Аналоговые регуляторы на операционных усилителях. Цифровые регуляторы на интегральных микросхемах.

Классификация регуляторов по реализуемому закону регулирования

1-й тип. Пропорциональный или П-регулятор с одним параметром настройки. Его передаточная функция совпадает с передаточной функцией пропорционального типового динамического звена (ТДЗ).

Коэффициенты, входящие в передаточную функцию регулятора называются параметрами настройки регулятора. В конструкцию регуляторов заложена возможность изменения величины этих коэффициентов в широком диапазоне. Для некоторых конструкций П-регулятора его коэффициент — К_рег, который называется коэффициентом усиления регулятора, может изменяться в диапазоне: 0,1 ≤ К_рег ≤ 40.

2-ой тип. Интегральный (астатический), И-регулятор с одним параметром настройки. Его передаточная функция совпадает с передаточной функцией астатического (интегрирующего) ТДЗ.

Коэффициент Т_и - параметр настройки этого типа регулятора называется временем интегрирования. Для некоторых конструкций И-регулятора, его параметр настройки Т_и может изменяться в диапазоне:

1с ≤ Т'и ≤ 2000с.

Основное назначение закона И-регулирования – ликвидация установившейся ошибки регулирования.

В качестве самостоятельных И-регуляторы применяются редко из-за медленного нарастания регулирующего воздействия на объект при отклонении регулируемой величины.

Постоянная времени интегрирования И-регулятора равна времени, в течение которого с момента поступления на вход регулятора постоянного сигнала сигнал на выходе регулятора достигнет значения, равного значению входного сигнала.

3-й тип. Пропорционально-интегральный, ПИ-регулятор с двумя параметрами настройки. Это одни; из наиболее часто используемых типов регуляторов в промышленных САУ. Его передаточная функция следующая:

Коэффициенты — параметры настройки этого типа регулятора уже упомянутые: коэффициент усиления и время интегрирования. Передаточная функция ПИ-регулятора включает сумму пропорциональной и интегральной составляющей ПИ-регулятора. Сумма передаточных функций соответствует параллельно согласованному соединению элементов или звеньев. Такое же соединение заложено в структуру ПИ-регулятора. В случае отказа интегральной составляющей ПИ-регулятор будет работать как П-регулятор, что повышает надёжность работы регулятора.

Если при настройке ПИ-регулятора установить очень большое значение постоянной времени ^ Т _и, то он превратится в П-регулятор.

Если при настройке регулятора установить очень малые значения k _р, то получим И-регулятор с коэффициентом передачи по скорости 1/ Т _и.

4-й тип. Пропорционально-дифференциальный или ПД-регулятор с двумя параметрами настройки. Его передаточная функция такая:

,

где:

К_рег — коэффициент усиления регулятора;

T_g - параметр настройки - называется временем дифференцирования.

Для некоторых конструкций ПД-регулятора T_g изменяется в диапазоне: lc≤T_g≤ 200с.

5-й тип. Пропорционально-интегрально-дифференциальный или ПИД-регулятор с 3-мя параметрами настройки. Его передаточную функцию записывают так:

Три параметра настройки - это К_рег - коэффициент усиления регулятора, Т_и - время интегрирования, T_g - время дифференцирования,

Выбор типа регулятора или необходимого закона регулирования для конкретного объекта управления - задача не из простых. На. этот выбор оказывает влияние несколько факторов: вид передаточной функции объекта; если объект с запаздыванием, то влияние оказывает отношение общего запаздывания объекта к Т_о - постоянной времени (статический объект с запаздыванием) или к Т (астатический объект с запаздыванием). Выбор типа регулятора также зависит от требований к качеству работы проектируемой САУ. Существует ряд диаграмм и эмпирических формул, позволяющих по передаточной функции объекта определить тип регулятора и оптимальные величины его параметров настройки (см. А.П. Копелович. Инженерные методы расчёта при выборе автоматических регуляторов, М., 1960).

Однако на практике часто приходится применять метод проб и ошибок. По рекомендациям выбирают тип регулятора и задают величины его параметров настройки, затем проверяют САУ на устойчивость и качество работы и, если эти показатели не удовлетворяют требования к проектируемой САУ, всё начинают сначала: выбор более сложного типа регулятора и т.д. Что даёт применение различных типов регулятора хорошо показано на рис. 1, где приведены графики процессов регулирования параметра статического объекта (апериодическое ТДЗ) в системе с П-, И-, ПИ-, ПИД-регуляторами. Статический объект обладает свойством самовыравнивания и поэтому регулируемый параметр без регулятора с течением времени по экспоненте приходит к постоянной величине. САУ с П-регулятором имеет статическую ошибку. САУ сПИД-регулятором (самый сложный и дорогой) имеет минимальную динамическую ошибку и время регулирования (см. рис. 1).

