И.А. Штефан Компьютерное управление

1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курс «Компьютерное управление» изучается в течение шестого семестра. По учебному плану для студентов заочной формы обучения с сокращенными сроками обучения по курсу «Компьютерное управление» предусмотрено 12 часов лекций, 4 часа практических занятий и выполнение одной контрольной работы. Всего на изучение курса с учетом самостоятельной работы отводится 101 час. Завершается изучение курса зачетом.

1.ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО

ВУЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1.Цель преподавания дисциплины

Цель преподавания дисциплины - обучение студентов методам анализа и синтеза компьютерных систем управления на уровне выработки и реализации управляющих воздействий в системах ЧПУ и других системах автоматического управления технологическим оборудованием в машиностроении.

1.2.Задачи изучения дисциплины

Врезультате изучения дисциплины студенты должны овладеть методами и приобрести практические навыки при разработке и внедрении компьютерных систем управления приводами станков и другим технологическим оборудованием в рамках систем ЧПУ и систем управления технологическими процессами в машиностроении.

1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины

Для изучения компьютерного управления необходимы знания следующих дисциплин: «Теория автоматического управления», «Общая электротехника и электроника», «Электропривод», «Технологические измерения и приборы», «Информационная технология», «Программирование и основы алгоритмизации», «Диагностика и надежность автоматизированных систем», «Вычислительные машины, системы и сети».

2

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

2.1. Введение

Общая схема компьютерной системы управления (КСУ). Приобъектная измерительная и исполнительная, оценивающая, регулирующая, задающая и организующая подсистемы. Упрощенная схема КСУ. Преимущество дискретных систем управления по сравнению с непрерывными системами.

Общая схема проектирования КСУ. Перечень решаемых проблем при проектировании КСУ: получение информации об объекте управления и сигналах; выбор структуры КСУ; разработка алгоритмов управления (синтез и настройка); фильтрация шумов; разработка корректирующих алгоритмов.

Литература: [1, с. 21-24; 2, с. 12-15; 8, с. 4-5].

Методические указания

При изучении данного раздела студентам необходимо подробно рассмотреть общую схему КСУ, назначение каждой из подсистем. Особое внимание следует обратить на преимущество дискретных (в частности цифровых) систем управления в сравнении с непрерывными системами. Изучить проблемы, имеющие место при проектировании КСУ, обратив особое внимание на способы представления и получения информации, на синтез алгоритмов управления и их коррекцию, а также на фильтрацию помех.

Контрольные вопросы

1.Из каких подсистем состоит КСУ?

2.Какими переменными описывается технологический объект управления?

3.Что представляет собой приобъектная измерительная подсисте-

ма?

4.Основное назначение оценивающей подсистемы.

5.Основное преимущество дискретных систем управления по сравнению с непрерывными системами.

3

6.В каком виде может быть представлена информация о технологическом объекте управления?

7.Чем завершается синтез алгоритмов управления?

8.Для чего используется фильтрация шумов?

2.2.Приобъектная измерительная подсистема

Сигналы. Информационные параметры сигналов. Математические модели сигналов. Энергетические характеристики сигналов. Классификация сигналов. Детерминированные и случайные сигналы. Модель случайного сигнала. Аналоговые, дискретные, релейные и цифровые сигналы.

Опрос и регистрация параметров технологического объекта управления. Преимущества обработки в системах управления дискретной информации по сравнению с аналоговой. Опрос аналоговых датчиков. Способы опроса: циклический, ациклический, групповой.

Постановка задачи дискретизации аналоговых сигналов. Дискретизация аналоговых сигналов с помощью отсчетов. Точность восстановления непрерывных сигналов. Методы дискретизации посредством отсчетов. Теорема отсчетов. Теоретические и практические аспекты использования теоремы отсчетов. Выбор шага дискретизации.

Аналоговая противоподменная фильтрация. Амплитудные частотные характеристики идеального и реального противоподменных фильтров. Противоподменные фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева.

Структура канала ввода аналоговой информации. Источники шумов в системах управления и их спектральные характеристики. Частотные характеристики шумов. Ошибки измерения и их характеристики. Классификация ошибок измерения.

Литература: [1, с. 459-461; 3, с. 31-41; 13, с. 46-48; 273-286; 14, с. 21-30; 15, с. 63-89; 17, с. 23-26; 18, с. 333-335; 19, с. 9-12; 450-456; 20, с. 32-41; 21, с. 13-23; 22, с. 12-34; 23, 5-39].

Методические указания

Изучение приобъектной измерительной подсистемы следует начинать с рассмотрения сигналов, циркулирующих в системах управления, обратив особое внимание на модели и характеристики аналоговых, дискретных и цифровых сигналов.

4

Наиболее сложной проблемой в системах управления технологическими объектами является сбор информации об аналоговых переменных. Поэтому необходимо изучить структуру канала ввода в УВМ аналоговой информации, рассмотрев существующие способы опроса аналоговых параметров, их достоинства, недостатки и области применения.

