Цифровые системы автоматического управления

В настоящее время цифровые системы автоматического управления (ЦСАУ) находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Наблюдается тенденция к постепенному вытеснению непрерывных (аналоговых) систем, использующих аналоговые законы управления системами, включающими в себя цифровые вычислительные машины (ЦВМ), которые позволяют реализовывать так называемое цифровое управление. Какие же преимущества дает применение цифровых систем управления по сравнению с непрерывными? Что обусловливает большой интерес со стороны специалистов в области автоматики к цифровым законам управления?

Дело в том, цифровые системы управления имеют значительные преимущества перед непрерывными системами управления, чем объясняется их популярность. Вот некоторые из многих их достоинств:

Точность. Цифровые сигналы представляются в двоичном исчислении нулями и единицами, обычно 12 битами, чтобы представить одно число. Это влечет за собой очень малые ошибки в сравнении с аналоговыми сигналами, которые всегда искажаются помехами и дрейфом напряжения источника питания.

Ошибки реализации. Обработка цифровых сигналов управления связана с операциями сложения и умножения с запоминанием численных значений. Ошибки, которые являются результатом цифрового представления и арифметических операций, являются незначительными. Напротив, обработка аналоговых сигналов осуществляется с применением таких электрических элементов, как резисторы и конденсаторы с фактическими значениями, которые весьма отличаются от номинальных значений, используемых для проектирования.

Переналаживаемость. Аналоговые регуляторы, реализованные в «железе», трудно модифицировать и перепроектировать. Цифровые регуляторы реализуются с помощью программно-аппаратных средств или компьютерных программ, «софтов», и их модификация возможна без полной замены первоначального регулятора. Кроме того, структура цифрового регулятора не должна придерживаться одной из простых форм, которые обычно используется в аналоговых регуляторах. Более сложные структуры регуляторов касаются нескольких дополнительных арифметических операций и легко реализуемы.

Быстродействие. Быстродействие компьютерных аппаратных средств возрастает экспоненциально, начиная с 1980гг. Такое увеличение скорости вычислений делает возможными дискретизацию и обработку сигналов управления с очень высокой скоростью. В связи с тем, что интервал между моментами дискретизации, период дискретизации, может быть выбран очень малым, цифровые регуляторы могут достигать характеристик, которые в сущности те же самые, что имеют место при непрерывном мониторинге управляемой величины.

Стоимость. Хотя стоимость товаров и обслуживания постоянно растет, стоимость цифровых схем непрерывно уменьшается. Прогресс в технологии больших интегральных схем делает возможным изготовление более качественных, с большим быстродействием и большой надежностью цифровых схем, и позволяет предложить их пользователю по более низкой цене. Это обстоятельство делает возможным применение цифровых регуляторов более экономичным даже для небольших, малозатратных приложений.

Аналитические исследования систем ЦСАУ показали, что механический перенос результатов теории непрерывных систем на цифровой случай возможен далеко не всегда, поэтому возникла необходимость создания теории цифровых систем, некоторые аспекты которой и составляют предмет данного раздела.