Теорія автоматичного керування 2

Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут» імені Ігоря Сікорського
Факультет інформатики та обчислювальної техніки
Кафедра інформаційних систем та технологій
Реферат на тему:
“
Цифрові системи управління
”
із дисципліни: «Теорія автоматичного керування - 2»
Виконав:
студент групи ІА-03
Книш Н.А.
Перевірила:
Польшакова О. М.
Київ-2022

І. Поняття ЦСУ
Автомати́чна систе́ма керува́ння — це сукупність керованого об'єкта й автоматичних вимірювальних та керуючих пристроїв.
На відміну від автоматизованої системи керування ця система самодіюча і реалізує встановлені функції процесу автоматично, без участі людини (крім етапів пуску та налагодження системи). На практиці часто послуговуються терміном-аналогом система автоматичного керування (САК).
Автоматичним регулюванням називають підтримку на заданому рівні певної фізичної (хімічної) величини, що характеризує процес, або зміну її згідно
із заданим законом.
Автоматичне керування — ширше поняття, в цьому випадку здійснюється сукупність впливів на процес, вибраних з певної множини можливих.
Неперервною є система, в якій структура всіх зв'язків у процесі роботи не змінюється і величина на виході кожного елемента є неперервною функцією збурення (вхідної величини) і часу. В перервних системах при роботі системи можливі зміни структури зв'язків, через що сигнали на виході елементів або системи є перервною функцією часу або вхідної величини. Існують два види перервних систем — релейні й імпульсні. Релейною (імпульсною) називають систему, в складі якої є хоча б одна релейна (імпульсна) ланка (елемент), що має релейну (імпульсну) характеристику. Такі системи використовують в насосних станціях водопідготовки тощо.
Дискретні системи відрізняються від безперервних систем тим, що сигнали в одній або декількох точках таких систем є послідовністю імпульсів або цифрового коду. У літературі до таких систем застосовуються терміни:
«імпульсні системи», «цифрові системи»
Цифрові системи автоматичного керування передбачають перетворення безперервних сигналів у цифрові коди та зворотне перетворення цифрових кодів у безперервні сигнали.

Дискретні сигнали (імпульси, цифровий код) виходять з безперервних
(аналогових) сигналів квантуванням за рівнем (релейні системи), за часом
(імпульсні системи) або одночасно і за рівнем, і за часом (цифрові системи).
Системи, у структурі яких використовуються цифрові пристрої, контролери, мікропроцесори, обчислювальні комплекси є дискретними.
Прикладами дискретних систем керування є системи, які використовують у контурі керування цифрові регулятори. Безперервний сигнал, що надходить на вхід такого регулятора, перетворюється на послідовність імпульсів. Ця послідовність відповідно до закону регулювання перетворюється на іншу послідовність, яка перетворюється на безперервний сигнал регулятора.

ІІ. Особливості ЦСУ
При дискретному способі перетворення безперервного сигналу в дискретну послідовність реалізуються два етапу. На першому етапі відбувається квантування безперервного сигналу за часом чи за рівнем. При квантуванні по рівнем здійснюється фіксація дискретних рівнів сигналу, кратних кроку квантування за рівнем ∆𝑙 у довільні моменти часу, а при квантуванні за часом фіксуються рівні сигналу, здатні приймати довільні значення дискретні моменти часу, кратні кроку квантування за часом ∆t
Можливо, застосування обох механізмів квантування. одночасно
(механізм комбінованого квантування).
На другому етапі проводиться перетворення квантованого сигналу в дискретну послідовність відповідно до одного із законів модуляції, результат чого і впливає надалі на об'єкт управління. Найбільше поширення в системах автоматичного керування oтримали такі види модуляції сигналів:
1. Амплітудно-імпульсна модуляція сигналів (АІМ)
2. Широтно-імпульсна модуляція сигналів (ШІМ)
3. Частотно-імпульсна модуляція сигналів (ЧIМ)
Незалежно від виду модуляції дискретного сигналу етапі перетворення безперервного сигналу на дискретну послідовність, загальною математичною формою, яка представляє дискретну функцію сигналу в ТАУ, так звана
ґратчаста функція. Дискретизована аналогова функція може бути представлена у вигляді гратчастої (рис. 2.1) за допомогою набору - функцій на підставі наступного перетворення:
𝑓[𝑡] = ∑ 𝑓(𝑖𝑇)𝛿(𝑡 − 𝑖𝑇)
(2.1)

Якщо розглянути найпростішу дискретну систему управління
(найпростіший типовий контур регулювання, див. Рис. 1.7), то його загальне уявлення, зручне для математичного опису, має такий вигляд (див. рис. 2.2).
Слід зазначити, що круглими дужками визначено аналогові (безперервні) сигнали або близькі до таких, квадратними – дискретні чи дискретизовані сигнали. При описі ЦСУ за допомогою ґратчастої функції прийнято використовувати дискретне перетворення Лапласа або його модифікацію, так зване Z-перетворення.
Рисунок 2.1 – Формування ґратчастої функції з дискретизованого сигналу
Рисунок 2.2 – Подання типового контуру регулювання зручне для математичного опису

2.1. Переваги

Висока завадозахищеність;

Слабка залежність якості передавання від довжини лінії зв'язку;

Стабільність параметрів каналу зв'язку;

Ефективне використання пропускної здатності каналів зв'язку;

Можливість створення цифрової мережі зв'язку;

Високі техніко-економічні показники;

Висока енергоефективність.
2.2. Недоліки

Більша складність реалізації;

Забезпечення синхронізації.

