ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Предисловие редактора перевода из "Цифровые системы управления " Интенсивное развитие современных средств вычислительной техники привело к широкому распространению цифровых систем управления, которые в настоящее время используются в различных отраслях промышленности. Внедрению цифровых систем управления в значительной степени способствовало создание микропроцессоров и построенных на их основе микро-ЭВМ. Методы проектирования подобных систем существенно отличаются от классических методов, применяемых при анализе и расчете систем непрерывного типа. Во-первых, это связано с тем, что основой математического аппарата проектирования цифровых систем являются разностные схемы, которые заменяют дифференциальные уравнения, описывающие непрерывные системы. Соответственно методы, связанные с использованием обычного преобразования Лапласа, заменяются различными формами г-преобразования. Во-вторых, алгоритмы, применяемые при расчете цифровых систем, в частности построение дискретных моделей, зачастую могут быть реализованы только с помощью ЭВМ. [c.5] Предлагаемая вниманию читателя книга известного ученого Р. Изермана посвящена методам проектирования цифровых систем управления, обладающих высокими показателями качества. Основное внимание автор уделяет методам синтеза систем во временной области с использованием метода пространства состояний. Преимущество данного подхода заключается в том, что алгоритмы синтеза могут быть наиболее просто реализованы на ЭВМ. [c.5] Книга состоит из тридцати глав, объединенных в семь разделов, и приложения. В первом разделе приводятся основные понятия и определения теории цифровых систем, а также способы их описания с помощью г- и -преобразований, получивших широкое практическое применение. Здесь автор исследует методы преобразования непрерывных сигналов в цифровую форму и их воспроизведение с помощью экстраполяторов различных типов. Анализируются ошибки, связанные с квантованием сигналов по времени и по уровню. На основе этих представлений строятся модели цифровых систем в пространстве состояний. В конце раздела излагаются основные положения теории устойчивости. Приводимые алгебраические и частотные критерии устойчивости удобны для выполнения расчетов на ЭВМ. [c.5] Второй раздел посвящен синтезу цифровых систем управления при детерминированных воздействиях. Описываются основные типы непрерывных регуляторов и способы их реализации на управляющих ЭВМ с помощью схем непосредственного, последовательного и параллельного программирования. При этом осуществляется оптимизация параметров полученных цифровых регуляторов. Особый интерес для проектировщиков представляет методика построения цифровых регуляторов, обеспечивающих сокращение нулей и полюсов в неизменяемой части системы. Это упрощает процесс проектирования систем высоких порядков, описываемых сложными передаточными функциями. Определенный интерес также представляют методы расчета регуляторов, в которых для получения заданных показателей качества используется информация по всем переменным состояния или лишь по части состояний, когда остальные воспроизводятся с помощью наблюдателей различных типов. Достаточно подробно в разделе освещены вопросы синтеза регуляторов, обеспечивающих конечное время установления переходных процессов в системе управления. Большое значение имеют описываемые автором способы оценки чувствительности системы к изменению собственных параметров объекта управления, которые необходимы при выборе рабочих алгоритмов управляющей ЭВМ. [c.5] В конце раздела рассматривается проблема оценивания состояний] объекта, которые формируются с помощью фильтра Калмана. Можно отметить, что все методы, излагаемые в этом разделе, имеют конкретное практическое значение. [c.6] В четвертом разделе изложены методы синтеза многоконтурных систем управления. Для повышения качества их работы вводятся дополнительные регуляторы в цепях прямой и обратной связи. Такие системы являются работоспособными лишь при наличии измерений внутренних координат объекта или действующих извне возмущений. Для выбора параметров подобных регуляторов используются методы синтеза, описанные в предыдущих разделах, что представляет определенный интерес для проектировщиков. Автор сравнивает различные схемы построения регуляторов, приведенных в данном разделе. [c.6] Пятый раздел содержит синтез многомерных систем управления с учетом взаимных связей между отдельными частями системы. Учитывая сложность проектирования систем подобного рода, автор рекомендует применять методы декомпозиции, не приводящей к нарушению качества функционирования системы. Для этих целей предлагается вводить дополнительный цифровой регулятор, что является наиболее простым способом развязывания каналов многомерных систем. Не оставлено без внимания и представление многомерных систем в виде матричных полиномиальных уравнений, которые справедливы при одинаковом числе входов и выходов. Рассматриваются также методы синтеза алгоритмов управления таких систем, позволяющие получать высокие показатели качества