Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Для снижения шумов, программное обеспечение может усреднить несколько вычисленных таким образом значений. Интеграл вычисляется как сумма погрешностей за определенное время. В реальной микропроцессорной системе интеграл находят как сумму средних величин отдельных отсчетов. И снова необходимо принять во внимание возможность перегрузки и насыщения системы.
5.7.7. Временная задержка Один из параметров, который был упомянут без детального изучения — временная задержка. Вновь возьмем пример с нагревателем, который рассматривался ранее, и введем несколько временных задержек, включающих: ° время, необходимое нагревателю для установления температуры в соответствии с управляющим сигналом; ° время передачи тепла от нагревателя нагрузке; ° время, необходимое терморезистору для оценки температуры нагрузки.
Перечисленные задержки вносят неточность в систему управления. Время, проходящее от подачи сигнала управления до реакции датчика, называется мертвым временем. Если микропроцессор изменяет сигнал из-за того, что объект слишком холодный, потребуется некоторое время нагре- 160 ° Глава 5. Методы управления вателю на разогрев, передачу тепла нагрузке и на отклик терморезистора. Тем временем микропроцессор уже опросил терморезистор несколько раз, определил, что температура не в норме и увеличил выходной сигнал. Так, например, в релейной системе задержка отклика может привести к нежелательным колебаниям выходной величины.
В другом случае система управления может чрезмерно скомпенсировать вычисляемую погрешность. Используя ПИД-управление вместо пропорционального, можно уменьшить некоторые из описанных эффектов, как мы уже видели. Однако в некоторых случаях ПИД-управление может только ухудшить ситуацию за счет негативного воздействия интегральной составляющей, например, когда происходит отмена первоначального действия (ччпг) цр). Компенсация мертвого времени обычно включает предсказание эффекта от изменения управляющего сигнала и предположение, что эффект произойдет по истечении этого мертвого времени. После измерения реакции системы на некоторое изменение, следующее изменение сигнала производится на основе разности между действительной и теоретической величиной.
Такой процесс носит название лредсказатель Смита (Бш11(т Ргегйсгог) и был разработан Отто Смитом в 1957 г. Этот процесс включает моделирование работы системы для того, чтобы предсказать отклик. 8.7.8. Резкие изменения сигнала Многие системы испытывают столь неожиданные изменения входных сигналов, что становится нецелесообразно применять ПИД- или пропорциональное управление. Допустим, нагревается резервуар с выплескивающейся жидкостью. Жидкость может резко охлаждать нагреватель, что приведет к сложности настройки системы ПИД-управления.
Как предсказать, сколько жндкости может выплеснуться на нагреватель? Другой пример неожиданного изменения параметров нагрузки — бортовая сеть автомобиля. Если водитель вдруг выключает фары, нагрузка электрической сети резко уменьшается (это называется сбросом нагрузка). Напряжение генератора резко поднимается до большой величины, так как генератор пытается обеспечить ту же мощность при пониженном уровне тока. В такой системе ПИД-регулирование не годится, так как нужен очень быстрый отклик системы. Типичный путь сглаживания подобных выбросов — применение регуляторов с ШИМ и установление на выходе определенной величины до тех пор, пока процесс не стабилизируется.
Решение подобных проблем — предварительная оценка величин интеграла и производной сигнала и проектирование такой системы, чтобы эти величины н принимали слишком больших значений. 5.8. Управление двигантелем ° 161 5.7.9. Специальные требования Многие системы с ПИД-регулированием должны поддерживать специфические входные сигналы. Системе круиз-контроля может понадобиться переходить в ждуший режим, обнуляя интегральную и дифференциальную оценки, когда водитель нажимает на тормоз. Регулятор напряжения бортовой сети автомобиля может работать в различных режимах, с множеством ПИД-параметров, в широком диапазоне скоростей.
У нагревателя также различается время включенного состояния, необходимое для нагрева различных материалов. Все специфические требования к системе должны быть отражены в ПО, чтобы при некоторых изменениях, например нагреваемого материала, ПИД-управление не вышло бы из-под контроля. Когда параметры системы меняются по какой-либо причине, ПО должно установить соответствукнцие ПИД-параметры. 5.8. Управление двигателем Сигнал Сравнивает ошибки действительную ПИД-регулятор позицию с заданной Заданнан позиция Счетчик Вычисляет величину усилитель, выкодногосигнала аналоговый на основе величины или ШИМ сигнала сшибки и ПИД-параметров Прибавляет при вращении оси двигателя в прямом направлении, вычитает — при вращении в обратном направлении Энкодер на сои двигателя Рис.
