Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 7.3. ТЕОРИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМПреимущества цифровых систем.Систему радиоавтоматики называют цифровой, если вся она или ее отдельные функциональные элементы построены с использованием ЦВМ или специализированных цифровых устройств. К важным преимуществам цифровых систем перед аналоговыми относятся высокая стабильность параметров, простота настройки и регулировки, большая надежность. Применение цифровой техники существенно смягчает ограничения на допустимую сложность алгоритмов обработки сигналов, позволяет выбирать структуру дискриминатора и управляющего фильтра в соответствии с результатами их оптимального математического синтеза. Часто в усложнении алгоритма обработки даже нет необходимости и надо лишь более точно реализовать принятый алгоритм. В аналоговых системах это невозможно без более точного подбора и настройки элементов, обеспечения их большей стабильности в процессе работы. Самыми опасными являются нестабильности, приводящие к смещению нуля дискриминационной характеристики, а также к дрейфу нулей операционных усилителей управляющего фильтра, что может быть вызвано изменением температуры, нестабильностью напряжения питания, старением элементов, повышением уровня радиации и многими другими факторами. В результате возникает так называемая инструментальная, или приборная, ошибка, которая может составлять значительную часть суммарной ошибки системы. Цифровые системы отличаются тем, что в них точность реализации принятого алгоритма обработки не зависит от величин технологических допусков на параметры цифровых элементов и от нестабильностей этих параметров. Это является следствием использования в цифровых элементах дискретной логики, когда состояние каждого элемента характеризуется одним из двух уровней — нулем или единицей. Различие между такими уровнями настолько велико, что практически исключена возможность самопроизвольного перехода от одного уровня к другому из-за каких-либо нестабильностей или неточности настройки. Поэтому инструментальные ошибки в цифровых системах имеют совершенно другую природу, чем в аналоговых. Они определяются принятым алгоритмом работы, периодом дискретности во времени, разрядностью используемых цифровых кодов и могут быть сделаны весьма малыми. Следует иметь в виду, что переход к цифровым методам является общей тенденцией при построении систем управления. Поэтому при проектировании систем радиоавтоматики часто ставится требование, чтобы их выходные сигналы, например координаты сопровождаемых радиолокационных целей, имели цифровое представление для последующей обработки на управляющей ЦВМ. В такой ситуации использование в системе радиоавтоматики цифрового управляющего фильтра особенно оправдано, так как технически более просто подвергнуть аналого-цифровому преобразованию не выходную величину системы, а ошибку слежения, имеющую меньший диапазон изменения. При этом выходная величина может быть получена в самой ЦВМ в результате вычислений. Преимущества цифровых систем проявляются не только в лучших эксплуатационных характеристиках, технологичности, более высоком качестве работы в рамках обычных одноконтурных структурных схем, но и в возможности широкого использования эффективных методов комплексирования различных измерительных систем в единые сложные и гибкие комплексы на базе управляющих ЦВМ, принципов самонастройки и самоорганизации, описанных в гл. 8. Выполнение вычислений, связанных с реализацией принятых законов управления, во взаимосвязанных цифровых вычислителях или в управляющей ЦВМ позволяет организовать тесное взаимодействие между различными системами управления, установленными, например, на летательном аппарате, упростить обмен информацией между ними. Создаются предпосылки для более эффективного и гибкого применения радиолокационных измерителей, навигационных датчиков и других бортовых устройств, выходные сигналы которых содержат, часть избыточной информации, не используемой в данной системе, но весьма полезной при решении других задач управления. При отказе какого-либо датчика потеря снимаемых с него данных может частично восполняться за счет информации, извлеченной из показаний других датчиков. Аналогичным образом при отказе одного из цифровых вычислителей наиболее важные из решавшихся им задач могут распределяться между оставшимися вычислителями. Это приводит к существенному повышению живучести комплекса управления, поскольку при выходе из строя части аппаратуры он в целом сохраняет работоспособность и качество управления удерживается в допустимых пределах, хотя и ухудшается по сравнению с номинальным режимом функционирования. Быстрое развитие элементной базы цифровой микроэлектроники — интегральных схем, микропроцессоров, микро ЭВМ (см. § 7.4) — должно обеспечить преимущество цифровых систем перед аналоговыми и по таким показателям, как габариты, масса, стоимость. Методика составления структурных схем.