278 Глава 6. Структуры Упрае,

лее высоким требованиям. Программирование обобщенного дискретного регуг!. не вызывает затруднений. Основная сложность заключается в подборе необхоли параметров. Обобщенный дискретный регулятор может включать как обрат связь по выходной переменной, так и контур упреждающего управления по опор му значению и измеренным возмущениям.

Если изменение параметров процесса известно заранее, то применяется табличц управление коэффициентом усиления. Для процессов с неопределенным изменени параметров во многих случаях подходят адаптивные регуляторы. Если динамика q темы имеет невысокий порядок, можно использовать самонастраивающийся ПИД-f гулятор.

Комбинационное

и последовательностное

управление

Управление на основе переключательных схем. Аппаратные и программные средства. Программируемые логические контроллеры

Рекомендации по дальнейшему чтению

Полное введение в теорию управления, отличающееся особым вниманием к on санию систем в пространстве состояний и цифровым моделям, дано в [Kuo, 199" Управление химическими процессами и применение различных структур упр; ления в деталях обсуждаются в [Seborg/Edgar/Mellichamp, 1989] и [Stephar poulos, 1984]. [Shinskey, 1996] рассматривает проблемы управления процесса:, с практической точки зрения.

Дискретные системы управления подробно описаны в [Astrom/Wittenmark, 19 и в [Franklin/Powell/Workman, 1990]. Эти книги можно использовать как справе НИКИ при определении интервала выборки для ПИД-регуляторов. Регулятор с ко пенсацией запаздывания был впервые описан в [Smith, 1957].

Системы адаптивного управления были предметом интенсивных исследован в течение последних десятилетий. [Astrom/Wittenmark, 1995] подробно описыв; теорию и применение адаптивных регуляторов. [Astrom/Hagglund, 1988] представ ляет собой практичное и понятное описание работы самонастраивающихся систем

Обзор

Эта глава посвящена бинарному комбинационному и последовательностному (т е. управление порядком) управлению. В промышленности существует большое количество приложений, использующих переключательные схемы для комбинационного и последовательностного управления. Этот тип управления уже упоминался в других разделах книги. Например, простые последовательностные сети были рассмотрены в главе 2 и в разделе 3.7, где обсуждались некоторые принципы моделирования с помощью последовательностного управления. Теория переключательных схем, составляющая основу бинарного управления, используется не только в технологии автоматизации, но и во многих других областях. Именно эта теория лежит в основе работы цифровых ЭВМ. В общем случае бинарное комбинационное и по-аедовательностное управление проще, чем традиционное аналоговое или цифровое управление с обратной связью, потому что использует как для измеряемых величин, так и для управляющих сигналов бинарные значения. Однако бинарное управление Имеет свои особенности, которые будут рассмотрены более подробно.

Логические схемы традиционно реализовывались на основе разных технологий - * середины 1970-х годов большинство схем строилось на базе электромеханических реле или пневматических элементов, в 1970-е годы получили широкое Распространение программируемые логические контроллеры, и сегодня последова-ельностное управление реализуется почти исключительно программными сред-j и. Несмотря на изменения в технологии, символическое изображение операций Щ ""помощью принципиальных схем, которое восходит к ранней релей-после" используется для описания и документирования операций Ч-жи "ьностного управления, в том числе и реализуемого программно. Другой

ныи тип язv ----- -

...„.ппальпьхх схем, которое ВОСХОДИТ к ранней релей-технике, до сих пор используется для описания и документирования операции чедовательностного управления, в том числе и реализуемого программно. Другой «Ь1й тип языка, который можно использовать не только для описания, но и как ""трумент документирования, - это функциональные карты.

Основы теории переключательных схем и основные логические вентили рассмат-Чьаются в разделе 7 1. Принципиальные схемы как средство описания комбинаци-

yQ и ППГТТвтгт.-.-------------" -.„....т,-""

""ОГо JJ пптт„„ ------K-M-iD>J ииисамия комоинаци-

И последовательностного управления обсуждаются в разделе 7 2 Раздел 7 3 етГвлГГ" программируемым логическим контроллерам. В разделе 7 4

функциональные языки и Функциональные каптьт rS /я бинарных последовательностей. Кроме того, функционапьнь С-;ьзоватьдляописанияпараллельныхпроцессов*г~

1ппт, v..r • -"ава заканчивается поимр-

.Рименения функциональных карт для решения задачи промышленного управ-

7.1. Основы теории переключательных схем 7.1.1. Обозначения

в этом разделе описываются основы теории переключательных схем в об достаточном для приложений управления процессами. Будут рассмотрены каке бинационные (без памяти), так и последовательностные (с памятью) схемы.

Теория переключательных схем позволяет создавать модели работы бинарн устройств, т. е. таких, которые могут быть только в одном из двух возможных cocti НИИ. Устройства, используемые в логических цепях, - выключатели, реле и двуя зиционные клапаны - работают только в двух состояниях. Любой транзистор, нейный элемент, т. е. не бинарный, но он может работать и как бинарный элеме если рассматривать только состояния "открыт" и "заперт". Бинарные датчики и г полнительные механизмы уже были рассмотрены в главе 4.

Состояние бинарного элемента отражается двоичной переменной, которая, со ветственно, может принимать только два значения, традиционно обозначаемые либо "1". Для выключателя, реле или транзистора (в дальнейшем обозначаемых б-вой X) состояние X = О означает, что элемент разомкнут (не проводит ток) и X = рамкнут (проводит ток). Для кнопочных контактов и концевых выключателей X означает, что контакт не приведен в действие, а X = 1 означает срабатывание.

