будет выдан, когда i

J д;вых (т) = с, (2)

что соответствует интегральной ЧИМ.

В цифровой САУ (ЦСАУ) сигнал обратной связи с выхода частотного датчика преобразуется в код (рис. 2, б). Сигнал задания также представлен в цифровой форме. Выделение сигнала ошибки е* производится с помоп],ью цифрового сравниваюп],его устройства ЦС. Затем е* поступает на цифровой регулятор ЦР. Выходная величина цифрового регулятора через преобразователь код - напряжение ПКН воздействует на объект регулирования ОР. В ЦР формируется нужная передаточная функция ЦСАУ. К недостаткам такой системы следует отнести необходимость интервала времени 6 для преобразования частоты в код, что вводит дополнительное запаздывание в систему и ухудшает ее динамические показатели.

Преобразование частоты в код обычно производится одним из двух способов: 1) подсчетом числа импульсов измеряемой частоты за фиксированное время 6; 2) подсчетом числа импульсов высокой эталонной частоты за фиксированное число периодов измеряемой частоты. Однако в ЦСАУ второй способ применяется редко [15, 16].

При первом способе преобразования число импульсов, поступивших в счетчик, = [/выхв]*, где символ [ ]* означает целую часть числа Л^. Методическая относительная погрешность, равная 1/Л^, всегда отрицательна и уменьшается с увеличением /вых- Если /макс - максимальная входная частота, то емкость счетчика Ы^ч ~ /максб-

Рассмотрим использование такого способа преобразования частоты в код для системы регулирования частоты вра-п],ения двигателя постоянного тока. Пусть угловая частота вращения сошм = 2л - 10 с~, а импульсный датчик вы-

дает rii имп./об. Тогда = [со ом 1 Q/2n]*, и l/N~ = (10 til 0) - Пусть относительная ошибка 1/N < 10~.

Частота среза современных систем регулирования частоты вращения электроприводов прокатных станов составляет примерно 30 с~, откуда следует, что время 6 не должно превышать 0,01 с. Отсюда находим, что /г^ > lO/lOG == = 10* имп./об. Это очень высокая величина. Ее можно получить только в некоторых типах современных датчиков. Рассмотренный способ преобразования частоты в код применим в основном для инерционных объектов.

Работа преобразователя частота - код в ЦСАУ протекает в два такта. В первый такт длительностью 6 происходит подсчет импульсов измеряемой частоты; во второй такт длительностью т (обычно т < 6) поступление импульсов в счетчик прекращается и производится передача выработанного кода в цифровое сравнивающее устройство, а затем сброс счетчика. Таким образом, период дискретности цифрового устройства 7 = 6 + т.

Часто счетчик преобразователя частота - код и цифровое сравнивающее устройство объединяют. При этом перед началом счета в реверсивный счетчик вводят код задания, а импульсы обратной связи в течение времени 6 поступают на вычитающий вход счетчика. Спустя время 6 в счетчике оказывается записанным число, пропорциональное ошибке. В течение т производится перенос кода ошибки в ЦР, сброс счетчика и повторное введение кода задания.

Цифровой регулятор в этой схеме может иметь достаточно сложный вид. Обычно регулятор принимается линейным. Его работа описывается разностным уравнением вида

u(A) = -fliM(/s-1)- .. -a(k - n) +

+ boB{k) + bie{k-l)+ ... +Ks{k-n), (3)

где и (/г), е (k) - значения выходного сигнала цифрового регулятора и сигнала ошибки соответственно в дискретные моменты времени: и (k) = и (кТ), г (к) = е (кТ).

