Нерекурсивный фильтр

Разностное уравнение для нерекурсивного фильтра первого порядка имеет вид:

(4.67)

Z-передаточная функция, соответствующая (4.67):

81

(4.68)

Схема ДЛС, соответствующая (4.68), приведена на рис. 4.17.

Рис. 4. 17

Координаты нуля находятся из уравнения:

=0, (4.69)

откуда

. (4.70)

Нули и полюсы D(Z) связаны со спектральными свойствами ДЛС: полюсы определяют максимумы спектра (резонансные частоты), а нули связаны с минимумами амплитудного спектра (антирезонансы).

Признаком устойчивости фильтра является расположение его полюсов внутри единичной окружности (рис. 4. 18).

82

Рис. 4. 18 Рис. 4. 19

Фильтр является абсолютно устойчивым, так как полюс находится в нуле. Отклик системы на единичный импульс, описываемый выражением:

, (4.71)

изображен на рис. 4.19.

Рис. 4.20

83

Комплексный коэффициент передачи аналогового прототипа фильтра:

, (4.72)

Для АЧХ фильтра из (1.72): найдем

(4.73)

Рассмотрим некоторые частные случаи для АЧХ (4.73), представленные на рис. 4.20.

1. . Ход xарактеристики при изменении относительной частоты от 0 до напоминает дифференцирующую цепь.

2. . Ход характеристики при тех же значениях частоты напоминает плохой интегратор.

Характерно, что фильтр имеет значение «чистого нуля» на некоторых частотах.

5. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Простейшими современными производственными системами являются системы автоматического управления (САУ) автономным объектом или процессом (рис. 5.1).

84

Рис.5.1.

На вход системы управления от объекта (ОУ) поступают входные сигналы X, воспринимаемые подсистемой К контрольной информации. Далее выполняется преобразование входной информации в соответствии с алгоритмами, хранящимися в памяти подсистемы преобразования П. Цель управления достигается выработкой сигналов управления Y и их воздействием на объект через исполнительную подсистему И. Управление ведется без участия оператора, автоматически. Такой вид производственных систем отнесен к простейшим, так как управление без участия оператора возможно только для автономных объектов с несложными алгоритмами управления, например: стабилизация температуры печи, стабилизация частоты, поддержание требуемых влажности, давления и т.п..

Структура автоматизированной системы управления (АСУ) автономным объектом с участием оператора приведена на рис. 5.2.

85

Рис.5.2

Вектор входных сигналов Х определяется не только объектом уравнения но и оператором (Оп), а исполнительные сигналы У не только воздействуют на объект, но и обеспечивают информацией оператора. Участие человека в управлении автономным объектом объясняется не изученностью некоторых этапов технологического процесса, непредсказуемостью определенных исходов или чрезмерной сложностью их полной автоматизации. Наличие в АСУ человека – оператора дополнительно усложняет систему, так как требует специальных средств отображение информации (как правило с переходом к десятичной системе счисления с буквенно – цифровым отображением). Примером АСУ такого типа является станок с ЧПУ. Здесь присутствие человека требуется при заправке программы, установке заготовки, коррекции и замене инструмента, снятии детали, удалении стружки .

В АСУ автономным объектом возможности одной микро ЭВМ оказываются иногда недостаточными. В таких случаях применяют операционные расширители микроЭВМ и дополнительные специализированные микроЭВМ.

86

Создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) группой объектов привело к появлению двух уровневых структур. На начальномэтапе развития АСУТП предпринимались попытки реализации одноуровневой структуры, когда управление всеми объектами возлагалось на одну ЭВМ с большими вычислительными ресурсами и ресурсом памяти. Подкупала относительная простота таких систем. Однако ряд существенных недостатков централизованной структуры АСУТП предопределил неудачу такого направления. Жизнеспособными оказались двухуровневые системы, сочетающие в себе достоинства централизованных и децентрализованных структур (рис. 5.3)

Рис. 5.3

Основное достоинство централизованной структуры – низкая стоимость – достигается за счет верхнего уровня, где централизованы общесистемные средства – память и

87

вычислительные ресурсы. Достоинства децентрализованной структуры – высокая производительность и живучесть – реализуются на нижнем уровне, где каждому объекту управления выделяется независимая терминальная система управления. Связь между уровнями выполняется обычно по одному из стандартных интерфейсов посредством сигналов X_n, Y_n.

Операторы участвуют в технологическом процессе в общем случае как на верхнем, так и на нижних уровнях.

Чем больше емкость памяти в подсистеме П нижнего уровня, тем большие отрезки времени нижний уровень работает как автономная, независимая от верхнего уровня система. При этом достигается, прежде всего, отсутствие массового брака в АСУТП при отказе верхнего уровня. Сбои в каналах связи между уровнями выявляются средствами контроля.

Двухуровневые АСУТП вводят в эксплуатацию «снизу вверх», что позволяет добиться постепенного ввода в действие дорогостоящей производственной системы по мере ее готовности. Оператор верхнего уровня (ОпВ) выступает как наблюдатель или как пользователь, формирующий задание системе. В последнем случае оператор использует автоматизированную систему технологической подготовки производства ( АСТПП ) и систему автоматизированного проектирования (САПР ), также размещенные на верхнем уровне. На нижнем уровне, помимо технологических объектов управления ОУ1…ОУК, могут присутствовать роботы, которые заменяют операторов. На нижнем уровне применяются также подсистемы транспорта и склада. Совокупность перечисленных средств характерна для гибких производственных систем (ГПС), которые особенно эффективны для обычного

88

производства. Изменения (перестройка) в ГПС сводится к замене управляющих программ в памяти системы.

