Хороший обзор положений нечеткой логики дается в [Yager/Zadeh, 1987] и [щ Folger, 1988]. Современное представление о применении теории нечеткой логи в управлении изложено в [Driankov/Hellendoorn/Reinfrank, 1993]. Связь между fjl ронными сетями и нечеткой логикой хорошо описана в [Kosko, 1990].

Последовательностные системы описываются в [Fletcher, 1980]. [Desrocliers, Щ рассматривает моделирование при поточном производстве, а также марковские це и марковские процессы как инструмент такого моделирования.

Ранняя история технологии управления от античных времен до паровой мащищ Уатта приведена в [Мауг, 1970]. Некоторые исторические записки о Уатте и макс велле можно найти в [Fuller, 1976]; разработка усилителя с обратной связью описц. вается в [Bode, 1960]. Некоторые ранние работы, касающиеся описания в прострав стве состояний и оптимизации, упоминаются в [Bellman/Kalaba, 1964].

Вход и выход физических процессов

Интерфейс между техническим процессом и системой управления Датчики и исполнительные механизмы. Передача и согласование сигналов

Обзор

Эта глава посвящена описанию интерфейса между физическим/техническим процессом и управляющим компьютером. Для того чтобы обеспечить связь компьютера с процессом, приходится применять много разных технологий. Разработчик систем цифрового управления не обязательно должен быть экспертом во всех смежных областях, однако важно, чтобы он имел представление о различных проблемах организации интерфейса.

В начале главы описаны составляющие интерфейса процесс-компьютер. Жизненно важными для цифрового управления являются измерения и технология датчиков. Датчики должны точно отображать физические переменные технического процесса как в стационарных, так и в переходных режимах работы. Измерительная аппаратура и исполнительные устройства - это очень обширная тема, и здесь даны лишь несколько примеров, позволяющих читателю ощутить круг проблем и возможностей в этой области (раздел 4.1). Основные характеристики датчиков описаны в разделе 4.2. Измерительные устройства, которые обеспечивают только сигналы типа "включено/выключено" ~ бинарные датчики - рассмотрены в разделе 4.3. Краткий обзор различных датчиков аналогового типа сделан в разделе 4.4. Значительное внимание уделено расходомерам, поскольку они играют важную роль в прикладных задачах управления процессами.

Передача сигналов между датчиками, управляющим компьютером и исполнительными устройствами - еще одна большая тема. Сигналы, которые вырабатыва- я датчиками, должны быть согласованы как с устройствами измерения, так и интерфейсом компьютера. В этом смысле очень важно предпринять защитные чал "Р°™ влияния разнообразных электрических помех, искажающих первона-но сигнал датчика. Вид носителя сигнала - ток, напряжение или свет - обыч-rv,„ ирается в зависимости от характера помех. Вопросы передачи сигналов рас-•°Рны в разделе 4.5.

•имо чтобы воздействовать на процесс, выходной сигнал компьютера необхо-""0 "Р°Рз°вать либо в механическое движение, либо в другой тип электрическо-"ирна кие задачи решают исполнительные устройства. Это также очень об-устро -сть, в которой особое место занимают различные электроприводы - (двух " преобразования электрической энергии в механическую. Бинарные -Чрав ""bie) исполнительные устройства - для так называемого релейного -14 ."4 по типу "включено/выключено" - рассмотрены в разделе 4.6; в разде-ca[,ji введение в технику электропривода, и, наконец, в разделе 4.8 кратко опи-У"Равляющие клапаны.

Глава 4. Вход и выход физичещтх процр

4.1. Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером

Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютер показана на рис. 4.1. Хотя на практике используются разнообразные датчики, исцо, нительные механизмы и согласующие устройства, основная структура инте всегда одна и та же.

