Густав Олссон, Джангуидо Пиани
О55 Цифровые системы автоматизации и управления. — СПб.: Невский Диалект 2001.-557 с.: ил.
Книга посвящена задачам управления, реализуемым на базе цифровых систем и, в первук очередь, — в промышленных процессах. В то же время читатель найдет в тексте универсаль ные положения, применимые к управлению любой сложной системой. В общем виде рассматриваются практически все составляющие процесса проектирования систем управления ш базе цифровых устройств: от построения модели управляемого процесса, обработки сигналоь и реализации цифровых регуляторов до передачи информации между объектами и субъектами управления. Последнее понятие включает в себя человеко-машинный интерфейс, операщ. онные системы, языки программирования реального времени и системную интеграцию.
Не претендуя на полноту охвата, книга дает "почувствовать" основные проблемы, возникающие при разработке и внедрении систем цифрового управления. Ее можно рассматривай и как достаточно глубокое и подробное введение в предмет, и как серьезное методическое пособие, ориентированное на практические потребности.
Для инженеров — проектировщиков и эксплуатационников, программистов систем управления и/или систем реального времени, руководителей (менеджеров) проектов и студентов соответствующих специальностей.
Оглавление
Список сокращений 13
Предисловие авторов к русскому изданию 19
Предисловие к первому (английскому) изданию 22
Сведения об авторах 25
Предисловие переводчика 26
Предисловие редактора перевода 29
1. Введение 31
1.1. Роль вычислительной техники в управлении процессами.........................31
1.2. Исторический обзор..................................................................................................34
1.3. Понятие системы........................................................................................................37
1.4. Примеры типичных приложений цифрового управления.........................39
1.5. Руководство для читателя.......................................................................................41
2. Особенности цифрового управления процессами 45
2.1. Управление процессом в реальном времени....................................................45
2.1.1. Пример — пресс для пластика..................................................................................46
2.1.2. Управление на основе последовательного программирования....................47
2.1.3. Управление на основе прерываний........................................................................49
2.2. Примеры задач управления процессами............................................................51
2.2.1. Управление последовательностью событий и бинарное управление.........52
2.2.2. Простой контур управления — регулятор температуры.................................53
2.2.3. Генерация опорного значения..................................................................................54
2.2.4. Системы, содержащие несколько контуров управления................................55
2.2.5. Взаимосвязанные системы........................................................................................55
2.2.6. Критичные по времени процессы...........................................................................56
2.2.7. Свойства процессов, усложняющие управление...............................................56
2.3. Особенности систем цифрового управления...................................................59
2.4. Модельные примеры.................................................................................................6е*
2.4.1. Модельный пример 1 — управление системой электропривода...................63
2.4.2. Модельный пример 2 — биологическая очистка сточных вод
(процесс активированного отстоя).........................................................................64
2.5. Заключение...................................................................................................................66
3. Описание и моделирование систем 67
3.1. Модели, применяемые в управлении..................................................................68
3.1.1. Типы моделей................................................................................................................68
3.1.2. Масштаб времени динамических моделей...........................................................70
3.1.3. Моделирование динамических систем..................................................................71
3.1.4. Моделирование дискретных событий...................................................................72
3.2. Основы моделирования динамических систем...............................................72
3.2.1. Механические системы..............................................................................................72
3.2.2. Электромагнитные цепи............................................................................................75
3.2.3. Баланс массы.................................................................................................................81
3.2.4. Уравнения сохранения энергии..............................................................................85
3.3. Непрерывные модели динамических систем...................................................86
3.3.1. Описание систем во временной и частотной областях — исторический обзор.....................................................................................................86
3.3.2. Уравнения состояния..................................................................................................87
3.3.3. Описание линейной системы в пространстве состояний................................89
3.3.4. Описание в виде отношений входных
и выходных переменных............................................................................................91
3.3.5. Область применения линейных моделей.............................................................94
3.3.6. Нелинейные системы..................................................................................................95
3.3.7. Численное моделирование динамических систем.............................................97
3.4. Дискретные модели динамических систем.....................................................100
3.4.1. Описание в пространстве состояний...................................................................100
3.4.2. Отношения вход/выход и оператор сдвига.......................................................101
3.5. Управляемость, оценка и наблюдаемость.......................................................105
3.5.1. Управляемость............................................................................................................105
3.5.2. Оценка состояния на основе измерений.............................................................106