управления. [c.6] Много внимания в книге автор уделяет адаптивным системам. Им полностью посвящен шестой раздел. Как и обычно, данный раздел начинается с изложения теории оценивания параметров в условиях нормальной эксплуатации системы. Для этого рекомендуется применять следующие методы наименьших квадратов, вспомогательных переменных и максимума правдоподобия. Автор показывает, что ввиду малой скорости сходимости и низкой точности получаемых оценок применять метод стохастической аппроксимации в адаптивных системах нецелесообразно. Следует отметить, что все указанные методы исследованы при наличии шумов. Особенностью этого раздела является значительное число примеров построения адаптивных систем управления с замкнутыми и разомкнутыми контурами самонастройки. [c.6] Седьмой раздел посвящен техническим средствам, используемым в цифровых системах управления аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям, датчикам, цифровым фильтрам для подавления шумов, исполнительным устройствам. Здесь также обсуждаются принципы автоматизации проектирования цифровых систем и состав пакетов прикладных программ. В заключение раздела приведены конкретные примеры проектирования систем цифрового управления технологическими объектами различных классов. [c.6] К большим достоинствам книги можно отнести последовательность изложения материала — от основных теоретических положений до конкретной реализации методов проектирования сложных цифровых систем. Теоретические результаты подкрепляются данными математического моделирования. Используя материалы этой книги, можно вести не только расчетно-теоретическую проработку цифровых систем управления, но и осуществлять их практическую реализацию. [c.6] Стремительное совершенствование технологии производства интегральных полупроводниковых компонентов, обеспечившее возможность создания высокоэкономичных цифровых устройств обработки и хранения информации, а также появление эффективных средств программирования оказывают все более существенное влияние не только на развитие техники измерений и управления, но и на подход к автоматизации вообще. Первые попытки применения цифровых устройств для автоматизации производственных процессов относятся к началу 60-х гг., когда были разработаны первые управляющие вычислительные машины. В 70-х гг. ЭВМ, непосредственно связанная с объектом в составе замкнутого или разомкнутого контура управления, стала обычным элементом оборудования автоматизированных систем. В последнее десятилетие ежегодный прирост числа ЭВМ, используемых в подобных системах, составлял от 20 до 30%. При этом обнаружилась тенденция к снижению стоимости аппаратуры и увеличению относительных затрат на прикладное программное обеспечение. [c.7] Для начального этапа внедрения цифровых систем управления в сфере автоматизации производственных процессов было характерно стремление к максимальной централизации задач, решаемых на одной и лишь в отдельных случаях на нескольких управляющих ЭВМ. Однако такой подход далеко не всегда позволял реализовать все преимущества цифровой обработки сигналов и получить ощутимый экономический эффект от использования цифровой техники. Последнее в значительной степени объясняется тем, что для обеспечения надежного функционирования систем при отказах центральной ЭВМ в параллель к ней приходилось ставить вспомогательные цифровые или аналоговые вычислители. [c.7] Положение изменилось после того, как в 1971 г. был начат серийный выпуск микропроцессоров. На базе этих новых элементов, а также модулей ввода/вывода и полупроводниковых запоминающих устройств на больших интегральных схемах были созданы управляющие микро-ЭВМ, обладающие высокими экономическими характеристиками. От более мощных универсальных машин такие ЭВМ отличает простота адаптации их аппаратного и программного обеспечения к решению специальных, достаточно узких прикладных задач. В то же время следует отметить, что пока микропроцессоры, как правило, уступают большим ЭВМ в разрядности и быстродействии. Они имеют менее обширные системы команд и оснащаются несложными операционными системами. Постоянное расширение сферы применения микропроцессоров обусловливает быстрый рост их выпуска и, соответственно, снижение стоимости производства. [c.7] На основе управляющих микро-ЭВМ в настоящее время строятся децентрализованные автоматизированные системы. Задачи, которые до сих пор возлагались на одну центральную ЭВМ, теперь распределяются по нескольким специализированным микровычислителям. Последние обмениваются информацией через общие шины или закольцованные линии связи, которые в свою очередь подключаются к более мощным управляющим ЭВМ. Таким образом могут формироваться разнообразные многоуровневые системы, структуры которых выбираются исходя из особенностей объектов управления. Децентрализация позволяет снизить требования к быстродействию отдельных вычислителей, рассредоточить и упростить прикладное программное обеспечение, повысить стойкость к отказам и тем самым устранить основные недостатки, свойственные системам с центральными ЭВМ. Кроме того, децентрализованные