ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

§ 1.1. Структура цифровых систем управления

Значительные вычислительные и логические возможности цифровых устройств и, в частности, цифровых вычислительных машин (ЦВМ) определяют их использование для управления автоматизированными объектами. Устройства цифровой обработки, выполненные на базе современной дискретной микроэлектроники, имеют серьезные преимущества перед непрерывными устройствами. Можно упомянуть о высокой стабильности характеристик, отсутствии дрейфа, высокой точности выполнения арифметических операций, малом весе и габаритах, высоком быстродействии, возможности гибкой оперативной перестройки структуры и др.

В настоящее время при создании цифровых автоматических систем (ЦАС) возможно идти по двум направлениям. Первое направление связано с использованием центральных управляющих цифровых вычислительных машин, построенных по обычному принципу, реализуемому в универсальных ЦВМ. Такая машина (рис. 1.1) содержит арифметическое устройство, устройства памяти (долговременной и оперативной), управляющее устройство и устройства ввода и вывода информации. В некоторых случаях возможно участие человека (оператора) для контроля и корректировки работы ЦВМ.

Подобные ЦВМ могут использоваться для управления сложными объектами (самолетами, ракетами, прокатными станами, доменными печами и т. п.) или группами отдельных объектов при комплексной автоматизации в различных отраслях промышленности (металлургической, химической, нефтеперерабатывающей и др.).

Общая структура ЦАС для этого случая изображена на рис. 1.2 [8, 84, 121]. Система содержит ряд входных преобразователей управляемых коммутирующим устройством и ряд выходных преобразователей

представляющих собой, по существу, запоминающие устройства, управляемые коммутирующим устройством

Рис. 1.1. Воаможная структура цифровой вычислительной машины

Рис. 1.2. Общая структурная схема системы управления с ЦВМ.

Сигналы от запоминающих устройств поступают на исполнительные устройства воздействующие на объект (или объекты) управления. Собственно ЦВМ включает в себя процессор совместно с устройствами памяти и устройством управления.

Такая система может быть связанной многомерной, если осуществляется управление сложным многомерным объектом, и несвязанной многомерной, если осуществляется управление группой несвязанных одномерных объектов.

В последнем случае ЦАС распадается на совокупность одномерных систем.

Рис. 1.3. Одномерная система управления с ЦВМ.

При управлении сложным объектом или группой объектов процессор обслуживает по очереди отдельные каналы управления. Эта очередь может осуществляться по жесткой программе или по мере поступления заявок от отдельных каналов с возможностью использования в последнем случае приоритетного обслуживания. При жесткой программе обслуживания каналов период дискретности оказывается обычно постоянным, хотя он может быть разным в отдельных каналах. При обслуживании по гибкой программе период дискретности оказывается случайной величиной с некоторым математическим ожиданием и дисперсией.

Таблица 1.1

Основной для исследования обычно является одномерная система. Структурная схема одномерной системы с

ЦВМ изображена на рис. 1. 3 [8]. Она содержит входные преобразователи непрерывной величины в код Кодироваться может входное задающее воздействие представляющее собой желаемое значение управляемой величины управляемая величина, а также другая, поступающая извне информация. В результате такого кодирования на вход ЦВМ, а точнее, ее процессора поступают цифровые представления этих величин:

(см. скан)

Дискретность ввода этих величин в процессор иллюстрируют импульсные элементы ИЭ, работающие с периодом дискретности Т. Выходная величина процессора есть цифровое представление сигнала управления. Далее эта величина проходит через преобразователь кода в

непрерывную величину и превращается в непрерывную величину представляющую собой в большинстве случаев электрическое напряжение. Эта величина поступает затем на непрерывную часть системы, куда относятся объект управления, исполнительные устройства, усилители, непрерывные корректирующие средства и др.

Таблица 1.2 (см. скан)

Управляющие ЦВМ подобного типа в настоящее время приобретают различную специфику в зависимости от той отрасли техники, где они используются (управление движущимися объектами: аэродинамическими, космическими, морскими; управление технологическими процессами и др.). В связи с бурным развитием микроэлектроники происходит их интенсивное развитие. В таблице 1.1

помещены для иллюстрации сведения о совершенствовании бортовых ЦВМ ракет [13] для некоторой гипотетической («усредненной») ЦВМ.

Показатель представляет собой коэффициент улучшения характеристики ЦВМ за десятилетний период.

Более подробные сведения о некоторых бортовых ЦВМ для ракет приведены в таблице 1.2 [130]. Эта таблица иллюстрирует большое разнообразие используемой элементной базы и основных характеристик ЦВМ (числа разрядов, быстродействия, объема памяти) в связи со специализацией их при использовании на ракетах различного класса.

Второе направление, по которому развиваются в настоящее время цифровые автоматические системы, — это использование отдельных цифровых устройств (сумматоров, интеграторов, функциональных устройств и др.) для обеспечения необходимых вычислительных и логических операций в каждом канале управления одномерной или многомерной системы. Такие цифровые устройства могут строиться на разных принципах, однако общая структура цифровой системы управления сохраняет при этом свой вид и содержит указанные на рис. 1.3 основные элементы: преобразователи непрерывной величины в код и обратно, а также процессор, обеспечивающий необходимые вычислительные операции.

Использование подобных цифровых устройств позволяет во многих случаях упростить систему управления за счет применения простых и надежных модулей, избавиться от необходимости организации сравнительно сложного процесса обслуживания от одной ЦВМ многих потребителей, упростить схему коммутации и расположить цифровую вычислительную часть в непосредственной близости от основных элементов канала управления.

Параллельная процедура обеспечения работы многих каналов за счет использования в каждом канале своих цифровых устройств позволяет в значительной степени снизить требования к быстродействию дискретных элементов, что дает возможность повысить их надежность.

В части математического описания динамических процессов, протекающих в цифровой системе управления, оба ее вида (с использованием центральной ЦВМ и

использованием отдельных цифровых устройств) не отличаются один от другого, если в них выполняются одинаковые условия постоянства (или случайности) периода дискретности.