Теоретической основой дискретизации аналоговых сигналов является теорема отсчетов. Помимо самой теоремы студенты должны разобраться с вопросами оценки точности дискретизации и выбора шага дискретизации, обеспечивающего требуемую точность. Из методов выбора шага дискретизации необходимо изучить два метода: выбор шага с учетом допустимой погрешности; выбор шага по критерию наибольшего отклонения. Кроме того, необходимо изучить теоретические и практические аспекты использования теоремы отсчетов, рассмотрев эффекты подмены и наложения частоты.

Наиболее эффективным средством борьбы с подменой и наложением частот является использование аналоговой противоподменной фильтрации. Поэтому необходимо изучить характеристики, достоинства и недостатки наиболее широко используемых на практике противоподменных фильтров.

Кроме ошибок дискретизации на качество получаемой информации влияют ошибки измерения. При изучении ошибок измерения необходимо подробно рассмотреть систематические, прогрессирующие, случайные и грубые ошибки, их особенности и источники (причины) их появления.

Контрольные вопросы

1.Что такое сигнал?

2.Что такое информационные параметры сигнала?

3.Что представляет собой математическая модель сигнала?

4.Основные энергетические характеристики сигнала.

5.Отличие случайного сигнала от детерминированного.

6.Как описываются аналоговые и цифровые сигналы?

7.Понятие дискретизации функции.

8.Отличие квантования сигнала от его дискретизации.

9.Отличие группового опроса от циклического.

10.Назначение ациклического опроса.

5

11.К чему сводится в математическом плане задача дискретизации сигнала?

12.Как оценивается точность восстановления по критерию наибольшего отклонения?

13.Отличие частотного метода дискретизации от корреляционно-

го.

14.От чего зависит выбор шага дискретизации в теореме отсче-

тов?

15.Основные свойства разложения Котельникова.

16.Чем отличается реальный сигнал от сигнала, рассматриваемого

втеореме отсчетов?

17.Что такое эффект подмены частоты?

18.Что такое эффект наложения частоты?

19.Основные способы устранения эффекта наложения частоты.

20.Чем отличается амплитудная частотная характеристика реального фильтра от идеального?

21.Основной недостаток аналоговых фильтров Баттерворта.

22.Достоинства и недостатки аналоговых фильтров Чебышева.

23.Достоинства выбора шага дискретизации по допустимой

ошибке.

24.Что влияет на выбор шага дискретизации по критерию наибольшего отклонения?

25.Что влияет на величину шага квантования?

26.Что представляет собой шум квантования?

27.Чем отличается дополнительная погрешность измерения от основной погрешности?

28.Особенности прогрессирующих ошибок.

29.Отличительная черта случайных ошибок.

2.3. Оценивающая подсистема

Задачи первичной обработки данных. Проверка восроизводимо-

сти отсчетов. Масштабирование, калибровка и линеаризация данных. Контроль текущего состояния объекта управления. Корректировка влияния ошибок измерения. Статическая корректировка. Динамическая корректировка. Фильтрация сигналов. Аналоговая и цифровая фильтрация.

6

Цифровые фильтры. Классификация цифровых фильтров: по виду частотной характеристики; по протяженности импульсной характеристики. Рекурсивные и нерекурсивные цифровые фильтры. Фильтры текущего среднего и текущей медианы. Классификация цифровых фильтров по типу используемого базиса.

Цифровые фильтры экспоненциального сглаживания. Полино-

миальная модель фильтров экспоненциального сглаживания. Фильтры экспоненциального сглаживания первого порядка. Фильтры экспоненциального сглаживания слоистой и каскадной структур.

Робастные цифровые фильтры. Фильтры медианного сглаживания. Фильтры релейно-экспоненциального и медианноэкспоненциального сглаживания.

Двухуровневые оценивающие системы. Структура двухуровне-

вой оценивающей системы. Разделяющая подсистема. Решающая подсистема. Анализирующая подсистема.

Литература [8, с. 53-85; 13, с. 271-274; 286-309; 19, с. 351; 24, с. 120-124; 25, с. 54-56; 26, с. 82-85; 32, с. 9-10].

Методические указания

Основной задачей первичной обработки данных является обработка результатов измерений с целью устранения влияния ошибок измерения и приведения их к виду, удобному для дальнейшего использования. Поэтому при изучении задач первичной обработки данных необходимо рассмотреть назначение каждой задачи и алгоритм ее решения. Особенно подробно должны быть изучены методы динамической корректировки ошибок измерений, которая реализуется с помощью аналоговых или цифровых фильтров. При изучении цифровых фильтров необходимо рассмотреть различные типы цифровых фильтров и способы их реализации. Из нерекурсивных цифровых фильтров изучить фильтры текущего среднего и текущей медианы, обратив особое внимание на выбор рационального числа усредняемых точек.

Достаточно подробно студентам необходимо изучить фильтры экспоненциального сглаживания. Для этого необходимо рассмотреть: полиномиальную модель данных фильтров, структуры фильтров и зависимость порядка фильтра от структуры сигнала, а также критерии оценки точности фильтрации. Недостатком стандартных фильтров экспоненциального сглаживания является их низкая чувствительность к

7

грубым ошибкам измерения. Этого недостатка лишены робастные фильтры, из которых студенты должны изучить фильтры медианного сглаживания и робастные модификации фильтров экспоненциального сглаживания. При их изучении необходимо рассмотреть функции срезки релейного типа и мажоритарные функции, как они вводятся в

фильтры экспоненциального сглаживания и от каких типов грубых ошибок они позволяют защитить оценки экспоненциального сглаживания.