Создание автоматических и автоматизированных производственных систем требует разработки специальных программных и технических средств. На рисунке 5.5 показана доля используемых унифицированных, то-есть не требующих специальной разработки, технических и программных средств для разных уровней управления.

Рисунок наглядно показывает актуальность разработки оригинального программного обеспечения для нижнего уровня МП – средств, а также широкие возможности использования

САПР – система автоматизированного проектирования

АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства

Рис. 5.5

89

стандартных, унифицированных технических и программных средств для верхнего уровня управления.

Для нижнего уровня характерны общие типовые задачи:

- хранение и выполнение общего алгоритма управления;

- локальное аналоговое управление;

- локальное цифровое управление;

- связь с оператором;

- связь с ЭВМ верхнего уровня.

Решение задачи 1- го типа - хранение и управление общего алгоритма управления – достигается параллельным решением нескольких подзадач, таких как:

- приём и хранение массивов управляющих программ и данных;

- поочерёдное чтение программ и данных в функции времени или при выполнении логических условий;

- реализация многопрограммного режима, то-есть выполнение функций операционной системы;

- хранение и исполнение системных программ, отражающих алгоритмы и законы управления:

- логические вычисления;

- интерполяционные вычисления;

- экстраполяционные вычисления;

- вычисление и формирование различных функций времени, включая набор меток реального времени;

- реализация функций счётчиков;

- техническая диагностика и др.

Локальное аналоговое управление обеспечивает использования действия с заданными динамическими показателями: устойчивостью, временем переходного процесса, пере регулированием, динамическими ошибками. При организации динамического управления необходимо выбрать закон Локального управления (линейный, оптимальный,

90

адаптивный); выбрать квант времени и сложность закона формирования задания, определить структуру локальной системы управления, число контуров, тип датчиков, вид коррекции и т.д.

Локальное цифровое управление сводится к формированию исполнительных сигналов для устройств с релейной характеристикой. Сигналы типа «включить» и «отключить» формируются как логические функции внешних двоичных сигналов, внутренних двоичных аргументов и меток времени. При организации локального цифрового управления необходимо обосновать одно из возможных решений:

1) программную реализацию в общей ЭВМ с использованием стандартных узлов содержания с объектом;

2) реализацию в специальной программируемой логической ЭВМ – контролёре;

3) аппаратурную реализацию на базе комбинационных логических схем или логических схем с памятью.

Необходимо отметить чрезвычайно большой вес логического управления в современных автоматизированных производственных системах.

Решение задач связи с оператором сводится к выбору средств отображения и средств ввода информации (алфавитно– цифровые дисплеи, специализированные пульты и индикаторы).

Решение задачи связи с ЭВМ верхнего уровня чаще всего сводится к выбору одного из стандартных интерфейсов и программно – аппаратной реализации. Для многих производственных систем характерно наличие фазы передачи управляющей информации на нижний уровень и фазы непосредственного управления объектом. Основное время занимает фаза управления, и поэтому достаточным по быстродействию оказывается экономичный последовательный радиальный интерфейс (ИРПС).

91

Т иповая структура, системы управления нижнего уровня, представлен на рис. 5.6.

92

Такая структура является наиболее унифицированной, она обеспечивает эффективную реализацию законов управления. Система включает микропроцессорное устройство (МПУ), реализующее функции преобразования (П), типовые устройства сопряжения с объектом управления (УСО), входящие в подсистему контрольной информации (К) и исполнительную подсистему (И). Подсистемы объединяются интерфейсом типа «общая шина» (ОШ).

92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А. В. Теория автоматического управления техническими системами: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 492 с..

2. Коновалов Г. Ф. Радиоавтоматика. - М.: Высшая школа, 1990. - 317 с.

3. Иванов Ю. В., Лакота Н. А. Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - 464 с.

4. Корячко В. П. Микропроцессоры и микроЭВМ в радиоэлектронных средствах: Учеб. для вузов по спец. “Конструирование и технология РЭС”. - М.: Высш. шк., 1990. - 407 с.

93

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 2

1.1. Структура САУ 2

1.2. Классификация САУ 5

1.3. Программы и законы управления 7

1.4. Основные элементы автоматики 9

1.5. Статические характеристики элементов САУ 10

1.6. Динамические характеристики элементов 12

2. 2. ЛИНЕЙНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ САУ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 17

1. Основные характеристиеи ЛДЗ 17

2. Временные и частотные характеристики 18

3. Основные типы ЛДЗ 23

2.4. Способы соединения звеньев САУ 36

3. УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ 39

1. Понятие устойчивости 39

2. Матемтатическая постановка задачи 40

3. Оценка устойчивости САУ

по корням характеристического уравнения 41

4. Алгебраические критерии устойчивости 45

5. Частотные критерии устойчивости САУ 47

4. ЦИфровые системы автоматики 53

2. 4.1. Определение дискретной системы. Разностные

уравнения 53

4.2 Методы математического описания

дискретных систем 57

4.3 Прохождение непрерывного сигнала через

цифровое вычислительное устройство 61

4.4 Z – преобразование 65

4.5 Некоторые свойства Z-преобразования 69

4.6 Z-передаточная функция дискретной системы 70

4.7. Синтез дискретных систем 74

4.8 Простейшие дискретные линейные системы

и цифровые фильтры 77

.

5. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ 83

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 92

Учебное издание

КРАВЧЕНКО Владимир Ильич

САМОЙЛЕНКО Наталья Эдуардовна

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.