Оглавление

Густав Олссон, Джангуидо Пиани ; Цифровые системы автоматизации и управления. - СПб.: Невский Диалект, 2001.- 557 с: ил. jjfl

Снига посвящена задачам управления, реализуемым на базе цифровых систем и, в первую )едь, - в промышленных процессах. В то же время читатель найдет в тексте универсаль-

положения, применимые к управлению любой сложной системой. В общем виде рассма-иются практически все составляющие процесса проектирования систем управления на

цифровых устройств: от построения модели управляемого процесса, обработки сигналов ализации цифровых регуляторов до передачи информации между объектами и субъекта-правления. Последнее понятие включает в себя человеко-машинный интерфейс, операщ. ые системы, языки программирования реального времени и системную интеграцию. Ле претендуя на полноту охвата, книга дает "почувствовать" основные проблемы, возни-щие при разработке и внедрении систем цифрового управления. Ее можно рассматривать 1к достаточно глубокое и подробное введение в предмет, и как серьезное методическое )бие, ориентированное на практические потребности.

Чля инженеров - проектировщиков и эксплуатационников, программистов систем уп-гения и/или систем реального времени, руководителей (менеджеров) проектов и студен-соответствующих специальностей.

пая библиеп(1к§ ;кмо гвсударет»ваи«

fчвверснтета

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в любой же или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирова-магнитную запись или иные средства копирования или сохранения информации, без пись-ного разрешения издательства.

т 5-7940-0069-4

© Г. Олссон, Дж. Пиани, 1992, 1993,2001 © "Невский Диалект" - издание на русском языке, 2001

Список сокращений

Предисловие авторов к русскому изданию Предисловие к первому (английскому) изданию Сведения об авторах Предисловие переводчика Предисловие редактора перевода

13 19 22 25 26 29

1. Введение 31

1.1. Роль вычислительной техники в управлении процессами.........................31

1.2. Исторический обзор..................................................................................................34

1.3. Понятие системы........................................................................................................37

1.4. Примеры типичных приложений цифрового управления.........................39

1.5. Руководство для читателя.......................................................................................41

2. Особенности цифрового управления процессами 45

2.1. Управление процессом в реальном времени....................................................45

2.1.1. Пример - пресс для пластика..................................................................................46

2.1.2. Управление на основе последовательного программирования....................47

2.1.3. Управление на основе прерываний........................................................................49

2.2. Примеры задач управления процессами............................................................51

2.2.1. Управление последовательностью событий и бинарное управление.........52

2.2.2. Простой контур управления - регулятор температуры.................................53

2.2.3. Генерация опорного значения..................................................................................54

2.2.4. Системы, содержащие несколько контуров управления................................55

2.2.5. Взаимосвязанные системы........................................................................................55

2.2.6. Крргтичные по времени процессы...........................................................................56

2.2.7. Свойства процессов, усложняющие управление...............................................56

2.3. Особенности систем цифрового ;правления...................................................59

2.4. Модельные примеры......................................................................... gq

2.4.1. Модельный пример 1 - управление системой электропривода...................63

2.4.2. Модельный пример 2 - биологическая очистка сточных вод

(процесс активированного отстоя).........................................................................дд

2.5. Заключение...................................................................................................................gg

Оглавление

4 ---

3. Описание и моделирование систем 67

3.1. Модели, применяемые в управлении..................................................................68

3.1.1. Типы моделей................................................................................................................

3.1.2. Масштаб времени динамических моделей...........................................................70

3.1.3. Моделирование динамических систем..................................................................71

3.1.4. Моделирование дискретных событий...................................................................72

3.2. Основы моделирования динамических систем...............................................72

3.2.1. Механические системы..............................................................................................72

3.2.2. Электромагнитные цепи............................................................................................7..

3.2.3. Баланс массы.................................................................................................................

3.2.4. Уравнения сохранения энергии..............................................................................85

3.3. Непрерывные модели динамических систем...................................................86

3.3.1. Описание систем во временной и частотной областях -исторический обзор.....................................................................................................86

3.3.2. Уравнения состояния..................................................................................................87

3.3.3. Описание линейной системы в пространстве состояний................................89

3 3.4. Описание в виде отношений входных

и выходных переменных............................................................................................

3.3.5. Область применения линейных моделей.............................................................94

3.3.6. Нелинейные системы..................................................................................................95

3.3.7. Численное моделирование динамических систем.............................................97

3.4. Дискретные модели динамических систем.....................................................

