Глава первая. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И УЗЛЫ САУ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ САУ С ЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ

Точность — один из основных, определяющих показателей качества систем автоматического управления. По характеру проявления все ошибки САУ можно разделить на систематические, возникающие под действием заранее известных причин, и случайные, возникающие под действием различных причин, не связанных закономерно с процессом управления. Случайные ошибки САУ можно представить вероятностными характеристиками. В зависимости от причин возникновения следует рассматривать методические ошибки, порождаемые методом (способом) регулирования или измерения, и инструментальные, возникающие в результате недостатков реальных элементов САУ (зоны нечувствительности, нелинейности и др.). По условиям работы ошибки классифицируются на основные и дополнительные. Основными называются инструментальные ошибки, определяемые при нормальных условиях работы (при определенной температуре, влажности, давлении, неизменных питающих напряжениях, частоте и др.). Дополнительные ошибки определяются как приращение инструментальных ошибок, обусловленное воздействием температуры, изменением питающего напряжения и других дестабилизирующих факторов.

Для сравнительного анализа точности аналоговых и цифровых САУ рассмотрим точность системы автоматической стабилизации частоты вращения электропривода,

выполненной на аналоговом принципе с обратной связью, упрощенная функциональная схема которой изображена на рис. 1.

Применительно к замкнутым системам электропривода (с обратной связью) точность воспроизведения управляющего воздействия и степень подавления возмущающего воздействия оценивают либо непосредственно по управляемой переменной системы, т. е. выходной величине либо по ошибке системы

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема аналоговой системы стабилизации частоты вращения электропривода:

— задающее устройство; — регулятор аналоговый; — объект регулирования; — датчик обратной связи

Рассматривая вначале только систематические установившиеся ошибки САУ, видим, что могут существовать методические и инструментальные ошибки.

Методические ошибки зависят от структуры САУ (статическая или астатическая); характера управляющих и возмущающих воздействий (единичный скачок, импульс, линейно растущий сигнал и точки приложения возмущающих воздействий (к объекту регулирования, регулятору, датчику обратной связи, элементу сравнения). Их можно оценить методами теории автоматического управления.

Кроме методических, существенно влияют на точность стабилизации частоты вращения электропривода инструментальные ошибки задающего устройства, датчика обратной

связи и элемента сравнения. Инструментальная ошибка аналоговых задающих устройств Если в качестве датчика обратной связи используется тахогенератор постоянного тока, то его инструментальная ошибка измерения частоты вращения При использовании в схеме специальных тахогенераторов ошибка . Инструментальная ошибка аналогового элемента сравнения

Следовательно, суммарная приведенная инструментальная ошибка аналоговой системы стабилизации частоты вращения электропривода , а при условии применения специальных тахогенераторов

Учитывая, что реальные системы находятся под влиянием случайных возмущений, общая величина ошибки еще более возрастает. Для уменьшения инструментальных ошибок функциональных элементов САУ применяются специальные меры, направленные на стабилизацию параметров элементов. Однако при этом значительно дорожают элементы и снижается их надежность. Существенное снижение инструментальных ошибок может быть достигнуто при переходе от аналоговых САУ к цифровым и цифроаналоговым.

Цифровые САУ относятся к устройствам дискретного действия, в которых сигналы могут квантоваться по уровню и времени и кодироваться, т. е. принимать определенные значения из некоторого дискретного множества. Эти системы обладают высокой точностью. С их помощью можно решить многие задачи, не выполнимые средствами аналоговой техники. К недостаткам цифровых САУ относится их сравнительно высокая сложность и стоимость.

В цифроаналоговых САУ сигналы представляют комбинацию из дискретных и аналоговых величин. Необходимость в разработке и применении таких систем вызвана тем, что многие объекты САУ и исполнительные устройства работают на непрерывных сигналах, а формирование некоторых сигналов, составляющих закон управления, проще осуществить

в аналоговой форме. Поэтому, удачно сочетая в себе достоинства цифровых и сравнительную простоту аналоговых САУ [5, 15, 16, 19], цифроаналоговые САУ получили широкое распространение.

Высокая точность работы цифроаналоговых САУ объясняется уменьшением инструментальных ошибок задающего устройства, датчика обратной связи и элемента сравнения. При задании входной величины в виде кода ошибка (не превышающая единицы младшего разряда) может быть получена ничтожно малой. При частотном задании инструментальная ошибка может быть сведена до величины при изменениях температуры от 0 до 50" С и питающего напряжения на ±5% [5].

Основная инструментальная ошибка САУ образуется за счет несовершенства датчиков регулируемых величин. Точность цифровых датчиков обратной связи зависит от измеряемой величины и может превосходить на несколько порядков предельную точность аналоговых датчиков. Например, в настоящее время выпускаются датчики положения, имеющие до 16...20 двоичных разрядов, т. е. ошибка не превосходит 0,002...0,0001 %. Инструментальная ошибка частотных датчиков скорости составляет 0,01...0,001 % [21]. Если же для получения цифрового значения регулируемой величины требуется ее промежуточное преобразование в напряжение или ток, то точность снижается. Например, стандартные преобразователи напряжение — код имеют инструментальную ошибку ±0,1%.