Рис. 1. Графики процессов регулирования параметра статического объекта в системах с П-, И-, ПИ-, ПИД-регуляторами

Наиболее часто используются два типа регуляторов: пропорциональный (П - регулятор), пропорционально-интегральный (ПИ- регулятор).

В системах подчиненного регулирования с последовательной коррекцией используется п последовательных суммирующих усилителей. На эти усилители возлагаются функции не только суммирования и усиления сигналов, но и выполнения некоторых других математических операций над сигналами, поэтому суммирующие усилители в этих системах называют регуляторами.

Операционный усилитель - это усилительс нечетным числом каскадов усиления и большим коэффициентом усиления (k_y > 1000), охваченный сильной отрицательной обратной связью и практически не имеющий дрейфа нуля. Математические операции, выполняемые операционным усилителем, определяются видом сопротивлений обратной связи и входной цепи.

На рис. 2 приведены схемы П-, И- и ПИ- регуляторов.

Сигнал на выходе П - регулятора (рис. 2, а) пропорционален входному, т.е.

, (1)

где .

Сигнал на выходе ПИ-регулятора (рис. 2,в) пропорционален входному сигналу и интегралу от входного сигнала по времени, т. е.

, (2)

или в операторной форме в виде передаточной функции

, (3)

где Т₀ = R_o,c∙C; k = R_o,c/R₁; Т₀₁ = R₁∙C;.р - оператор

Следует отметить, что сигнал на выходе ПИ-регулятора перестанет изменяться во времени и будет сохранять некоторое постоянное значение, только когда входной сигнал будет равен 0. Если на ВХОД такого регулятора поступает разность задающего сигнала и сигнала обратной связи, то в установившемся статическом режиме эти сигналы равны, что соответствует принципу астатического регулирования сигнал управления изменяется регулятором до тех пор, пока не будет достигнуто равенство задающего сигнала и сигнала обратной связи, т. е. пока не будет устранена ошибка регулирования.

Рис.2 Схемы П, И и ПИ-регуляторов на операционных усилителях

Рис.3 Схемы ПД и ПИД-регуляторов на операционных усилителях

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. под­держание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Данная функция реализуется с помощью большого числа различных эле­ментов, которые могут быть объединены в отдельные ук­рупненные блоки управления, выполняющие типовые функции. Выделенные блоки представляют собой унифи­цированные комплексные элементы, поскольку одни и те же блоки могут применяться в различных системах управления.

Важной функцией современных систем управления АЭП является регулирование его координат, т. е. под­держание с необходимой точностью требуемых значений тока, момента, ускорения, скорости. Данная функция реализуется с помощью большого числа различных эле­ментов, которые могут быть объединены в отдельные ук­рупненные блоки управления, выполняющие типовые функции. Выделенные блоки представляют собой унифи­цированные комплексные элементы, поскольку одни и те же блоки могут применяться в различных системах управления.

Электротехническая промышленность выпускает уни­фицированную блочную систему регуляторов в аналого­вом исполнении – УБСР-АИ и в дискретном исполне­нии – УБСР-ДИ. Элементной базой блоков служат ин­тегральные микросхемы современных серий, например К553, К511, К155 и др. В состав УБСР-АИ входят зада­ющие, регулирующие, согласующие элементы, датчики напряжения, тока, вспомогательные и специальные эле­менты, например ячейки питания, множительно-делительные и др. В составе УБСР-ДИ можно выделить за­дающие, логические и вычислительные, преобразовательно - согласующие блоки. Они представляют собой технически законченную реализацию различных цифро­вых узлов и устройств.

Функционально-технической единицей в УБСР-АИ и УБСР-ДИ, характеризующейся конструктивной завер­шенностью, является так называемая ячейка. Она представляет собой печатную плату с микросхемами и выполнена в виде вдвижной конструкции с размерами 128х20 – 40х164 мм. Ячейка может выполнять функ­цию регулятора, датчика электрических величин, согла­сующего устройства, логического или вычислительного узла и т.н. Ячейки устанавливаются в общем каркасе, называемом кассетой.

Заполненная ячейками кассета образует следующий уровень функционально-конструктивной интеграции, на­зываемый блоком. Внутри блока ячейки соединяются между собой посредством проводов и разъемов через имеющуюся в блоке объединяющую печатную плату.

