ДОСТОИНСТВА ИМПУЛЬСНЫХ САУ. ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ.

ВИДЫ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Импульсными САУ называются такие, в которых носителем информации является импульс. Техническая реализация импульсных САУ сложнее реализации линейных нелинейных САУ при одинаковой элементной базе, но очень проста на основе микропроцессоров. В частности, импульсные САУ на основе механических элементов чрезвычайно редки и их возможности минимальные.

Импульсные САУ имеют следующие положительные качества:

· высокая точность и стабильность, обусловленная тем, что введенная в микропроцессор (именно о таком исполнении импульсной САУ реально можно говорить) информация обрабатывается без ошибок;

· высокая помехозащищенность информации, практическая нечувствительность к колебаниям температуры окружающей среды, колебаниям напряжения питания и другим возмущающим факторам;

· многоканальность, выражающаяся в том, что один микропроцессор может одновременно управлять множеством объектов в режиме разделения времени;

· дешевизна импульсных САУ на основе микропроцессоров.

Импульсные САУ работают в режиме периодического ввода и вывода информации. Если объектов управления несколько, то их обслуживание проводится по очереди: сначала вводится информация с 1-го объекта, обрабатывается и выводится на этот же объект, затем вводится информация с 2-го объекта, обрабатывается и выводится на этот же объект и так далее по всем объектам. Так как время обслуживания одного объекта намного меньше интервала (периода) между соседними подключениями к нему, то за время указанного периода микропроцессор успевает обслужить множество объектов (это называется режимом разделения во времени). Из-за высокой скорости работы микропроцессора (тактовая частота - десятки-сотни мегагерц), создается иллюзия того, что будто бы микропроцессор одновременно работает с несколькими устройствами сразу. На самом деле в каждый момент времени работа ведется только с одним объектом.

В импульсных САУ могут использоваться импульсы любой формы: прямоугольной, треугольной, трапециидальной, синусоидальной, экспоненциальной. Как носители информации все перечисленные и любые другие импульсы равноценны. Если учитывать простоту расчетов импульсных САУ и преимущественная их реализация на основе микропроцессоров, то наилучшими являются импульсы прямоугольной формы (рис.37.1). Последовательность прямоугольных импульсов характеризуется тремя параметрами: периодом следования Т₀, амплитудой А и длительностью t. Дополнительными параметрами являются относительная длительность g = t / T ₀ и скважность Q = T ₀ / t импульсов.

Импульсные САУ применяются для управления непрерывными объектами, в которых информация представлена в непрерывной, аналоговой форме. Процесс преобразования аналогового сигнала в импульсы, называется модуляцией. В соответствии с тремя характеристиками прямоугольных импульсов, с этими импульсами реализуется три вида модуляции АИМ, ШИМ и ЧИМ.

При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) значение аналогового сигнала x ( t ) преобразуется в величину амплитуды импульса А₀, А₁, А₂, А₃ и т.д., а период Т₀ и длительность t импульса постоянны (рис.37.2). С таким видом модуляции работают микропроцессорные импульсные САУ, в которых t = T ₀ . Расчеты САУ с этим видом модуляции самые простые.

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) значение аналогового сигнала x ( t ) преобразуется в длительность импульса t ₀, t ₁, t ₂, t ₃ и т.д., а период Т₀ и амплитуда А импульса постоянны (рис.37.3). Такой вид модуляции применяется в таких импульсных САУ, в которых импульсы используются не только как носители информации с их обработкой в устройстве управления, но и поступают на силовые элементы, например на электродвигатели. В период действия импульса двигатель вращается, а при отсутствии - двигатель неподвижен.

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) значение аналогового сигнала x ( t ) преобразуется в период следования импульсов Т₀, Т₁, Т₂, Т₃ и т.д., т.е. изменяется частота следования импульсов, а длительность t и амплитуда А импульса постоянны (рис.37.4). Такой вид модуляции самый помехоустойчивый и применяется в тех случаях, когда между управляющим устройством и объектом, датчиками, органами управления большие расстояния и из-за длинных линий связи в них высок уровень помех.

Модуляция аналогового сигнала осуществляется в импульсных элементах, называемых модуляторами. Вариантов исполнения модуляторов существует множество. Ниже рассмотрим две схемы амплитудных модуляторов.