физический/ технический процесс

датчики

исполнительные механизмы

согласование

входных

сигналов

входной

интерфейс

компьютера

оператор

дельного устройства (датчика) есть выходной сигнал преобразователя. В больший ,,зе управляющих систем этот выходной сигнал обычно - и предпочтительно злектрическии, однако довольно часто встречаются и пневматические датчики главное достоинство электрических датчиков - это гибкость и разнообразие способов обработки сигнала. Следует отметить, что электрический сигнал можно пепГ давать на большие расстояния с очень малыми затратами энергии. Пневмачески; датчики, по сравнению с электрическими, обычно дешевле, меньше по пазмепГ проще и нечувствительны к возмущениям. Более того, в условиях взп„«п

роопасной среды пневматические датчики более безопасны, чем электрические"

управляющий компьютер

физическая переменная (как правило, аналоговая величина)

датчик

измерительная головка

преобразователь

выходной сигнал (чаще всего

электрический)

Рис. 4.1. Общая структура ввода/вывода между процессом и управляющим компьютером

„.,„л.т. ттт ллпжнол

Рис. 4.2. Составные элементы датчика Различают три класса датчиков:

аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, О или 1).

То, что эта структура выглядит очень просто, вовсе не означает, что ее можнол( ко реализовать. Один из законов Мерфи гласит: "Если вам кажется, что все идет* рошо, скорее всего, вы чего-то не заметили". 4.1.2.

Исполнительные устройства (механизмы)

~тва физическими

рительных технологии l] датчик {sensHuM. элеменТамГм„ ™-ических процессах оконечными управляю

сигналом и измеряемой -еХ head) и преобразовагетуть, и Голн2л7 Т™"" Р"° Р-"- Следует подчерк-

состоит из двух частей - ошибочно употреб..е„„,, физическихТо" опосредованно влияют на пере-{transducer), как показано на рис 42 ln датчиком всегда понимае-емперахуру, кооГнатии ""Р" Датчиками. Например, датчики измеряют

ют вместо "измерительной „ преобразователь. .Управют иодГо" Г концентрацию, а исполнительные устрой-

полное устройство, -ХеЛиГи головки датчика", кот» Динамики физическо ™ -™--и исходных реагентов. И уже

Результат измерения - РГэлектр величину, "Ряющизз;™ " --фяемые величины изменятся из-за

на выходе преобразователя пр J „3.ef J сосхаве исполиГТУРйств. ст

и JJCar4.i-l.»i-* :Jl-----

. ;ы;;д;преобразователя преДсхавляет собой электричес . .--х воздействий исполнительныхустройств:"~

раняющуюся дальше по проводнику. Следовательно, выходно пбпТГТ l"""" ь две части (рис 4 3)- во-

устройство называется первичным измеритель ПреобразохеГ Усилитель (amplifier), во-вторых, сило-

sducer), его часть, на которую непосредственно /30, превпатя. исполнительный механизм (actuator) Преоб-

.ительным элементом (detector), а все последУПр, н ращает входной сигнал в механическую или (Ьизичегкл„о

-- „Т, -f.9co.70 это устройство мс1лш13лс1ь>1 исрвичпмпа , о., -""1аЗОВателЬ (гпиг,.,\ / -----V--P"./У, си-в 1 ОрЫХ, СИЛО-

1 в соответствии с ГОСТ Ш непосредственно «зовател превр1тя. исполнительный механизм (actuator) Преоб-

преобразователем <>;"1«~"4Гсгвительньш элементом (detector), а все послеДУЧимер зЗ"" входной сигнал в механическую или физическую величину действует измеряемая величина У „ь, преобразователем (measuring traH. уектромотор преобразует электрическую энергию впатттятТГ,,!

составляющие измерительн „ ц р"екомндуется, однако ля простоты изложения в „„"ь изменяет маломощный управляющий сигГл луаемТтй

*"--"ьютера,дозначения,способногоприГ™Тд:Гс:Г

ватель. В некоторых случаях усилитель и преобразователь конструктивно состад одно целое. Таким образом, некоторые оконечные управляющие элементы Moryf ставлять собой самостоятельную систему управления - выходной сигаал komuij-является опорным значением для оконечного управляющего элемента.

