Контрольная работа - Технические средства управления - файл 1.docx

Контрольная работа - Технические средства управления
(3395.5 kb.)
Доступные файлы (1):
1.docx3396kb.15.11.2011 20:07
содержание

1.docx



Распределенные системы управления


Распределённая система управления представляется совокупностью совместно и целенаправленно функционирующих пространственно и функционально распределённых динамических объектов (подсистем) и классифицируется современной теорией систем как сложная динамическая система.

В функциональном отношении распределенная система управления включает в себя управляющую подсистему, реализуемую, как правило, в виде двухуровневой системы принятия решений, на нижнем уровне которой реализуются классические алгоритмы управления, а на верхнем – логико-лингвистические алгоритмы анализа ситуации и планирования поведения системы, и управляемую подсистему (процесс), совместное функционирование которых приводит к достижению цели управления.

^ Типовые примеры распределённых систем управления:

Управляющая подсистема технически выполняется в виде многомашинного отказоустойчивого вычислительного комплекса сетевой структуры с распределённой обработкой данных в реальном масштабе времени и реконфигурацией алгоритмических, программных и аппаратных средств. Масштаб реального времени понимается в данном случае как гарантированное время, возможно прерываемое, активизации и решения функциональных задач управления.




Классификационные особенности распределенных систем управления


Распределенная система управления является, как правило, развивающейся сложной гетерогенной иерархической интегрированной эргатической распределенной непрерывно - дискретной динамической системой с переменной структурой, нестационарными параметрами и нелинейными зависимостями характеристик от параметров и воздействий.

Сложность как фундаментальное свойство системы управления имеет множество интерпретаций и оттенков. В данном случае, сложная система определяется как целостная система, как система, которая не может быть осознана и изучена исследователем в целом. Целостность является фундаментальным свойством сложной системы, которое проявляется в единстве цели функционирования системы и принципиальной несводимости свойств системы к сумме свойств образующих её элементов. Целостность системы, её общесистемные свойства и целенаправленное поведение обеспечивается специфицированной организацией, под которой понимается согласование общесистемных функциональных, логических и конструктивных характеристик системы с физическими процессами, протекающими в системе, и эксплуатационно-организационными мероприятиями.

Интеграция понимается как объединение множества гетерогенных асинхронно взаимодействующих подсистем, каждая из которых выполняет вполне определённые, присущие только этой подсистеме, функции в соответствии с собственной (локальной) целью функционирования, подчинённой общей (глобальной) цели функционирования системы.

Интеграция предполагает, наряду с согласованностью целей функционирования, доступность необходимой и достаточной предварительно подготовленной информации о состоянии системы и отдельных её элементов для каждого потребителя информации, а также возможностью организации в рамках системы коалиций подсистем с на

делением их управленческими полномочиями и ответственностью за поведение отдельных подсистем и системы в целом. Последнее достигается специально организованной иерархической распределённой структурой системы управления.

Иерархия, как свойство системы, приводит, по крайней мере, к следующим принципиальным особенностям системы. Во-первых, система представляется в виде совокупности соподчинённых подсистем различных уровней иерархии. Во-вторых, подсистемы более высокого уровня иерархии используют при принятии решений агрегированные (обобщённые) координаты, являющиеся функциями выходных координат подсистем более низкого уровня иерархии, и формируют директивные управления для этих подсистем. Недоступность полного вектора состояния подсистем нижнего уровня иерархии для подсистемы верхнего уровня является принципиальной особенностью иерархической системы управления. Важным здесь является то, что верхний уровень иерархии формулирует в терминах агрегированных координат для нижнего уровня цель управления - целевую функцию и выбирает агрегированное управление такое, чтобы эта цель была достигнута. Решение задачи на верхнем уровне не полностью определяет состояние системы, т.к. оно сформулировано в терминах агрегированных координат. Чтобы определить вектор состояния исходной системы полностью, используется нижний уровень управления. Цель управления на нижнем уровне формулируется в терминах исходных переменных, но управление остается прежним, тем которое определено на верхнем уровне в терминах обобщённых координат. Это всегда возможно, потому что агрегированная модель является следствием исходной. Последнее означает, что решения подсистемы верхнего уровня обязательны для исполнения на нижнем уровне иерархии. Следствие этого – иерархическая структура системы управления всегда сужает класс допустимых управлений как за счёт работы с агрегированными координатами, так и за счёт структурных ограничений. Исключение части допустимых управлений, возможно наилучших, является принципиальной особенностью

иерархической организации системы управления. Необходимость иерархической организации сложной системы управления определяется необходимостью структурирования управления в сложной системе с целью получения ограниченного конструктивного множества возможных решений, из которых и выбирается лучшее. Именно это решение затем реализуется в системе в виде децентрализованных и согласованных управлений различного уровня ответственности.

Распределённость, как свойство системы, обеспечивает наилучшее согласование топологии системы управления с принципами организационно-технологического управления территориально и функционально распределённым объектом управления и исключает в системе циркуляцию избыточной информации при её параллельной и асинхронной обработке в реальном масштабе времени. При этом наиболее рационально обеспечивается доступность для каждого потребителя предварительно подготовленной и отформатированной информации. Распределённость, кроме того, позволяет наиболее конструктивно осуществить в системе различные формы избыточности, с целью обеспечения необходимого уровня надёжности.