системы можно вводить в эксплуатацию по частям в них могут использоваться общие резервные блоки (отсюда — еще более высокая надежность), они обеспечивают некоторую экономию в соединительных линиях и т. д. [c.7] можно констатировать, что текущий этап развития методов цифровой обработки сигналов характеризуется переходом к децентрализованным системам. [c.8] Однако сфера применения микро-ЭВМ не ограничивается только децентрализованными автоматизированными системами. Они все более широко используются в качестве автономных вычислителей в различных измерительных и управляющих устройствах. Начиная с 1975 г. в промышленность стали поступать цифровые регуляторы и программируемые системы управления. Один цифровой регулятор, как правило, может выполнять функции нескольких аналоговых. Обычно на его входе ставится аналого-цифровой преобразователь, поскольку пока в основном применяются датчики, усилители и линии связи аналогового типа. Для того чтобы регулятор мог приводить в действие исполнительные устройства с аналоговым входом, он снабжается выходным цифро-аналоговым преобразователем. Вероятно, в будущем будет освоен выпуск оцифрованных датчиков и исполнительных устройств. Это позволит не только обойтись без аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, но и устранить ряд источников помех, а также даст возможность осуществлять предварительную обработку сигналов в цифровых измерительных устройствах (например, с целью выбора наилучшего диапазона измерений, компенсации нелинейностей, автоматического выявления неисправностей и т. д.). Что же касается исполнительных устройств с цифровым входом, то уже сейчас выпускаются, например, шаговые электроприводы. [c.8] Цифровые регуляторы не только заменяют по нескольку аналоговых, но они могут реализовать также дополнительные функции, выполнявшиеся ранее другими устройствами, или совершенно новые функции. Упомянутые дополнительные функции включают, в частности, программируемую проверку номинальных режимов, автоматический переход к обработке различных управляемых и регулируемых переменных, подстройку параметров регулятора, осуществляемую по разомкнутому циклу в соответствии с текущим режимом работы системы, контроль предельных значений сигналов и т. п. Можно привести и примеры новых функций — это обмен информацией с другими регуляторами, взаимное резервирование, автоматическая диагностика и поиск неисправностей, выбор требуемых управляющих алгоритмов, и в первую очередь реализация адаптивных законов управления. На основе цифровых регуляторов могут быть построены системы управления любых типов, включая системы с последовательным управлением, многомерные системы с перекрестными связями, системы с прямыми связями. При этом программное обеспечение подобных систем можно без труда корректировать как в предпусковой период, так и в процессе их эксплуатации. Немаловажно и то, что цифровые регуляторы позволяют изменять их параметры в весьма широких диапазонах и способны работать с практически любыми тактами квантования. Таким образом, все вышесказанное позволяет утверждать, что цифровая измерительная и управляющая техника со временем получит самое широкое распространение и в значительной степени вытеснит традиционную аналоговую технику. [c.8] Настоящая книга адресована инженерам, работающим в промышленности и в исследовательских организациях, а также студентам технических специальностей, которые освоили методы проектирования непрерывных линейных систем управления и хотели бы ознакомиться с основами теории цифровых систем и вопросами их практической реализации. Конечно, желательно, чтобы читатель располагал определенными сведениями в линейных дискретных системах, однако он может почерпнуть их из гл. 3, которая содержит краткое введение в теорию цифровой обработки сигналов и где приводятся базовые математические соотношения, необходимые в инженерной практике. Этот математический аппарат послужил основой для создания и дальнейшего развития эффективных методов проектирования дискретных систем управления. [c.9] Значительная часть книги посвящена описанию управляющих алгоритмов с параметрической оптимизацией, с компенсацией нулей и полюсов и конечным временем установления переходных процессов, синтез которых осуществляется в рамках классических методов, а также алгоритмов управления по состоянию и алгоритмов с минимальной дисперсией, полученных с помощью современных методов, основанных на представлении систем в пространстве состояний и использующих параметрические стохастические модели сигналов и объектов управления. С целью демонстрации свойств различных алгоритмов в цепях прямых и обратных связей замкнутых контуров управления проводилось их математическое моделирование на универсальных ЭВМ. Кроме того, многие алгоритмы были реализованы на управляющих ЭВМ, оснащенных пакетами прикладных программ. Работоспособность этих алгоритмов оценивалась по результатам практических экспериментов, в которых к управляющим ЭВМ подключались аналоговые модели, а также тестовые и реальные технологические объекты. [c.9] Вернуться к основной статье