выходной

сигнал

компьютера

этом случае устройство более восприимчиво к нежелательным вы-ром>возмущениям, сокочастотуц сигнал искажается возмущениями {disturbances) и шумом Любой из формирования, так и передачи. Одна из основных проблем пе-{rioise) как уменьшение влияния шума. Источники шума должны быть изоли-редачи си крайнем случае, их влияние должно быть снижено до минимально воз-poBaHbMi Искажение сигналов или сообщений шумом является не только можного организации интерфейса "процесс-компьютер", но проявляется при лю-пах передачи информации (глава 9). Моделирование и описание шума обсуж-°ось в разделе 3.6.1. Регуляторы обычно проектируются в расчете на наличие воз-\ ушений и шумов; в главе 6 будет показано, как регулирующий контур может уменьшить их влияние.

Рис. 4.3. Составные элементы исполнительного устройства

4.1.4. Передача измерительных сигналов

Требования к исполнительным устройствам - потребляемая мощность, разреи Аналоговые сигналы, вырабатываемые измерительными устройствами, обычно не-ющая способность, повторяемость результата, рабочий диапазон и т. д. - могуп обходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в щественно различаться в зависимости от конкретного приложения. Для успешно: виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряже-управления процессом правильно выбрать исполнительные устройства так же в* ний интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен но, как и датчики. быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с

Для перемещения клапанов часто применяется сжатый воздух. Если необходш миниматьным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется со-развивать значительные усилия, обычно используют гидропривод. Электричеш гласованием сигнала. Она рассматривается в этой и следующей главах, сигнал компьютера должен быть преобразован в давление или расход воздухал№ При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обус-масла. Бинарное управление обеспечивается электромеханическими реле или элек ловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по ронными переключателями. электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием сре-

ды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного харак-4.1.3. Полоса пропускания и шум пГобп™ "" "f " «сходный сигнал. Одно из возможных решений -

V ииразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов. Два важных фактора-ширина полосы пропускания и уровень шума-опред частота или продолжительность (ширина) которых известным образом связана

ют способ передачи сигналов между компьютером и физическим процессом. УР°внем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерител.-Полоса пропускания {bandwidth) является важным параметром для многих ньщ сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же часто-нических приложений - передача данных, системные шины, управление с оор У, что и исходный сигнал. Последовательность импульсов может передаваться либо

- "-•г----------........." r ГТРПедапоэпрх,- ------..-ada,CJlOПUCIЬИMilyЛЬC0B мо

связью, - однако в разных случаях термин имеет различные значения, d пер -"ектрическому, либо по волоконно-оптическому кабелю, информации и управлении с обратной связью полоса пропускания обозначает ди зон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика остае«4.2. Характеристики датЧИКОВ меньше заданного значения (обычно 0.707 от максимального). Для системны

полоса пропускания является синонимом термина "пропускная способность Jhr должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно, дел 8.2.1). При обработке сигналов управления и мониторинга полоса пропус точность 1°™ выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания его определяется как диапазон рабочих частот датчика или исполнительного рОс„од.ьность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами ма - только те физические величины, рабочие частоты которых лежат в полос раЬоты управляющего компьютера является входная информация поэтому

пускания, можно надлежащим образом измерить или изменить. Это означав Бол, Р™ " ««обходимое условие качества управления

скорость реакции датчика достаточна для правильного отображения изменени Шая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа-ходной физической величины, при этом сигнал не искажается из-за «есоответ статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и

динамики датчика и процесса. Аналогично, исполнительный механизм должен 1-:,д может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью Свой-соответствующую полосу пропускания, чтобы реализовать нужное Управля10Тражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий воздействие. Чем шире полоса пропускания, тем быстрее будет реакция датчика аются динамическими характеристиками {dynamic characteristic). Они суще-.ного механизма. Последнее не всегда является положительным ф"- н"--- -

исполнительр

Чцо -Айрал!Сjjtiv- илсти yuyjLumic cnaracteristic). ини суще-влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реаги-