Г.К. Гудвин - Проектирование систем управления (1054010), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

1.5.5. Линии связи Необходимость соединения датчиков с исполнительными механизмами требует использования систем связи. Типичный объект может иметь много тысяч разных сигналов, которые нужно передать на большое расстояние. Таким образом, разработка систем связи и соответствующих им протоколов — очень важный аспект в проектировании современных систем управления. Имеются конкретные проблемы и требования к системам связи в реальном масштабе времени. Например, в линиях связи для передачи голоса небольшие задержки и искажения во время передачи часто не важны, поскольку получатель их отсеет.

Однако в быстродействующих системах управления, работающих в реальном масштабе времени, эти проблемы могут выйти на первый план. Например, наблюдается увеличивающаяся тенденция использовать каналы типа Ес1тегпес для передачи данных в системах управления.

Однако тем, кто знаком с этой технологией, известно, что если на линии передачи происходит задержка, то передатчик просто пробуепт снова передать данные несколько позже в случайное время. Очевидно, что это вносит случайную задержку 1.5. Организация систем управления 3$ в передачу данных. Работа всех систем управления зависит от точного знания не только того, чпто происходит в ней, но и когда это случилось, так что внимание к таким задержкам понятно для успешной работы всей системы.

1.Б.Б. Вычисления В современных системах управления связь датчиков с исполнительными механизмами неизменно осуществляется через тот или иной компьютер. Таким образом, проблемы вычислений — обязательная часть всего проекта. Современные системы управления используют разнообразные вычислительные средства, включая распределенные системы управления (В1еФг1Ьп~ет1 Соп1го1 Буе1ешв — ПСБ), программируемые логические контроллеры (РгойгапипаЫе Ьоя1с Соптгойегв — РЬС) н персональные компьютеры (Регвопа1 СошрпФегв — РС). В некоторых случаях использование этих вычислительных средств довольно ограничено по сравнению с их возможностями.

Так же как и с задержками в линиях связи, задержки при вычислениях могут быть критическими для функционирования систем управления. Важно правильно выбрать тактовую частоту, так как может потребоваться многозадачная операционная система реального времени. Другой аспект вычислений — точность представления чисел, Мы знаем несколько систем управления, которые не могли обеспечить эксплуатационные характеристики просто из-за пренебрежения проблемами представления чисел.

По этой причине мы уделим в дальнейшем данной проблеме некоторое внимание. Наконец, последний вопрос использования вычислительной техники — это удобство ее проектирования и реализации. Современные средства быстрого моделирования систем управления, использующие вычислительную технику, обладают интегрированными возможностями для моделирования систем управления, их проектирования, испытаний н функционирования. Эти средства, содержащие шаблоны кода в реальном масштабе времени, позволили уменьшить время разработки сложных алгоритмов управления с нескольких месяцев до нескольких дней и даже, в некоторых случаях, часов. 1.5.7.

Структура и интерфейс Проблема, что с чем соединять, при проектировании систем управления нетривиальна. Может показаться, что лучшее решение будет всегда состоять в передаче всех сигналов к центральному пункту, чтобы каждая операция управления была бы основана на полной информации ЗБ Глава 1. Причины создания систем управления (так называемый централизованный контроль и управление). Однако это — редко (если вообще когда-либо) лучшее решение на практике. Действительно, имеются серьезные основания, почему нежелательно передавать все сигналы в одну точку. Очевидные возражения этому включают сложность, стоимость, ограничения по времени вычислений, ремонтопригодности и надежности.

Таким образом, проблема управления обычно распределяется по управляемым подсистемам. Определить, как это сделать, — задача инженера по системам управления. Действительно, как мы увидим в дальнейшем из упражнений, представленных в книге, эти структурные проблемы могут быть критическими для выбора окончательного варианта системы управления. Один из основных инструментов, который может использовать разработчик систем управления для улучшения работы системы, — всесторонне продумать структуру системы управления. В качестве иллюстрации мы приведем позже реальный пример (см.

