспечение, которое в свою очередь подразделяется на системное и прикладное.
В России де-факто сложилась ситуация, когда 95% компьютерного рынка занимают IBM PC совместимые машины, построенные на процессорах
Intel или их аналогах с расширенной системой команд. Аналогичная ситуация и с компьютерами промышленного назначения. Поэтому мы будем рассматривать этот класс машин.
В ЭВМ используется двоичный способ представления информации: сигнал может принимать только два значения, низкий уровень напряжения условно принимается за нуль, высокий за единицу. Любое сообщение, передаваемое по линиям данные/адрес магистрали, есть совокупность нулей и единиц, которую можно интерпретировать как число, записанное в двоичной системе счисления. Каждый двоичный разряд называется битом. Бит может