Двоичная переменная может также соответствовать какому-нибудь уровню: пряжения в реальной цепи. В схемах так называемой "положительной логики" бо. шее напряжение соответствует логической "1", а меньшее - логическому "О". В с мах ТТЛ двоичный "О" обычно определяется уровнем напряжения от О до O.S а двоичная "1" - уровнем напряжения выше 2 В. Аналогично в пневмосистм X = О может означать, что магистраль находится под атмосферным давлени а X = 1 - под более высоким.

Для изображения логических - комбинационных и/или последовательностньг цепей используются стандартные символы, которые не зависят от их фактической р лизации на электрических или пневматических компонентах. Этот тип представли называется функциональным блоком. В этой главе изображение логических симво. выполнено в соответствии с международными стандартами IEC 113-7 и IEC 617, гие национальные стандарты разработаны именно на их основе.

:-Ц-

7.1.2. Основные логические элементы

В этом разделе описаны основные логические элементы (gate) - вентили ответствующие им логические - булевы - операции. .

Простейшей логической операцией является отрицание, или инверсия, ко выполняет элемент NOT ("НЕ"). Этот вентиль имеет только один вход и оди, ход - если входное значение I = О, то выходное О = 1. Отрицание X обознача , Схематическое обозначение и таблица истинности элемента КОТпоказаны на р При соединении с другими логическими элементами инверсия показывается маленькой окружностью на их входе либо выходе. Лпаз"

Два нормально разомкнутых ключа А и В, соединенных параллельно, оОР , элемент OR ("ИЛИ"). Выполняемая ими операция называется булевым сло* и обозначается

Х = А+ В

рис. 7.1- Схематическое обозначение и таблица истинности элемента NOT ("НЕ", инверсия, отрицание)

Результат на выходе X = О получается, если оба А и В равны О, в противном случае результат X = 1 (рис. 7.2). Элемент OR может иметь более двух входов, так как любое число ключей можно соединить параллельно. Расширение до трех ключей приводит к X = А + В -I- С. Символы "> 1" на схематическом обозначении элемента OR указыва-JOX, что на его выходе будет единица при условии, что она есть хотя бы на одном входе.

-о о-

-о о-

Рис. 7.2. Соединение ключей, схематическое обозначение и таблица истинности элемента OR ("ИЛИ")

Типичный пример применения операции OR - маскирование - установка разрядов исходного байта (слова) на основе значений соответствующих разрядов управля-Щего байта (слова) - маски. Операция OR обеспечивает принудительную установ-УРазрядов в "1" независимо от исходного значения (рис. 7.3).

7.3. Маскирование с помощью операции OR ("ИЛИ")

элементТмп°"°"" ключа А и В, соединенных последовательно, образу-слу ""-""ямая операция называется булевым умножением.

°значаетсГ "•"ько если А и В оба равны 1, иначе X = 0. Эта операция

3 Х = А-В

Ур Умножения в булевых выражениях часто опускается, также как в обычной элементу OR, элемент AND может иметь больше двух входов, Ч По " ключей можно соединить последовательно. Добавляя третий

"а АмГ X = А • В . С. Схематическое обозначение и таблица истинности эле-"и показаны нарис. 7.4.

-О о-

о

Рис. 7.4. Соединение ключей, схематическое обозначение и таблица истинности э.пе-ментаАМВСИ")

Маскирование с помощью операции AND обеспечивает выбор только опреде., ных, т. е. представляющих интерес, разрядов - остальные сбрасываются в О (рис. I:

Рис. 7.5. Маскирование с помощью операцрш AND ("И")

Для булевых операций над одной двоичной переменной справедливы следуюш: утверждения

Х+Х=Х ХХ = Х Х + Х-1 ХХ = 0

Аналогично, для двух переменных легко проверить

X+Y=Y+X Х-Y = YX Х + Х-Y = X X • (X + Y) = X (Х +Y)-Y = XY Х-Y +Y = X +Y X Y + Y = X Y

При манипуляциях с булевыми выражениями полезны теоремы де Моргана

• Z • ..О = X + Y + Z + ... (1-я теорема де Мор

(XTY+Y+Zj = X • Y Z •... (2-я теорема де МоР

Приведенные выше теоремы можно использовать для упрощения сложньь .фажений, а значит, и для уменьшения числа элементов в соответствУ x, что, в свою очередь, снижает вероятность отказов (раздел 12.3.1).

ческих вы1 им схемах.

3 дополнительны

е элементы

до мально замкнутых ключа образуют элемент NOR ("НЕ ИЛИ"), т. е. цепь та и проводит ток, если ни первый, ни второй ключ не приведены в действие.

fScHO теореме де Моргана

Согласт

Х = А-В = (А-ьВ)

есть элемент NOR можно представить как комбинацию элементов OR и NOT, и отражено в его схематическом обозначении (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Соединение ключей, схематическое обозначение и таблица истинности элемента NOR ("НЕ ИЛИ")

Элемент NOR можно легко реализовать на электронных либо пневматических компонентах. Поскольку любое булево выражение можно записать с помощью только операции NOR, то этот элемент является универсальным. Например, элемент ОТ - это элемент NOR с одним входом, элемент OR можно получить соединением элемента NOT последовательно с выходом элемента NOR, а элемент AND можно построить, используя два элемента NOT и один элемент NOR (рис. 7.7)

Х = А + В = А-В = АВ

12 . о

>1

>1

РЧх пяк " УЦия AND, реализованная на основе трех элементов NOR, два из кото-Раьотают как элементы NOT

"емент NAND ("НЕ И") определяется так

Х=(А=Л + В