Назначение, принципы построения и основные особенности компьютерных систем управления

Лекция 17. Назначение, принципы построения и основные особенности компьютерных систем управления

Современная тенденция развития систем управления основана на использовании в качестве устройств управления специализированных или универсальных компьютеров. Компьютерные системы управления имеют ряд важных преимуществ:

- минимальное потребление энергии;

- малые габариты и масса устройств управления;

- возможность реализации любых сложных законов управления, в том числе многоканальных, оптимальных и адаптивных;

- универсальная программная реализация произвольных законов управления.

В качестве примера рассмотрим компьютерную систему управления движением летательного аппарата (рисунок 89).

Здесь:

ОУ - объект управления (летательный аппарат), положение которого в пространстве характеризуется угловыми u, q, g и другими координатами.

ИП - информационная подсистема, регистрирующая сигнал от внешнего источника, в соответствии с которым должна выбираться дальнейшая траектория движения. Сигнал поступает в смеси с помехами. Выходной сигнал ИП  нуждается в обработке (выделении полезной составляющей).

Д - система датчиков (измерительных устройств) параметров движения летательного аппарата.

РП - рулевые приводы, обеспечивающие необходимое перемещение рулевых органов (рули высоты, рули направления, элероны и др.).

БКС - бортовая компьютерная система управления, решающая задачи выделения полезных сигналов из шумов, выбора и формирования закона управления, выработки сигналов управления рулевыми приводами s₁, s₂,... . Перечисленные задачи являются достаточно трудоемкими и решаются на основе некоторых алгоритмов.

Отметим особо наличие в системе устройств, состояние и поведение которых характеризуется сигналами с принципиально разным характером изменения:

- объект управления, измерительные и исполнительные устройства являются устройствами непрерывного действия;

- устройство управления (БКС) дискретного действия.

Для учета особенностей процессов в таких системах при решении задач их анализа и синтеза приходится использовать специальный математический аппарат.

Рассмотрим основные виды систем управления с устройствами дискретного действия.

Импульсными называются системы, включающие в себя хотя бы один импульсный элемент. Пример структурной схемы импульсной системы показан на рисунке 90. Здесь: g(t) - задающее воздействие, y(t) - выходной сигнал системы, x(t) - сигнал рассогласования. Сигнал x^*(t), поступающий на непрерывную часть (НЧ) системы с импульсного элемента (ИЭ), изменяет значение только в фиксированные моменты времени, разделенные постоянным шагом (тактом) T₀. Значение x^*(t) в момент начала такта совпадает со значением непрерывного сигнала x(t) на входе ИЭ в этот момент времени. Других ограничений на значение x^*(t) нет. Такое преобразование сигнала, выполняемое импульсным элементом, называется квантованием по времени. 

Релейными называются системы, включающие в себя хотя бы один релейный элемент (рисунок 91). Здесь сигнал x^*(t), поступающий на непрерывную часть (НЧ) системы с релейного элемента (РЭ), может принимать только фиксированные значения (уровни), определяемые характеристикой релейного элемента. Значение x^*(t) изменяется в момент достижения фиксированного уровня входным сигналом РЭ x(t). Других ограничений на значение момента изменения сигнала нет. Такое преобразование сигнала, выполняемое релейным элементом, называется квантованием по уровню.

В системах компьютерного управления (цифровых автоматических системах) устройство управления строится на основе микропроцессоров (ЦВМ), характерными особенностями которых являются:

- работа в дискретном времени;

- представление сигналов в цифровой (дискретной) форме - в виде двоичных кодов.

Следовательно, в таких системах управления присутствуют оба вида квантования сигнала: по времени и по уровню.

Пример структурной схемы компьютерной системы управления показан на рисунке 92.

Для преобразования сигналов g(t) и y(t) из непрерывной (аналоговой) формы в цифровую служат аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП может рассматриваться как релейный элемент, количество уровней выходного сигнала которого определяется разрядностью формируемого преобразователем двоичного кода. Импульсный элемент обеспечивает считывание двоичных кодов g^*(t) и y^*(t) в ЦВМ, с определенным тактом T₀: g[n] и y[n], где t=nT₀. В ЦВМ реализуется закон управления в форме некоторого алгоритма (программы) и формируется сигнал управления u[n]. Преобразование сигнала управления из двоичного кода в непрерывную форму u^*(t) выполняется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Обычно входные сигналы АЦП и выходные сигналы ЦАП физически представляют собой электрические напряжения.

Приведенные примеры показывают, что компьютерная, или цифровая, система управления должна рассматриваться как нелинейная дискретная система, что приводит к усложнению математического аппарата, применяемого для ее анализа или синтеза. Однако совершенствование элементной базы, применяемой для построения БКС - увеличение разрядности и повышение быстродействия - позволяют во многих случаях пренебрегать эффектом квантования по уровню и применять упрощенные процедуры синтеза цифровых законов управления, считая такт дискретизации по времени T₀ достаточно малым. Для таких моделей применяется термин – дискретные системы.