Чаще всего достаточно ограничиться интегрально-про-порционально-дифференциальньпм регулятором, выходная величина которого

и (k) = \в (k) + А;, е (О + К fe () - е - 1)], (4) 1=1

где = 1, 2, 3, ... На отрезке kT < t < {k + \)Т и (t) = == и {kT) = и (k). Выражению (4) соответствует разностное уравнение

u{k) = u{k~l) + (ki+k,+ k>i г (k) -

-( + 2з)е(/г-1) +V(-2) (5)

и дискретная передаточная функция

]j7 + 2 + ks) - + 28) г + ks

В качестве примеров выполнения ЦСАУ такого типа можно привести регулятор частоты вращения, описанный в работе [25]. Он предназначен для регулирования угловой частоты вращения в пределах 2л;...2я 50 с~. Импульсный датчик выдает 720 импульсов на 1 мин~, а время измерения 6 = 20 мс. Динамика системы регулирования характеризуется временем отработки толчка задания скорости, которое для данной системы равно 90 мс.

В структурной схеме, изображенной на рис. 2, в, в отличие от предыдущих, производится непосредственное непрерывное сравнение частот задания и обратной связи. В качестве органа сравнения применена знакочувствительная схема сравнения частот (ЗСЧ), на выходе которой образуется последовательность импульсов с частотой, равной разности сравниваемых частот. Эта схема имеет два выхода - для положительной и отрицательной разности. Если разностный сигнал подать на схему управления СУ шаговым двигателем ШД, ротор которого при подаче каждого импульса поворачивается на определенный угол, то суммар-

ный угол поворота ротора оказывается пропорциональным интегралу от разности частот. Если с ротором ШД [13] связан какой-либо исполнительный орган (потенциометр, заслонка и т. п.), то система, изображенная на рис. 2, в, будет представлять собой интегрирующую ЦСАУ.

На рис. 2, в показан также один из цифровых регуляторов ЦР, который применяется при отсутствии шагового двигателя. Разность количества импульсов поступает на реверсивный счетчик PC, в результате чего на выходе ПКН образуется интегральная составляющая закона регулирования; на выходе ПЧН получаем пропорциональную составляющую.

Так как для данной схемы закон регулирования интегральный (или интегрально-пропорциональный), то постоянная входная величина отрабатывается без ошибки с точностью до одной дискреты квантования по уровню. При наличии шагового двигателя один квант выходной величины равен изменению выходной величины, соответствующей перемещению шагового двигателя на один шаг, а при наличии ЦР - изменению содержимого PC на единицу.

Структурная схема рис. 2, в используется редко ввиду относительной сложности устройства знакочувствитель-ного сравнения частот в широком диапазоне. Чаще используется схема рис. 2, г, в которой с помощью цифрового интегратора ЦИ определяется разность между общими числами импульсов частот задания и обратной связи, т. е. сигнал на выходе ПКН

(0 = [M]*-

г

/вых (О

Такие системы, благодаря своей простоте и в то же время вьгсокой статической точности, получили наибольшее распространение.

При необходимости введения в закон регулирования пропорциональной и дифференциальной составляющих можно

поступить различно. В цифровом регуляторе ЦРЛ, описанном в работе [15], пропорциональная составляющая рассчитывается по формуле

Т. е. как средняя величина за время цикла Гц, которое является достаточно малой величиной, так что е (t) за время Тц меняется мало.

Можно также использовать схему рис. 2, в, вычислив пропорциональную составляющую с помощью ЗСЧ и ПЧН. Однако рациональнее применять комбинированные цифро-аналоговые системы (рис. 2, д). Здесь сигнал задания и обратной связи представлены в виде последовательностей импульсов частот /вх и /вых, а соответствующие аналоговые сигналы формируются преобразователями ПЧН, и их разность воздействует на аналоговый регулятор РА, передаточная функция которого может иметь любой вид (например, пропорционально-дифференциальный).

Еще один способ выработки сигнала, пропорционального интегралу от разности частот задания и обратной связи, который применяется в настоящее время, заключается в сравнении фаз этих импульсных последовательностей, т. е. измерении временного сдвига между соседними импульсами задания и обратной связи [28]

Фи(0 = 7вх- Гвых(/).

