Микропроцессорные локальные САУ

 

Переход от устройств с жесткой логикой (структурой) к устройствам с гибкой (микропроцессорной) логикой позволяет достичь большей гибкости КСУ и уже в процессе отладки вносить необходимые изменения, легко модифицировать их характеристики путем замены программы.

Такие САУ имеют меньшую стоимость. Один МКП заменяет обычно 75—200 корпусов интегральных схем малой и средней степени интеграции в устройствах с жесткой структурой, а следовательно, меньше стоимость их разработки, как и МКПС, уменьшается и время их создания. Кроме того, надежность таких СУ выше надежности СУ с жесткой структурой.

На судах для управления локальными системами в основном применяют аналоговые регуляторы с фиксированными настройками, построенные, как правило, в рамках структур подчиненного управления. Однако разработаны эффективные методы управления, которые могут быть реализованы только цифровыми СУ. Они превосходят аналоговые по точности, мало подвержены старению и влиянию изменений напряжений источника питания и окружающей температуры. Помехоустойчивость цифровых систем превосходит помехоустойчивость аналоговых.

Однако по принципу обработки информации цифровые системы являются системами последовательного действия, что накладывает ограничения на скорость обработки информации. Поэтому, если сохранять структуру и принципы управления такими же, как при аналоговых системах, цифровые системы будут иметь худшие характеристики, например, по быстродействию.

Коренное улучшение СУ возможно только при учете особенностей построения МКПС, а также при использовании таких методов, как адаптивное управление, оптимизация, перестройка структур и др., которые могут быть эффективно реализованы лишь при программном управлении.

Наиболее эффективно можно использовать МКПС для решения следующих задач:

по управлению электроприводами, а именно:

- реализации П-, ПИ-, ПИД-алгоритмов управления;

- реализации эффективных алгоритмов оптимального и адаптивного управления;

- выполнению нелинейных функций, таких, как умножение, деление и т.п.;

- генерации импульсов для управления силовой преобразовательной техникой и др.

по логическому управлению типа релейно-контакторного.

Такие системы традиционно строились на базе релейно-контакторных или дискретных элементов и представляли собой аппаратно реализованный алгоритм управления исполнительными устройствами (ИУ). СУ состояли из логической и силовой части, причем для каждого ОУ была своя СУ. Логическая часть была несовершенна из-за релейной элементной базы, что снижало производительность оборудования и его надежность.

МКПС управления могут решать также группу таких задач, как:

- прием большого числа параллельно поступающих сообщений для приведения в действие ИУ;

- обработка сообщений в соответствии с алгоритмом работы в реальном масштабе времени;

- хранение ряда сообщений в течение заданного времени;

- выдача управляющих сигналов на ИУ;

- диагностирование состояния установки;

- диагностирование самой СУ;

- обеспечение наладочного режима.

 

Для логической обработки и управления простыми устройствами применяются 4-разрядные МКП, обрабатывающие двоично-кодированные десятичные цифры с относительно низкой производительностью; 8-разрядные МКП применяют в логических, управляющих и измерительных контроллерах для управления неответственными приводами, обработки данных при среднем относительном уровне производительности; 16-разрядные МКП и микроЭВМ с относительно высокой производительностью могут эффективно управлять сложными динамическими, объектами, выполнять достаточно сложные арифметические вычисления, сбор и высокопроизводительную обработку данных.

 

Рисунок 7.4 - Структура программируемого регулирующего микроконтроллера.

Здесь АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; ДЦП — дискретно-цифровой преобразователь; ЦДП — цифро-дискретный преобразователь; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; ПЗУ—постоянное запоминающее устройство; ЦП — центральный процессор

Для расширения возможностей СУ используют более мощные процессоры (16—32-разрядные). Так, при необходимости сложных вычислений, обработки данных с высокой скоростью, аппаратурной реализации языков высокого уровня используются 32-разрядные МКП.

