8. Классификация систем управления. Аналоговые системы управления. Прерывистое (дискретное во времени или релейное) управление. Широтно-импульсное управление.

На рис. 1.10 показаныаналоговый и дискретныйсигналы:Рис.1.10. Графики аналогового и дискретного сигналовКрасным показан аналоговый сигнал, а синим дискретный.Как уже известно, микроконтроллер умеет работать исключительно с цифровыми данными. Он легко может выполнять арифметические операции над ними, принимать и передавать цифровые данные. Например, мы можем запросто зажечь светодиод, подав на него положительный сигнал, равный напряжению питания контроллера. Для того чтобы погасить светодиод просто отключим его от питания. Получается, для управления мы используем только ноль или единицу, что и называется цифровым управлением1.5. Широтно-импульсное управлениеШИМ или PWM (широтно-импульсный модулятор, по-английски pulse-widthmodulation) является способом управления подачи мощностей к нагрузкам. Управление заключается в изменении длительности импульсов при постоянных частотах следования импульсов. Широтно-импульсная модуляция делится нааналоговую, цифровую, двоичную и троичную.Применение широтно-импульсной модуляции дает возможность повышать КПД электрических преобразователей, особенно импульсных преобразователей, которые составляютна сегодняшний день основу вторичных источников питания различных электронных аппаратов. С помощью ШИМ происходит управление обратноходовыми и прямоходовыми однотактными, двухтактными и полумостовыми, а также мостовыми импульсными преобразователями.Широтно-импульсная модуляция применяется при регулировании яркости подсветки жидкокристаллических дисплеев сотовых телефонов, смартфонов, ноутбуков. Так же ШИМ применяют в сварочных аппаратах, в автомобильных инверторах, в зарядных устройствах и т. д. Любое зарядное устройство в современном мире использует в своей работе ШИМ.В современных высокочастотных преобразователях, применяются биполярные и полевые транзисторы, которые работают в ключевом режиме как коммутационные элементы. Т.е., часть периода транзистор полностью открыт, а часть периода — полностью закрыт.В замкнутом состоянии сопротивление транзистора как ключа очень невелико, и падение напряжения на нем приближается к нулю.В разомкнутом состоянии проводимость транзистора близка к нулю, и ток через него практически не течет. Такая особенность транзисторовпозволяет создать компактный преобразователь с высокой эффективностью, то есть с небольшими тепловыми потерями. А резонансные преобразователи с переключением в нуле тока ZCS (zero-current-switching) помогают свести эти потери к минимуму.ШИМ-генераторы бывают двух типов: аналоговые и цифровые.В ШИМ-генераторах аналогового типа, управляющий сигнал формируется с помощью аналогового компаратора, когда на инвертирующий вход компаратора, например, подают треугольный или пилообразный сигнал, а на неинвертирующий — модулирующий непрерывный сигнал.При этом выходные импульсы получаются прямоугольными, частота их следования равна частоте пилы (или сигнала треугольной формы), а длительность положительной части импульса связана с временем, в течение которого уровень модулирующего постоянного сигнала, подаваемого на неинвертирующий вход компаратора, оказывается выше уровня сигнала пилы, который подается на инвертирующий вход. Если напряжение пилы выше модулирующего сигнала, то на выходе получаем отрицательную часть импульса.Если же сигнал в виде пилы подаем на неинвертирующий вход компаратора, а модулирующий— на инвертирующий, то выходные импульсы в форме прямоугольника будут иметь положительное значение в том случае, если напряжение пилы выше значения модулирующего сигнала, которые подают на инвертирующий вход, а отрицательное — когда напряжение пилы ниже модулирующего сигнала. Примером аналогового формирования ШИМ является микросхема TL494, которая широко применяется при построении импульсных блоков питания.ШИМ-генераторы цифрового типаприменяются в двоичной цифровой технике. Выходные импульсы также принимают только одно из двух значений (включено или выключено), и средний уровень на выходе приближается к желаемому. Здесь пилообразный сигнал получается благодаря использованию N-битного счетчика. Цифровые устройства с ШИМ работают также на постоянной частоте, обязательно превосходящей время реакции управляемого устройства, этот подход называется передискретизацией. Между фронтами тактовых импульсов, выход цифрового ШИМ остается стабильным, или на высоком, или на низком уровне, в зависимости от текущего состояния выхода цифрового компаратора, который сравнивает уровни сигналов на счетчике и приближаемый цифровой.Выход тактуется как последовательность импульсов с состояниями 1 и 0, каждый такт состояние может сменяться или не сменяться на противоположное. Частота импульсов пропорциональна уровню приближаемого сигнала, а единицы, следующие друг за другом могут сформировать один более широкий, более продолжительный импульс.Получаемые импульсы переменной ширины будут кратны периоду тактования, а частота будет равна 1/2NT, где T – период тактования, N – количество тактов. Здесь достижима более низкая частота по отношению к частоте тактования. Описанная схема цифровой генерации — это однобитная или двухуровневая ШИМ, импульсно-кодированная модуляция ИКМ.