3.6. Системы с неопределенностью............................................................................НО
3.6.1. Оценка состояния при стохастических возмущениях...................................111
3.6.2. Нечеткие системы......................................................................................................113
3.7. Комбинационные и последовательностные сети..........................................115
3.8. Заключение.................................................................................................................118
4. Входи выход физических процессов 121
4.1. Компоненты интерфейса между процессом
и управляющим компьютером.............................................................................122
4.1.1. Датчики..........................................................................................................................122
4.1.2. Исполнительные устройства (механизмы).......................................................123
4.1.3. Полоса пропускания и шум....................................................................................124
4.1.4. Передача измерительных сигналов......................................................................125
4.2. Характеристики датчиков.....................................................................................125
4.2.1. Погрешность и точность..........................................................................................126
4.2.2. Динамические характеристики датчиков...........................................................128
4.2.3. Статические характеристики датчиков..............................................................129
4.2.4. Влияние нелинейности............................................................................................130
4.2.5. Характеристики импедансов..................................................................................130
4.2.6. Подбор входных и выходных импедансов.........................................................131
4.3. Бинарные и цифровые датчики...........................................................................132
4.3.1. Датчики положения...................................................................................................133
4.3.2. Пороговые датчики....................................................................................................135
4.3.3. Индикаторы уровня..................................................................................................135
4.3.4. Цифровые и информационно-цифровые датчики..........................................136
4.4. Аналоговые датчики................................................................................................137
4.4.1. Датчики движения.....................................................................................................137
4.4.2. Датчики силы, момента и давления.....................................................................140
4.4.3. Датчики приближения..............................................................................................149
4.4.4. Датчики температуры...............................................................................................143
4.4.5. Измерение расхода....................................................................................................145
4.4.6. Химические и биохимические измерения..........................................................150
4.5. Согласование и передача сигналов....................................................................151
4.5.1. Согласование сигналов в цепях
с операционными усилителями.............................................................................151
4.5.2. Электрические проводники....................................................................................153
4.5.3. Электрические помехи.............................................................................................156
4.5.4. Сигнальное заземление............................................................................................160
4.5.5. Выбор носителя сигнала: напряжение или ток................................................162
4.5.6. Передача оптических сигналов..............................................................................164
4.6. Бинарные (двухпозиционные) исполнительные механизмы..................165
4.6.1. Управляемые выключатели....................................................................................165
4.6.2. Отключение индуктивных нагрузок....................................................................167
4.7. Исполнительные механизмы с электроприводом........................................168
4.7.1. Усилители мощности................................................................................................169
4.7.2. Управление позиционированием и скоростью приводов.............................170
4.7.3. Шаговые двигатели...................................................................................................172
4.7.4. Двигатели постоянного тока..................................................................................173
4.7.5. Асинхронные и синхронные двигатели..............................................................174
4.8. Управляющие клапаны..........................................................................................175
4.9. Заключение.................................................................................................................177
5. Обработка сигналов 179
5.1. Дискретизация аналоговых сигналов...............................................................179
5.1.1. Ввод аналоговых сигналов в компьютер............................................................179
5.1.2. Мультиплексоры........................................................................................................180
5.1.3. Дискретизация сигналов..........................................................................................181
5.1.4. Определение интервала дискретизации.............................................................183
5.2. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов....................................189
5.2.1. Цифро-аналоговое преобразование....................................:................................189
5.2.2. Аналого-цифровое преобразование.....................................................................190
5.3. Аналоговая фильтрация.........................................................................................194
5.3.1. Фильтры низкой частоты первого порядка.......................................................194
5.3.2. Фильтры низкой частоты высоких порядков...................................................197
5.3.3. Фильтры высокой частоты .....................................................................................199