Наиболее перспективно применение многопроцессорных систем для управления электроприводами. В этом случае можно распределить различные функции на несколько МКП, каждый из которых предназначен для решения отдельной задачи. Например, имеется блок для алгоритма регулирования, процессор ввода-вывода для управления данными, универсальный МКП для диагностических программ и т. п. Программные средства имеют пониженную сложность, подпрограммы, выполняющие различные задачи, которые могут быть представлены в виде процедур на разных модулях.

В настоящее время представляется возможность создания многоуровневой СУ и определения закона управления для каждого уровня регулирования под наблюдением центрального блока управления (ЦБУ), при этом связь с другими МКП-устройствами осуществляется с помощью более простых интерфейсов.

Основой аппаратного обеспечения микроконтроллера являются модули аналогового и цифрового ввода-вывода, микропроцессор, память, пульт оператора и блок сопряжения (рисунок 7.4).

Модуль аналогового ввода-вывода содержит узлы гальванического разделения сигналов.

Узлы ввода-вывода непрерывной и дискретной информации позволяют сопрягать МКП с непрерывными и дискретными датчиками с исполнительными механизмами пропорционального, позиционного, интегрирующего и другого действия, а также с различными устройствами дискретного и логического управления.

Пульт оператора в микроконтроллере служит для выбора алгоритма управления, контроля значений технологических параметров, оперативного вмешательства в процесс управления и других целей.

Программируемый контроллер (ПК) представляет собой специализированную управляющую микроЭВМ, работающую в реальном времени по программам, размещаемым в ПЗУ, а не в оперативной памяти. По существу ПК представляет собой специфический цифровой автомат.

Преимущество ПК заключаются в высокой надежности, быстродействии, независимости от окружающей среды. Большинство моделей ПК рассчитано на программно-логическое управление и выполнение законов регулирования.

Наибольшее распространение в технике получили программируемые логические контроллеры (ПЛК) и программируемые регулирующие контроллеры (ПРК) — ремиконты.

1. Программируемые логические контроллеры ориентированы на реализацию алгоритмов логического типа и предназначены для замены релейных и логических схем электроавтоматики икоманд различных аппаратов, полупроводниковых схем управления преобразователями. ПЛК реализует булевые функции в реальном времени.

В минимальный комплект ПЛК входят МКП с управлением; ЗУ программ; оперативная память данных; устройство связи с объектом; пульт настройки системы и загрузки программ. Контроллер последовательно опрашивает память программ при помощи логического процессора, который производит последовательное выполнение логических функций из системы уравнений, заданной в программе, и заносит вычисленные значения в память данных. После опроса всей памяти устройство управления обеспечивает обмен данными между выходными и входными регистрами и памятью данных. Затем опрос памяти программ повторяется от начала до конца, т. е. процесс опроса периодически повторяется. Полученные данные, о состоянии объекта перерабатываются в управляющие сигналы и выдаются на исполнительные объекты. Для работы ПЛК используются простые специализированные эффективные языки программирования или языки задания алгоритмов управления, приспособленных для управления объектами.

ПЛК можно разделить на три класса:

ПЛК, предназначенные для управления несложными объектами пофиксированной программе (класс I). Такие контроллеры имеют небольшое число (16—96) входов и выходов, малую емкость внутренней памяти, не имеют внешнего языка, и поэтому алгоритм управления объектом, как правило, задается микропрограммным способом;

ПЛК, предназначенные для управления достаточно сложными, локально работающими объектами (класс II). Такие ПЛК имеют несколько сот входов и выходов, ЗУ достаточной емкости, внешний язык задания алгоритмов управления и средство их загрузки в ЗУ;

ПЛК, служащие для управления ответственными сложными объектами (класс III). Такие контроллеры сопрягаются с ЭВМ верхнего уровня, имеют развитый язык задания алгоритмов управления, собственные периферийные устройства (видеотерминал, печатающее устройство и др.).

2. Программируемые регулирующие контроллеры предназначены для замены обычных, с жесткой логикой, ПИ- или ПИД-аналоговых или цифровых регуляторов. Все необходимые законы регулирования записываются в памяти ПРК. Они обладают значительными логическими и вычислительными возможностями и способны путем записи соответствующих программ в памяти контроллера реализовать как простые, так и сложные алгоритмы управления: оптимальные, адаптивные, скользящие и др.