Если /вх ф /вых, то сигнал Фи непрерывно увеличивается (или уменьшается), что приводит к изменению выходного сигнала САУ. Не меняется фи, если /вх = /вых, причем Фи может быть произвольным (но меньше, чем минимальная длительность периода частот /вх и /вых), что определяет астатические свойства САУ. Если измерение Фи производится цифровыми методами, то рассматриваемую

САУ можно считать цифровой. Если же цифровое измерение ф„ не используется, то эту систему можно рассматривать как чисто импульсную с широтно-импульсной модуляцией.

Достоинством этой САУ является ее простота. Действительно, если объект управления статический, то им можно управлять последовательностью широтно-модулированных импульсов, причем выходная величина Хвых пропорциональна ширине импульса управления. В качестве импульсов управления можно принять усиленные по мощности сигналы Фи, что существенно упрощает САУ [28, 32]. К недостатку этого способа следует отнести узкий диапазон возможных рассогласований по частоте, так как при этом фазовый сдвиг быстро достигает своих предельных значений. Обычно в САУ такого типа установлен дополнительный грубый регулятор, который вводит систему в область выходных значений, близких к /вх (обеспечивает втягивание в синхронизм ). Ограничение диапазона изменения фазового .сдвига для предотвращения выпадения из синхронизма приводит к затяжке переходных процессов. Исследование реакции на синусоидальный входной сигнал показало, что такой интегратор нормально работает, если глубина модуляции составляет несколько процентов.

Для управления линейным объектом регулирования применялись линейные регуляторы (если рассматривать их в непрерывном приближении как предельно непрерывные системы). Однако для управления нелинейными объектами, а также линейными при использовании методов оптимизации, может потребоваться нелинейный регулятор. В этих случаях необходимы различного рода функциональные преобразователи частотных сигналов. Например, для получения оптимального закона отработки рассогласования в следящих системах необходимо сравнивать сигнал ошибки и сигнал, пропорциональный квадрату скорости изменения выходной координаты, или сигнал скорости с сигналом, пропорциональным корню квадратному из рассогласования.

Если сигналы, пропорциональные выходной координате и скорости ее изменения, вырабатываются в частотной форме, то для реализации указанных выше схем необходимы устройства, преобразующие частоту следования импульсов в аналоговый сигнал и код, пропорциональные квадрату или корню квадратному из входной частоты. При построении самонастраивающихся САУ необходимы устройства для умножения сигналов, заданных в виде частоты следования импульсов, на переменный коэффициент и др.

3. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ САУ

Для построения цифроаналоговых САУ применяются унифицированные аналоговые и цифровые элементы, представляющие собой типовые функциональные узлы-ячейки, собранные, как правило, на одной плате и снабженные штепсельным разъемом для соединения со схемой САУ. Аналоговые и цифровые элементы строятся с применением линейно-импульсных и логических интегральных микросхем малой и средней степени интеграции.

В настоящее время в нашей стране разработаны серия аналоговых элементов УБСР-АИ и серия цифровых элементов - УБСР-ДИ. Конструктивно элементы обеих серий выполнены на двусторонних печатных платах размером 100 X 160 мм, к передней части которых крепятся лицевые панели с подстроечными потенциометрами, светодио-дами сигнализации, контрольными гнездами и др.

Аналоговые элементы серии УБСР-АИ рассчитаны на . выходной сигнал 0...±10 В притоке до 5 мА. Питание аналоговых элементо1в осуществляется децентрализованно от стабилизированных источников напряжения ±15 В.

Номенклатура серии аналоговых элементов состоит из следующих групп: усилители, унифицированные регуляторы, датчики регулируемых величин, задатчики регулируемых параметров, гальванические разделители, компарато-

ры, элементы защиты и коммутации, стабилизаторы напряжения.

Ячейка операционных усилителей содержит микросхемы трех усилителей постоянного тока с набором резисторов и конденсаторов для входных цепей и цепей обратных связей,

С2±

т R9

fi12 <>( I-

Выход

Рис. 3. Схема регулятора первого вида

а также схемы регулируемого ограничения выходного сигнала и неинвертирующего усилителя мощности, три бесконтактных реле и вспомогательные элементы. Операционные усилители имеют многоцелевое назначение и могут применяться в цифроаналоговых САУ в контурах регулирования в качестве инверторов, сумматоров, аналоговых интеграторов и др.