Последняя ступень функционально-конструктивной интеграции элементов в системах управления электро­приводов – это шкаф управления (закрытая конструк­ция) или стойка управления (открытая конструкция), которые объединяют ряд блоков, электрически соединя­емых между собой внешними проводами – соединителя­ми с разъемами.

Чем больше ячеек и блоков входит в систему управ­ления, тем больше требуется внешних соединений и разъ­емов, что является недостатком такой системы управле­ния. Поэтому современная тенденция построения блоков заключается в увеличении интеграции функций в рам­ках одного блока, т.е. в построении комплексных блоков, объединяющих на одной общей плате серии регуляторов, задающих и согласующих элементов.
53. Принципы построения микропроцессорных систем управления. Понятие о промышленных программируемых контроллерах.

1. 
   Параметры логических сигналов

А ппаратная часть современных логических устройств выполнена на элементной базе различной технологии (в настоящее время в основном на ТТЛ и КМОП), однако логические уровни, как правило, стандартизированы и привязаны к ТТЛ-уровням (рис. 1.1).

Здесь: 0-0,4 В – логический нуль; 2,6-5 В – логическая единица; 0,4-2,6 В – область запрещенного состояния, т.е. логический сигнал такого уровня в системе присутствовать не должен.

Внезависимости от уровня логического сигнала и его полярности можно выделить два типа логик (рис. 1.2):

положительную – с перепадом напряжения в сторону положительногопотенциала при переходе от логического нуля к единице;

отрицательную – с перепадом напряжения в сторону отрицательного потенциала при переходе от логического нуля к единице.

Параметры реального импульсного сигнала в микропроцессорной системе (длительность импульса, длительности переднего и заднего фронтов) при его анализе оцениваются по уровню от 0,1 до 0,9. Следует отметить, что для получения наибольшего быстродействия системы обычно элементы используются на пределе своих характеристик по быстродействию, т.е. фронты импульсов соизмеримы с длительностью импульса.

Характеристики импульсного сигнала оцениваются рядом параметров (рис. 1.3): t_п.фр., t_имп , t_з.фр – длительность переднего фронта, длительность импульса, длительность заднего фронта соответственно; U_ампл. – амплитуда импульсного сигнала; d_1, d₂ – выбросы импульсного сигнала, связанные с паразитными емкостями и индуктивностями в линиях связи и активных элементах.

1.2. Основные положения схемотехники микропроцессорных систем

Микропроцессорная техника прогрессирует очень быстро и cмена поколений микропроцессорных наборов техники происходит каждые 1,5-2 года, существенное изменение элементной базы – в течение 2-4 месяцев.

Быстрый прогресс микропроцессорной техники создает существенные трудности при выборе материала для изучения основ микропроцессорной техники. Как считает автор, основное внимание следует уделить изучению базовых не изменяющихся принципов построения элементов и узлов микропроцессорных систем. Их иллюстрация, по возможности, должна производиться на наиболее простых наборах микропроцессорных серий, где каждая функция имеет отдельную аппаратную реализацию.

Микропроцессорные системы управления строят на основе микропроцессорных наборов. Микропроцессорный набор - это набор БИС, унифицированных по уровням логических сигналов на входах, соизмеримых по быстродействию и обеспечивающих построение законченной микропроцессорной системы.

В микропроцессорную систему управления (МПСУ) входят, кроме БИС микропроцессорного набора, МС оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, RAM - random access memory), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM – read only memory) и микросхемы, характерные для

“жесткой логики” (дешифраторы, логические элементы, счетчики, мультиплексоры, шинные формирователи, регистры). Рассматривая существующие микропроцессорные системы, можно выделить следующие уже определившиеся принципы построения микропроцессорных систем,характерные для микропроцессорных систем на элементной базе различных временных поколений.

Шинная организация

Шиной называется ряд электрических соединений между элементами в электрической схеме, выполняющими однотипные функции пересылки электрических сигналов.

По назначению шины разделяются на три типа:

- шина адреса - для адресации (обращения) микропроцессора к внешним, по отношению к нему, устройствам;

- шина данных - для пересылки информации между функциональными узлами МПСУ, она и микросхемы ее обслуживающие могут иметь 8, 16, 32, 64 разряда, она и элементы, ее обслуживающие, являются двунаправленными, т.е. позволяют пересылать информацию в двух направлениях;

- шина управления - для пересылки управляющих сигналов, вырабатываемых микропроцессором, системным контроллером и другими большими интегральными схемами (БИС).