Изучение данного раздела заканчивается двухуровневыми оценивающими системами, основное достоинство которых состоит в том, что они обеспечивают получение достоверных оценок сглаживания для структурно-изменчивых сигналов, каковыми является большинство сигналов в системах управления. Кроме изучения структуры и подсистем двухуровневой оценивающей системы, необходимо рассмотреть принципы (методы) выделения локальных участков сигналов с заданными структурными свойствами, типовые модели локальных участков сигналов и способы их распознавания.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит основная задача первичной обработки данных?

2.С какой целью проводится проверка воспроизводимости отсче-

тов?

3.Как осуществляется контроль текущего состояния объекта управления?

4.Какие ошибки устраняются при статической корректировке измеренных значений?

5.Назначение динамической корректировки измеренных значе-

ний.

6.Что такое фильтрация?

7.Для решения каких задач используется фильтрация?

8.Что представляют собой цифровой фильтр?

9.Классификация цифровых фильтров по виду частотных характеристик.

10.Какой цифровой фильтр называется нерекурсивным?

11.Недостатки фильтра текущего среднего.

12.Что характеризует весовая функция в фильтрах экспоненциального сглаживания?

8

13.Что такое полиномиальная модель сигнала?

14.На что влияет порядок полиномиальной модели в фильтрах экспоненциального сглаживания?

15.Почему фильтры экспоненциального сглаживания относятся к рекурсивным фильтрам?

16.На что влияют начальные условия в фильтрах экспоненциального сглаживания?

17.Что оценивают фильтры экспоненциального сглаживания второго порядка?

18.Недостаток фильтров экспоненциального сглаживания каскадной структуры.

19.Достоинства слоистых структур фильтров экспоненциального сглаживания.

20.Основной недостаток стандартных фильтров экспоненциального сглаживания.

21.Назначение робастных цифровых фильтров?

22.Назначение функции срезки в фильтрах релейноэкспоненциального сглаживания.

23. Недостаток фильтров релейно-экспоненциального сглажива-

ния.

24.Что представляет собой мажоритарная функция в фильтрах медианно-экспоненциального сглаживания?

25.Какие условия должны выполняться при использовании процедур оценивания?

26.Из каких подсистем состоит двухуровневая оценивающая

система?

27.Что представляют собой локальные участки сигналов измерительной информации?

28.В чем состоит задача первого уровня двухуровневой оценивающей системы?

29.Назначение структуризующего блока двухуровневой оценивающей системы.

30.Основное достоинство спектральных структуризаторов.

31.Чем отличаются полиномиальные структуризаторы от спектральных?

32.Назначение обнаруживающего блока двухуровневой оценивающей системы.

33.Из каких блоков состоит анализирующая подсистема?

9

2.4. Регулирующая и задающая подсистемы

Синтез цифровых систем управления (ЦСУ). Требования к син-

тезу ЦСУ. Критерии управления. Классификация линейных цифровых регуляторов. Параметрически-оптимизируемые регуляторы и их основные типы. Синтез ЦСУ с цифровыми ПИ- и ПИД-регуляторами низкого порядка и настройка их параметров. Структурно-оптимизируемые регуляторы и их типы. Компенсационные регуляторы. Синтез ЦСУ с компенсационными регуляторами.

Реализация цифровых регуляторов. Физическая реализуемость цифровых регуляторов. Реализация цифровых регуляторов на основе импульсных фильтров. Типы импульсных фильтров, реализующих цифровые регуляторы. Реализация цифровых регуляторов на ЭВМ. Способы программирования цифровых регуляторов на ЭВМ.

Реализация и моделирование ЦСУ. Особенности машинной реа-

лизации ЦСУ. Выбор такта управления. Факторы, влияющие на выбор такта управления. Вычислительные задержки. Особенности расчета цифровых регуляторов при больших тактах управления. Методы моделирования ЦСУ. Натурно-математическое моделирование ЦСУ, его достоинства и области применения.

Системы числового программного управления (ЧПУ) станка-

ми. Понятие системы ЧПУ станком. Классификация систем ЧПУ: по виду движения исполнительных механизмов и числу потоков информации. Функции систем ЧПУ. Геометрическая, логическая, технологическая и терминальная задачи ЧПУ. Расчет систем ЧПУ. Ошибки дискретизации систем ЧПУ.

Адаптивные системы управления. Обобщенная функциональная схема адаптивной системы управления (АДСУ). Дуальность управления. Классификация АДСУ. Общие принципы адаптивного управления ходом технологического процесса. Классификация АДСУ металлообработкой . Функциональные принципы построения АДСУ металлообработкой. Управление точностью начальной установки детали. Управление статической настройкой технологической системы. Управление динамической настройкой технологической системы. Управление факторами технологического процесса для повышения точности и производительности обработки.