5.4. Цифровая фильтрация...........................................................................................202
5.4.1. Общая структура цифровых фильтров...............................................................202
5.4.2. Цифровые фильтры низкой частоты...................................................................202
5.4.3. Цифровые фильтры низкой частоты высоких порядков..............................207
5.4.4. Цифровые фильтры высокой частоты................................................................209
5.5. Основы обработки измерительной информации.........................................211
5.5.1. Достоверность исходных данных и аварийная сигнализация.....................212
5.5.2. Масштабирование и линеаризация......................................................................213
5.5.3. Другие операции обработки данных....................................................................213
5.5.4. Структура данных для обработки измерений..................................................214
5.6. Заключение.................................................................................................................215
6. Структуры управления 217
6.1. Аналоговые (непрерывные) и дискретные регуляторы.............................218
6.1.1. Квантование сигналов..............................................................................................218
6.1.2. Проектирование аналоговых и дискретных регуляторов.............................218
6.2. Релейное управление..............................................................................................219
6.3. Аналоговые регуляторы.........................................................................................221
6.3.1. Простые регуляторы.................................................................................................221
6.3.2. Упреждающее управление по опорному значению........................................222
6.3.3. Обобщенный регулятор...........................................................................................224
6.3.4. Упреждающее управление по изменению нагрузки и возмущению.........227
6.3.5. Основные принципы разработки структур управления...............................230
6.4. Аналоговый ПИД-регулятор................................................................................232
6.4.1. Основное уравнение ПИД-регулятора...............................................................232
6.4.2. Дифференцирование измерительного сигнала................................................235
6.4.3. ПИД-регулятор как каскад регуляторов............................................................236
6.4.4. П№-регулятор.............................................................................................................237
6.4.5. Другие виды параметризации ПИД-регулятора.............................................237
6.5. Реализация ПИД-регулятора...............................................................................238
6.5.1. Дискретная модель ПИД-регулятора..................................................................238
6.5.2. Определение частоты выборки в системах управления................................241
6.5.3. Ограничение управляющего сигнала..................................................................242
6.5.4. Предотвращение интегрального насыщения....................................................242
6.5.5. Плавный переход при изменении режима работы регулятора...................246
6.5.6. Ограничение скорости изменения управляющего сигнала..........................247
6.5.7. Вычислительные особенности алгоритма ПИД-регулятора.......................248
6.5.8. Алгоритм ПИД-регулятора....................................................................................249
6.5.9. Применение проблемно-ориентированного блочного языка......................251
6.6. Управляющие структуры, основанные на ПИД-регуляторах.................252
6.6.1. Каскадное управление..............................................................................................252
6.6.2. Селективное управление.........................................................................................254
6.7. Границы применения ПИД-регуляторов........................................................255
6.7.1. Временные задержки.................................................................................................256
6.7.2. Системы со сложной динамикой...........................................................................259
6.7.3. Предсказуемые изменения параметров —
табличное управление усилением........................................................................259
6.7.4. Неизвестные изменения параметров —
самонастраивающееся управление.......................................................................260
6.7.5. Системы с несколькими входами и выходами..................................................261
6.8. Обобщенный линейный дискретный регулятор...........................................261
6.8.1. Описание обобщенного регулятора
с помощью оператора сдвига..................................................................................262
6.8.2. Свойства обобщенного регулятора......................................................................263
6.8.3. Частные случаи обобщенного дискретного регулятора................................266
6.8.4. Критерии качества дискретного регулятора.....................................................269
6.9. Реализация обобщенного дискретного регулятора.....................................269
6.9.1. Пересчет параметров.................................................................................................270
6.9.2. Предотвращение интегрального насыщения
обобщенного дискретного регулятора.................................................................270
6.9.3. Плавный переход от ручного управления к автоматическому...................271
6.9.4. Вычислительные особенности алгоритма
обобщенного регулятора..........................................................................................271
6.9.5. Алгоритм обобщенного регулятора.....................................................................272
6.10. Обратная связь по переменным состояния..................................................275
6.11. Заключение..............................................................................................................277
7. Комбинационное и последовательностное управление 279
7.1. Основы теории переключательных схем.........................................................280
7.1.1. Обозначения................................................................................................................280
7.1.2. Основные логические элементы............................................................................28