Факультет вычислительной техники и информатики
Кафедра электронных вычислительных машин
Специальность: «Компьютерные системы и сети»
Тема выпускной работы:
Научный руководитель: к.т.н. доц. Мальчева Раиса Викторовна
Актуальность темы. В эволюционном плане первыми системами управления следует считать системы, в которых в качестве управляющего звена выступал человек. Недостатки подобных систем очевидны: человеку свойственно делать ошибки, и количество допущенных ошибок растет в связи с усталостью человека. Механические регуляторы частично разрешали проблему но построение подобных регуляторов для сложных систем является трудоемким процессом и не всегда возможная. Появление аналоговых регуляторов позволило поднять процесс управления на качественно новый уровень. Однако аналоговые системы управления не лишены недостатков среди которых главной считают невозможность построения систем управления сложными объектами.
Преимущества цифровой обработки над аналоговой. На современном этапе развития техники распространения приобрели цифровые системы управления (ЦСУ). Значительные вычислительные и логические возможности цифровых устройств определяют их использование для управления автоматизированными объектами. Устройства цифровой обработки, выполненные на базе современной дискретной микроэлектроники имеют серьезные преимущества перед аналоговыми устройствами.
Данные преимущества цифровых систем управления обусловили их бурное развитие и расширение области применения. Особенно это проявилось в связи с появлением специализированных микроконтроллеров, которые соединяют практически все цифровые узлы ЦСУ в одном корпусе. Если раньше ЦСУ были дорогими и использовались для управления сложными объектами и процессами, то микроконтроллерные системы, благодаря невысокой стоимости, могут использоваться для управления простыми устройствами, при этом возможности устройств расширяются без значительного увеличения стоимости.
Общая структура ЦСУ изображена на рис.1. Основным блоком данной системы является управляющая вычислительная машина (КОМ). Информацию о текущем состоянии объекта управления ЦСУ получает из датчиков (аналоговых и дискретных), производит за определенным алгоритмом управляющие влияния, которые поступают на исполнительные механизмы. Обмен информацией между вычислителем (процессором) и объектом управления осуществляется через устройства связи с объектом (УСО) - комплекс технических и программных средств, которые обеспечивают обмен информацией между процессором и объектом управления. В зависимости от типа сигнала и направления передачи информации УСО разделяются на четыре подсистемы:
Построение подсистемы дискретного ввода-вывода не представляет особенные трудности потому что КОМ по своей природе является дискретной и основная погрешность в определении дискретных входных влияний заключается в наличии промежутка времени между изменением дискретного сигнала и реакцией системы на эту смену.
Подсистема аналогового вводу предназначена для введения у КОМ аналоговой информации. При этом происходит квантование аналоговых сигналов, как за уровнем, так и по времени, что приводит к появлению дополнительных погрешностей. Поэтому при построении ЦСУ необходимо придерживаться двух основных принципов:
При реализации алгоритмов контроля и управления на КОМ необходимо учитывать такие обстоятельства:
КОМ при вычислениях способная выполнять только арифметические и логические операции, которые входят в систему команд данной машины;
Все вычисления и операции вводу - выводу информации выполняются за определенное время, обусловленное быстродействием функциональных устройств КОМ, что делает невозможным беспрестанный обмен информацией между КОМ и ее абонентами (датчиками информации, исполнительными механизмами, устройствами отображения). Это приводит до того что беспрестанное время, в котором протекают процессы в объекте управления дискретизируется на входах и выходах КОМ;
Вся входная информация КОМ должна быть представлена в цифровой форме, в виде чисел ограниченной разрядности;
Результаты арифметических операций, разрядность которых превышает разрядность регистров арифметического устройства КОМ, должны быть округлены;
Константы, которые входят в вычислительные алгоритмы и используются в процессе вычислений, при их двоичном конечно-разрядном представлении могут отличаться от заданных значений.
Погрешности ЦСУ при анализе целесообразно подразделить в зависимости от факторов, что их порождают, и особенностей проявления на методологических, трансформируемых, инструментальных и методических [5].
Методологические погрешности обусловлены расхождением между целесообразным поведением системы в результате влияния внешних возмущений и поведением системы, которая обеспечивается математической моделью процесса, принятой за основу при конструировании управляющих системы. Эти погрешности характеризуют степень совершенства теории, а не качество ЦСУ.
Трансформируемые погрешности возникают в результате трансформации входных ошибок аргументов (в некоторых источниках под трансформируемой погрешностью понимают собственно ошибку входных аргументов). Величина погрешности зависит от вида функции и ошибок входной информации.
Методические погрешности являются ошибками численных методов, принятых в КОМ для вычисления управляющих влияний. Ошибки численных методов не зависят от характеристик КОМ и в каждом конкретном случае могут быть рассчитаны достаточно точно.
Инструментальные погрешности обусловлены конечным числом разрядов, предназначенных для представления величин, и необходимостью округления результатов некоторых элементарных операций.