По расположению шины разделяются на три типа:

• 
  локальную - расположенную на конкретной плате блока 1-N и отде-

ленную от системной шины шинными формирователями (ШФ) - усилителями с Z -состоянием на выходах, управляемых контроллером системной шины (КСШ);

- системную - объединяющую несколько блоков МПСУ в единое целое и, как правило, унифицированную, т.е. с закрепленным за каждым номером контакта разъема назначением (адрес, данные, управление, питание и т.п.);

- внешнюю - для связи с внешними устройствами с помощью интерфейса, включающего специализированную БИС и усилители для согласования с внешним устройствами по уровню сигнала, сопротивлению и временным характеристикам.

Каждая из этих трех шин (локальная, системная и внешняя) включает все или часть шин адреса, данных и управления. Структурно взаимодействие всех трех шин между собой имеет типовую схему (рис. 1.4).

В отличие от систем на "жесткой логике", где требуется индивидуальный синтез логической схемы для конкретной системы управления и сугубо индивидуальное соединение элементов, схемы на программируемых БИС строятся унифицировано. Подсоединение всех БИС и всех устройств к шинам однотипно, т.е. адресные входы БИС или устройств - к шине адреса, входы данных БИС - к шине данных, имеющиеся входы управления - к шине управления. Варианты реального электрического взаимодействия друг с другом всех устройств микропроцессорной системы в процессе работы определяются применяемой программой и могут иметь большое разнообразие в о
тличие от систем на “жесткой логике”, где электрические связи между БИС и узлами системы постоянны и трудно изменяемы.

Программируемость БИС МП наборов

В отличие от БИС на “жесткой логике” БИС на “программируемой логике” не работоспособны без их предварительного программирования в один из возможных для них режимов работы.

Программируемость БИС состоит в выборе одного из многих возможных режимов работы данной БИС. Режим работы БИС выбирается записью в регистр “управляющего слова” (РУС) БИС байта “управляющего слова”. Информация в этом регистре используется внутренними устройствами БИС для соответствующей режиму работы коммутации ее внутренней структуры, изменяющей, иногда кардинально, ее назначение. Например, программируемый таймер К580ВИ53 имеет шесть режимов работы: задержанный мультивибратор с программным и аппаратным запусками, делитель частоты, генератор меандра, генератор строба. То есть он заменяет устройства совершенно схемотехнически разные при построении их на обычных дискретных элементах “жесткой логики”.

Программируемая БИС одна может заменить целый ряд устройств, построенных на “жесткой логике”. Например, параллельный интерфейс 580ВВ55 заменяет до сотни устройств ввода/вывода, построенных на “жесткой логике”. Программируемость БИС расширяет область их использования и резко сокращает необходимый набор БИС для создания законченной управляющей микропроцессорной системы. Кроме того, некоторые программируемые БИС могут использовать “слово состояния” микропроцессора, выдаваемого им в начале каждого машинного цикла для изменения характера функционирования в данном машинном цикле.

Принцип прерываний

Данный принцип заключается в аппаратной реализации возможности обслуживания внешних устройств и БИС по запросу. Это значит, что само внешнее устройство, при необходимости, может запросить обслуживание его микропроцессором. Для увеличения количества устройств, обслуживаемых по запросу, используются специализированные БИС прерываний, например 580ВН59, обслуживающая до восьми внешних устройств и позволяющая соединять такие схемы каскадно, увеличивая количество обслуживаемых устройств до нескольких десятков. Такие БИС имеют аппаратную и программную реализации установки ранга (очередности) обслуживания устройств. Современные микропроцессорные системы, построенные на БИС фирмы “ Intel” и др., имеют полтора десятка номеров прерываний уже функционально закрепленных за определенными стандартными устройствами микропроцессорной системы (клавиатура, порты ввода/вывода, таймер и т.д.).

Обслуживание по запросу позволяет уменьшить затрачиваемое процессором время, так как оно осуществляется только тогда, когда его запрашивает внешнее устройство - есть новая информация.

Модульность системы

Заключается в блочном, модульном выполнении функциональных узлов и конструкции МПСУ в целом с их объединением унифицированной системной шиной.

Модульность обеспечивает простоту резервирования узлов и наращиваемость системы в процессе эксплуатации. Модульность обеспечивается и на уровне сигналов микропроцессора - в его конструкцию заложены сигналы, позволяющие организовать блочную работу всей микропроцессорной системы. При наличии блоков больше двух применяется БИС арбитража шин, которая позволяет организовать поочередное использование системной шины блоками для обмена информацией.

В каждый данный момент к системной шине подсоединяются два блока – приемник и передатчик информации, – все остальные блоки отсоединены от системной шины с помощью шинных формирователей, стоящих на стыке локальных шин блоков и системной шины.

Таким образом, в микропроцессорной системе подсоединение блоков друг к другу в данный момент не постоянно, а задается программно и может иметь большое количество вариантов.