гл. 8), где качество управления толщиной проката на реверсивном прокатном стане строго ограничено специфической структурой. Показано, что никакое усовершенствование исполнительных механизмов, датчиков или алгоритмов (в пределах этой структуры) не может улучшить результат. Однако простое изменение структуры с тем, чтобы включить дополнительные исполнительные механизмы (а именно управление токами в наматывающих и разматывающих двигателях), устраняет эту трудность (см. гл. 10).

В качестве более простой иллюстрации предлагаем читателю сравнить попытку балансировать на пальце метлой с открытыми и закрытыми глазами. Здесь мы снова видим структурные различия, связанные с использованием различного набора датчиков. Полный анализ причин трудностей этих типов задач управления, которые стоят за выявленными различиями, будет рассмотрен в гл. 8 и 9 этой книги. Таким образом, мы видим, что структурные проблемы имеют первостепенную важность среди всех проблем проектирования систем управления.

В дальнейшем сложные структурные проблемы будут решаться по принципу «разделяй и власптеуй». Это ведет к иерархическому представлению системы управлении, как показано в табл. 1.1. Решив, какие связи должны быть организованы, следует перейти к проблеме взаимодействия различных компонентов. Это — нетривиальная задача, потому что часто требуются специальные интерфейсы между различными элементами оборудования.

К счастью, продавцы оборудования систем управления знают эту трудность и их пристальное внимание вознаграждено наличием стандартизации интерфейсов. 1.5. Организация систем управления 37 7йблица 1.1 Типичные средства проектирования Временные границы Цель уровень Описание Статическая оптимизация Каждый день (примерно) Обеспечение заказов клиентов и планирование поставки материалов Интегрированная оптимизация производства Статическая оптимизация Оптимизация статического состояния компонентов оперативного уровня Эффективное действие отдельного компонента (например, колонны дистилляции) Каждый час (примерно) Динамическое управление компонентами оперативного уровня Каждую минуту (примерно) Управление одной переменной (например, ПИД- регулирование) Динамическое управление на уровне отдельного исполнительного механизма Каждую секунду (примерно) Типичная иерархия управления Достижение уставок, определенных на уровне 3 и быстрое восстанов- ление после возмущений Достижение нужных скоростей потока жидкости, полученных на уровне 2, манипулируя соответствую- щими испол- нительными механизмами (например, приводом клапана) Управление многими переменными (например, модельное прогнозирующее управление) 38 Глава ь причины создания систем управления 1.$.8.

Алгоритмы Наконец, мы подходим к настоящему сердцу проектирования систем управления †алгоритм, которые соединяют датчики с исполнительными механизмами. Очень легко недооценить этот заключительный аспект проблемы, В качестве простого примера из повседневной жизни рассмотрим проблему игры в теннис на высоком международном уровне. Понятно, что для игры на этом уровне нужно хорошее зрение (датчики) и сильные мускулы (исполнительные механизмы), но этого недостаточно. Действительно, координация рук и глаз (т.

е. управление) также очень важна для успеха. Таким образом, вне датчиков и исполнительных механизмов инженер по системам управления должен заниматься динамикой и управлением с использованием обратной связи. Эти темы будут фактически центральными в оставшейся части книги. Как выразился один из наших коллег: «Датпчики обеспечиваютп глаза, исполнитпельные механизмы— мускулы, а тпеория управления обеспечиваетп ловкостпь».

1.$.9. Возмущения и неточности Один из моментов, который делает теорию управления интересной, то, что на все реальные системы действуют шумы и внешние возмущения. Эти факторы могут иметь существенное воздействие на работу системы. Простыми примерами здесь могут быть самолеты, подверженные возмущениям в форме порывов ветра, и регуляторы скорости в автомобилях, которые должны справиться с различными градиентами уровня дороги ' и различными загрузками автомобиля.

Характеристики

Список файлов книги