конспект за второй семестр 4-го курса, преподаватель Ляхова (14А_Цифровые регуляторы)

Посмотреть архив целиком

6



Цифровые регуляторы


Цифровой регулятор (ЦР) состоит из

- мгновенного ключа с шагом квантования h и периодом регулирования T = N h, где N - порядок дифференциального уравнения,

- собственно цифрового регулятора с передаточной функцией W(р),

- фиксатора с передаточной функцией H(p) = ( 1 - eph )/ p .

x(p) e(t) h u (t) y(p)

X W(р) H(p) ОУ с G(p)


-1


Рис. Функциональная схема цифрового регулятора в общем виде (G(p) - передаточная функция объекта управления).


Цифровые регуляторы реализуются аппаратно или программно.


Вид цифрового регулятора

Преимущества

Недостатки

Аппаратный

-простота

(удобен при жесткой автоматизации)

-сложность перенастройки

Программируемый

-унификация устройств,

-большой выбор законов управления,

-простота сопряжения с ЭВМ верхнего уровня,

-возможность изменения режимов и коэффициентов по командам управляющей ЭВМ,

-высокая точность задания

-меньшее быстродействие


Аппаратные ЦР.


Пример аппаратного ЦР (электронного) с звеном - усилителя с переменным коэффициентом усиления K .


x(p) e(p) h u1 u2 y(p)

X H(p) K ОУ с G(p)


-1


Рис. Схема ЦР с усилителем переменного K.


На разных интервалах (шагах) прерывания мгновенного ключа усилитель принимает различные значения коэффициента усиления K, постоянные на каждом шаге (номер шага). В любой момент времени вход u1 и выход u2 этого усилителя связаны линейным соотношением

u2 ( h+) = K u1 ( h+).

Цифровой регулятор должен при входном воздействии типа ступенчатой функции и нулевых начальных условиях выполнить оптимальный переходный процесс: без перерегулирования за минимальное время.

Астатический объект управления (ОУ) с передаточной функцией

G(p) = a 1/(p + b) 1/p можно представить как последовательное соединение

- звена 1 - «П» ( a),

- звена 2 - «И» (1/p) , охваченного обратной связью с помощью элемента «П» ( b ) ,

- звена 3 - «И» (1/p).

u2 u3 y2 y1

a X


- b


Рис. Схема аналогового моделирования астатического ОУ.


По передаточной функции ОУ можно подобрать передаточную функцию цифрового регулятора с помощью справочника:

y(p) = Wрег (p) G (p) x (p).

Для астатического ОУ с передаточной функцией G(p) = a 1/(р+b) 1/р цифровой регулятор должен иметь передаточную функцию:

Wрег (p) = K0 (1 + c/p) / (1+d/p),

где c = u ( h+) = ( 1 - B(1+ bh)) / ( b h ( 1 - B ), d = ( K1 / K0 ) u ( h+) = - B, B = e-bh.

Функционирование регулятора описывается дифференциальным уравнением 2-ого порядка с 2-мя периодами регулирования. При единичном ступенчатом воздействии x(t) на входе системы формируются ЦР следующие управляющие воздействия на входе астатического ОУ: u2 (0+ ) = K0,

u2 (1+ ) = - B K0 .

x(t)

1 на входе ЦР


t

u2(t) на входе звена 1 ОУ


K0

t

- B K0

u3(t) a K0 на входе звена 2 ОУ

t


- a B K0 на входе звена 3 ОУ


y1 , y2 y1 - требуемая выходная характеристика

y2 - на выходе ОУ


t


Рис. Временная эпюра переходного процесса интегрирующих звеньев ОУ после воздействия управляющего сигнала u 2.



ЦР для рассматриваемого ОУ состоит из 4-х функциональных блоков:

УВХ - устройства выборки и хранения,

УС - устройства синхронизации,

К - устройство с переменным коэффициентом передачи,

ФИУ - формирователь импульсов управления.


uвх un u2

УВХ К


ИУВХ ИУК

СИ

УС ФИУ


Рис. Функциональная схема цифрового регулятора.


Устройство выборки и хранения (УВХ) объединяет дискретизатор (квантователь) и фиксатор. Наиболее простой является схема ключа на полевом транзисторе с емкостью. Ключ размыкается и замыкается командным сигналом импульсного управления выборкой и хранением (ИУВХ). Когда ключ замкнут, выходной сигнал УВХ изменяется в соответствии с входным сигналом uвх. Когда ключ разомкнут, выходной сигнал определяется напряжением на конденсаторе С1, которое подается на буферный каскад DA1.


uвх VT1 DA1 u вх

+ t


C1 _ uвых

uвых


t



ИУВХ 100мкс

Рис. Схема ключа и эпюра напряжений.


Время выборки (временной интервал, в течение которого ключ замкнут) значительно меньше периода T = N h, поэтому форма входного сигнала uвх транслируется ступенчатым выходным сигналом практически без искажений.

Изменение этого выходного сигнала немедленно отрабатывается устройством синхронизации (УС), который состоит из

- инвертора (операционного усилителя),

- 2-х компараторов (операционных усилителей),

- формирователя синхронизирующего импульса (логического элемента).

uвх

Инвертор Компаратор 1


Формирователь

+ Uпит синхроимпульсов СИ


Компаратор 2

R


Рис. Схема устройства синхронизации.


