11054

Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Построение структуры системы управления программная реализация регуляторов Большинство систем процессорного компьютерного управления содержат в своем составе различные регуляторы выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время н...

Русский

2013-04-03

136 KB

20 чел.

Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов

Большинство систем процессорного (компьютерного) управления содержат в своем составе различные регуляторы, выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время на практике используются как аналоговые, так и цифровые регуляторы. Цифровая технология позволяет хорошо моделировать работу аналоговой системы управления. При этом ее возможности гораздо шире. Например, можно построить нелинейные и самонастраивающиеся регуляторы, которые невозможно создать на основе только аналоговых средств. Главная проблема цифрового управления - найти соответствующую структуру регулятора и его параметры. После определения этих параметров реализация алгоритмов управления обычно представляет собой несложную задачу.

        Помимо этого каждый регулятор должен обеспечивать защитные функции, предотвращающие опасное развитие процесса в нештатных ситуациях.

Простейшие регуляторы реализуют коррекцию управлений по рассогласованию между заданным и реальным значениями управляемого параметра. Такое рассогласование может быть обусловлено, с одной стороны, изменением задающего воздействия, с другой стороны, - внешними возмущениями.

13.1 Регулятор для упреждающего управления

Можно построить регулятор, который будет использовать соответствующую информацию для упреждающего управления (feedforward control). В структуре такого регулятора два контура (рис. 13.1). Контур упреждающего управления контролирует изменение задающего сигнала и формирует корректирующую поправку к выходному сигналу управления, для того чтобы система более оперативно, с минимальной погрешностью реагировала на входной сигнал.

Рис. 13.1. Структура регулятора с упреждением

Если возмущения, действующие на управляемую систему, имеют предсказуемое поведение и их можно измерить, то можно провести упреждающее управление до того, как выходной параметр изменится значительно. В этом случае регулятор обеспечивает упреждающее управление по возмущению (feedforward from process disturbances), которое в определенных случаях позволяет существенно улучшить качество управления. Эти способы упреждающего управления базируются на предположении относительно будущего поведения системы. Для этого упреждающие регуляторы должны включать в себя модель динамики управляемой технической системы.

Качество упреждающего управления в значительной степени зависит от качества измерения возмущений и точности модели процесса. Любой реальный регулятор должен сочетать в себе упреждающее управление по опорному значению и возмущению с контуром обратной связи. Упреждающее воздействие обеспечивает быструю коррекцию ошибок выходного параметра процесса, обусловленных изменением опорного значения или возмущениями, а обратная связь - более медленную реакцию на изменение выхода процесса.

Главное преимущество обратной связи в том, что она компенсирует неточности модели процесса, погрешности измерений и ошибки выходной величины, связанные с неучтенными возмущениями. Ниже перечислены основные положения, которые необходимо учитывать при создании систем с обратной связью и упреждающим управлением:

Механизм обратной связи не вносит коррективы до тех пор,
пока не будет обнаружено отклонение в величине выходного параметра.
Поэтому "идеальное" управление, при котором управляемая величина
точно повторяет измерения опорного значения или некоторое время не
влияет на изменение характеристик процесса, практически невозможно.

Даже если возмущения известны, обратная связь не может их
компенсировать предсказуемым образом.

В системах с большими постоянными времени или с большими
задержками обратная связь работает неудовлетворительно. При наличии
больших и частых возмущений процесс может быть прекращен из-за то
го, что он постоянно носит переменный характер и никогда не достигает
предусмотренного установившегося состояния.

Если точное значение выходной переменной нельзя измерить,
управление с обратной связью невозможно.

Причины, затрудняющие упреждающее управление:

Для многих приложений невозможно постоянно в оперативном
режиме измерять возмущения.

Необходимо иметь адекватную модель физического процесса -
качество упреждающего управления зависит от точности модели процесса.

Во многих случаях упреждающий регулятор должен выполнять
точное дифференцирование, которое практически сложно реализовать.

Структура регулятора должна включать в себя как упреждающее управление по задающему (опорному) значению и возмущениям
процесса, так и обратную связь по выходной величине процесса.

13.2 Пропорционально-интегрально–дифференциальный ПИД-регулятор

Наибольшее практическое распространение получил ПИД- регулятор (Proportional-Integral-Derivative), на выходе которого формируется сигнал, определяемый тремя составляющими. Первая - пропорциональна ошибке выходной величины, вторая - обеспечивает интегральную зависимость от входного сигнала, третья - корректирует выходной сигнал в зависимости от скорости изменения задающего воздействия.

