Цифровые системы управления (ЦСУ).

В системе управления с обратной связью функцию автоматического регулятора или корректирующего устройства может выполнять цифровой компьютер. Поскольку ввод информации в компьютер осуществляется через определенные интервалы времени, то необходимо разработать спец метод математического описания и анализа качества ЦСУ. ЦСУ оперирует с данными, получаемыми из непрерывного сигнала путем выборки его значений в равноотстоящие моменты времени. В результате этого получается временная последовательность данных, называемая дискретным сигналом. Эту последовательность можно преобразовать, используя преобразование Лапласа. Таким образом, достаточно просто можно определить характеристики замкнутой системы управления, в которой компьютер выполняет функции корректирующего устройства или автоматического регулятора. Компьютер при этом по определенной программе обрабатывает представленную в цифровой форме ошибку и выдает на выходе также цифровую форму. Программа управления может быть подготовлена так, что показатели качества регулирования будут близкими к заданному.

В схеме, представленной на рис, компьютер получает и обрабатывает сигнал в цифровом или численном виде, а не в виде непрерывной переменной. В ЦСУ обязательно присутствуют компьютер, входные и выходные сигналы которого представлены в виде числового кода. Преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а выходного сигнала компьютера – с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦСУ применяются во многих областях (при управлении металлорежущими станками, в химических процессах, при управлении самолетами).

Цифровое управление имеет ряд преимуществ: повышенная точность измерений; использование цифровых сигналов в комплекте с датчиками, преобразователями и микропроцессорами; меньшая чувствительность к шумам и помехам; возможность легко изменять алгоритм управления в программном обеспечении.

Повышенная точность измерений объясняется тем, что цифровые датчики и устройства работают с маломощными сигналами. Наличие цифровых сигналов дает возможность использовать широкий спектр цифровых устройств и линий коммуникаций. При этом цифровые датчики и преобразователи способны эффективно измерять, передавать сигналы и связывать между собой различные устройства. К этой группе устройств можно отнести системы с импульсными сигналами, которые используются в радиолокационных системах слежения и системах управления спутниками. Для ввода информации, чисел используется специальный фиксированный период, называемый периодом квантования. Данные, получаемые о переменных системы в дискретные моменты времени, называются квантованными данными или дискретными сигналами. Квантователь можно рассматривать как ключ, который замыкается через определенный период на бесконечно малый отрезок времени (см. рис).

Квантованный сигнал можно представить в виде последовательности импульсов, начинающихся при t=0, разделенных периодом квантования и имеющих определенную амплитуду. Предположим что мы квантуем сигнал x_ВХ (см рис). Тогда квантованный сигнал можно представить в виде последовательности импульсов, разделенных интервалом Т и имеющих определенные амплитуды, обозначенные на рисунке в виде импульсов вертикальными стрелками.

ЦАП – это устройство, преобразующее дискретный сигнал в непрерывный. Оба устройства достаточно точно воспроизводят сигналы, если эти сигналы не значительно изменяются за время, равное периоду квантования. При очень высокой частоте квантования ошибка будет минимальная.

Под точностью понимается то разрешение, с которым определяются отдельные переменные. Так например, точность компьютера ограничена конечным числом двоичных разрядов или длиной машинного слова. Поэтому говорят о том, что преобразованный сигнал включает в себя ошибку квантования по амплитуде. Если эта ошибка, обусловленная конечной длиной машинного слова, мала в сравнении с амплитудой сигнала, то цифровая система является достаточно точной, и эффектом квантования по амплитуде можно пренебречь.