Факультет обчислювальної техніки та інформатики
Кафедра електронних обчислювальних машин
Спеціальність: «Комп’ютерні системи та мережі»
Тема випускної роботи:
Науковий керівник: к.т.н. доц. Мальчева Раїса Вікторовна
Актуальність теми. В еволюційному плані першими системами керування слід вважати системи, в яких у якості керуючої ланки виступала людина. Недоліки подібних систем очевидні: людині властиво робити помилки, і кількість допущених помилок зростає у зв'язку з утомою людини. Механічні регулятори частково вирішували проблему, але побудова подібних регуляторів для складних систем є трудомістким процесом і не завжди можлива. Поява аналогових регуляторів дозволила підняти процес керування на якісно новий рівень. Однак аналогові системи керування не позбавлені недоліків, серед яких головним вважають неможливість побудови систем керування складними об'єктами.
Переваги цифрової обробки над аналоговою. На сучасному етапі розвитку техніки поширення набули цифрові системи керування (ЦСК). Значні обчислювальні і логічні можливості цифрових пристроїв визначають їхнє використання для керування автоматизованими об'єктами. Пристрої цифрової обробки, виконані на базі сучасної дискретної мікроелектроніки, мають серйозні переваги перед аналоговими пристроями.
Дані переваги цифрових систем керування зумовили їхній бурхливий розвиток і розширення сфери застосування. Особливо це проявилося в зв'язку з появою спеціалізованих мікроконтролерів, що сполучають практично всі цифрові вузли ЦСК в одному корпусі. Якщо раніше ЦСК були дорогими і використовувалися для керування складними об'єктами і процесами, то мікроконтролерні системи, завдяки невисокій вартості, можуть використовуватися для керування простими пристроями, при цьому можливості пристроїв розширюються без значного збільшення вартості.
Загальна структура ЦСК зображена на рис.1. Основним блоком даної системи є керуюча обчислювальна машина (КОМ). Інформацію про поточний стан об'єкта керування ЦСК одержує з датчиків (аналогових і дискретних), виробляє за певним алгоритмом керуючі впливи, що надходять на виконавчі механізми. Обмін інформацією між обчислювачем (процесором) і об'єктом керування здійснюється через пристрої зв'язку з об'єктом (ПЗО) - комплекс технічних і програмних засобів, що забезпечують обмін інформацією між процесором і об'єктом керування. У залежності від типу сигналу і напрямку передачі інформації ПЗО поділяються на чотири підсистеми:
Побудова підсистеми дискретного вводу-виводу не представляє особливих труднощів, тому що КОМ по своїй природі є дискретною й основна погрішність у визначенні дискретних вхідних впливів полягає в наявності проміжку часу між зміною дискретного сигналу і реакцією системи на цю зміну.
Підсистема аналогового вводу призначена для введення в КОМ аналогової інформації. При цьому відбувається квантування аналогових сигналів, як за рівнем, так і за часом, що приводить до появи додаткових погрішностей. Тому при побудові ЦСК необхідно дотримуватися двох основних принципів:
При реалізації алгоритмів контролю і керування на ЦОМ необхідно враховувати такі обставини:
KОМ при обчисленнях здатна виконувати тільки арифметичні і логічні операції, що входять у систему команд даної машини;
Всі обчислення й операції вводу - виводу інформації виконуються за певний час, обумовлений швидкодією функціональних пристроїв KОМ, що робить неможливим безупинний обмін інформацією між KОМ та її абонентами (датчиками інформації, виконавчими механізмами, пристроями відображення). Це приводить до того, що безупинний час, у якому протікають процеси в об'єкті керування дискретизується на входах і виходах КОМ;
Уся вхідна інформація КОМ повинна бути представлена в цифровій формі, у вигляді чисел обмеженої розрядності;
Результати арифметичних операцій, розрядність яких перевищує розрядність регістрів арифметичного пристрою КОМ, повинні бути округлені;
Константи, що входять в обчислювальні алгоритми і використовуються в процесі обчислень, при їх двійковому кінцево-розрядному представленні можуть відрізнятися від заданих значень.
Погрішності ЦСК при аналізі доцільно підрозділити в залежності від факторів, що їх породжують, і особливостей прояву на методологічні, трансформовані, інструментальні і методичні [5].
Методологічні погрішності обумовлені розбіжністю між доцільним поводженням системи в результаті впливу зовнішніх збурювань і поводженням системи, що забезпечується математичною моделлю процесу, прийнятою за основу при конструюванні керуючих ланок системи. Ці погрішності характеризують ступінь досконалості теорії, а не якість ЦСК.
Трансформовані погрішності виникають у результаті трансформації вхідних помилок аргументів (у деяких джерелах під трансформованою погрішністю розуміють власне помилку вхідних аргументів). Величина погрішності залежить від виду функції і помилок вхідної інформації.
Методичні погрішності є помилками чисельних методів, прийнятих у ЦОМ для обчислення керуючих впливів. Помилки чисельних методів не залежать від характеристик ЦОМ і в кожному конкретному випадку можуть бути розраховані досить точно.
Інструментальні погрішності обумовлені кінцевим числом розрядів, призначених для представлення величин, і необхідністю округлення результатів деяких елементарних операцій.