До микропроцессоров амплитудные модуляторы выполнялись по схеме, приведенной на рис.37.5. Модулятор содержит запоминающий конденсатор С, ключ К и согласующий усилитель У. Управляется модулятор синхроимпульсами

СИ, поступающими с периодом Т₀. По сигналу СИ кратковременно замыкается ключ К и конденсатор С заряжается до напряжения u _C, равного значению входного сигнала x ( t ) при t = nT ₀, где n - номер импульса. После размыкания ключа конденсатор оказывается подключенным ко входу согласующего усилителя У. Согласующий усилитель имеет очень большое входное сопротивление порядка 10⁶...10⁷ Ом, очень малое выходное порядка 0,01...0,1 Ом и коэффициент усиления равный единице. Из-за большого входного сопротивления конденсатор С до прихода следующего синхроимпульса практически не разряжается, т.е. в течение времени Т₀ напряжение u_C = const . Также постоянным будет сигнал х _И ( t ). Сигнал х _И ( t ) будет иметь ступенчатую форму, которая получается из рис.37.2 при t = T ₀.

Схема модулятора на основе микропроцессора приведена на рис.37.7.

Аналоговый сигнал x ( t ) поступает на аналогово-цифровой преобразователь АЦП, в котором практически непрерывно аналоговый сигнал преобразуется в цифровой двоичный код К_АЦП, значение которого прямо пропорционально сигналу x ( t ). Цифровой код представляет собой совокупность сигналов вида 0 или 1 шины данных, состоящей из нескольких проводников, обычно 8...12 проводников. На рисунке шина выделена утолщением. По сигналам микропроцессора МП, следующих с периодом Т₀, сначала приостанавливается работа АЦП, а затем осуществляется запись кода К_АЦП в оперативное запоминающее устройство ОЗУ. Затем сигналы микропроцессора снимаются и АЦП возобновляет свою работу, а в ОЗУ сохраняется неизменным в течение времени Т₀ код К_ОЗУ. В этом модуляторе импульсы представлены в виде последовательности кодов К_ОЗУ. Импульсный сигнал ступенчатый, так как код сохраняется в течение времени Т₀_.

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ САУ

В импульсных САУ в модулированных импульсах заключена информация о значениях аналогового сигнала, которые он принимает в моменты времени кратные периоду Т₀. Информация о значениях аналогового сигнала, которые он принимает в промежутках времени между моментами съёма импульса, никак не учитывается и попросту теряется. В импульсных САУ это является погрешностью дискретизации, и уменьшить погрешность, очевидно, можно путем уменьшения периода Т₀ следования импульсов. Однако бесконечно уменьшать Т₀ не представляется возможным, так как в промежутке между соседними съемами импульсов нужно время на обработку введенной в управляющее устройство информации. Требования многоканальности ведет к еще большему увеличению Т₀.

Величина погрешности дискретизации определяется соотношением максимальной скорости изменения аналогового сигнала и периода Т₀. Самыми быстро протекающими процессами в судовых автоматических системах являются процессы в судовой электростанции. Как показывает практика даже здесь оправдано применение микропроцессора, как базового элемента импульсных САУ. Во всех остальных судовых установках автоматизации процессы протекают намного медленнее и применение микропроцессоров всегда эффективно.

В импульсных САУ в принципе можно реализовать все функции обработки информации, которые существуют в линейных, нелинейных и других типах САУ, но с отмеченными выше погрешностями дискретизации.

В САУ не импульсного типа основной формой описания элементов являются дифференциальные уравнения и в немногих случаях, а именно, для безинерционных звеньев - алгебраические уравнения. В импульсных САУ алгебраические уравнения остаются такими же, как и в не импульсных. Дифференциальные уравнения заменяются на разностные, которые получаются из обыкновенных дифференциальных уравнений путем замены в них производных следующими выражениями

(38.1)

где n - индекс последнего (текущего) импульса;

( n -1) - индекс предпоследнего импульса и т.д.

В выражениях (38.1) операции взятия производной сведены к четырем арифметическим действиям - сложения, вычитания, умножения и деления. Только эти математические действия реализуются командами микропроцессора и, поэтому, могут быть запрограммированы.