Как отмечалось в § 7.1, цифровые системы радиоавтоматики являются нелинейными импульсными системами, содержащими кроме импульсных и непрерывных линейных звеньев нелинейности релейного типа. Точный анализ подобных систем в общем случае может быть выполнен лишь путем моделирования на универсальной ЦВМ. Эффективный прием упрощения анализа состоит в линеаризации АЦП и ЦАП, введении аддитивных шумов квантования по уровню и представлении цифровой системы в виде линейного импульсного фильтра. Однако многообразие вариантов построения цифровых систем затрудняет разработку единой универсальной методики такого исследования. В связи с этим выделим для детального рассмотрения лишь ограниченный, хотя и довольно широкий подкласс цифровых систем, содержащих аналоговый дискриминатор с пренебрежимо малой постоянной времени, цифровой фильтр, корректирующее устройство и аналоговое исполнительное устройство. При других вариантах построения цифровой системы методика ее исследования может иметь некоторые отличия, особенно при большой инерционности дискриминатора или при наличии нескольких цифровых элементов с разными периодами дискретности [13, 14]. Функциональная схема исследуемой системы показана на рис. 7.12. Кроме дискриминатора Д, цифрового фильтра ЦФ и исполнительного устройства ИУ она включает АЦП, ЦАП и экстраполятор представляющий собой фиксатор с запоминанием на период дискретности Считывание выходного кода АЦП и его ввод в ЦВМ или цифровой вычислитель, реализующий цифровой управляющий фильтр, происходит в дискретные моменты времени
Рис. 7.12 Поэтому значения входной и выходной величин цифрового фильтра обозначены на функциональной схеме как решетчатые функции При составлении структурной схемы цифровой системы смещенную решетчатую функцию Поскольку на вход экстраполятора подается решетчатая функция
На структурной схеме экстраполятор нулевого порядка представляется прямоугольником, внутри которого записана правая часть выражения (7.62). Такое представление условно, поскольку выражение (7.62) дает не передаточную функцию экстраполятора, а изображение его выходного импульса. Передаточную функцию экстраполятора нельзя определить как отношение изображений его выходного и входного сигналов, так как выходной сигнал непрерывен, а входной — решетчатая функция времени. Структурная схема цифровой системы показана на рис. 7.13, где цифрового управляющего фильтра; Линеаризованный АЦП отображен на структурной схеме, как и на рис. 7.4, идеальным импульсным элементом и линейным безынерционным звеном с коэффициентом передачи
Рис. 7.13 Линеаризованный ЦАП отображен линейным безынерционным звеном с коэффициентом передачи Пунктирной линией на структурной схеме выделена приведенная непрерывная часть (ПНЧ) системы — совокупность экстраполятора и исполнительного устройства. Передаточные функции цифровых систем.При рассмотрении выходной величины системы
где модифицированное z-преобразование взято при Заметим, что выражение для смещенной дискретной передаточной функции приведенной непрерывной части При тзапаздыванием в цифровом фильтре можно пренебречь. Тогда из формулы (7.63) получим
Пример 7.6. Найдем дискретную передаточную функцию цифровой системы, исполнительное устройство которой является непрерывным интегрирующим звеном с передаточной функцией фильтре формула (7.63) дает
Если запаздывание Поскольку при последовательном соединении импульсных фильтров с одинаковыми периодами дискретности результирующая дискретная передаточная функция равна произведению дискретных передаточных функций этих фильтров, с учетом изображенной на рис. 7.13 структурной схемы для дискретной передаточной функции разомкнутого контура цифровой системы запишем выражение
Тогда дискретные передаточные функции замкнутой системы для выходной величины Переход к частотным передаточным функциям осуществляется по обычным формулам, описанным в § 7.1 и 7.2. При этом полезно иметь в виду следующее свойство, позволяющее упростить выкладки [2]. Если в передаточной функции исполнительного устройства