5.14. ПИЛ-управление двигателем До сих пор действие систем автоматического управления объяснялось на примере нагревателя, что было обусловлено простотой его работы. Описанные выше методы можно также применить и к двигателям, например, но с некоторыми усложнениями. На Рвс. 5.14 показана ПИД-система управления двигателем. Один из входов системы — цифровое слово, устанавливающее заданную позицию. Позиция двигателя — аналоговая величина (угол поворота оси и т. п.), преобразованная в цифровую форму (содержимое счетчика после подсчета числа импульсов знкодера, в результате поворота оси двигателя).
Когда ось двигателя вращается в одном направлении, счетчик считает на сложение, а когда в другом — на вычитание. 162 ° Глава 5. Методы управления Цифровой выход счетчика сравнивается с заданным числом. Полученная разница и является сигналом ошибки (рассогласования). Эта ошибка управления такая же, как в аналоговой системе, за исключением того, что выдается в виде цифрового кода.
ПИД-система управления использует эту ошибку (и предыдущие ее значения) для вычисления новой величины. На Рис. 5.15 показана круговая карусель с восемью дискретными позициями. Такая карусель может использоваться для отправки нужного образца в рабочую зону «руки» манипулятора при химических или медицинских исследованиях, либо вращаться непрерывно, например, в системе обработки изображений. Карусель приводится в движение понижающим редуктором, соосным с валом двигателя (на рисунке не показан), снижаюшим число оборотов оси двигателя. На один оборот карусели приходится 12 оборотов оси двигателя.
Прорезь в карусели и оптопара сообщают системе, когда карусель устанавливается в исходную позицию. Ось двигателя также имеет оптический датчик и энкодер для управления микропроцессором положения оси двигателя. Датчик позиции образца ипи оптический датчик каруева Размещение образцов(8) датчика Двигатвпь Рае. 5.15. Врашаюшаяся карусель 5.8. Управление двигапзелеи ° 163 5.8.1. Пример постоянной скорости вращения круговой карусели Рассмотрим простейший случай применения круговой карусели — для непрерывного вращения. Карусель вращается с постоянной скоростью, которая может быть синхронизирована с оптической системой или видеокамерой. Система управления (пропорциональная или ПИД) задает необходимую скорость вращения оси двигателя.
Оптопара необходима для контроля скорости вращения карусели. Система управления плавно поднимает скорость вращения оси двигателя и далее удерживает скорость на определенной величине (Рис. 5.16) до поступления команды «Стоп». Скажем, на один оборот карусели приходится 100 оборотов оси двигателя, и на оси двигателя установлен прецизионный энкодер на 500 (500 отсчетов энкодера на один оборот оси двигатела). На Рис. 5.16 период повторения импульсов после делителя показан условно так, будто приведен каждый сотый импульс. Внкод анкодера Шелеаой опт«час«ай дазчнк Скороюь ~ Рис. 5.16. Двигатель разгоняется и работает после разгона с постоянной скоростью Управляющее ПО (контроллера или специализированной микросхемы) обычно проверяет скорость в установившемся режиме (число импульсов встроенного тактового генератора).
Не существует никаких указаний при проектировании, чтобы увеличить частоту выше частоты генератора ШИМ (если ШИМ используется). На практике такая система приведет к нестабильности, поскольку новый рабочий цикл ШИМ не совпадает с предыдущим. Вместо деления на равные интервалы можно считывать данные с независимого счетчика при каждом импульсе энкодера. Время между импульсами измеряется, и если скорость низкая, выходной сигнал увеличивается. 164 ° Глава 5. Методы управления Если время приища второго импульса знкодерабудеттаким, как показано на этои рисунке, то на выходе счетчика установится 6 Дискретизация с фиксированным временем Энкодер Импульсы дискретизации Если время прихода второго импульса знкодера будет таким, как показмю на этом рисунке, то на выходе счетчикаустановится 7 Дискретизация с фиксиоованным числом отсчетов Энкодер Тактовые импульсы счетчика Импульсы дискретизации 26 1б 16 Отсчеты на интервалах дискретизации Рве.
5.17. Дискретизация скорости врашсиия оси двигателя На Рис. 5.17 показана простая диаграмма для обоих методов измерения. При дискретизации с фиксированным временем все сигналы синхронизированы с частотой дискретизации, которая обычно кратна частоте ШИМ. Потенциальный недостаток показан в выделенной кружком области; если импульс кодировшика появится несколько раньше тактового, результат будет отличаться на 1 от случая, когда импульсы придут одновременно. Скорость врашения оси двигателя в обоих случаях почти одинаковая, однако система видит разницу в 1 отсчет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