Классический ПИД-регулятор описывается следующим уравнением:

где u0 - начальное значение выхода регулятора (уставка); e(t) - ошибка выхода регулятора; К - коэффициент усиления регулятора; Тi - постоянная времени интегрирования; Td - постоянная времени дифференцирования.

Существует два типа алгоритма регулятора - позиционный и алгоритм приращений. В позиционном алгоритме (position form) выходной сигнал представляет собой абсолютное значение управляющей переменной исполнительного механизма. Дискретный ПИД-регулятор имеет вид

u(kh) =u0 + up(kh) + ui (kh) + ud(kh).

Даже при нулевой ошибке управления выходной сигнал отличен от нуля и определяется смещением u0.  Пропорциональная часть регулятора имеет вид

    up(kh)=Ke(kh). 

Интеграл аппроксимируется конечными разностями

с постоянной  

           Величина второго слагаемого в последнем уравнении при малых h и больших Ti может стать очень малой, поэтому при алгоритмической реализации нужно позаботиться о том, чтобы обеспечить необходимую точность его машинного представления. Дифференциальная часть ПИД-регулятора

где

Альтернативным подходом к построению регуляторов является алгоритм ПИД-регулятора, в котором вычисляется лишь изменение его выходного сигнала. Алгоритм приращений (incremental form) ПИД-регулятора удобно применять, если исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора, например шаговый двигатель либо устройство, сохраняющее свое состояние до следующего управления. В алгоритме приращений рассматриваются только изменения управляющего выходного сигнала от момента времени (k-l)h до момента kh Алгоритм регулятора записывается в виде 

Δu(kh)=Δup(kh)+Δui(kh)+Δud(kh).

Определение адекватной частоты выборки для процесса управления представляет собой нетривиальную задачу. Слишком малая частота выборки может снижать эффективность управления, в особенности способность системы компенсировать возмущения. Однако если интервал выборки больше времени реакции процесса, возмущение может повлиять на процесс и исчезнуть прежде, чем регулятор сформирует корректирующее воздействие. Поэтому при определении частоты выборки важно учитывать как динамику процесса, так и характеристики возмущения. С другой стороны, частота выборки не должна быть слишком высокой, так как это ведет к повышенной загрузке процессора

На определение частоты выборки также влияет соотношение сигнал/шум измерительного тракта. При его малых значениях, т.е. при больших шумах, следует избегать высокой частоты выборки, потому что отклонения в измерительном сигнале скорее связаны с высокочастотным шумом, а не с реальными изменениями в физическом процессе.

13.3. Синтез цифровых систем управления

Наиболее универсальным способом организации цифровых систем управления является применение цифрового регулятора. По сравнению с аналоговым регулятором, цифровой регулятор в состоянии обеспечить гораздо лучшее качество системы управления. Другое преимущество систем с цифровыми регуляторами заключается том,  что алгоритм управления легко может быть изменен сменой программы микропроцессора. В аналоговых регуляторах сделать это намного труднее.

Существует множество практических способов реализации цифрового регулятора. При построении цифрового регулятора на основе микроЭВМ необходимо помнить, что ЭВМ присущи такие лимитирующие факторы, как разрядность, объем памяти и скорость счета.

Рассмотрим некоторые аспекты программирования реальной системы на основе микропроцессорного устройства. Возможный вариант использования микропроцессора (МП) в системе управления двигателем постоянного тока в составе комплектного привода показан на рис.13.2.

Рисунок 13.2.- Структура процессорной системы управления приводом

Управляемый привод и микропроцессор связаны через аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП) преобразователи. Таким образом, вся система может рассматриваться как цифровая система управления с периодом квантования Т секунд.

Пусть целью управления этой системы с двигателем постоянного тока является поддержание скорости нагрузки w(t) постоянной, равной значению задаваемой скорости wd(t). Тогда ошибка между задаваемой скоростью и скоростью нагрузки определяется как

                    e(t) = wd(t)-w(t).

На входе микропроцессора имеется дискретный сигнал ошибки е(kТ), k=0,1,2, ..., n. Сигнал на выходе микропроцессора обозначим u(kT). Предположим, что микропроцессор должен совершать цифровые вычисления для реализации пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, описываемого в непрерывной форме как

Интеграл в последнем выражении может быть записан в виде

где to - начальный момент времени; x(to) - начальное значение.

Для вычисления интеграла могут быть использованы различные методы. Будем использовать метод трапеций и положим t=kT, to=(k-1)t. Тогда определенный интеграл в последнем выражении запишется как

Следовательно, значение интеграла для t=kT может быть вычислено по задаваемой скорости wd и значениям w(kT) и w[(k-1)T]. Рассчитанное значение управления прикладывается к системе с двигателем постоянного тока при t=(k+1)T, k=0,1,2,...n. Управление изменяется каждые Т секунд и остается постоянным между моментами расчета.

