Релейно-импульсные системы.

Системы автоматического регулирования, содержащие хотя бы один релейно-импульсный элемент, называются релейно-импульсными системами. Наиболее перспективными среди них являются цифровые САР, в которых выходная величина релейно-импульсного элемента представляется в виде двоичного или иного кода. Цифровые системы обязательно содержат либо

простейшие цифровые вычислительные устройства (ЦВУ), либо цифровые вычислительные машины (ЦВМ). Использование в цифровых САР средств цифровой вычислительной техники существенно повышает точность и помехозащищенность обработки информации. В результате во многих случаях цифровые системы имеют значительные преимущества перед другими типами систем.

Пример 1.20. На рис. 1.52 изображена функциональная схема цифровой системы регулировайия скорости вращения электрического двигателя Д. В этой системе для измерения скорости вращения используется импульсный датчик скорости ИДС, выходной сигнал которого представляет собой последовательность импульсов одинаковой амплитуды и длительности.

Рис. 1.52. Функциональная схема цифровой системы регулирования скорости

Частота следования этих импульсов пропорциональна измеряемой скорости: коэффициент пропорциональности). Обычно импульсный датчик скорости состоит из частотного тахогенератора и формирующего устройства. Частотный тахогенератор вырабатывает напряжение, частота которого пропорциональна скорости вращения его ротора а формирующее устройство преобразует это напряжение в последовательность импульсов частоты Простейшим частотным тахогенератором является обычный синхронный генератор. Значительно чаще применяются индуктивные, трансформаторные и фотоэлектрические частотные тахогенераторы [9].

Импульсы с датчика скорости поступают на счетчик импульсов СИ, который периодически подсчитывает число импульсов за фиксированный промежуток времени определяемый задатчиком времени измерения ЗВИ. Последний, как правило, состоит из кварцевого генератора импульсов стабильной частоты и счетчика этих импульсов. Объем счетчика ЗВИ выбирается таким образом, чтобы импульс переполнения на его выходе возникал спустя промежуток времени То после начала счета. Этот импульс используется для возвращения в исходное состояние счетчика СИ и преобразователя кода в напряжение ПКН, после чего процесс счета импульсов повторяется. В результате в каждом цикле работы на выходе счетчика СИ образуется число

пропорциональное скорости вращения двигателя и выраженное обычно в двоичном коде коэффициент пропорциональности).

Требуемое значение скорости формируется в задающем элементе также в виде двоичного числа Числа сравниваются в цифровом сравнивающем устройстве ЦСУ, на выходе которого образуется число характеризующее ошибку работы САР. Это число преобразуется в непрерывную величину — напряжение и — и затем поступает на усилительно-преобразовательное устройство УПУ. В результате скорость двигателя Д изменяется таким образом, чтобы свести ошибку и к минимуму.

Основным преимуществом цифровой системы регулирования скорости по сравнению с аналогичной системой непрерывного действия (см. рис. 1.13) является значительно большая точность. Относительная погрешность стабилизации скорости при помощи непрерывных систем регулирования обычно составляет несколько процентов и в лучшем случае может быть уменьшена до В цифровых системах стабилизации скорости удается получить относительную погрешность регулирования [9, 30].

Резкое увеличение точности цифровых систем стабилизации скорости по сравнению с непрерывными системами объясняется прежде всего более высокой точностью импульсных датчиков скорости, выполненных на базе частотных тахогенераторов, по сравнению с обычными тахогенераторами постоянного и переменного тока. Существенный выигрыш в точности дает также цифровая форма задания требуемого значения скорости в виде числа и вычисление сигнала ошибки и в цифровой форме.

Рис. 1.53. Упрощенная функциональная схема цифровой следящей системы

Пример 1.21. При решении некоторых технических задач возникает необходимость в передаче на расстояние угловых перемещений с весьма малой статической погрешностью.

Статическая точность следящих систем воспроизведения угла (см. рис. 1.17, а) во многом зависит от типа применяемого датчика рассогласования. Использование сельсинных датчиков угла рассогласования позволяет получить погрешность передачи угла порядка угл. мин. Применение потенциометрических датчиков с потенциометрами специального типа (пленочными, многооборотными и др.) дает возможность уменьшить погрешность до В том случае, когда в качестве датчика угла рассогласования используются прецизионные вращающиеся трансформаторы [6], статическая погрешность следящей системы может быть уменьшена до угл. мин. Дальнейшее увеличение точности следящих систем непрерывного действия осложняется трудностями технологического характера.

Одним из перспективных способов повышения точности передачи угла является применение цифровых следящих систем

Упрощенная функциональная схема ЦСС изображена на рис. 1.53. Кроме уже известных усилителя У, двигателя Д и редуктора Р она содержит преобразователь угла в код цифровое сравнивающее устройство ЦСУ и преобразователь кода в напряжение ПКН.

Входной сигнал ЦСС представляет собой двоично-кодированный сигнал, характеризующий (с определенным коэффициентом пропорциональности) требуемое значение угла поворота выходной оси следящей системы. Он поступает от цифровой вычислительной машины или какого-либо цифрового вычислительного устройства.