^ Структурная организация системы управления характеризуется широким использованием обратных связей и компенсирующих цепей, позволяющих проектировать развивающиеся системы управления, удовлетворяющие требованиям устойчивости, управляемости (наблюдаемости), инвариантности, самоорганизации и т. д. Именно механизм обратных связей и компенсирующих цепей, позволяющий использовать текущую информацию о внешней среде, параметрах и выходных координатах системы, даёт возможность оптимизировать управление и снижает чувствительность системы к неконтролируемым внешним воздействиям и изменениям параметров системы.

Распределенные системы управления являются, как правило, эргатическими системами, процесс управления в которых осуществляется совместно человеком-оператором (управленческим персоналом, экипажем, командой и т.д.) и техническими средствами различными по

функциональному назначению и принципам действия. Участие человека в процессе управления влечёт за собой множество особенностей системы и требует (на стадии проектирования системы) решения задач технической эргономики с целью создания наиболее комфортных условий для выполнения человеком-оператором функциональные задач в условиях информационных и психофизиологических перегрузок при дефиците времени на принятие решений. В условиях функционирования - эргатическая система управления должна постоянно идентифицировать физиологическое состояние человека - оператора и его способность решать поставленные функциональные задачи. При временной перегрузке человека-оператора и, как следствие, неспособности человеком выполнять функциональные задачи в полном объёме эргатическая система должна передавать часть функциональных задач на решение средствам автоматики с целью согласования поведенческих, технологических и организационно-экономических аспектов управления. Перераспределение функциональных задач в процессе управления вызывается необходимостью сохранения управляемости системы при информационных и психофизиологических перегрузках человека, и приводить естественно к некоторому снижению качества управления.

Задача идентификации физиологического состояния человека и его способности решать поставленные функциональные задачи относится к классу плохо обусловленных (слабо структурированных) задач, решение которых в настоящее время осуществляется с использованием экспертных систем.

Участие человека в процессе управления требует решения ещё одной чрезвычайно интересной и сложной задачи – задачи поддержания необходимой квалификации и навыков управления у обслуживающего персонала. Дело в том, что при чрезмерной автоматизации процесса управления и, как следствие этого, недостаточно интенсивной работе человека - оператора снижаются его профессиональные навыки, что приводит при возникновении нештатных ситуаций к авариям. Задача поддержания необходимой квалификации персонала решается в

эргатических системах введением в систему управления профессиональных тестов и контрольных задач, имитирующих предаварийные и аварийные ситуации в системе. Анализ профессиональных действий человека - оператора, выполняющего эти задачи, осуществляется системой управления и документируется. На основе этого анализа для каждого участника управления формируются новые тесты и контрольные задачи, учитывающие ошибки, допущенные именно этим оператором.

Рассматриваемый класс систем управления функционирует, как правило, в условиях неполноты и недостоверности информации о координатах и параметрах системы, неопределённости некоторых оценок и показателей. Это делает необходимым разработку системы управления в виде интеллектуальной системы, в которой совмещается интеллект профессионала оператора и искусственный интеллект экспертной системы, являющейся частью интеллектуальной системы. Совмещение интеллектов в одной системе приводит к необходимости решения проблемы: кому в каждой сложившейся ситуации следует отдать предпочтение – экспертной системе или оператору. Решение этой проблемы связано с оценкой квалификации оператора, осуществляющего управление в системе. Если квалификация исполнителя выше, то экспертная система выдает рекомендации, которые учитываются оператором при принятии решения по управлению системой. Система управления выполняется в этом случае как система принятия решений. В противном случае – принятие решения осуществляет экспертная система.

Учитывая, что в системах управления работают профессионалы высокой квалификации, системы управления проектируются и выполняются как системы принятия решений.


^ Техническая организация распределенной информационно-управляющей вычислительной сети:


Разделяемая физическая среда – линия связи (например, радиальный коаксиальный кабель).


^ Логическая организация:


Прикладной процесс – это идентифицируемый объект в рамках реальной открытой системы, ведущий обработку информации и ответственный за согласование соглашенной среды своего существования с законами модели открытых систем.




Взаимодействие структурировано и разбито на семь уровней:


Функциональная организация распределенных систем управления


Задача разбивается на классы:

. Прикладные задачи управления.

Определяются физическими процессами в оборудовании, управлением которым мы занимаемся:

. Планирование и управление вычислительными процессами отдельного ИУВК

. Планирование и управление вычислительным процессом в распределенной СУ (в распределенной информационно-управляющей вычислительной сети).


^ Функциональная задача – формальное описание (математическое, вербальное и др.) совокупности объектов, функций выполняемых над объектом, с целью достижения поставленной цели.

Параметры функциональной задачи:

1.Время активизации задачи – интервал времени, на котором функциональная задача может или должна решаться.

2. Период решения задачи



3. Время (возможно прерываемое) решения задачи.