Принцип прямого доступа в память (ПДП )

Заключается в возможности быстрого переноса информации от внешних устройств (по отношению к процессору) в память МПСУ, минуя процессор с помощью специализированных БИС прямого доступа в память (ПДП), имеющие несколько каналов пересылки информации (современные системы имеют 7 каналов ПДП). БИС ПДП разгружают процессор от рутинной работы - пересылки данных в память, - оставляя за ним функции логической и математической обработки информации, помещенной в оперативную память. Применение ПДП существенно повышает скорость переноса информации в оперативную память микропроцессорной системы.

Работа с устройствами различного быстродействия

Организация сигналов и устройство микропроцессора позволяют подстраивать его работу под микросхемы и устройства различного быстродействия, имеется специальная пара сигналов микропроцессора, обслуживающая данную возможность. Задержки, необходимые для согласования работы микропроцессора с медленным по отношению к нему устройством, определяются самим медленным устройством.

Микропрограммное управление

Существуют два подхода к организации управления работой отдельных элементов микропроцессорной системы.

Первый подход, называемый аппаратным управлением, предполагает установление в процессе проектирования однозначного соответствия между данным кодом и совокупностью воздействующих сигналов путем создания постоянных соединений между определенными логическими элементами. Такому подходу характерна бессистемность этих соединений и отсутствие какого-либо структурного принципа в их проектировании. Второй подход называется микропрограммным управлением. Он предполагает упорядочение методики проектирования и обеспечивает определенную систему в построении структуры управляющих устройств. На практике управление между элементами осуществляется на основе смены связей между элементами с помощью определенной программы, размещенной в ПЗУ. В таком варианте запуск в работу требует минимальной внешней по отношению к узлу информации, узел выполняет работу по собственной встроенной в БИС микропрограмме. Запуск же в работу предполагает выбор одного из вариантов функционирования данного узла.

Вышеперечисленные принципы аппаратно реализуются в МПСУ двумя способами:

• 
  Разработкой специализированных программируемых БИС, реали-

зующих один из принципов, например обслуживание прерываний – БИС контроллера прерываний, обслуживание прямого доступа в память – БИС прямого доступа в память с несколькими каналами прямого доступа в память, блочная организация – БИС арбитра системной шины и т.д.

• 
  Рядом управляющих сигналов микропроцессора, поддерживающих

перечисленные выше принципы работы, например обслуживание прерываний – пара сигналов запрос/подтверждение обслуживания, блочная организация – запрос/разрешение на захват системной шины, работа с медленными устройствами – запрос на задержку/подтверждение задержки и т.д.

В зависимости от значимости БИС и устройств в микропроцессорной системе каждой БИС и каждому устройству выделяются следующие ресурсы:

• 
  Адрес в адресном пространстве МПСУ. Этот ресурс обязателен

для всех БИС и устройств микропроцессорной системы. Обслуживание БИС и устройств в этом случае происходит только по инициативе процессора по заданной программе.

• 
  Номер прерывания для обслуживания по запросу. В этом случае,

кроме обслуживания по инициативе микропроцессора, при необходимости, обслуживание может быть запрошено самим устройством. В современных микропроцессорных системах таких номеров прерываний около двух десятков. За наиболее важными обязательными устройствами, такими, как таймер, клавиатура, последовательные и параллельные порты, закреплены и стандартизированы номера прерываний. Данный вид обслуживания наиболее рационален, так как устройство обслуживается микропроцессором только при наличии новой информации.

• 
  Канал прямого доступа в память. Он выделяется наиболее важ-

ным устройствам для переноса и складирования больших объемов информации в оперативную память, минуя микропроцессор. В различных микропроцессорных наборах таких каналов от 2 до 7. Прямой доступ в память разгружает процессор от рутинной работы переноса информации от внешнего устройства и повышает скорость переноса информации в оперативную память специализированным устройством БИС прямого доступа в память (ПДП). Микропроцессор затрачивает свое время только на обработку этой информации по заданной программе и выработку управляющих воздействий в микропроцессорной системе.

Перед вводом микропроцессорной системы в эксплуатацию, установке нового оборудования или нового программного обеспечения производят конфигурирование системы, т.е. каждому устройству в зависимости от его значения, особенностей функционирования и объемов пересылаемой информации выделяются необходимые ресурсы. Современные операционные системы (UNIX, Linux, Windows, OS/2 и др.) обычно производят начальное конфигурирование системы автоматически при включении питания и при вводе в эксплуатацию новых блоков – так называемая система поддержки “ Plug and Play”.

---

Дата добавления: 2015-09-05