Микропроцессорные системы автоматического управления

Совокупность объекта управления и средств, предназначенных для осуществления управления, образует систему автоматического управления (САУ). Обобщенная схема системы управления представлена на рис. 1. В нее входят объект управления (ОУ), устройство управления (УУ), исполнительные механизмы (ИМ) и датчики, оценивающие состояния входных и выходных параметров

Рис. 1. Обобщенная схема системы автоматического управления

На рис. приняты следующие обозначения параметров системы: X - вектор входных- параметров; Y - вектор параметров состояния объекта; Е - вектор параметров возмущений; U₀ - вектор управляемых параметров; X_H,Y_H -векторы значений параметров входа и значений параметров состояния объекта, измеренных датчиками; U - вектор информации об управляющих воздействиях; Z - цель управления.

Центральной частью рассмотренной системы автоматического управления является устройство управления или регулятор. Если в качестве регулятора использовать электронную цифровую вычислительную машину (ЭВМ), то появляется возможность реализовать сложные законы управления, а также осуществлять многоканальное управление, при котором к одному регулятору (ЭВМ) подключается множество датчиков и исполнительных органов. При этом возможна переориентация алгоритма управления путем записи в памяти ЭВМ новой программы.

ЭВМ - цифровое устройство, которое воспринимает информацию, представленную в виде двойных кодов. Поэтому аналоговые сигналы, поступающие с датчиков, предварительно пере­страиваются в цифровые посредством аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Результаты вычислений ЭВМ представляются в цифровом виде. Для их перестройки в аналоговые сигналы, подаваемые далее на исполнительные органы, применяются - цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

Следует отметить, что до изобретения микропроцессоров и создания микроЭВМ рассмотренные схемы САУ применялись лишь для ограниченного круга специальных объектов вследствие большой стоимости универсальных ЭВМ. Небольшая стоимость микропроцессоров и микроЭВМ, малые размеры и энер­гопотребление позволили резко расширить область эффективного применения их в качестве управляющего ядра в контуре управления.

Рассмотрим структуру системы автоматического управления (рис. 1), выполненную на микропроцессорной основе, приведенную на рис. 2. Такие системы иногда называют микропроцессорными системами автоматического управления (МП САУ).

Рис. 2. Структурная схема

микропроцессорной системы автоматического управления

Устройство управления в данной системе включает в себя управляющую МП-систему, или микроЭВМ. Алгоритмы управления, реализованные в виде программ, хранятся в памяти микроЭВМ. Специальные интерфейсные блоки предназначены для связи с объектом управления (электроприводом, электроавтоматикой объекта) и периферийным оборудованием (пультом оператора, дисплеем, накопителем на гибких магнитных дисках, другой микроЭВМ). На экране дисплея в удобном виде отображается необходимая оператору информация о состоянии объекта и периферийного оборудования. Для упрощения ввода команд в микроЭВМ на специальном языке изготавливается пульт оператора. В простейших МП-системах автоматического управления дисплеи могут отсутствовать, а для визуального наблюдения за ходом процесса не пульте оператора устанавливаются лишь индикаторы.

Измерительные контроллеры преобразуют и выдают в микроЭВМ в цифровом коде показания датчиков о состоянии объекта и среды. В частном случае в качестве этих устройств используются непосредственно аналого-цифровые преобразователи (АЦП). В состав интерфейсных модулей связи и контроллеров могут входить и микропроцессоры. В этом случае центральный процессор освобождается от трудоемких функций по предварительной обработке вводимой и выводимой информации.

При построении МП САУ сложных систем объект функционально разбивается на части. Для каждой функциональной части строится подсистема управления, аналогичная изображенной на рис. 2. Она связывается через интерфейсные модули с другой микроЭВМ, которая является управляющей этой частью об­ласти, либо центральной. Такая объединенная система управления называется распределенной. Центральная микроЭВМ предназначена для координации взаимодействия управляющих микроЭВМ по управлению сложным объектом (рис. 3. а и рис.3.б).

Управление сложными многомерными объектами, параметры которых связаны единой математической моделью, осуществляется САУ, называемыми связанными.

а

б

Рис. 3. Обобщенная структурная схема САУ иерархической структуры (а)

и схема аппаратного обеспечения микроконтроллера (б).

Если решается задача управления совокупностью независимых по управляемым параметрам одномерных объектов, то система является несвязанной. В этом случае МП САУ представляется в виде совокупности одноконтурных систем автоматического управления, каждая из которых имеет свою программу управления объектами. При управлении объектом от центрального устройства оно обслуживает по очереди отдельные каналы.