Оценка качества управления.Запас устойчивости и быстродействие линеаризованной цифровой системы с известной передаточной функцией анализируются так же, как для импульсной системы. Однако при оценке точности цифровой системы возникает необходимость учета дополнительных ошибок, вызванных шумами квантования по уровню. Средний квадрат результирующей ошибки в общем случае состоит уже не из двух слагаемых, как в формуле (7.52), а из четырех:
Первые два слагаемых в (7.64), соответствующие динамической ошибке и ошибке от возмущающего воздействия, выражаются формулами (7.53) и (7.54). Найдем выражения для последних двух слагаемых, вызванных шумами квантования Поскольку между точкой приложения шума
где Тогда средний квадрат ошибки от квантования по уровню в АЦП с учетом (7.23), (7.25) и (7.65) составит
Выражение (7.67) можно записать также в виде
где эквивалентная полоса пропускания замкнутой системы Аналогичным образом для среднего квадрата ошибки от квантования по уровню в ЦАП можно получить
Однако при записи выражения (7.68) не учтено, что значение шума
полученной без учета главной обратной связи. Здесь Понятие о методах синтеза цифровых систем и цифровых фильтров.Синтез цифровых систем радиоавтоматики, как и синтез непрерывных систем, обычно проводят в два этапа: сначала синтезируются дискриминатор и согласующееся с ним исполнительное устройство, а затем — корректирующее устройство. Преимущество раздельного синтеза дискриминатора и фильтра состоит в большей простоте и в возможности использования схем дискриминаторов, полученных эвристическими методами. Вместе с тем следует иметь в виду, что если требуется обеспечить теоретически предельно высокое качество системы, т. е. провести оптимальный синтез по определенному критерию, то такой синтез в общем случае должен быть выполнен по отношению ко всей системе в целом. Подобные задачи составляют предмет исследования теории оптимальной нелинейной фильтрации дискретных процессов, которая находится сейчас в стадии развития. Однако в характерном для практики случае сравнительно медленного изменения задающего воздействия раздельный синтез не приводит к потерям в качестве управления, что делает правомерным его использование. Если считать, что дискриминатор и исполнительное устройство заданы, то синтез цифровой системы сводится к синтезу цифрового фильтра, т. е. выбору дискретной передаточной функции Поскольку цифровой фильтр фактически выполняет в системе функции последовательного корректирующего устройства, его дискретная передаточная функция должна удовлетворять условию
где
При выборе желаемой дискретной передаточной функции Если ЛАХ неизменяемой части системы в области низких псевдочастот может быть приведена к приемлемому виду простым перемещением вдоль оси ординат, т. е. изменением добротности, то коррекция сводится к демпфированию системы для получения требуемого запаса устойчивости. Методы демпфирования с подавлением высоких и средних псевдочастот и с поднятием высоких псевдочастот иллюстрируются рис. Часто при нахождении дискретной передаточной функции цифрового фильтра за основу принимают передаточную функцию
Рис. 7.14 Однако полная эквивалентность цифрового и непрерывного фильтров невозможна хотя бы потому, что выходной сигнал непрерывного фильтра в общем случае — сранительно гладкая непрерывная функция, а выходной сигнал цифрового фильтра с экстраполятором нулевого порядка — ступенчатая функция, скачкообразно изменяющаяся в тактовых точках. Поэтому близость динамических свойств цифрового и непрерывного фильтров можно понимать несколько по-разному, рассматривая, например, временные или частотные характеристики этих фильтров [91. Один из наиболее простых подходов состоит в том, что ставится требование хорошего совпадения АЧХ и ФЧХ цифрового и непрерывного фильтров на низких частотах
Перейдя в (7.71) к переменной
Заметим, что цифровой фильтр может быть реализован в виде устойчивого алгоритма вычислений, удовлетворяющего условию грубости [3], только в случае, когда степень числителя дробно-рациональной частотной передаточной функции Пример 7.7. Найдем дискретную передаточную функцию цифрового управляющего фильтра и алгоритм работы реализующего его цифрового вычислителя, если непрерывный фильтр-прототип является интегрирующим звеном с передаточной функцией В соответствии с формулой (7.72) получим
где Так как дискретная передаточная функция связывает
известное в вычислительной математике как формула трапеций для дискретного интегрирования. Приведенный пример поясняет смысл метода синтеза цифровых фильтров, основанного на замене частоты псевдочастотой и часто называемого методом билинейного преобразования. Он состоит в том, что непрерывные интегрирующие звенья, входящие в фильтр-прототип, заменяются дискретными интеграторами, работающими по формуле трапеций. Выбор периода дискретности.При выборе периода дискретности