Функциональная схема рассмотренной микропроцессорной системы, используемой для реализации цифрового ПИ-регулятора, показана на рис.13.3.

Рисунок 13.3.-  Структура функциональных составляющих системы управления

В этой системе для определения начала следующего периода квантования применен программируемый таймер, который вырабатывает импульс каждые Т секунд. Этот импульс поступает на шину прерываний микропроцессора, что приводит к остановке рабочей программы и выполнению программы прерывания, которая выводит следующее значения управления u[(k + l)t]. Это управление передается в ЦАП, выходной сигнал которого поступает на вход тиристорного преобразователя.

           Импульс таймера запускает процесс АЦП-преобразования текущей скорости двигателя w(t) в двоичный код. Для этого процесса требуется конечное время. Следовательно, АЦП должен сообщить микропроцессору через шину готовности о том, что данные преобразованы. После этого процессор вводит значение wd(kT) и вычисляет следующее значение управления u[(k+l)T], которое используется для управления приводом при следующем прерывании от таймера. Аналогично может быть реализован ПИД-регулятор.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1545. Строительство вертикальных стволов 184.5 KB
  Определение нагрузок на крепь вертикального ствола. Расчетное сопротивление горных пород сжатию. Коэффициент влияния угла залегания породы. Выбор взрывчатых материалов. Расчет количества воздуха по наибольшей численности людей. Расход воздуха по минимальной скорости движения в призабойном пространстве. Фазы проведения ствола при совмещенной технологической схеме.
1546. Безопасность и экологичность строительного проекта 56.9 KB
  Мероприятия по охране окружающей среды при строительстве жилого дома. Мероприятия по исключению чрезвычайных ситуаций при возведении 9-ти этажного жилого дома. Возможные причины аварий, чрезвычайных ситуаций при строительстве объекта. Мероприятия по исключению чрезвычайных ситуаций при строительстве 9-ти этажного жилого дома.
1547. Моделирование программного обеспечения 100.15 KB
  Создание контекстной диаграммы (используя IDEF0). Выполнение процесса декомпозиции модели по результатам разработки контекстной диаграммы. Создание диаграммы вариантов использования и описание потоков. Построение диаграммы вариантов использования.
1548. Русская литература ХІХ века. Известные личности 227.16 KB
  Южные поэмы А.С. Пушкина. Драматургия А.П. Чехова. М.Ю. Лермонтов. Лирика. Новаторство драматургии Н.А. Островского. Новаторство прозы А.П. Чехова. Поэзия Ф.И. Тютчева. Л.Н. Толстой. Война и мир. Сюжет и образы. М.Ю. Лермонтов. Роман Герой нашего времени. Сюжет и композиция.
1549. Фінанси та фінансова система України 88.09 KB
  Сутність, особливості функціонування та інструменти грошового ринку. Попит на гроші: сутність, цілі та мотиви попиту на гроші. Чинники, що впливають на попит на гроші. Крива попиту на гроші. Поняття та призначення валютних систем. Елементи національної валютної системи. Розвиток валютної системи в Україні. Небанківські фінансово-кредитні установи, їх види, та особливості функціонування в Україні.
1550. Установка числа корней полинома (с учетом их кратности) 101.35 KB
  Бесконечная и конечная многоугольные области. Геометрические условия, определяющие распределение корней. Алгебраические соотношения, определяющие распределение корней.
1551. Психология и педагогика высшей школы 195 KB
  Психология и педагогика высшей школы: предмет, объект, задачи, категории. Связь с другими науками. Основные направления реформирования образования 21 века и проблемы современной высшей школы. Образовательные уровни и образовательно-квалификационные уровни. Уровни аккредитации и типы вузов. Развитие студенческой группы, характеристика студенческого коллектива. Межличностные отношения в студенческой группе.
1552. Грошово-кредитна політика України 191 KB
  Суть, призначення і цілі грошово-кредитної політики. Концепція виникнення грошей. Роль держави у творенні грошей. Розвиток форм грошей. Їх різновиди і характеристика. Причини та значення демонетизації Gold. Сутність, грошового обороту, його економічна основа, визначальні риси. Грошовий обіг на макро- і мікрорівнях.
1553. Основы энергосбережения 196.5 KB
  Восполняемые и невосполняемые энергетические ресурсы. Виды топлива, их характеристика и запасы. Тепловые и атомные электрические станции (ТЭС и АЭС), гидроэлектростанции. Транспортирование и потребление тепловой и электрической энергии. Электроэнергетические системы и электрические сети. Структура потребления ТЭР.