Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Местоположение терморезистора может оказать значительное влияние на работу системы. В описанной системе терморезистор находился между нагревателем и объектом (из-за пространственных ограничений). Следовательно, показания терморезистора соответствовали некоему среднему значению между двумя температурами.
Если бы объект имел значительную массу и теплоемкость, температура его могла бы никогда не достичь требуемого уровня при таком включении. Печь в вашем доме — хороший пример релейной системы. Объем воздуха в доме довольно большой и долго нагревается, то есть печь не может быстро изменить температуру помещения. Термастат, медленный прибор по сравнению с микропроцессором, но довольно точно отражает изменения температуры воздуха в доме.
Недостаток такой системы в больших по сравнению с печью размерах дома. Если печь выключить на весь день, в то время как температура на улице падает, то понадобится значительное время для того, чтобы возвратить температуру в доме до комфортного уровня. Нет никакой возможности для быстрой передачи энергии системе. Правда, можно 144 ° Глава 5.
Методы управления было бы купить печь больше в несколько раз, которая быстро нагрела бы дом, но тогда не избежать перегревов и значительных колебаний температуры. В некоторых системах релейного управления есть так называемая мертвал зона (г1еаг! банг!), в пределах которой выходной сигнал не изменяется.
Зто позволяет предотвратить чрезмерные переключения системы. Например, система терморегулирования могла бы иметь мертвую зону в 1', то есть выходной сигнал не менялся бы при температуре объекта внутри данного диапазона. Если нагреватель включен, то он не выключится, пока температура объекта не превысит 1' выше установленного значения. Также нагреватель не включится, пока температура не опустится на 1' ниже заданной величины. В некоторых системах мертвая зона составляет даже часть общего физического принципа работы. Например, термостат в некоторых домах несколько отстает от изменения температуры, поэтому термастат будет чувствовать продолжающееся повышение температуры, после того как необходимый уровень достигнут, и нагреватель выключился.
На самом же деле, термостат отображает действительную температуру окружающей среды. 5.5. Температурный перегрев В примере с нагревателем на Рис. 5.3 можно различить на осциллограмме значительный температурный перегрев. Однако не во всякой системе перегрев будет иметь место. Температурный перегрев в системе релейного управления, обычно результат некоторой инерции системы.
В рассмотренном примере, нагреватель продолжает нагревать объект по инерции, после выключения питания. К тому же, если нагреватель достаточно большой по отношению к объекту, и к нагревателю приложена значительная мощность, время нагрева будет меньше, чем время остывания. В некоторых системах такой перегрев не наблюдается, либо наблюдается в одном направлении (чаще в направлении повышения температуры, чем понижения).
Подобные рассуждения можно также применить, например, к двигателям, перемещающим нагрузку с большим моментом инерции. 5.6. Система пропорционального управления Следующий уровень по сложности систем управления после описанной выше релейной системы управления — это система пропорционального управления. Принцип пропорционального управления базируется на изме енин управляющего сигнала в зависимости от разности между истинн ь и сигналом и заданной величиной. Разница между истинной и за- 5.б. Система пропорционального упраеления ° 145 данной величинами называется «ошибкой». Формула вычисления истинной величины выходного сигнала (Ошриг) пропорционального управления следующая: Оигрш = 6 х е, (1) где 6 — это усиление, е — оеличина ошибки (разница мехсду заданной и истинной величинами) в сцстеме пропорционального управления.
Возвращаясь несколько назад, можно сказать, что система с пропорциональным управлением больше похожа на ОУ с ограниченным усилением, чем на компаратор (систему с очень большим усилением). Реальная система управления может представлять собой аналоговую систему под управлением МП (ПАП и усилитель), либо систему с ШИМ. На Рис. 5.4 приведен пример системы пропорционального управления. Нагревательный элемент включен на 100%, пока обьект холодный.
Когда температура объекта достигает заданной величины, нагрев уменьшается, поскольку разница между заданной и истинной (измеряемой) температурами становится меньше. Как можно заметить, система пропорционального управления обладает меньшими величинами перегрева и колебаний около заданного значения. На Рис. 5.4 показаны колебания температуры примерно в 2 раза меньшие, чем для системы с релейным управлением (слс Рис.