ПРК имеют внутреннее программное обеспечение и не требуют внешних программных средств (операционной системы, транслятора, ассемблера и т. п.). Программа для объекта набирается на панели оператора при помощи обычного цифрового десятичного кода. ПРК может работать в автоматическом режиме и в режиме связи с более высоким уровнем управления, содержащим управляющую ЭВМ. ПРК могут быть многоконтурными и одноконтурными.

В качестве примера рассмотрим упрощенную структуру многоконтурного отечественного ПРК МРН 3333 (рисунок 7.4).

Большая часть памяти ПРК, в отличие от универсальной микроЭВМ, запрограммирована при изготовлении микроконтроллера. Это относится к памяти, в которой записаны основные алгоритмы управления. Кроме того, при применении данного ПРК не требуется стандартных средств ввода-вывода и отладки программы.

Мультиплексор и АЦП (см. рисунок 7.4) обеспечивают прием 16 аналоговых сигналов. Подключение датчиков мультиплексором происходит под управлением МКП. Имеется возможность

установки дополнительно до четырех мультиплексоров и прием до 64 аналоговых сигналов. На выходе контроллера мультиплексоры не предусматриваются, каждый выход имеет собственный ЦАП, и их число по числу выходных цепей может наращиваться группами по 8—64. На входе ЦАП предусмотрены буферные регистры, которые сохраняют данные при отсутствии обращения к ним, что необходимо, если сигналы должны запоминаться после остановки вычислительного процесса.

Дискретно-цифровой преобразователь (ДЦП) и цифро-дискретный преобразователь (ЦДП) выполняют функции согласования принятых в контроллере уровней логических сигналов с уровнями дискретных сигналов и обеспечивают прием—выдачу от 16 до 128 дискретных сигналов (наращиваются группами по 16). Предусмотрена возможность изменения функций ЦДП на цифро-импульсные с программным управлением скважностью импульсов на выходе для управления электроприводами с переменной частотой вращения.

ЦП реализован на базе 8-разрядного МКП типа К580. ПЗУ представляет собой полупроводниковую память программ, которые вводятся на заводе-изготовителе. Они определяют возможности контроллера.

Оперативная память данных в оперативно запоминающем устройстве (ОЗУ) разделена на две области. Первая представляет собой собственно оперативную память данных и используется для временного хранения промежуточных результатов расчета режимов работы и коэффициентов настройки. Вторая область резервируется для хранения изменяемых (перепрограммируемых) параметров контроллера. Библиотека программ (алгоритмов) контроллера компонуется 20—25 стандартными алгоритмами: алгоритм аналогового ПИД-управления, импульсного ПИД-управления, динамического преобразования (интегрирование, дифференцирование и т.п.), статического преобразования (суммирование, умножение и т.п.), нелинейного преобразования (селектирование, переключение и т.п.), управляющей логики (операции логического сложения, умножения, выдержки времени и т.п.).

Комбинируя перечисленные алгоритмы, можно строить САУ практически любой сложности. В каждый канал при программировании с пульта оператора загружается из ПЗУ программа одного из алгоритмов библиотеки, а из стираемого перепрограммируемого ПЗУ — стандартный блок коэффициентов, с помощью которых ведется настройка статических и динамических параметров канала. Все каналы контроллера могут работать автономно и не иметь перекрестных связей. Такая конфигурация делает ПРК аналогичным многоканальному регулятору. Связывая выходы с соответствующими входами, можно получить многосвязные и многоуровневые структуры регулирования.

Система связи каналов с его входами и выходами, варианты взаимодействия каналов между собой задаются с панели оператора. При помощи панели оператор осуществляет оперативное управление, выбирает режим работы контроллера, изменяет сигналы задания и ручного управления, контролирует значения технологических параметров; устанавливает требуемую конфигурацию регулирующего канала, выбирает алгоритмы управления и параметры динамической и статической настройки ПРК.

 

Рисунок 7.5 - Структура одноконтурного программируемого управляющего контроллера типа 5260

 

Создание одноконтурного ПРК стало возможным при появлении дешевых однокристальных МКП, совмещенных с АЦП и ЦАП на том же кристалле (рисунок 7.5). Одноконтурный ПРК подключается к датчикам аналоговых сигналов через мультиплексор. Компаратор сравнивает аналоговые сигналы, получаемые от датчиков, с аналоговым сигналом задания, получаемого с выхода ЦАП и задаваемого МКП в цифровой форме на входе ЦАП. На выходе компаратора формируется сигнал рассогласования в аналоговой форме, который подается на процессор. Аналоговый сигнал с выхода компаратора преобразуется самим МКП в цифровую форму. Сигнал задания в цифровом виде вводится в память МКП с пульта оператора или с другого устройства.

В одноконтурном ПРК типа 5260 заложено около 20 алгоритмов управления. В нем могут быть реализованы П-, ПИ-, ПИД- и ПД-регуляторы. Он позволяет реализовать и ряд других функций, может использоваться в автоматическом или ручном режиме, а при отказе или потере питания на его выходе при помощи схемы запоминания выходного аналогового сигнала поддерживается значение, которое было зафиксировано до возникновения аварийного режима.

Задача управления в судовых локальных СУ состоит в обработке информации с достаточным быстродействием по сравнительно несложному алгоритму при средней точности вычислений. Алгоритм управления содержит решение задачи управления процессом и преобразует регулирующее воздействие во временную последовательность импульсов или код. Существует несколько алгоритмов микропроцессорного управления, например: ПИД — управление; нелинейное полупропорциональное управление; апериодичное управление; оптимальная обратная связь по состоянию; компенсаторное управление; адаптивное управление с линейным фильтром третьего порядка и др.

Наиболее удобным и простым является ПИД-алгоритм. Он легко программируется, позволяет достаточно быстро проводить вычисления и получать переходные процессы, близкие к оптимальным. Поэтому наибольшее распространение в МКП управлении получили именно ПИД-регуляторы. Они довольно легко могут модифицироваться даже в самом процессе управления. В аналоговой форме пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор описывается, как это было показано ранее, следующим выражением:

.                                          (7.1)

В дискретном представлении выделяется тактовое время Т_о,а величины и и х рассматриваются только в дискретные моменты времени kT ₀ (к = 0, 1,2...). Тогда непрерывные функции u (t) и x (t) можно записать в виде ;в дискретном представлении вычисление интегралов и дифференциалов является приближенным.

В дискретной форме выражение (7.1) принимает следующий вид:

 

                                         (7.2)

 

В выражении (7.2) сумма вычисляется за все предыдущее время на каждом шаге.

Если запрограммировать выражение в таком виде, как оно есть, то с каждым шагом время вычислении будет расти и очень быстро станет больше периода квантования Т₀. Кроме того, через некоторое конечное время для вычисления этого выражения не будет хватать всей памяти МКПС (из-за необходимости хранения всех промежуточных значений).

Выражение (7.2) можно преобразовать, если рассмотреть разность

 

                (7.3)

откуда

или

,                                       (7.4)

где

 

Выражения (7.3) и (7.4) являются основой алгоритма управления ПИД-регулятора.

Коэффициенты q_i зависят от параметров аналогового регулятора, но для каждого определенного регулятора являются постоянными, и операции деления на каждом интервале могут быть исключены. ПИД-регулятор содержит три независимые друг от друга постоянные k_n, Т _u и T _д или q ₀, q ₁,. q ₂; выбором этих параметров может быть настроен регулятор на процесс нужного качества.

Алгоритм управления ПД-регулятора получается из (7.2), (7.4), где

                               (7.5)

Для П-регулятора алгоритм управления примет вид

,                                                   (7.6)

где .

 

Из уравнения (7.3) получаем алгоритм управления ПИ-регулятора

                            (7.7)

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Назначение микропроцессорных САУ

2. Назовите задачи, решаемые МКПС

3. В чем заключается перспектива использования МКПС для управления электроприводами?

4. Что означает название «ремиконты»?

5. Для чего предназначены ПЛК и на какие три класса их подразделяют?