Действительное значение угла измеряется при помощи преобразователя преобразующего угол поворота выходной оси в напряжение «2, представленное двоичным кодом. Обычно преобразователи угла в код работают по методу считывания и имеют кодовую шкалу, угол поворота которой пропорционален измеряемому углу, и набор неподвижных чувствительных элементов. Формирование кода на выходе такого преобразователя осуществляется опросом чувствительных элементов, состояния которых зависят от их положения относительно кодовой шкалы. Информация с кодовой шкалы может сниматься различными способами: фотоэлектрическим, индуктивным, емкостным и

электромеханическим. В соответствии с этим различают фотоэлектрические, индуктивные, емкостные и электромеханические преобразователи угла в код [17]. Коды сравниваются в ЦСУ, которое определяет код сигнала ошибки Сигнал рассогласования и после преобразования в непрерывную величину и и усиления поступает на двигатель, поворачивающий выходную ось следящей системы таким образом, чтобы уменьшить величину ошибки слежения.

Существенное увеличение точности отработки угла в ЦСС (по сравнению со следящими системами непрерывного действия) прежде всего обусловлено высокой точностью измерения угла поворота выходной оси при помощи преобразователя угла в код. Нетрудно показать, что относительная погрешность такого измерения определяется величиной где — число разрядов выходного кода преобразователя. Освоенные промышленностью шестнадцатиразрядные преобразователи позволяютизмерять угол с погрешностью порядка ±10 угл. сек. Сигнал рассогласования в цифровом сравнивающем устройстве вычисляется практически без ошибки.

Рассмотренные примеры иллюстрируют возможности повышения точности работы САР за счет применения простейших средств цифровой вычислительной техники. Переход к цифровым методам управления сопровождается также резким уменьшением веса и габаритов аппаратуры управления при одновременном увеличении ее надежности и помехозащищенности. Это объясняется возможностью использования в цифровых блоках регуляторов методов и средств микроэлектроники (пленочные схемы, интегральные схемы и др.).

Современный уровень вычислительной техники позволяет применять для целей управления не только сравнительно простые цифровые вычислительные устройства, но и сложные цифровые вычислительные машины, обладающие весьма широкими вычислительными и логически возможностями.

Цифровые машины, используемые для управления, отличаются от машин, применяемых для производства вычислений в стационарных условиях, целым рядом особенностей. Прежде всего управляющие машины снабжаются развитой сетью входных и выходных устройств, автоматически осуществляющих ввод данных в цифровую машину и вывод из нее управляющей информации. Кроме того, управляющие машины должны работать в реальном масштабе времени, выдавая сигналы «в темпе» с управляемым процессом. Наконец, к надежности управляющих машин предъявляются повышенные требования, так как «сбои» в их работе могут привести к катастрофическим последствиям.

Перечисленные особенности послужили причиной выделения цифровых машин, применяемых для управления реальными объектами, в самостоятельный класс устройств цифровой вычислительной техники — класс цифровых управляющих машин (ЦУМ).

Сложность и высокая стоимость ЦУМ делают их использование экономически целесообразным только в случае управления работой сравнительно сложных объектов регулирования, примерами которых могут служить доменные печи, прокатные станы, установки для перегонки нефти, баллистические ракеты, космические аппараты и др. В результате ЦУМ являются основным техническим средством комплексной автоматизации в промышленности, на транспорте и в военном деле. В комплексно-автоматизированных системах управления

на ЦУМ возлагается решение большого числа задач с разделением по времени управляющих функций. При этом машина выполняет функции многоканального регулятора, обслуживающего последовательно во времени большое количество «элементарных» подсистем регулирования, образующих в совокупности комплексно-автоматизированную систему управления.

Пример 1.22. Рассмотрим цифровую комплексно-автоматизированную систему управления полетом баллистической ракеты БР (рис. 1.54) [4].

Рис. 1.54. Упрощенная функциональная схема цифровой системы управления полетом баллистической ракеты

Электронным «мозгом» такой системы является бортовая цифровая управляющая машина БЦМ, получающая информацию от трех измерителей углов и трех измерителей линейных ускорений в виде обычных или интегрирующих акселерометров (см. пример 1.15). Эта информация предварительно поступает на блок преобразователей где преобразуется в цифровую форму и по сигналам управляющего устройства БЦМ вводится в машину. В запоминающем устройстве БЦМ хранятся программные законы изменения каждой из линейных и угловых координат ракеты, а также алгоритмы (правила) обработки информации по каждому из каналов угловой стабилизации и стабилизации движения центра масс. Машина сравнивает действительное значение каждой из координат с ее программным значением для текущего момента времени, определяет сигнал ошибки и вычисляет управляющее воздействие последовательно для всех каналов системы управления. Сформированные БЦМ управляющие сигналы в выходном устройстве ВУ преобразуются в непрерывную величину и после усиления и преобразования в УПУ поступают на рулевые приводы РП управляющих органов самой ракеты (1, 2, 3, 4) и привод регулятора скорости ПРС ее двигательной установки ДУ, вызывая такое их отклонение, которое в конечном итоге обеспечивает движение ракеты по заданной траектории с требуемой точностью.

Накопленный к настоящему времени опыт разработки и эксплуатации цифровых систем управления полетом баллистических ракет показывает, что применение БЦМ позволяет существенно увеличить точность и надежность работы системы управления при одновременном резком снижении ее весовых и габаритных характеристик.