Системы автоматического регулирования с применением микроэвм (анализ и синтез систем) (стр. 2 )

Рис. 1.1 – Упрощённая функциональная схема АСУ ТП: Х1, Х2, …, Хn – управляемые величины; Y1, Y2, …, Yn – управляющие (регулирующие) воздействия; f1, f2, …, fn – внешние возмущения; Х01, Х02, …, Х0n – задающие воздействия

АСУ ТП работает следующим образом: управляемые величины (координаты) Х1, Х2, …, Хn воспринимаются датчиками, сигналы от которых через УСО1 подаются в УВМ, где программными средствами обрабатываются по требуемому для технологического объекта алгоритму; выходные сигналы УВМ через УСО2 и исполнительные устройства изменяют управляющие воздействия Y1, Y1, …, Yn, изменяя состояние выходных величин Х1, Х2, …, Хn в соответствии с требованием технологического процесса.

Современные микроЭВМ, обладающие высоким быстродействием, позволяют в мультиплексорном режиме управлять технологическими объектами с большим количеством управляемых величин (координат) или группой объектов с помощью одной УВМ. При этом она может совмещать как режимы логического управления, так и непосредственного регулирования, реализуя принцип работы замкнутых САУ – САР. Поскольку в настоящем учебном пособии, исходя из его целевого назначения, рассматриваются вопросы применительно к последним, то мы ограничимся только рассмотрением принципов построения и работы САР с микроЭВМ. Вопросы, связанные с принципами построения, выбором технических средств и программирования АСУ ТП в целом, являются прерогативой специального курса "Автоматизированные системы управления технологическими процессами".

Как известно, в микро ЭВМ обработка информации производится в цифровой форме (в двоичных кодах), поэтому такие системы автоматического управления классифицируются как цифровые САР. Один контур регулирования системы с микроЭВМ можно рассматривать как отдельную одномерную САР (рис. 1.2). Такая САР, помимо традиционных элементов, присущих непрерывной системе, содержит аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) кодируют аналоговые сигналы задающего воздействия Х0 и сигналы обратной связи Х1. В результате такого кодирования на вход микроЭВМ, а точнее её процессора, поступают цифровые представления в двоичном коде величин Х0 и Х1.

Выходная величина Х2 проходит через преобразователь двоичного кода в непрерывную аналоговую величину – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и превращается в величину Х2, представляющую собой электрическое напряжение. Эта величина поступает затем на непрерывную часть системы, к которой относится объект регулирования (ОР), воспринимающий орган (ВО) исполнительное устройство – исполнительный орган (ИО) и усилитель (УО).

Рис. 1.2 – Функциональная схема САР с микро ЭВМ: УВК – управляющий вычислительный комплекс; АЦП1 – аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналогового задающего воздействия Х0 в дискретный двоичный сигнал Х0; АЦП2 – аналого-цифровой преобразователь для преобразования аналогового сигнала датчика (воспринимающего органа) Х1 в дискретный двоичный сигнал Х1; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь для преобразования выходного дискретного двоичного сигнала микроЭВМ Х2 в аналоговый сигнал Х2

В САР, показанной на рис. 1.2, задающий сигнал Х0 формируется за пределами УВК аппаратными средствами. В отличие от такого метода организации задающих сигналов в САР, с использованием в контуре регулирования микро ЭВМ, его можно формировать в самой микро ЭВМ программным методом (рис. 1.3).

Рис. 1.3 – Функциональная схема САР с формированием задающего воздействия программными средствами (внутри микроЭВМ)

Схему, показанную на рис. 1.2, применяют в САР, у которых задающее воздействие X0 представляет собой переменную величину. Такой случай имеет место в следящих системах. Для систем стабилизации и программных систем задающее воздействие целесообразно формировать непосредственно в микроЭВМ программными средствами (рис. 1.3). В таком случае из схемы САР (рис. 1.2) исключается АЦП1, что приводит к их упрощению.

Рассмотрим несколько подробнее описанные принципы на примере одной из локальных автоматических систем АСУ ТП электрической станции /2/.

АСУ ТП электрической станции должна обеспечивать дистанционное управление всеми агрегатами, дистанционный контроль их режимов работы, самоконтроль и сигнализацию о неисправностях, и выполняет целый ряд других функций, в том числе стабилизацию напряжения на зажимах синхронных генераторов, посредством локальной САР, роль регулятора в которой выполняет один из каналов микроЭВМ /3/.