Устройство синхронизации имеет релейную характеристику с регулируемой зоной нечувствительности: Uком1 , Uком2 (выходные напряжения компараторов при выходе сигнала uвх за зону нечувствительности 2 u). Величина зоны нечувствительности устанавливается переменным резистором R. Если величина сигнала uвх превысит значение u , то на выходе УС сформируется синхронизирующий импульс положительной полярности амплитудой около 8 В и длительностью 100 мкс.

Uком

Uком1 Uком2




-u 0 +u u


Рис. Релейная характеристика устройства синхронизации.


3-ий блок - усилитель с переменным коэффициентом усиления К обеспечивает преобразование сигнала un в последовательность N импульсов длительностью h с амплитудами u2(0h+ ), u2(1h+ ),... . Такой усилитель можно реализовать с помощью

- аналогового перемножителя, (а также операционного усилителя, перемножающего ЦАП),

- аналогового коммутатора,

- блока установки коэффициентов - регулируемых делителей напряжения.


uвых Аналоговый перемножитель u2


U K


ИУК Аналоговый коммутатор


UK0 . . . . . . . . . . . UK(N-1)


Блок установки коэффициентов


Рис. Функциональная схема устройства с переменным коэффициентом усиления на аналоговом перемножителе.


Постоянные напряжения UK0 ... UK(N-1) , пропорциональные коэффициентам передачи К устройства на -м шаге в пределах интервала регулирования Т = N h, снимаются с переменных резисторов и поступают на входы коммутатора аналоговых сигналов. Управление коммутатором осуществляется параллельным двоичным кодом текущего номера шага регулирования - импульсами управления коммутатором (ИУК). На выходе коммутатора образуется последовательность импульсов U K длительностью h, амплитуды и полярности которых соответствуют требуемым коэффициентам передачи К. Полученная последовательность поступает на вход аналогового перемножителя напряжения, на 2-ой вход которого подается сигнал uвых . В результате перемножения сигналов U K и uвых образуется на выходе микросхемы образуется последовательность импульсов напряжения u2( h+ ), являющаяся выходным (управляющим) сигналом цифрового регулятора.


Формирователь импульсов управления (ФИУ) обеспечивает управление

- коммутатором аналоговых сигналов ИУК переменного усилителя К в виде последовательного двоичного кода - номера шага регулирования (до 10 шагов в пределах интервала регулирования T = N h ) ,

- устройства выбора и хранения ИУВХ.

Импульсы имеют длительность около 100 мкс, размах от + 15 до - 15 В, что обеспечивает выборку сигнала ошибки, изменяющегося в диапазоне от + 10 до - 10 В.


Генератор ТИ1 Счетчик - Формирователь

тактовых делитель тактовых

импульсов частоты импульсов


СИ ТИ2 ИУК


Схема ИС Счетчик Дешифратор

управления текущего текущего

ИУ0 номера номера


ИД

Формирователь

ИУВХ ИУВХ


Рис. Схема формирователя импульсов управления. ТИ - тактовые импульсы.

СИ - синхронизирующие импульсы от УС. ИС - импульсы счета шагов регулирования. ИУ0 - импульсы установки счетчика в нулевое положение. ИУК - импульсы управления коммутатором. ИУВХ - импульсы управления выборкой и хранением информации. ИД - импульсы дешифратора.


При поступлении импульса синхронизации счетчик - делитель частоты и счетчик текущего номера шага регулирования устанавливаются в нулевое состояние, а также формируется импульс управления ИУВХ. Тем самым ФИУ переводится в режим немедленной (с задержкой не более 1-ого периода тактовой частоты ТИ1) отработки скачкообразного входного воздействия.

Генератор тактовых импульсов (реализованный на логических И - НЕ) выдает тактовые импульсы ТИ1 с частотой повторения 256 h. Работает независимо.

Счетчик - делитель частоты с коэффициентом деления кдел = 256 при подаче синхронизирующих импульсов (СИ) от УС преобразует тактовые импульсы ТИ1 в последовательность тактовых импульсов ТИ2. Импульсы через схему управления (совпадения и инвертор) поступают на вход счетчика текущего номера шага регулирования, где формируется параллельный двоичный код текущего номера шага регулирования. Этот код с выходов счетчика подается на аналоговый коммутатор для управления устройства с переменным коэффициентом передачи К и одновременно на входы дешифратора текущего номера .

Выходы дешифратора подключается к схеме управления, благодаря чему цикл формирования управляющих сигналов непрерывно повторяется. Если текущий номер шага регулирования < (N - 1), то с выхода дешифратора поступает импульс дешифратора ИД, разрешающий прохождение очередного тактового импульса ТИ2 на вход счетчика текущего номера и одновременно формирует ИУВХ. Схема УВХ готова к обработке входного сигнала следующего шага квантования. Далее весь цикл формирования импульсов управления повторяется.

На последнем шаге при = (N - 1) на выходе дешифратора появляется сигнал, при котором очередной импульс ТИ2 не пропускается к счетчику текущего номера шага. Период регулирования заканчивается.

ТИ1

. . . . . . . . . . . . . .

t

ТИ2

t

0 1

ИУО t

Т Т


ИУВХ


закрыто


ИД






Рис. Временная эпюра формирования импульса управления.






Случайные файлы

Файл
14270.rtf
32126.rtf
16643.rtf
159689.rtf
138037.rtf