Типовые элементы и устройства систем автоматическогоуправления (стр. 24 )

При использовании цифровой вычислительной техники в САУ необходимо преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые при вводе их в цифровую вычислительную машину (ЦВМ) и цифровые сигналы  в аналоговые при их выводе. Для этого используют соответственно аналого-цифровые (АЦП) и цифровые (ЦАП) преобразователи, рисунок 8.1.

ИУ – исполнительное устройство; ОУ – объект управления; U – управляющее воздействие; F – возмущающее воздействие

Рисунок 8.1 Упрощенная структурная схема цифровой САУ

В САУ используют как специализированные цифровые вычислительные устройства, так и серийные ЦВМ. Специализированные вычислительные устройства управления, иначе называют цифровыми регуляторами, разрабатываются специально для конкретных САУ, т. е. использование их рационально в тех случаях, когда программы управления постоянны и перепрограммирование не требуется. В настоящее время для этих целей все шире применяют встроенные микропроцессоры, сочетающие в себе большие алгоритмические возможности с высокой экономической эффективностью (например, при построении систем числового программного управления станками и промышленными роботами-манипуляторами).

Для многоточечного управления сложными ОУ используют серийно выпускаемые управляющие микро - и мини-ЭВМ (УВМ).

Основными особенностями малых ЭВМ, предназначенных для применения в САУ, являются:

упрощенная система команд;

ограниченный объем оперативной памяти (примерно 64 Кбайт);

сокращенная длина машинных слов (обычно 2 байта);

упрощенный интерфейс;

наличие дополнительных устройств для автоматического схемного контроля работы всех блоков и резервирование особо важных блоков в целях повышения надежности работы ЭВМ.

В настоящее время в САУ вместо отдельных ЭВМ используют управляющие вычислительные комплексы (УВК), представляющие собой унифицированную систему технических и программных средств эксплуатационного обеспечения и стандартов. УВК используются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), при автоматизации научных и технических эксперементов, в испытательных и измерительных САУ.

Набор технических средств УВК включает в себя процессорные устройства различной производительности, устройства ввода-вывода, устройства связи с объектом (УСО), устройства передачи данных (УПД), мультисистемные средства и другие устройства, позволяющие компоновать самые разнообразные САУ.

Области применения САУ все время расширяются, и сложность ОУ непрерывно возрастает, например Единая автоматизированная система связи (ЕАСС), автоматизированные системы управления предприятиями и целыми отраслями промышленности и т. д. Во всех перечисленных САУ необходимо оперативно обрабатывать столь большие объемы информации, что в качестве центрального вычислительного устройства в них используются универсальные высокопроизводительные ЭВМ.

В последние годы появились задачи управления, для реализации которых недостаточно возможностей ни аналоговых (малы точность и алгоритмические возможности), ни цифровые (малы точность и алгоритмические возможности), ни цифровых (мало быстродействие) ЭВМ. К таким задачам относятся:

управление движущимися объектами, когда траектория формируется в процессе движения;

моделирование и идентификация сложных объектов (включая биологические) в реальном масштабе времени;

создание комплексных тренажеров;

Для решения подобных задач используют гибридные (аналого-цифровые) вычислительные системы, сочетающие в себе достоинства аналоговых и цифровых ЭВМ.

8.2 Логические устройства автоматики

Бесконтактные логические элементы используются при реализации различных логических законов управления и для осуществления блокировок и защит в системах управления.

Логический элемент выполняет те же функциональные операции, что и электромагнитное контактное реле. Он имеет два устойчивых состояния – «включено» и «выключено», которые обозначаются соответственно цифрами 1 и 0.

Для электромагнитного реле цифра 1 обозначает, что его контакт замкнут, а цифра 0 – разомкнут. Для бесконтактного логического элемента цифра 1 указывает на наличие напряжения на его выходе, цифра 0 – на отсутствие. Аналогично обозначаются и входные сигналы элементов. Обозначим входные сигналы логических элементов, условные схемы которых приведены на рисунке 8.2, буквой X, а выходные – Y и рассмотрим простейшие логические операции и элементы.

Рисунок 8.2 Реализация простейших логических функций

Логический элемент НЕ, рисунок 8.2, а, выполняет операцию отрицания (инвертирования). При наличии входного сигнала, т. е. при X = 1, выходной сигнал отсутствует (Y = 0), а при отсутствии входного сигнала (X = 0) выходной сигнал Y = 1.

Логический элемент ИЛИ. Сигнал на выходе этого элемента появляется при наличии хотя бы одного входного сигнала X1 или X2, рисунок 8.2, б. Операция ИЛИ может выполняться для любого числа входных сигналов.

Логический элемент И. Сигнал на выходе этого элемента Y = 1, рисунок 8.2, в, появляется только в том случае, когда оба входных сигнала 1. В остальных случаях Y = 0.