В группу унифицированных регуляторов входят ячейки регуляторов двух видов. Ячейка регулятора первого вида (рис. 3) состоит из набора операционных усилителей с входными цепями и цепями обратных связей и предназначена

для реализации схем пропорционального П- или пропорционально-интегрального ПИ-регулятора передаточной функцией вида W (р) = (1 + Тр)1Тр.

Усилитель А1 в масштабном режиме является сумматором входных сигналов. Входные цепи построены по схеме Т-образных /?С-фильтров для подавления высокочастотных помех по входам. Потенциометр RIO служит для установки коэффициента усиления регулятора k. Усилитель А2 в ПИ- или П-режиме по неинвертирующему входу является собственно регулятором. В режиме ПИ-регулятора потенциометр R11 служит для установки постоянной времени Т = RxiC. В режиме Я-регулятора конденсатор С4 в цепи обратной связи заменяется резистором R14.

Регулируемое ограничение выходного сигнала регулятора построено на двух операционных усилителях A3 и А4 с высоким коэффициентом усиления, образующими цепь задержанной отрицательной обратной связи усилителя А2. Регулировка напряжения уставки ограничения осуществляется потенциометрами R19 vi R20 либо внешним парафазным сигналом, поступающим на клеммы разъема -fWon и - оп- В такой схеме обеспечивается широкий диапазон регулирования величины ограничения при высокой его жесткости. Для отключения регулятора предусмотрены бесконтактные реле К1 и К2. Усилитель А5 в масштабном режиме может быть использован для вспомогательных целей.

В ячейке предусмотрены регулировки коэффициента усиления регулятора в диапазоне 0,6... 100, постоянной времени Т - в диапазоне 30 ... 500 мс, уровня ограничения выходного сигнала - в диапазоне 0,05...10 В.

Ячейка регулятора второго вида содержит набор операционных усилителей с входными цепями и цепями обратной связи, предназначенных для реализации схемы ПИ-регулятора с подчиненным П-регулятором, с входным суммирующим усилителем и регулируемым ограничением уровня производной выходного сигнала ПИ-регулятора. Этот же

набор операционных усилителей позволяет построить схему электронной аналоговой модели двигателя постоянного тока и некоторых других объектов. В ячейке предусмотрена регулировка коэффициента усиления регулятора в диапазоне 0,25...20, постоянной времени - в диапазоне 3...200 мс, уровня ограничения производной выходного сигнала ПИ-регулятора-.в диапазоне 1,5...10 В.

В группу датчиков входят ячейки датчиков низковольтных сигналов, напряжения, модуля сигнала и частоты вращения. В тех случаях, когда к датчикам аналоговых сигналов цифроаналоговых САУ наряду с высокой точностью предъявляется требование гальванического отделения их цепей от линий связи, применяются датчики низковольтных сигналов и напряжения.

Датчик низковольтных сигналов (рис. 4) предназначен для формирования и ввода в систему управления напряжения, пропорционального значению низковольтного сигнала в различных цепях, с гальванической развязкой от последних. Датчик построен по принципу модуляции - трансформирования - усиления - демодуляции. Входной сигнал поступает на двухполупериодный модулятор, выполненный на интегральных прерывателях А1 vi A3 с компенсированными ключами. С выхода модулятора переменное напряжение прямоугольной формы, амплитуда которого пропорциональна амплитуде входного сигнала, а частота определена генератором коммутирующего сигнала через гальванический разделитель, которым является трансформатор Т2, поступает на вход видеоусилителя А4. Усиленное переменное напряжение через конденсатор С9 поступает на двухполупериодный демодулятор, выполненный на двух транзисторах интегральной матрицы А2. С выходов демодулятора импульсы взаимно противоположных полярностей, сдвинутые на полпериода коммутирующего напряжения, поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы выходного усилителя А5, который суммирует их, усиливает полученное постоянное напряжение до требуемой