Особенности применения микропроцессорных контроллеров в системах управления

Одним из параметров настройки цифровых систем управления является период квантования Т. Как уже отмечалось ранее, период квантования определяется из условия отсутствия пульсаций квантования в ошибке регулирования, а также требованием обеспечения заданного запаса устойчивости в системе. Кроме того, на выбор периода квантования оказывают влияние параметры аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей. В качестве управляющего устройства в локальных цифровых системах управления часто используются микропроцессоры, являющиеся относительно медленными устройствами. Поэтому период квантования, задаваемый в цифровых системах таймером, зависит также от скорости выполнения процессором арифметических операций и инструкций. Еще одно ограничение, связанное с микропроцессором, — это конечное число разрядов для представления чисел. Большинство дешевых микропроцессоров оперируют с 8-битовыми словами, что обеспечивает только 256 уровней разрешения. Это приводит к тому, что не все числа могут быть реализованы в микропроцессоре. Некоторые особенности применения микропроцессора как контроллера рассмотрим на следующем примере.

Пусть структурная схема микропроцессорной системы автоматического регулирования имеет вид, представленный на рис. 4.62.

Задачей регулирования является поддержание регулируемой величины y (t) объекта управления на заданном значении.

Система состоит из пускателя (ПУ), исполнительного механизма постоянной скорости (ИМ), объекта управления (ОУ), датчика (Д) с аналоговым выходом. Микропроцессор (МП) связан с аналогоцифровым (АЦП) и цифроаналоговым (ЦАП) преобразователями. Ошибка регулирования е (/) формируется как разность сигнала задания s[t) и текущего значения выходного сигнала датчика. Управление исполнительным механизмом постоянной скорости осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя код — временной интервал, формирующего направление и длительность включения исполнительного механизма.

Рис. 4.62. Структурная схема микропроцессорной системы регулирования

Пусть в системе реализуется пропорционально-интегральный (ПИ) закон управления. В п. 4.2.6 получена передаточная функция вычислительного устройства при формировании ПИ-закона регулирования в цифровой системе регулирования (4.53).

Рекуррентное уравнение для вычисления управляющего воздействия |д[АТ], соответствующее ^_By(z), имеет вид.

Вычисление управляющего воздействия по приведенному выражению не производится мгновенно: микропроцессору требуется для этого конечное время, т. е., имея входные данные р[(&-1)7'], е[А:Г],.

е[(А:-1)Г], мы получим результат вычисления управляющего воздействия не в момент времени t = kT, а с некоторой задержкой. Оценить эту задержку можно, просуммировав все временные интервалы, необходимые для выполнения микропроцессором подпрограммы вычисления р[?Г]. Для определенности предположим, что временная задержка на вычисления равна одному периоду квантования Т. Это равносильно введению запаздывания в закон регулирования и появлению дополнительного множителя z"¹ в передаточной функции вычислительного устройства. С учетом этого.

Тогда рекуррентное уравнение для вычисления управляющего воздействия примет вид.

Управляющее воздействие ц[?Г] поступает на ЦАП в моменты времени t = кТ, к = 0,1, 2,…

На рис. 4.63 представлена более детальная функциональная схема системы. Для определения начала очередного периода квантования используется аналоговый программный таймер, который вырабатывает импульс каждые Т секунд. Выходной сигнал таймера используется для двух целей. Во-первых, он поступает на шину прерываний микропроцессора, что приводит к остановке рабочей программы вычисления управляющего воздействия р[?Г] и выполнению программы прерывания (в данном случае это будет программа вывода очередного значения управляющего воздействия р[АТ]). Далее управление поступает в ЦАП, с выхода которого сигнал через усилитель мощности (пускатель) воздействует на исполнительный механизм. Во-вторых, сигнал от таймера по шине управления поступает на устройство выборки и хранения (УВХ), входящее в АЦП. При этом выходной сигнал x (t) датчика.

(Д) квантуется по времени и «замораживается» в течение одного периода квантования Т. Затем АЦП квантует значение «замороженного» сигнала по уровню (по амплитуде) и кодирует полученный сигнал соответствующим двоичным кодом. На все это требуется определенное время. Как только дискретные данные на выходе АЦП готовы, АЦП сообщает об этом (по шине готовности данных) микропроцессору. Шина готовности данных может быть соединена с шиной прерывания микропроцессора (на рисунке не показано), и по сигналу с АЦП значение величины х[кТ] в виде двоичного числа поступает в процессор по шине данных.

После вычисления следующего значения |д[АТ] процессор ожидает очередного сигнала с таймера для вывода вычисленного управления. Затем все повторяется.

Рис. 4.63. Функциональная схема микропроцессорной системы регулирования

Для того чтобы микропроцессор успевал произвести вычисление очередного значения сигнала регулирования р[АТ], необходимо выбрать соответствующую частоту прерываний таймера, а для этого нужно оценить время, требуемое микропроцессору на вычисления. Время вычисления может быть определено из анализа программы, реализующей соответствующий закон управления, с учетом возможного выполнения подпрограмм, которые могут быть вызваны из любого пакета функциональных задач. Программа, как известно, состоит из набора команд, которые требуют для своего выполнения определенного количества машинных циклов. Каждый машинный цикл, в свою очередь, требует определенного количества машинных состояний. Время выполнения микропроцессором конкретной команды пропорционально общему числу машинных состояний, через которые проходит микропроцессор при выполнении этой команды, и может быть найдено в соответствующих справочниках по данному микропроцессору. Учитывая эту информацию, можно найти общее время, требуемое для выполнения программы: для этого анализируют всю программу от команды к команде, суммируя количество машинных состояний и время их выполнения.