Цифровые САУ

1. Цифровые САУ

Цифровые следящие системы
В сложных цифровых управляющих комплексах цифровые следящие
системы (ЦСС) широко используются в качестве устройств связи
между объектами управления (ОУ) и ЦВМ. Цифровые следящие
системы отличает высокая точность, хорошая
помехозащищенность и быстродействие.
ЦВМ по отношению к следящей системе может выполнять функции
задающего устройства, сравнивающего и корректирующего
устройства. По характеру связи между следящими системами и
ЦВМ их разделяют на:
автономные, в которых ЦВМ служит в качестве источника
входной информации, т.е. выполняет роль задающего устройства;
неавтономные, в которых ЦВМ выполняет роль сравнивающего и
корректирующего устройств.
По принципу управления исполнительным двигателем ЦСС можно
разделить на системы с пропорциональным и релейным
управлением.

2. Цифровые САУ

Цифровые следящие системы
Цифровые системы строят на базе комплекса средств
вычислительной техники, основными элементами которого
являются:
ЦВМ;
устройства ввода;
устройства вывода.
Функции ЦВМ могут выполнять:
ЭВМ (компьютеры);
DSP (digital signal processor) — цифровые сигнальные
процессоры;
ЦУ на жесткой логике.
Устройствами ввода и вывода в случае состыковки с аналоговыми
сигналами являются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи, а в случае состыковки с
цифровыми сигналами — порты и интерфейсы.
В системах с ЦВМ, они могут выполнять роли:
регулятора;
регулятора и устройства сравнения;
корректирующего устройства;
самого объекта.

3. Цифровые САУ

Цифровые следящие системы
Если ЦВМ универсальная (ЭВМ), то возможно построение
многофункциональных САУ, когда одна ЦВМ обслуживает
комплекс составляющих объект устройств. Например, в
станочном оборудовании:
стабилизации скорости механизмов подачи;
формировании траектории обработки;
управление приводом главного движения;
управление механизмом смены инструмента.
В подобных случаях в состав системы ЦУ должны входить
аналоговые или цифровые мультиплексоры и
демультиплексоры.
Во всех случаях ЦВМ предоставляет легкодоступные
информационные потоки, позволяющие кроме прямого
управления осуществлять функции:
контроля;
оптимизации;
координации;
организации всех процессов.

4. Цифровые САУ

Цифровой сигнальный процессор
Цифровой сигнальный процессор –
специализированный
микропроцессор, предназначенный
для обработки оцифрованных
сигналов (обычно, в режиме
реального времени).
Цифровые сигнальные процессоры строятся
на основе т.н. «Гарвардской
архитектуры», отличительной
особенностью которой является то, что
программы и данные хранятся в
различных устройствах памяти — памяти
программ и памяти данных. В отличие от
архитектуры фон Неймана, где
процессору для выборки команды и двух
операндов требуется минимум три цикла
шины, ЦСП может производить
одновременные обращения как к памяти
команд, так и к памяти данных, и

5. Цифровые САУ

Цифровой сигнальный процессор
Память команд и память данных обычно располагаются на
кристалле ЦСП. В связи с тем, что эта память имеет
относительно небольшой объём, возникает необходимость в
использовании внешних (относительно кристалла процессора)
запоминающих устройств. Для таких устройств раздельные
шины команд и данных не используются, так как это
потребовало бы значительно увеличить количество внешних
выводов кристалла, что дорого и непрактично. Поэтому
взаимодействие ЦСП с внешними запоминающими
устройствами происходит по одному комплекту шин без
разделения на команды и данные. Следует также заметить, что
обращение к внешней памяти всегда занимает значительно
больше времени, чем к внутренней, поэтому в приложениях,
критичных ко времени исполнения, такие обращения
необходимо минимизировать.

6. Цифровые САУ

Цифровой сигнальный процессор
Математически эти задачи сводятся к поэлементному перемножению
элементов многокомпонентных векторов действительных чисел,
последующему суммированию произведений. ЦСП ориентированы
на многократное выполнение умножения с расчётом «на лету»
адресов перемножаемых элементов массивов:
операция «умножение с накоплением» (multiply-accumulate, MAC)
(Y = Y + A × B), где Y, A, B — элементы действительных массивов с
автоматическим расчётом адресов элементов массивов;
аппаратная реализация многократного повторения заданного
набора команд, т.е. циклы с заранее назначенной длиной без
использования счётчиков цикла и команд проверки обнуления
счётчика цикла — признака выхода из цикла;
возможность одновременной в одном машинном такте выборки
команды и двух операндов для максимально быстрого выполнения
команды MAC. Для этого ЦСП имеет несколько портов обращения
к памяти (независимых областей памяти, каждая со своим
комплектом шин адреса и данных);
поддержка векторно-конвейерной обработки с помощью
генераторов адресных последовательностей.

7. Цифровые САУ

Цифровой сигнальный процессор
В современной микроэлектронике процессоры общего применения
зачастую содержат аппаратную поддержку типовых операций
ЦОС. Особо времяёмкие задачи ЦОС решаются на основе
программируемой логики, где можно достичь предельной
оптимизации выполнения конкретной операции.
Специализированные процессоры ЦОС всё чаще делают
векторными.
Области применения:
коммуникационное оборудование;
уплотнение каналов передачи данных;
кодирование аудио- и видеопотоков;
системы гидро- и радиолокации;
распознавание речи и изображений;
речевые и музыкальные синтезаторы;
анализаторы спектра;
управление технологическими процессами;
другие области, где необходима быстродействующая обработка
сигналов, в том числе в реальном времени.

8. Цифровые САУ

ЦУ на жесткой логике
Управляющее устройство с жесткой логикой (аппаратный тип) –
представляет собой совокупность логических схем,
вырабатывающих распределенные во времени функциональные
управляющие сигналы. Изменить логику работы у таких
управляющих автоматов можно, только переделав схему.
Множество состояний таких управляющих автоматов задается
набором запоминающих элементов (ячеек памяти), а функции
переходов и выходов – реализуются набором логических
элементов. При синтезе таких управляющих автоматов
применяются законы алгебры логики. Синтез комбинационной
схемы (КС)
автомата происходит в несколько этапов:
построение
таблицы
истинности;
построение функций
переходов и выходов;
минимизация функций
переходов и выходов;
построение схемы в
требуемом элементном базисе.
Примеры: декодеры, защёлки,
счётчики, регистры,
дешифраторы

9. Цифровые САУ

Процессы протекающие в системах цифрового управления
Дискретная природа ЦВМ определила наличие 2-х процессов в
системах ЦУ:
дискретизации сигналов по времени (получение решетчатой
функции);
квантования сигналов по уровню (аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования).
Дискретизация сигналов по времени делает систему дискретной, а
квантование по уровню — нелинейной. Выбор частоты
дискретизации производится исходя из ширины полосы
пропускания или из времени регулирования замкнутой системы.
Количество ступеней квантования по уровню оказывает
существенное влияние на динамические свойства систем. При
недостаточном их количестве могут возникать периодические
режимы переключений между дискретами (автоколебания).
Может случиться так, что выполняемые ЦВМ задачи (опрос датчиков,
расчет программы, формирование информационных потоков,
запись в порты вывода) могут быть выполнены только при
систематической задержке синтезируемого воздействия на один
такт дискретизации. В таком случае в системе с ЦВМ появится
запаздывание , которое должно быть учтено оператором
запаздывания z-1 и, возможно, смещенной передаточной функции