Особливо варто виділити динамічну погрішність. Під динамічною розуміється погрішність, яка виникає в результаті запізнення рішення задачі, що обумовлюється безперервністю процесу керування. Динамічна погрішність залежить від періоду дискретизації вхідних аналогових сигналів і типу об'єкта керування. Для аналізу динамічних погрішностей часто використовується математичний апарат z-перетворення [3].
Способи оцінки методичної й інструментальної погрішностей для цифрових обчислювальних машин досить докладно розглянуті в книгах Журавльова Ю.П.[5], Соренкова Э.И. [13], а також у роботі Желнова Ю.А. [4]. Однак способи оцінки впливу трансформованої погрішності на точність вироблення керуючих впливів у даних джерелах освітлені недостатньо і часто джерелом трансформованої погрішності вважають виключно шум квантування АЦП, не враховуючи те, що сигнал на вхід АЦП надходить з погрішністю й АЦП не є ідеальним [4, 13]. З цих причин розгляд питання про оцінку трансформованої погрішності є необхідним.
Аналіз джерел трансформованої погрішності Джерелом трансформованої погрішності на виході ЦСУ є погрішність визначення вхідних впливів. Дана погрішність по своїй структурі є досить складною. В загальному випадку вона включає наступні елементи:
Інформацію про стан об'єкта керування ЦСК одержує з датчиків фізичних величин. Датчик - це пристрій, що, зазнаючи впливу фізичної вимірюваної величини, видає еквівалентний сигнал, переважно електричної природи, що є функцією вимірюваної величини [8]. Точність інформації про стан об'єкта керування визначається точністю датчиків. Це говорить про важливість правильного вибору датчика. Для більшої частини датчиків залежність вихідної величини від вимірюваної не є лінійною. В цьому випадку для визначення значення вимірюваної величини за значенням вихідного сигналу датчика використовуються наступні методи:
Останній з цих методів використовується досить часто, при цьому схема лінеаризації може бути як зовнішньою стосовно датчика, так і внутрішньою. В технічній документації на датчики вказуються точності параметри у вигляді узагальнюючих характеристик:
На рисунку 2 наводиться графік залежності вихідної величини датчика від вхідного впливу для датчиків з внутрішньою схемою лінеаризації [18].
Аналіз наведеної залежності показує, що величина помилки датчика має строго закономірний (не випадковий) характер і залежить від вимірюваної величини і напрямку зміни цієї величини. Точний характер цієї залежності не надається в документації, а використовується параметр CNL&H (комбінована нелінійність і гистерезис), що вказує максимальне відхилення реальної характеристики датчика від ідеальної. З цієї причини при моделюванні датчика погрішність або не враховується, або апроксимується близькою функцією.
Інформація з датчиків надходить на вхід ЦСК через лінії зв'язку, відбувається узгодження рівнів, комутація аналогових сигналів і аналого-цифрове перетворення. На цьому етапі погрішність вноситься аналоговими елементами, а також додаються перешкоди в лініях зв'язку. Для зменшення цієї складової вхідної погрішності використовуються схемні і програмні рішення.
Варіантами схемних рішень є аналогові фільтри, диференціальні підсилювачі з великим коефіцієнтом зменшення синфазних перешкод. Ефективність таких рішень висока, їхнім недоліком є значне збільшення вартості ЦСК. Слід зазначити, що величина погрішності значною мірою залежить від прийнятої структури підсистеми аналогового вводу. Найбільш раціональним з погляду зниження перешкод є структура, запропонована в [3]. Згідно цієї структури АЦП і схема узгодження ставляться в безпосередній близькості від датчика, а передача даних на вхід ЦСК здійснюється в цифровій формі. Перевагою такої системи є висока перешкодозахищеність і можливість передачі інформації з датчиків на велику відстань без перекручувань (у цифровій формі), недоліком подібної системи є висока вартість.
До програмних способів зниження перешкод варто віднести цифрові фільтри і програмні засоби корекції вхідних впливів. Дані способи є більш дешевими в порівнянні з апаратними, тому що для їхньої реалізації в ЦСК досить написання фрагмента програми.
Кількість датчиків з цифровим виходом серед загальної кількості датчиків невелика (застосування цифрових датчиків розглянуто в [9]). Тому одним з обов'язкових елементів підсистеми аналогового вводу залишається АЦП. Основними характеристиками АЦП є розрядність і час перетворення, а також точностні характеристики (розглянуті в главі 2). Вартість АЦП збільшується зі збільшенням розрядності і швидкодії. Якщо взяти АЦП однакової розрядності і швидкодії, то їхня вартість залежить від точносних параметрів. Приклад такої залежності для 8-розрядних АЦП загального призначення (час перетворення становить 100мкс) зображено на рисунку 3.
Наведена залежність говорить про необхідність при виборі АЦП враховувати не тільки його розрядність, але й інші точностні характеристики.
Висновок. Аналіз джерел трансформованої погрішності показує:
Важливе зауваження! При написанні даного автореферату робота над магістерською дисертацією ще не завершена. Закінчення заплановане на грудень 2009 року. Для отримання додаткової інформації зв'яжіться з автором або науковим керівником.