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 w_d(t). Тогда ошибка между задаваемой скоростью и скоростью нагрузки определяется как

e(t) = w_d(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 t_o - начальный момент времени; x(t_o) - начальное значение.

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

Следовательно, значение интеграла для t=kT может быть вы­числено по задаваемой скорости w_d 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 w_d(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.