4. Период конкуренции. Интервал времени, когда одновременно несколько задач претендуют на ресурс системы.

5. Приоритет задачи (относительная важность задачи по сравнению с другими).

6. Чувствительность задачи к параметрам движения (как меняется цель при изменении временного интервала).

а) Необходимые неразделяемые ресурсы ИУВК

б) Необходимые разделяемые ресурсы ИУВК

^ Элементарное действие – неделимая логическая единица работы, принимая в рассмотренной системе управления.

Функция – совокупность элементарных действий, обеспечивающая преобразование координат системы в соответствии с физическими законами.

Подсистема – функционально-обособленное образование, функционирование которого определяется совокупностью функциональных задач.

^ Функциональный процесс – множество состояний системы, ориентированных во времени.

В распределенных системах управления задачи взаимодействуют друг с другом по данным и по управлению.

По данным – одна задача передает данные для другой. Передача данных не требует изменения статуса задачи, для которой эти данные предназначены.

По управлению – одна задача активизирует другую.

Функциональный процесс в РСУ определяется как векторный асинхронный параллельный процесс.




Электромеханические муфты скольжения



















Цифро-аналоговые преобразователи


Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:



Рис. 1. Классификация ЦАП




Последовательные ЦАП


ЦАП с широтно-импульсной модуляцией


Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 1а.


^ Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией


Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах


Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.


Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.


^ Параллельные ЦАП


ЦАП с суммированием весовых токов


Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1.


Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым

ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП. Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.


^ Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

Поскольку в любом положении переключателей Sk они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление Rвх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Sk соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно, преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R0 ключей с разрядными токами



ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН.


^ ЦАП на источниках тока


ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 6.


^ Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока


Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами



В качестве переключателей тока Sk часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 7.


Точность значительно повышается, если резистор Rэ заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов – прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 Ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.




Формирование выходного сигнала в виде напряжения


Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 8.


^ Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи Rос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.

Для цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой. В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: Rн »1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.




Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).


^ Рис. 9. Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения.


^ Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах


Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена на рис. 11




^ Рис. 11. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.


^ ЦАП с суммированием напряжений


Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S0…S255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами.




Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом.


^ Применение ЦАП


Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.




Обработка чисел, имеющих знак


Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью восьми разрядов можно представить числа в диапазоне от -128 до 127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0...255 путем прибавления 128. Числа, большие 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, - отрицательными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда

Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, составляющего половину шкалы преобразователя. Для различных типов ЦАП это можно сделать разными способами.


^ Перемножители и делители функций


ЦА-преобразователи на МОП-ключах, допускают изменение опорного напряжения в широких пределах, в том числе и смену полярности. Выходное напряжение ЦАП пропорционально произведению опорного напряжения на входной цифровой код. Это обстоятельство позволяет непосредственно использовать такие ЦАП для перемножения аналогового сигнала на цифровой код.

При униполярном включении ЦАП выходной сигнал пропорционален произведению двухполярного аналогового сигнала на однополярный цифровой код. Такой перемножитель называют двухквадрантным. При биполярном включении ЦАП выходной сигнал пропорционален произведению двухполярного аналогового сигнала на двухполярный

цифровой код. Эта схема может работать как четырехквадрантный перемножитель.


^ Аттенюаторы и интеграторы на ЦАП


Аттенюаторы, т.е. регуляторы уровня сигнала, с цифровым управлением гораздо более надежны и долговечны, чем традиционные аттенюаторы на основе переменных резисторов. Их целесообразно использовать в измерительных приборах и других устройствах, требующих подстройки параметров, особенно автоматической. Такие аттенюаторы можно наиболее просто построить на основе перемножающего ЦАП с инверсной резистивной матрицей и буферным усилителем.

^ Системы прямого цифрового синтеза сигналов


Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Аналоговые генераторы сигналов - синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм - имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться от ЭВМ. В последние годы получили развитие системы прямого цифрового синтеза сигналов, обеспечивающие высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспроизведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем

Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Приращение фазы Dj загружается в виде цифрового кода во входные регистры. Память играет роль таблицы функций. Код текущей фазы поступает на ее адресные входы, а с выхода данных на вход

ЦА-преобразователя поступает код, соответствующий текущему значению заданной функции. ЦАП в свою очередь формирует аналоговый сигнал.

Регистр содержит текущую фазу выходного сигнала в виде целого числа, которое будучи поделено на 2N, где N – разрядность сумматора, равно доле периода. Увеличение разрядности регистра повышает только разрешающую способность этой доли. Частота выходного сигнала равна произведению частоты тактов fтакт на приращение фазы в каждом периоде тактов.




Программируемые логические контроллеры (общие сведения)










Использованная литература


  1. Шавров В.В., Коломиец А.П. Автоматика//Учебник для ВУЗов. – М: Колос, 1999.

  2. Солдатов В.В., Шавров А.В., Герасенков А.А. Технические средства автоматизации//Учебное пособие. – М: изд-во РГАЗУ, 2004.

  3. Шавров А.В., Липа О.А., Шавров А.А. Технические средства управления//Методические указания по изучению дисциплины. – М: изд-во РГАЗУ, 2005.


Учебный материал
© studmed.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации