Бурный прогресс в области дискретной микроэлектроники вызвал резкое улучшение всех качественных показателей цифровых вычислительных машин и устройств цифровой техники - таких, как вес, габариты, потребляемая мощ,ность, надежность и т. п. С другой стороны, повышение требований к системам автоматического управления и усложнение самих объектов управления привели к тому, что средствами «непрерывной» автоматики и вычислительной техники уже не могли решаться многие практические задачи. Все это привело к расширению сферы применения и к усложнению цифровых систем управления, имеющих в своем замкнутом контуре либо цифровые вычислительные машины, либо цифровые устройства.

Цифровые системы используются в настоящее время для регулирования и управления самыми различными объектами и процессами: доменными печами, прокатными станами, самолетами, кораблями, химическим оборудованием и т. п. Сфера их использования непрерывно расширяется.

В настоящей книге систематически излагается теория цифровых систем управления, рассматриваются вопросы их анализа и синтеза. В последние годы получила значительное развитие теория оптимального синтеза, использующая идеи оптимальной фильтрации, выдвинутая в основном работами зарубежных авторов -Н. Винера, Р. Калмана и других. Однако следует иметь в виду, что для оптимальной фильтрации требуется практически полная априорная информация о входных воздействиях. Это сдерживает во многих случаях реализацию оптимальных методов построения систем автоматического управления. При отсутствии полной априорной информации можно, вообще говоря, идти по пути использования адаптивных систем, но возникающие при этом трудности реализации получающихся сложных систем обычно исключают пока и этот путь.

8 ПРЕДИСЛОВИЕ

Кроме того, очень часто задача создания новой системы управления формулируется так, что от ее разработчика требуется обеспечить заранее заданную точность работы. Это, как правило, делает задачу построения системы управления более сложной, чем нахождение оптимальной системы, так как последнее представляет скорее математическую задачу выбора из возможных решений наилучшего. При использовании современных вычислительных средств эта задача становится часто тривиальной. В то же время задача построения системы управления с наперед заданными качественными показателями может и не иметь решения при данном уровне развития техники и качестве используемых элементов.

В связи с этим в советской литературе уже длительное время развиваются вопросы построения систем управления с заданными качественными показателями при минимальной априорной информации о входных воздействиях. Эта информация сводится обычно к заданию только дисперсий входных воздействий и дисперсий их производных. Такая постановка задачи синтеза наиболее приемлема для большинства практических случаев.

В книге освещ,аются оба подхода к синтезу цифровых систем управления - при использовании оптимальной фильтрации и на основе так называемых предельных фильтров, обеспечивающ,их выполнение требований по точности при любых статистических характеристиках входных воздействий.

В цифровых системах управления большое влияние на их функционирование может оказывать явление квантования по уровню в устройствах ввода и вывода информации в ЦВМ или в цифровых вычислителях. Учет этого явления можно производить посредством введения шумов квантования и вычисления дополнительных ошибок, что оказывается оправданным в режимах движения системы. В случае неподвижности системы управления (в согласованном положении) явление квантования по уровню приводит иногда к возникновению периодических режимов, что также вызывает появление дополнительных ошибок. Оба эти метода определения дополнительных ошибок от квантования по уровню развиваются в книге.

Июнь 1975 г.

В. Бесекерский

ГЛАВА 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

§ 1,1. Структура цифровых систем управления

Значительные вычислительные и логические возможности цифровых устройств и, в частности, цифровых вычислительных машин (ЦВМ) определяют их использование для управления автоматизированными объектами. Устройства цифровой обработки, выполненные на базе современной дискретной микроэлектроники, имеют серьезные преимущества перед непрерывными устройствами. Можно упомянуть о высокой стабильности характеристик, отсутствии дрейфа, высокой точности выполнения арифметических операций, малом весе и габаритах, высоком быстродействии, возможности гибкой оперативной перестройки структуры и др.

В настоящее время при создании цифровых автоматических систем (ЦАС) возможно идти по двум направлениям. Первое направление связано с использованием центральных управляющих цифровых вычислительных машин, построенных по обычному принципу, реализуемому в универсальных ЦВМ. Такая машина (рис. 1.1) содержит арифметическое устройство, устройства памяти (долговременной и оперативной), управляющее устройство и устройства ввода и вывода информации. В некоторых случаях возможно участие человека (оператора) для контроля и корректировки работы ЦВМ.

Подобные ЦВМ могут использоваться для управления сложными объектами (самолетами, ракетами, прокатными станами, доменными печами и т. п.) или группами отдельных объектов при комплексной автоматизации в различных отраслях промышленности (металлургической, химической, нефтеперерабатывающей и др.).

Общая структура ЦАС для этого случая изображена на рис. 1.2 [8, 84, 121]. Система содержит ряд входных преобразователей Пи П, управляемых коммутирующим устройством Кх, и ряд выходных преобразователей