Особенности применения микропроцессоров МП в импульсных САУ рассмотрим на примере реализации импульсного регулятора по схеме, содержащей последовательно включенные микропроцессор и электродвигатель ЭД (рис.38.1) постоянного тока (ДПТ).

Выходным сигналом ЭД является угол a поворота его выходного вала. ЭД в этом случае является интегрирующим звеном с передаточной функций (19.7). С помощью программы, исполняемой микропроцессором, указанный регулятор может иметь необходимые динамические свойства, которые определяются видом передаточной функции регулятора.

Определим алгоритм программы МП так, что регулятор в целом представлял бы собой пропорционально-интегральный (ПИ-) регулятор с передаточной функцией

(38.2)

где k_P - коэффициент передачи пропорциональной (П-) части регулятор;

Т_И - постоянная времени интегральной (И-) части регулятора.

ПИ-регулятор является самым распространенным типом регулятора во всех САУ. Его достоинства в том, что за счет И-части обеспечивается нулевая статическая ошибка регулирования в замкнутых САУ, а применение П-части обеспечивает запас устойчивости САУ и стабильные эксплуатационные характеристики.

Так как МП и ЭД включены последовательно, то

W_P ( p )= W _МП (р) W _ЭД (р) (38.3)

Из (38.3) с учетом (38.2) и (19.7) рассчитываем передаточную функцию микропроцессора

(38.4)

Из (38.4) следует операторное и дифференциальное уравнения вида

(38.5)

Выполняем замену производной согласно (38.1) и получаем разностное уравнение

(38.6)

Это разностное уравнение описывает работу микропроцессора, с помощью которого значение u_n текущего импульса на выходе микропроцессора определяется через текущее x_n и предпоследнее x _n _-1 значения входного сигнала.

Алгоритм вычислений по этому разностному уравнению приведен на рис.38.2.

При выполнении программы на вход электродвигателя ЭД поступает последовательность импульсов напряжения величиной u ₀, u ₁, ... u _n (рис.38.3, график а).

Если в качестве ЭД применен двигатель постоянного тока (ДПТ), то в течение времени Т₀ его вал повернется на угол a _n, пропорциональный напряжению u _n (рис.38.3, график б). Вид модуляции сигнала u амплитудно-импульсный (АИМ).

Если в качестве ЭД использовать асинхронный двигатель (АД), который намного надежнее и дешевле ДПТ, то частоту вращения и, следовательно, скорость изменения угла поворота его вала уже невозможно будет регулировать через изменение величины подводимого к двигателю напряжения u. Для реализации с АД такого же изменения угла a как и с ДПТ, нужно сменить вид модуляции выходного сигнала МП - перейти от АИМ к ШИМ (рис.38.3, график в). АД в течение времени действия импульса напряжения u поворачивается на тот же угол (рис.38.3, график г), что и при использовании ДПТ. Чем больше угол поворота АД, тем больше длительность t _n приложения к двигателю постоянного напряжения u _АД.

Длительность t _n импульса связана с вычисленным по (38.6) значением напряжения u _n соотношением

(38.7)

где w _АД - номинальная частота вращения АД.

Соотношение (38.7) можно доказать, рассмотрев любой интервал длительностью Т₀, например, интервал времени от 2Т₀ до 3Т₀ (рис.38.3). Угол поворота a ₁₂ для ДПТ равен T ₀ u ₂ / C _ф Угол поворота a ₁₃ для АД равен w _АД t ₂. Так как a ₁₂=a ₁₃, то из этого равенства следует (38.7).

Подставив в (38.7) выражение u_n из (38.6) и решив полученное уравнение относительно t _n , получим длительность включения АД в момент действия n-го импульса

(38.8)

Согласно последнего выражения микропроцессор вводит очередное значение x_n входного сигнала x, извлекает из памяти предшествующее значение x_n _-1 входного сигнала, вычисляет значение t _n и включает в течение этого времени в работу асинхронный двигатель. Алгоритм вычисления t _n подобен тому, который приведен на рис.38.2.

Контрольные вопросы:

1. Что такое импульсные системы?

2. Какими параметрами характеризуется импульс?

3. Что такое модулирование аналогового сигнала?

4. Какие способы модуляции Вы знаете?

5. На чем основана работа импульсных регуляторов?

Литература: [4, 8].

ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ САУ

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 954; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 28 29 303132 33 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!