Лекция 5. Принципы реализации на микроЭВМ функций регулятора

Одной из основных задач, решаемых при автоматизации судового энергетического оборудования, является автоматическое регулирование параметров – температуры, частоты вращения, давления и т.д. Для этого объект регулирования оснащается регулятором, образуя замкнутую, с обратной связью систему автоматического регулирования (САР) (рис. 1).

Рис. 1. Схема САР

В ней регулируемый параметр y(t) (рис. 1) сравнивается с задающим сигналом g(t). Их разница – сигнал ошибки – x(t)=g(t)-y(t) поступает в регулятор, вырабатывающий регулирующее воздействие s(t), изменяющее, например, расход топлива, греющей среды и т.д. Оно воздействует на объект регулирования так, чтобы снизить ошибку регулирования, приблизив y(t) к g(t). Подробно вопросы построения и анализа САР рассматриваются в других учебных дисциплинах. Здесь же речь идет о способе технической реализации функций регулятора на микроЭВМ.

Если САР построена на электронных аналоговых приборах, то регулятор, реализующий, например ПИД-закон регулирования, может быть выполнен на основе операционных усилителей. Однако в настоящее время более типичным и универсальным решением является реализация регулятора на микроЭВМ. При этом схема САР приобретает вид, показанный на рис. 2.

Аналоговый сигнал ошибки x(t) в АЦП преобразуется в пропорциональный ему цифровой код x*(t) и поступает в ЭВМ. ЭВМ рассчитывает выходной сигнал регулятора s*(t) в виде цифрового кода, который в ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал s(t), воздействующий на объект. Таким образом, закон регулирования фактически реализуется в виде выражения, рассчитываемого по программе в ЭВМ.

Рис. 2. Схема САР с реализацией функций регулятора на ЭВМ

Как известно, ПИД-регулятор описывается уравнением (это одна из возможных форм его записи):

,

где k – коэффициент усиления регулятора;

Т_и – время интегрирования;

Т_д – время дифференцирования.

Данное выражение микропроцессор, входящий в ЭВМ, непосредственно рассчитать не может. Он в состоянии выполнять лишь простые арифметические операции. Поэтому расчет выходного сигнала ПИД-регулятора производится численными методами интегрирования и дифференцирования. Для этого непрерывные процессы x(t) и s(t) дискретизируются во времени, т.е. их значения в моменты времени "n" вводятся, рассчитываются и выводятся через некоторый временной интервал (период Т), который задается таймером (см. рис. 2), что показано на рис. 3.

Рис. 3. Считывание сигнала x(t)

и формирование s(t)в дискретные моменты времени

В этом случае значение производной в момент времени "n" можно, например, рассчитать по упрощенной формуле:

,

а значение интеграла в момент времени "n" - по формуле:

,

где - значение интеграла на предшествующий момент времени "n-1".

При таком представлении сигналов уравнение ПИД-регулятора имеет вид простого алгебраического выражения, которое способен рассчитать микропроцессор:

,

где s_n – значение управляющего воздействия, рассчитанное для

момента времени n;

s_n-1 – значение управляющего воздействия в предшествующий момент времени "n-1";

x_n, x_n-1, x_n-2 – значения сигнала ошибки в соответствующе моменты времени.

Коэффициенты k₁, k₂, k₃ определяются из параметров регулятора – k, T_и, Т_д и периода работы таймера Т:

.

Таким образом, микроЭВМ должна лишь периодически вычислять s_n, принимая через равные интервалы времени Т текущее значение x_n и используя запомненные ранее значения s_n-1: x_n-1; x_n-2.

Коэффициенты регулятора k, T_и, Т_д хранятся в запоминающем устройстве ЭВМ и в эксплуатации могут быть оперативно изменены. Кроме этого, можно изменить и сам закон регулирования. Так, если задать Т_д=0, то получим ПИ-регулятор. Если после этого задать T_и= -П-регулятор и т.д.

Вычисление значения s_n в микроЭВМ занимает определенное время. Это время не должно быть больше периода работы таймера Т, иначе к очередному моменту времени "n+1" значение s_n не успеет сформироваться. Однако большинство процессов в судовом энергетическом оборудовании достаточно медленные, поэтому нет необходимости часто рассчитывать s_n. Можно задать весьма большой период Т работы таймера, за который очередное значение s_n будет гарантировано рассчитано и еще останется резерв времени. С учетом быстродействия современных ЭВМ этот резерв, как правило, настолько большой, что его можно использовать для расчета управляющих воздействий не только одного данного регулятора, но и еще нескольких регуляторов. Таким образом, одна ЭВМ способна одновременно (а фактически – по очереди, квазиодновременно) выполнять функции нескольких регуляторов.

В этом случае схема рис. 2 дополняется мультиплексором, устанавливаемым перед АЦП и демультиплексором, устанавливаемым после ЦАП. Их переключением управляет ЭВМ. На вход АЦП через мультиплексор по очереди подаются сигналы ошибок x(t) всех САР. Каждый из них после АЦП поступает в программный блок расчета соответствующего регулирующего воздействия. Рассчитанные регулирующие воздействия s(t) преобразуются в ЦАП в аналоговый вид и через демультиплексор по очереди поступают к своим объектам регулирования. По истечении времени Т цикл формирования регулирующих воздействий s(t)возобновляется.

В качестве примера построения регуляторов на основе микроЭВМ можно привести блок PCU 8800, входящий в систему автоматизации "Data chief-7 (2000)" фирмы Norcontrol. Он выполнен на основе микропроцессора 8088 и позволяет реализовать 32 ПИД-регулятора.