5.3). Действительное отличие между системами будет зависеть от конкретного случая. Другое преимущество пропорционального управления заключается в том, что можно подстроить управляющий сигнал в зависимости от управляемого объекта. Например, если вы хотите нагреть жидкость, текущую по трубе, то при возрастании скорости потока понадобится пропорционально увеличить коэффициент усиления, чтобы добиться нагревания потока. Для некоторых систем выходной сигнал можно представить как О х е, как показано ранее. Но для многих систем, в том числе и для изображенной на Рис. 5.4, формула пропорционального управления будет выглядеть следующим образом: (2) Оигрш = (6 х е) + М, где М вЂ” это величина смешения в системе пропорционального управления, необходимая для поддержания управляемой величины на требуемом уровне.
В примере с нагревателем, система в соответствии с данным уравнением уменьшит мощность, как только температура приблизится к требуемой величине (6 х е приблизится к нулю), и в конечном итоге, температура никогда не достигнет требуемого предела. Обычно, если Мсоставляет 50% от мощности нагревателя, система может достичь требуемой величины. В формуле (2) пропорционального управления величина 6 х е склады- 146 ° Глава 5. Методы управления а о Ю О. а и Р я ш ! о о о и о т о Ф И О а с х с о ОЭ Б пи с й с ас сс яя а на с ц ав на Ф й 8 Е с с Ф с с с а с Р с с с са ас а ~па на я аа с с с с с с аа ~в 5.
б, Сиопема пропорционального упраиленин ° 147 вается с величиной постоянного смешения М. Пока система холодная, величина 6 н е будет слишком большой, и нагреватель будет работать на все !00%. Если сумма 6 н е и смещения станет больше ста процентов, выходная мощность все равно останется на уровне 100% поскольку большую мощность система не может отдать. При достижении нагревателем заданной температуры величина 6 н е станет меньше, и мощность нагревателя начнет уменьшаться вплоть до 50% от смещения. Если температура превысит заданную, то 6 х е станет отрицательной, и сумма 6 н е и 50% от смещения станет меньше, чем 50%, уменьшая, таким образом, мощность нагревателя.
Если сумма в формуле 2 станет меньше нуля, выходное напряжение отключится до тех пор, пока сумма снова не поменяет знак. Пример возможности реализации отрицательного знака на выходе — система с нагревателем и холодильником. Заметим, что М может меняться с изменениями характеристик системы. Представьте, что вы нагреваете металлические блоки.
Для нагрева небольших блоков достаточно будет установить М на уровне 20% тогда как массивные изделия потребуют довести Мдо 80% номинальной мощности нагревательного элемента. Проектирование системы пропорционального управления — более сложная задача, чем разработка системы релейного управления. В релейной системе без перегрева не обойтись, что неизбежно приведет к колебаниям на выходе и избыточной мощности на нагрев. При изменении нагрузки и величина перегрева, и колебаний будут меняться в зависимости от того, насколько возможно будет добавить дополнительную энергию в систему.
В системе пропорционального управления необходимо подстроить коэффициент усиления и смешение в соответствии с обьектом. Задав слишком большое усиление, получим систему с релейным регулированием. Снизив усиление, можно никогда не достичь заданной температуры. Хуже того, если, например, некоторая нагревательная система с пропорциональным регулированием работает в лабораторных условиях, то на улице в холодное время года может и отказать. Лучше всего системы с пропорциональным регулированием работают в режиме, когда нагрузка постоянна и хорошо известна. Примером известной нагрузки может служить нагреватель пластинки постоянной формы и размера или нагреватель жидкости, поток которой может меняться, но в известных пределах.
Надо заметить, что некоторые системы пропорционаяьного управления не нуждаются в задании смещения. Например, управление двигателем, сдвигающее его ось в определенное положение, не нуждается в смещении. Вместо этого, выходной параметр двигателя, определяющий ско- 148 ° Глава 5. Методы управления рость, выражался бы произведением усиления на ошибку. В данном случае ошибка управления — это разность между действительным и заданным положением оси двигателя, и в момент, когда ошибка управления становится равной нулю, двигатель останавливается.
С другой стороны, система, в которой двигатель должен вращаться с постоянной скоростью, потребует задания смещения, поскольку при условии, когда ошибка управления равна нулю (действительная скорость вращения равна требуемой), на двигатель должна подводиться необходимая мошность. Во многих случаях трудно разработать систему пропорционального управления, устанавливающую выходной уровень без колебаний. В большинстве случаев окончательная величина системы (температура, скорость и т. п.) — несколько ниже заданной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