Для лучшего понимания и освоения принципов работы САР напряжения генератора с использованием в качестве регулятора микроЭВМ в начале рассмотрим подобную автоматическую систему регулирования, построенную на базе традиционных аппаратных средствах. Один из вариантов такой САР показан на рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Принципиальная схема САР: G1 – синхронный генератор; G2 – генератор возбуждения; A1 – электронный усилитель; A2 – электромашинный усилитель; Z – нагрузка; VD1…VD6, TV1 – элементы обратной связи; R0 – задающий резистор

Функциональная схема, соответствующая принципиальной схеме САР (рис. 1.4), показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5 – Функциональная схема САР: ЗО – задающий орган; СО – сравнивающий орган; УО1, УО2 – усилительные органы 1, 2; ИО – исполнительный орган; ОР – объект регулирования; ВО – воспринимающий орган; ПО – преобразующий орган

Принцип работы такой САР следующий. Напряжение синхронного генератора U измеряется трансформатором ТV1 и выпрямителем VD1...VD6 преобразуется в напряжение U3. Напряжение U3 подается встречно задающему напряжению U0. В результате получается разность напряжений ΔU=U0-U3. При уменьшении напряжения U разность ΔU возрастает, что приводит к увеличению напряжения возбуждения UВ генератора и к восстановлению его напряжения до заданного значения. При увеличении напряжения U разность ΔU уменьшается, что вызывает снижение напряжения возбуждения генератора UВ, а следовательно, и его напряжения U до требуемого значения. Таким образом, согласно принципа работы замкнутых САУ (САР) само отклонение управляемой величины (напряжения генератора U) от заданного значения вызывает изменение регулирующего воздействия (напряжения возбуждения UВ) так, чтобы уменьшить это отклонение и вернуть регулируемую величину к заданному значению.

САР напряжения синхронного генератора является системой стабилизации. Поэтому ее реализацию на базе микроЭВМ целесообразно выполнить на основе схемы, показанной на рис. 1.3. Принципиальная схема САР напряжения синхронного генератора, содержащая в контуре регулирования микроЭВМ, показана на рис. 1.6. В этой схеме микроЭВМ выполняет функции задающего и сравнивающего органов, вычисляя сигнал рассогласования ΔU по формуле ΔU=U0-U3, где U0 – задающее воздействие, формируемое программным методом. В микроЭВМ программными средствами можно сформировать при необходимости любой закон регулирования (П-, ПД-, ПИ-, ПИД-закон регулирования). Операции по вычислениям сигнала рассогласования и реализации закона регулирования в УВК обеспечивает микроЭВМ (рис. 1.7).

Рис. 1.6 – Принципиальная схема САР напряжения генератора с микроЭВМ

Рис. 1.7 – Функциональная схема САР напряжения генератора с микроЭВМ

Анализ принципиальных схем САР (рис. 1.4, 1.6) показывает, что схема автоматической системы с применением микроЭВМ сложнее по своей структуре и в обслуживании и, естественно, дороже подобной системы выполненной на базе аппаратных средств. В этой связи возникает естественный вопрос: для чего применять более сложные и дорогие САР, когда можно использовать системы дешевле и проще? Ответ на этот вопрос достаточно прост и тривиален. Его можно найти, вернувшись к началу настоящего раздел: САР с микроЭВМ как локальные автоматические системы преимущественно применяют в АСУ ТП, целесообразность использования которых, как показал их многолетний опыт применения в различных отраслях научной и практической деятельности человека, в том числе и в сельском хозяйстве, не вызывает сомнения; такие САР также широко используются в отдельных приборах и устройствах, построенных на простейших однокристальных микроЭВМ и микропроцессорных средствах, конкурентоспособных по стоимостным характеристикам с традиционными аппаратными средствами.

Как отмечалось выше, наличие микроЭВМ в контуре регулирования САР обусловливает необходимость преобразования непрерывных сигналов в дискретные (в цифровую форму). Поэтому системы с микроЭВМ выделяют в особый класс так называемых дискретных САР, рассчитывать и исследовать которые непосредственно на основе математического аппарата непрерывных систем нельзя. Для их анализа и синтеза в теории автоматического регулирования разработаны методы, базирующиеся на основе математических методах описания дискретных систем, основная сущность которых рассмотрена в следующем разделе.

3  МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1  Понятие импульсной и цифровой системы

Под дискретными понимают САР, в которых содержится хотя бы один элемент, преобразующий входной сигнал в дискретную форму, т. е. в сигнал, появляющийся через определенные промежутки времени. К таким системам относятся импульсные и цифровые САР.

Импульсными САР называют системы, содержащие импульсный элемент, который преобразует поступающий на него непрерывный (аналоговый) сигнал в последовательность модулированных импульсов.

Цифровыми САР называют системы, в которых имеется участок, по которому информация передается в цифровой форме. В состав таких систем, как правило, входят микроЭВМ, обрабатывающие цифровую информацию. В отличие от непрерывных САР, в которых внутренняя информация передается только в виде непрерывных сигналов (рис. 2.1 а), в импульсных САР имеются цепи, по которым информация перемещается в форме импульсов, следующих через определенный интервал времени Т (рис. 2.1 б), а в цифровых САР – при помощи двоичных кодов (чисел) (рис. 2.1 в).