3.4.1. Описание в пространстве состояний...................................................................ЮО

3.4.2. Отношения вход/выход и оператор сдвига.......................................................101

3.5. Управляемость, оценка и наблюдаемость.......................................................105

3.5.1. Управляемость............................................................................................................

3.5.2. Оценка состояния на основе измерений.............................................................106

3.6. Системы с неопределенностью............................................................................

3.6.1. Оценка состояния при стохастических возмущениях...................................Ш

3.6.2. Нечеткие системы......................................................................................................

3.7. Комбинационные и последовательностные сети..........................................115

3.8. Заключение................................................................................................................. 8

4. Входи выход физических процессов 121

4.1. Компоненты интерфейса между процессом

и управляющим компьютером.............................................................................

4.1.1. Датчики..........................................................................................................................22

4.1.2. Исполнительные устройства (механизмы).......................................................123

4.1.3. Полоса пропускания и шум....................................................................................24

4.1.4. Передача измерительных сигналов......................................................................125

4.2. Характеристики датчиков.....................................................................................25

4.2.1. Погрешность и точность..........................................................................................126

4.2.2. Динамические характеристики датчиков...........................................................128

4.2.3. Статические характеристики датчиков..............................................................129

4.2.4. Влияние нелинейности............................................................................................13о

4.2.5. Характеристики импедансов..................................................................................130

4.2.6. Подбор входных и выходных импедансов.........................................................131

4.3. Бинарные и цифровые датчики...........................................................................132

4.3.1. Датчики положения...................................................................................................133

4.3.2. Пороговые датчики....................................................................................................135

4.3.3. Индикаторы уровня..................................................................................................135

4.3.4. Цифровые и информационно-цифровые датчики..........................................136

4.4. Аналоговые датчики................................................................................................137

4.4.1. Датчики движения.....................................................................................................137

4.4.2. Датчики силы, момента и давления.....................................................................140

4.4.3. Датчики приближения..............................................................................................14

4.4.4. Датчики температуры...............................................................................................143

4.4.5. Измерение расхода....................................................................................................145

4.4.6. Химические и биохимические измерения..........................................................150

4.5. Согласование и передача сигналов....................................................................151

4.5.1. Согласование сигналов в цепях

с операционными усилителями.............................................................................151

4.5.2. Электрические проводники....................................................................................153

4.5.3. Электрические помехи.............................................................................................156

4.5.4. Сигнальное заземление............................................................................................160

4.5.5. Выбор носителя сигнала: напряжение или ток................................................162

4.5.6. Передача оптических сигналов..............................................................................164

4.6. Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы..................165

4.6.1. Управляемые выключатели....................................................................................165

4.6.2. Отключение индуктивных нагрузок....................................................................167

4.7. Исполнительные механизмы с электроприводом........................................168

4.7.1. Усилители мощности................................................................................................169

4.7.2. Управление позиционированием и скоростью приводов.............................170

4.7.3. Шаговые двигатели...................................................................................................172

4.7.4. Двигатели постоянного тока..................................................................................173

4.7.5. Асинхронные и синхронные двигатели..............................................................174

4.8. Управляющие клапаны..........................................................................................175

4.9. Зак.дючение................................j............................................................................. 177

5. Обработка сигналов 179

5.1. Дискретизация аналоговых сигна.дов...............................................................179

5.1.1. Ввод аналоговых сигналов в компьютер............................................................179

5.1.2. Му.тьтиплексоры........................................................................................................\§q

5.1.3. Дискретизация сигналов..........................................................................................igi

5.1.4. Определение интервала дискретизации.............................................................183

Оглавление

6 ---

5.2. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов....................................189

5.2.1. Цифро-аналоговое преобразование.....................................................................189

5.2.2. Аналого-цифровое преобразование.....................................................................190

5.3. Аналоговая фильтрация.........................................................................................194

5.3.1. Фильтры низкой частоты первого порядка.......................................................194

5.3.2. Фильтры низкой частоты высоких порядков...................................................197

5.3.3. Фильтры высокой частоты .....................................................................................199

5.4. Цифровая фильтрация...........................................................................................202

5.4.1. Общая структура цифровых фильтров...............................................................202

5.4.2. Цифровые фильтры низкой частоты...................................................................202

5.4.3. Цифровые фильтры низкой частоты высоких порядков..............................207

5.4.4. Цифровые фильтры высокой частоты................................................................209