Логический элемент ИЛИ – НЕ, рисунок 8.2, г. В этом случае более сложном элементе при наличии хотя бы одного сигнала на входе (X1, X2 = 1) сигнал на выходе Y = 0, а при отсутствии входных сигналов (X1, X2 = 0) выходной сигнал Y = 1.

Кроме рассмотренных примеров логические элементы могут выполнять запоминание уровня входного сигнала (операция ПАМЯТЬ), блокировку (операция ЗАПРЕТ), выдержку времени на включение и отключение электрических аппаратов, и другие операции.

В большинстве схем управления на логических элементах используется типовой узел «Память». Этот узел образуется соединением двух элементов ИЛИ – НЕ, рисунок 8.3, а и работает следующим образом. Допусти, что требуется запомнить информацию, характеризующуюся верхним уровнем дискретного сигнала Uвх1 = 1, и иметь возможность «стереть» из памяти эту информацию. Запоминаемый сигнал Uвх1 = 1 подается на вход 1 первого элемента ИЛИ – НЕ. Так как элементы этого узла осуществляют функцию НЕ, то сигнала на выходе первого элемента не будет, а на выходе второго появится напряжение Uвых. Этот сигнал по цепи обратной связи поступит на вход 2 первого элемента. Теперь сигнал включения Uвх1 = 1 можно снять с входа 1, а сигнал на выходе узла Uвых будет существовать сколь угодно долго.

Для стирания из памяти записанной информации надо подать сигнал Uвх1 = 1 на вход 4 второго элемента схемы, который снимет сигнал Uвых. С его выхода, а память будет «очищена».

Рисунок 8.3 Реализация схем управления на логических элементах

Рассмотрим типовой узел реверсивной схемы, рисунок 8.3, б, управления двигателем реализованный на логических элементах. В нем использованы два узла «Память» (элементы П1…П4, ИЛИ – НЕ) и два согласующих усилителя А1 и А2, от которых питается катушки контакторов КМ1 и КМ2, обеспечивающие включение двигателя в условных направлениях «Вперед» и «Назад».

Включение двигателя осуществляется кнопками «Вперед» SB1 и «Назад» SB2, воздействие на которые запоминается соответствующими узлами памяти. При этом кнопки SB1 и SB2 взаимно заблокированы, а нажатие кнопки SB3 «Стоп» приводит к отключению любого из включенных в данный момент контакторов КМ1 и КМ2.

Система управления двумя двигателя, рисунок 8.3, в, на логических элементах выполняет следующие функции: включение двигателей М1 (контактор КМ1) и М2 (контактор КМ2) с помощью кнопок SB1 и SB2; отключение двигателей М1 при срабатывании конечного выключателя SQ1 и М2 при срабатывании выключателя SQ2; отключение двигателей кнопкой SB3 «Стоп»; блокировку, запрещающую одновременную работу двух двигателей М1 и М2.

Схема рисунок 8.3, в, во многом повторяет схему рисунок 8.3, б. Для размножения сигналов запрета в ней применяются диодные элементы ИЛИ, входящие в состав серии логических элементов.

На рисунке 8.3, г, приведен типовой узел, с помощью которого может быть реализовано управление по принципу времени. В этой схеме узел «Память» представлен одним элементом, а логический элемент задержки времени обозначен ЭВ. Узел работает следующим образом. При нажатии кнопки SB1 «Пуск» через усилитель А подается питание на катушку контактора КМ, который включает двигатель. Одновременно с этим сигнал поступает на вход элемента задержки ЭВ, которой, отсчитав свою выдержку времени, включает реле КТ. Это реле, в свою очередь, производит требуемые переключения в схеме управления, в частности вызывает шунтирование пускового резистора.

8.3 Микропроцессорные комплекты и системы

Увеличение уровня интеграции ИС и улучшения их технико-экономических характеристик позволили использовать вычислительные устройства во многих областях: от устройств промышленного оборудования и контрольно-испытательной аппаратуры до ЭВМ. Процесс применения ИС для построения различной вычислительной техники значительно ускорился с применением микропроцессоров.

Название «микропроцессор» связано с исполнением процессора на одной или нескольких кристаллах полупроводниковой ИС. Микропроцессоры служат главными функциональными частями микро-ЭВМ, которые реализуются на БИС. Подготовительным этапом развития микропроцессоров стали микрокалькуляторы. Именно на них были отработаны технологические, схемо-технологические и архитектурные решения, которые широко использовались в дальнейшем при создании первых микропроцессоров.

Микропроцессор – самостоятельное или входящее в состав ЭВМ устройство, осуществляющее обработку информации и управляющее этим процессом, выполненное в виде одной или нескольких БИС. В общем случае в состав микропроцессора входят, рисунок 8.4: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления УУ и регистровое запоминающее устройство РЗУ. Эти три основные части МП соединены тремя линиями связи – шинами  данных ШД, шинами адресов ША и шинами управления ШУ.