Лекция 5
Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики.
Обработка сигналов. Дискретизация сигналов. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов. Обработка измерительной информации. Аналоговая фильтрация. Цифровая фильтрацияОбщая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютера показана на рис. 2.4. Хотя на практике используются разнообразные датчики, исполнительные механизмы и согласующие устройства, основная структура интерфейса всегда одна и та же
Рис.2.4 Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером
То, что эта структура выглядит очень просто, вовсе не означает, что ее можно легко реализовать. Один из законов Мерфи гласит: "Если вам кажется, что все идет хорошо, скорее всего, вы чего-то не заметили".
Датчики
Для большинства физических величин существует множество различных измерительных технологий, характеризуемых зависимостью между вырабатываемым сигналом и измеряемой величиной. Измерительное устройство или датчик состоит из двух частей — измерительной головки и преобразователя. Термин "датчик" иногда ошибочно употребляют вместо "измерительной головки"; в этой книге под датчиком всегда понимается полное устройство, включающее измерительную головку и преобразователь.
Результат измерения — это "реакция измерительной головки датчика", которая на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику. Следовательно, выходной сигнал измерительного устройства (датчика) есть выходной сигнал преобразователя. В большинстве управляющих систем этот выходной сигнал обычно — и предпочтительно — электрический, однако довольно часто встречаются и пневматические датчики. Главное достоинство электрических датчиков — это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можно передавать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневматические датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше по размерам, проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условиях взрыво- и пожароопасной среды пневматические датчики более безопасны, чем электрические
Различают три класса датчиков:
аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;
цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1).
Исполнительные устройства (механизмы)
Исполнительное устройство или механизм преобразует электрическую энергию в механическую или в физическую величину для воздействия на управляемый процесс. Электродвигатели, управляющие "суставами" промышленного робота, и есть исполнительные механизмы. В химических процессах оконечными управляющими элементами могут быть клапаны, задающие расход реагентов. Следует подчеркнуть, что исполнительные устройства обычно лишь опосредованно влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками. Например, датчики измеряют температуру, координаты или химическую концентрацию, а исполнительные устройства управляют подводом тепла, движением или потоками исходных реагентов. И уже от динамики физической системы зависит, как измеряемые величины изменятся из-за управляющих воздействий исполнительных устройств.
В составе исполнительного устройства можно выделить две части: во-первых, преобразователь и/или усилитель, во-вторых, силовой преобразователь и/или исполнительный механизм..
Любой измерительный сигнал искажается возмущениями и шумом как в процессе формирования, так и передачи. Одна из основных проблем передачи сигнала — уменьшение влияния шума. Источники шума должны быть изолированы, или, в крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально возможного уровня. Искажение сигналов или сообщений шумом является не только проблемой организации интерфейса "процесс-компьютер", но проявляется при любых типах передачи информации. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие возмущений и шумов.