5.5. Основы обработки измерительной информации.........................................211

5.5.1. Достоверность исходных данных и аварийная сигнализация.....................212

5.5.2. Масштабирование и линеаризация......................................................................213

5.5.3. Другие операции обработки данных....................................................................213

5.5.4. Структура данных для обработки измерений..................................................214

5.6. Заключение.................................................................................................................215

6. Структуры управления 217

6.1. Аналоговые (непрерывные) и дискретные регуляторы.............................218

6.1.1. Квантование сигналов..............................................................................................218

6.1.2. Проектирование аналоговых и дискретных регуляторов.............................218

6.2. Релейное управление..............................................................................................219

6.3. Аналоговые регуляторы.........................................................................................221

6.3.1. Простые регуляторы.................................................................................................221

6.3.2. Упреждающее управление по опорному значению........................................222

6.3.3. Обобщенный регулятор...........................................................................................224

6.3.4. Упреждающее управление по изменению нагрузки и возмущению.........227

6.3.5. Основные принципы разработки структур управления...............................230

6.4. Аналоговый ПИД-регулятор................................................................................23

6.4.1. Основное уравнение ПИД-регулятора...............................................................232

6.4.2. Дифференцирование измерительного сигнала................................................235

6.4.3. ПИД-регулятор как каскад регуляторов............................................................236

6.4.4. П№-регулятор.............................................................................................................237

6.4.5. Другие виды параметризации ПИД-регулятора.............................................237

6.5. Реализация ПИД-регулятора...............................................................................238

6.5.1. Дискретная модель ПИД-регулятора..................................................................238

6.5.2. Определение частоты выборки в системах управления................................241

6.5.3. Ограничение управляющего сигнала..................................................................242

6.5.4. Предотвращение интегрального насыщения....................................................242

6.5.5. Плавный переход при изменении режима работы регулятора...................246

6.5.6. Ограничение скорости изменения управ.пяющего сигнала..........................247

6.5.7. Вычислительные особенности алгоритма ПИД-регулятора.......................248

6.5.8. Алгоритм ПИД-регулятора....................................................................................249

6.5.9. Применение проблемно-ориентированного блочного языка......................251

6.6. Управляющие структуры, основанные на ПИД-регуляторах.................252

6.6.1. Каскадное управление..............................................................................................252

6.6.2. Селективное управление.........................................................................................254

6.7. Границы применения ПИД-регуляторов........................................................255

6.7.1. Временные задержки.................................................................................................256

6.7.2. Системы со сложной динамикой...........................................................................259

6.7.3. Предсказуемые изменения параметров -

табличное управление усилением........................................................................259

6.7.4. Неизвестные изменения параметров -

самонастраивающееся управление.......................................................................260

6.7.5. Системы с несколькими входами и выходами..................................................261

6.8. Обобщенный линейный дискретный регулятор...........................................261

6.8.1. Описание обобщенного регулятора

с помощью оператора сдвига..................................................................................262

6.8.2. Свойства обобщенного регулятора......................................................................263

6.8.3. Частные случаи обобщенного дискретного регулятора................................266

6.8.4. Критерии качества дискретного регулятора.....................................................269

6.9. Реализация обобщенного дискретного регулятора.....................................269

6.9.1. Пересчет параметров.................................................................................................270

6.9.2. Предотвращение интегрального насыщения

обобщенного дискретного регулятора.................................................................270

6.9.3. Плавный переход от ручного управления к автоматическому...................271

6.9.4. Вычислительные особенности алгоритма

обобщенного регулятора..........................................................................................271

6.9.5. Алгоритм обобщенного регулятора.....................................................................272

6.10. Обратная связь по переменным состояния..................................................275

6.11. Заключение..............................................................................................................277

7. Комбинационное И последовательностное управление 279

7.1. Основы теории переключательных схем.........................................................280

7.1.1. Обозначения................................................................................................................280

7.1.2. Основные логические элементы............................................................................280

7.1.3. Дополнительные элементы.....................................................................................283

7.1.4. Элементы с двумя устойчивыми состояниями (триггеры)..........................287

7.1.5. Реализация переключательных схем...................................................................288

7.2. Принципиа.пьные схемы.......................................................................................290

7.2.1. Основные элементы..................................................................................................290

7.2.2. Последовательностные цепи..................................................................................292

7.3. Программируемые логические контроллеры.................................................294

7.3.1. Назначение и функции.............................................................................................294