В цифроаналоговых САУ сравнивающее устройство практически не вносит дополнительную инструментальную ошибку, так как обработка дискретных сигналов (в определенном поле допустимых отклонений температуры, питающих напряжений и др.) осуществляется без ошибок. Передаче информации в цифровом виде свойственна большая помехоустойчивость, так как при этом важны на какие-либо количественные характеристики импульсов (в определенных допустимых пределах), а их наличие или отсутствие.

Достоинством цифроаналоговых САУ при использовании универсальных регуляторов для различных систем является возможность выбора одного из параметров: точности или быстродействия. При уменьшении разрядности чисел, которыми система оперирует, увеличивается ошибка, но одновременно сокращается время, затрачиваемое на выполнение математических операций.

При использовании цифроаналоговых САУ улучшаются не только статические, но и динамические показатели системы и частично компенсируется отрицательное влияние времени чистого запаздывания в объекте управления.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) строятся по иерархическому принципу: локальные системы, системы централизованного контроля, системы более высокого уровня, обеспечивающие оптимизацию локальных систем и их координацию. При таком построении АСУ ТП локальные системы управления должны быть цифровыми, так как системы второго уровня периодически выдают информацию (уставки регуляторам) в цифровой форме, а создать достаточно точные аналоговые запоминающие устройства трудно. В связи с тем что число локальных САУ непрерывно увеличивается, для удешевления АСУ ТП используются одно цифровое вычислительное устройство и одно устройство централизованного контроля, которые последовательно переключаются от одной САУ к другой. Следовательно, информация получается, обрабатывается и выдается в дискретные моменты времени, что, естественно, приводит к необходимости применения цифровых или цифроаналоговых САУ.

Цифровые или цифроаналоговые САУ применяют при управлении медленно протекающими процессами, когда требуется обеспечить время интегрирования в несколько тысяч секунд и осуществить дифференцирование медленно изменяющихся сигналов [15].

В аналоговых операционных усилителях можно получить постоянные времени интегрирования не более

100...500 с, так как при дрейфе нуля усилителя и конечной величине коэффициента усиления получают ошибки, увеличивающие общую статическую ошибку САУ.

Интеграторы и дифференциаторы, построенные на цифровом принципе, обеспечивают практически сколь угодно большое время интегрирования и дифференцирование входных сигналов.

Среди цифровых и цифроаналоговых САУ важное место занимают системы с частотным представлением сигналов. В этих системах сигналы в одной или нескольких точках представляют собой последовательность импульсов или гармонические колебания. Если в таких системах квантование по уровню, кодирование и цифровая обработка не производится, то они относятся к частотно-импульсным.

Широкое применение систем с частотным представлением сигналов обусловлено рядом их существенных преимуществ. Для многих физических величин частотные датчики получаются более точными, чем датчики других типов (измерения частоты вращения, температуры, силы натяжения, индуктивности, емкости и др.) [22]. Во многих случаях преобразование неэлектрических величин в частоту осуществляется проще, чем в цифровой код. Частотные системы обладают большой помехоустойчивостью, так как исчезновение одного импульса приводит к кратковременному и незначительному искажению сигнала. В кодовых системах исчезновение одного импульса может полностью исказить результаты. Частотная модуляция передаваемых сигналов в телеметрии при дистанционном управлении имеет определенные преимущества перед другими видами модуляции ввиду ее помехозащищенности и сравнительной простоты канала связи.

Во многих случаях в САУ с частотной передачей и обработкой сигналов используются более простые исполнительные механизмы. Например, угол поворота ротора шагового двигателя пропорционален количеству поданных на него импульсов. Если выход устройства выделения разности частот задания и обратной связи подключить к шаговому

двигателю, ротор которого перемещает исполнительный механизм, то получается простой астатический частотно-импульсный регулятор.

Наряду с существенными преимуществами цифровые и цифроаналоговые САУ имеют и некоторые недостатки. Такие САУ более сложны, и в них трудно сформировать сигналы, пропорциональные производным высших порядков, для быстродействующих систем (например, регуляторов скорости тиристорных электроприводов), когда требуются высокая разрешающая способность датчика и достаточно быстродействующая элементная база цифровых устройств, чтобы за несколько миллисекунд сформировать сигнал ошибки с малой величиной квантования по уровню и вычислить высшие разности. Поэтому целесообразно применять САУ, в которых часть составляющих закона управления вычисляется в цифровой форме (например, интегральная), а часть — в аналоговой форме (например, пропорциональная и дифференциальная).

Интерес к системам с частотным преобразованием информации обусловлен тем, что, как было установлено, передача информации по определенной части нейронных сетей живых организмов носит характер частотной модуляции с преобразованием в аналоговую форму. Опыт показывает, что природа в процессе эволюции «создает» весьма совершенные кибернетические системы, многие качественные показатели которых превосходят искусственные устройства и системы [4].