Эта двухуровневая импульсно-кодированная модуляция представляет собой по сути серию импульсов с частотой 1/T, и шириной Т или 0. Для усреднения за больший промежуток времени применяется передискретизация. Высокого качества ШИМ позволяет достичь однобитная импульсно-плотностная модуляция (pulse-density-modulation), называемая также импульсно-частотной модуляцией.При цифровой широтно-импульсной модуляции прямоугольные подимпульсы, которыми оказывается заполнен период, могут приходиться на любое место в периоде, и тогда на среднем за период значении сигнала сказывается только их количество. Так, если разделить период на 8 частей, то комбинации импульсов 11001100, 11110000, 11000101, 10101010 и т. д. дадут одинаковое среднее значение за период, тем не менее, отдельно стоящие единицы утяжеляют режим работы ключевого транзистора.Корифеи электроники, повествуя о ШИМ, приводят такую аналогию с механикой. Если при помощи двигателя вращать тяжелый маховик, то поскольку двигатель может быть либо включен, либо выключен, то и маховик будет либо раскручиваться и продолжать вращаться, либо станет останавливаться из-за трения, когда двигатель выключен.Но если двигатель включать на несколько секунд в минуту, то вращение маховика будет поддерживаться, благодаря инерции, на некоторой скорости. И чем дольше продолжительность включения двигателя, тем до более высокой скорости раскрутится маховик. Так и с ШИМ, на выход приходит сигнал включений и выключений (0 и 1), и в результате достигается среднее значение. Проинтегрировав напряжение импульсов по времени, получим площадь под импульсами, и эффект на рабочем органе будет тождественен работе при среднем значении напряжения.Так работают преобразователи, где переключения происходят тысячи раз в секунду, и частоты достигают единиц мегагерц. Широко распространены специальные ШИМ-контроллеры, служащие для управления балластами энергосберегающих ламп, блоками питания, преобразователями частоты для двигателей и т. д.Отношение полной длительности периода импульса ко времени включения (положительной части импульса) называется скважностью импульса. Так, если время включения составляет 10 мкс, а период длится 100 мкс, то при частоте в 10 кГц, скважность будет равна 10, и пишут, что S = 10. Величина обратная скважности называется коэффициентом заполнения импульса, по-английски Dutycycle, или сокращенно DC.Так, для приведенного примера DC = 0.1, поскольку 10/100 = 0.1. При широтно-импульсной модуляции, регулируя скважность импульса, то есть варьируя DC, добиваются требуемого среднего значения на выходе электронного или другого электротехнического устройства, например двигателя.ЗаключениеВ работе были рассмотрены виды систем автоматизированного регулирования. Рассмотрены основные принципы регулирования и классификация систем автоматического регулирования.Рассмотрены достоинства и недостатки каждой системы регулирования. Наиболее распространенной и надежной системой регулирования является комбинированная система, которая объединяет в себе достоинства систем регулирования по возмущению и отклонению.Так же в работе рассматриваются принципы построения систем регулирования. Их выделяют три: по разомкнутому циклу;по замкнутому циклу;по комбинированному циклу регулирования (замкнуто-разомкнутый).Кроме этого были рассмотрены аналоговые системы управления. И широтно-импульсное управление.Были рассмотрены примеры автоматизированных систем на их основе.Сегодня, широкий выбор современных устройств автоматики позволяет реализовать сложнейшие механизмы для самых различных целей. Список использованной литературыСтрельников Н.А. Промышленная автоматика: учебное пособие / Н.А. Стрельников. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 107 с.Червоный А.Л. Реле и элементы промышленной автоматики. Практическое пособие для инженеров. – М.: РадиоСофт, 2012. – 208 с.Кисаримов Р.А. Практическая автоматика. – М.: РадиоСофт, 2004. – 188 с.Скрипниченко В.А. Основы автоматизации производства. – М.: Металлургия, 1993. – 253 с.И.Ю. Топчев «Атлас для проектирования CAP»B.C. Чистяков «Краткий справочник по теплотехническим измерениям».Н.Н.Иващенко «Автоматическое регулирование»В.В. Черенков «Промышленные приборы и средства автоматизации».Попов Е. П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. – М.: Наука, 1978. – 256 с.Алгоритмический нелинейных систем управления.// НелепинР.А.Камачкин А.М., Туркин И.И.Шамберов В.Н.; под ред. Р.А.Нелепина; ЛГУ. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.Вавилов А.А.,ИмаевД.Х.,Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. – Л.:ЛЭТИ, 1978. – 114 с.Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. – М.:Энергия, 1980. – 312 с.Зубов В.И. Теория оптимального управления. – Л.: Судостроение.,1966, 351 с.Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Зазовский В.С. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. – Л.: ЛГУ, 1989.Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. – М.: Наука, 1973, 558 с.Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. – М.: Машиностроение, 1981. – 200 с.Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. – М.:Диалог–МИФИ, 1997. –350 с.Райцын Т.М. Синтез САУ Методом направленных графов. – Л.: Энергия; 1970. – 94 с.Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. – М.: Наука, 1977. – 340 с.Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. – М.: Машиностроение, 1979. – 660 с.