ІІІ. Сфера застосування ЦСУ
Аж до середини ХХ століття теорія автоматичного управління розвивалася, базуючись на трьох фундаментальних принципах побудови автоматичних систем. Це були принцип управління з відхилення, принцип управління з обурення та принцип комбінованого управління. Однак починаючи з другої половини двадцятого століття, з появою кібернетики, починають інтенсивно розроблятися кошти, що ефективно використовують властивість запам'ятовування інформації у своїй роботі та здатні проводити самостійно досить трудомісткі для людини математичні обчислення. Так з'явилися перші, відносно ефективні електронні обчислювальні машини, що стали технологічною базою для розробки та удосконалення більш потужних і продуктивних комп'ютерів та комп'ютерних систем. З появою комп'ютерів вченим та інженерам стало посильним рішення таких завдань:
– дослідження та аналіз складних нелінійних систем за допомогою обчислювальних методів;
– розробка та реалізація ефективних алгоритмів регулювання, що використовують принцип предикції при формуванні керуючих впливів;
– питання формалізації та дослідження лінійних систем з великою кількістю змінних (багатомірні системи) з допомогою методу змінних станів.
Окремим класом завдань, для яких рівень розв'язання підвищився з появою комп'ютерів, стали завдання ідентифікації об'єктів, які без застосування чисельних методів із використанням «ручних» обчислень вирішувалися, але не завжди з достатньою ефективністю та точністю. Підсумовуючи написане вище, можна сказати, що основними об'єктами вивчення та дослідження для сучасної теорії автоматичного керування сталі нелінійні системи зі складними перехідними процесами та можливістю самоорганізації їх внутрішніх параметрів, дискретні інформаційно-керуючі системи та багатовимірні лінійні системи з великою кількістю вихідних змінних. Окремим класом у сучасній

теорії автоматичного управління йдуть завдання точної та ефективної
ідентифікації об'єктів системної інженерії.
Цифрові системи управління (ЦСУ) знаходять широке застосування в управлінні різноманітними технічними пристроями. Область застосування ЦСУ
– управління електромеханічними і електромагнітними пристроями, системами телевимірювання і телекерування, багатоканальними системами зв'язку і т. д.
В сучасних умовах зберігається стійка тенденція збільшення частки цифрових методів перетворення, обробки, передачі та зберігання інформації у всіх сферах діяльності людини, йде зміна поколінь технічних засобів обробки
інформації та інформаційного обміну. Ці засоби можуть безпосередньо не зачіпати традиційні галузі автоматизації: датчики, приводи, регулятори, проте змінюють середовище існування засобів автоматизації в цілому.
У період бурхливого розвитку мікропроцесорної техніки (80-ті роки 20- го століття) було розроблено та впроваджено велику кількість технічних пристроїв для систем автоматичного керування з жорсткою логічною структурою, що мали цілком задовільні характеристики. Разом з тим ставало зрозуміло, що тільки використання спеціалізованих та універсальних програмних пристроїв забезпечить майбутнє технічних засобів автоматики. На цьому етапі відбулося розділення шляхів розвитку систем управління на дві лінії: на основі універсальних ЕОМ і на основі контролерів та більш простих обчислювальних пристроїв, оптимізованих для вирішення задач 4 певного класу. Обидва підходи мають право на життя, а їх розумне поєднання забезпечує високу якість систем автоматичного управління (САУ).

ІV. Сучасний стан, проблеми й перспективи розвитку
Основним інструментарієм сучасної теорії автоматичного управління є обчислювальні аналітичні та чисельні методи, в основі більшої частини яких лежать базові (класичні) підходи до аналізу, синтезу та управління, відомі ще з класичної ТАУ, але отримали новий розвиток з появою високопродуктивних комп'ютерів, а також зі спрощенням можливості застосування якості запам'ятовування інформації.
В сучасних проектах використовують апаратні та програмні технології відкритого типу, апробовані і стандартизовані на ринку загальнопромислових додатків, поряд з розвитком і вдосконаленням традиційних засобів автоматизації. Контролери, вбудовані у засоби автоматизації зазвичай працюють в жорстких умовах експлуатації, а ціна відмови пристрою в системі автоматичного управління також може бути набагато вище, ніж в інших
інформаційних системах, так як об'єкт управління функціонує постійно і в реальному часі.
Цифрові САУ зазвичай містяь велику кількість різноманітних датчиків і перетворювачів інформації фізичних величин, таких, як температура, тиск, витрата рідини, швидкість і т. п. Датчики перетворюють результат вимірювання конкретної фізичної величини в деяку стандартну величину, як правило, напругу чи струм. При використанні комп’ютера постає завдання перетворення цієї проміжної фізичної величини в цифрову форму, що обумовило появу і стрімкий розвиток нового покоління датчиків, в яких є вбудовані контролери, що здійснюють таке перетворення. Такий інтелектуальний датчик сам стає елементом обчислювальної системи, що підтримує використання мережевих протоколів для передачі даних в цифровій формі. Часто контролер такого датчика виконує попередню цифрову обробку сигналу, наприклад, корекцію систематичної похибки перетворювача, попередню фільтрацію випадкових завад, а також контроль працездатності. Все більше технічних засобів САУ стають чисто цифровими, в яких перетворення фізичних величин відбувається безпосередньо в цифрову форму, підготовлену до передачі по каналу зв'язку.