Особенно стоит выделить динамическую погрешность. Под динамической понимается погрешность, которая возникает в результате опоздания решения задачи, которая обусловливается непрерывностью процесса управления. Динамическая погрешность зависит от периода дискретизации входных аналоговых сигналов и типа объекта управления. Для анализа динамических погрешностей часто используется математический аппарат z-преобразований [3].
Способы оценки методической и инструментальной погрешностей для цифровых вычислительных машин достаточно обстоятельно рассмотрены в книгах Журавлева ю.П.[5], Соренкова Э.и. [13], а также в роботе Желнова Ю.А. [4]. Однако способы оценки влияния трансформируемой погрешности на точность выработки управляющих влияний в данных источниках освещены недостаточно и часто источником трансформируемой погрешности считают исключительно шум квантования АЦП, не учитывая то, что сигнал на вход АЦП поступает с погрешностью и АЦП не является идеальным [4 13]. Из этих причин рассмотрение вопроса об оценке трансформируемой погрешности является необходимым.
Анализ источников трансформируемой погрешности Источником трансформируемой погрешности на выходе ЦСУ является погрешность определения входных влияний. Данная погрешность по своей структуре является достаточно сложной. В общем случае она включает следующие элементы:
Информацию о состоянии объекта управления ЦСУ получает из датчиков физических величин. Датчик - это устройство, что, испытывая влияние физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал, преимущественно электрической природы, которая является функцией измеряемой величины [8]. Точность информации о состоянии объекта управления определяется точностью датчиков. Это говорит о важности правильного выбора датчика. Для большей части датчиков зависимость исходной величины от измеряемой не является линейной. В этом случае для определения значения измеряемой величины по значению исходного сигнала датчика используются следующие методы:
Последний из этих методов используется достаточно часто, при этом схема линеаризации может быть как внешней относительно датчика, так и внутренней. В технической документации на датчики указываются точности параметры в виде обобщающих характеристик:
На рисунке 2 наводится график зависимости исходной величины датчика от входного влияния для датчиков с внутренней схемой линеаризации [18].
Анализ приведенной зависимости показывает, что величина ошибки датчика имеет строго закономерный (не случайный) характер и зависит от измеряемой величины и направления изменения этой величины. Точный характер этой зависимости не предоставляется в документации а используется параметр CNL&H (комбинированная нелинейность и гистерезис), который указывает максимальное отклонение реальной характеристики датчика от идеальной. По этой причине при моделировании датчика погрешность или не учитывается, или аппроксимируется близкой функцией.
Информация из датчиков поступает на вход ЦСК через линии связи, происходит согласование уровней, коммутация аналоговых сигналов и аналого-цифровое превращение. На этом этапе погрешность вносится аналоговыми элементами, а также добавляются препятствия в линиях связи. Для уменьшения этой составляющей входной погрешности используются схемные и программные решения.
Вариантами схемных решений являются аналоговые фильтры, дифференциальные усилители с большим коэффициентом уменьшения синфазных препятствий. Эффективность таких решений высока, их недостатком является значительное увеличение стоимости ЦСУ. Следует отметить что величина погрешности в значительной мере зависит от принятой структуры подсистемы аналогового вводу. Наиболее рациональной с точки зрения снижения препятствий является структура, предложенная в [3]. Согласно этой структуры АЦП и схема согласования относятся в непосредственной близости от датчика а передача данных на вход ЦСУ осуществляется в цифровой форме. Преимуществом такой системы является высокая помехозащищенность и возможность передачи информации из датчиков на большое расстояние без перекручиваний (в цифровой форме), недостатком подобной системы является высокая стоимость.
К программным способам снижения препятствий стоит отнести цифровые фильтры и программные средства коррекции входных влияний. Данные способы являются дешевле по сравнению с аппаратными, потому что для их реализации в ЦСУ достаточно написания фрагмента программы.
Количество датчиков с цифровым выходом среди общего количества датчиков небольшая (приложение цифровых датчиков рассмотрено в [9]). Поэтому одним из обязательных элементов подсистемы аналогового вводу остается АЦП. Основными характеристиками АЦП является разрядность и время превращения а также точности характеристики. Стоимость АЦП увеличивается с увеличением разрядности и быстродействия. Если взять АЦП одинаковой разрядности и быстродействия, то их стоимость зависит от точности параметров. Пример такой зависимости для 8-разрядных АЦП общего назначения (время превращения составляет 100мкс) изображено на рисунку 3.
Приведенная зависимость говорит о необходимости при выборе АЦП учитывать не только его разрядность, но и другие точности характеристики.
Выводы. Анализ источников трансформируемой погрешности показывает:
Важное замечание! При написании данного автореферата работа над магистерской диссертацией еще не завершена. Окончание запланировано на декабрь 2009 года. Для получения дополнительной информации свяжитесь с автором или научным руководителем.