где Считая функцию
Пусть требуется обеспечить настолько близкие к желаемым динамические свойства управляющего фильтра, чтобы относительная погрешность реализации АЧХ не превышала малой величины
Введем обозначения
с учетом которых левую часть (7.75) запишем в виде
Это позволяет получить из (7.75) неравенство
Значения функции Таблица 7.2 (см. скан) Формула (7.76) и табл. 7.2 позволяют обоснованно выдвинуть требование к периоду дискретности
Заметим, что аналогичным образом можно вывести требование к величине периода дискретности по заданной допустимой погрешности реализации ФЧХ фильтра. Теперь рассмотрим влияние периода дискретности на средний квадрат ошибки от непрерывного возмущающего воздействия со спектральной плотностью
Так как даже при
Здесь использована сумма бесконечного ряда Учитывая, что Таким образом, эффект квантования непрерывного сигнала рассогласования во времени приводит к увеличению уровня спектральной плотности эквивалентного непрерывного возмущающего воздействия на относительную величину
Поскольку средний квадрат ошибки от возмущающего воздействия в соответствии с формулой (7.55) пропорционален уровню его спектральной плотности на нулевой частоте, выражение (7.80) дает также относительное превышение среднего квадрата ошибки от возмущающего воздействия в цифровой системе по сравнению с гипотетической непрерывной системой, получаемой при Например, при
С целью смягчения требования (7.81) иногда целесообразно специально несколько увеличить постоянную времени дискриминатора. При этом уменьшается характеризуемая показателем Заметим, что в некоторых случаях зависимость суммарной среднеквадратичной ошибки цифровой системы от периода дискретности при фиксированной структуре системы не является монотонно возрастающей. Тогда существует некоторое оптимальное значение периода дискретности, максимизирующее точность управления в системе с заданной структурой. Пример 7.8. Выберем период дискретности системы с цифровым управляющим фильтром, синтезированным по непрерывному фильтру-прототипу, при следующих исходных данных: При этом получим:
По табл. 7.2 находим согр Выбор характеристик АЦП и ЦАП.Цены единиц младших разрядов преобразователей и
т. е. средние квадраты ошибки от шума квантования и флуктуационной ошибки от возмущающего воздействия относятся так же, как уровни спектральных плотностей приведенных к входу системы шума квантования и возмущающего воздействия. Если необходимо, чтобы величина такого отношения не превышала
Поскольку условие (7.82) выведено в предположении, что шум квантования по уровню — дискретный белый шум, оно имеет силу только при выполнении неравенства (7.26). Если в процессе работы системы средневадратичное значение производной возмущающего воздействия может по каким-либо причинам сильно уменьшиться, а задающее воздействие почти постоянно, то неравенство (7.26) нарушится. Тогда средневадратичная ошибка управления за счет эффекта квантования в АЦП может сильно возрасти и даже достичь максимального возможного значения После выбора цены единицы младшего разряда АЦП следует определить требуемое число разрядов
где ххах — максимальное значение входной величины АЦП, которое можно приближенно найти через полуширину линейного участка дискриминационной характеристики Как правило, необходимое число двоичных разрядов АЦП в канале ошибки системы радиоавтоматики составляет 5—8. При выборе цены единицы младшего разряда
Если исполнительное устройство обладает значительной инерционностью, то с учетом (7.68) для выбора 62 получим условие
Требуемое число двоичных разрядов в ЦАП составит
где яцдп — максимальная возможная выходная величина ЦАП. Если исполнительное устройство — безынерционное звено, то Следует иметь в виду, что в цифровых системах радиоавтоматики часто предусматривается непосредственное преобразование выходного кода цифрового фильтра в управляемую величину (в управляемый параметр выходного сигнала), т. е. исполнительное устройство и ЦАП делают совмещенными. Например, в системе АСД может использоваться преобразователь кода во временной интервал, а в системе АСН преобразование кода в угол поворота может осуществлять шаговый двигатель. При таком построении системы без существенных технических трудностей в ЦАП можно обеспечить большее число разрядов, чем в АЦП.
|
1 |
Оглавление
|