книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

щим образом. В исходном состоянии Х0.с.= 0, триггеры 77 и Т2 в состоянии 0, и сигнал F [jTs] через схему совпадения И1 поступит на выход ФСУ без изменения, т. е. Fk [/Ts] = F [jTs]. Если в /-м такте также формируется Х0.с = 1 (необходимо вычесть один квант энер­ гии), то триггер'.Т2 установится в 1 и прохождение ближайшего сигна­ ла через И2 заблокируется. По*окончании сигнала триггер Т2 уста­

новится в 0 (см. временные диаграммы FJ [/TJ на рис. 4.8, в для им­

Т1 устанавливается в 1 и сигнал на выходе И1 примет значение 1 толь­ ко в ближайшем к рассматриваемому такту работы ФСУ без комму­ тации кванта энергии (т. е. в ближайшем нулевом разряде слова F). При

Поскольку при выдаче Х0.с схема корректора автоматически уста­ навливается в исходное положение, то следующая коррекция работы ФСУ возможна только после формирования новых значений Хос (им­ пульсы 2 и 6 на рис. 4.8, в). В любом случае коррекция выходного па­ раметра производится лишь при условии равенства просуммирован­ ного за несколько тактов Т5 изменения импульсной мощности значе­ нию Р 0.

Возможно создание цепей коррекции непосредственно в структуре ФСУ. Наиболее удобно это использовать при применении преобразо­ вателей измеряемого. параметра в частоту импульсов с их последую­ щей обработкой в ФСУ.

В качестве узла коррекции 11 рода можно использовать схему, изоб­ раженную на рис. 4.8, а, в которой, ключ 5/1 управляется на каждом такте .с коммутацией единичным разрядом слова F, а для представле­ ния Хос в цифровом виде в качестве нуль-органа используется преоб­ разователь напряжение — код. Для нормального функционирования схемы необходимо соответствующее масштабирование сигнала Хос с учетом диапазона изменения контролируемого параметра и точности его измерения.

Например, при точности измерения импульсной мощности за вре­ мя 7’р, равной 10 %, и диапазоне изменения среднего значения мощ­ ности импульса — 40 % диапазон изменения выходного сигнала может составлять от 6 до 14 единиц. Для масштабирования Хос выходной

Дискретность преобразования в код должна соответствовать точности измерения контролируемого параметра.

151

4.6. Формирователи сигнала управления для ИО электронных регуляторов

с низкочастотным импульсным управлением

Формирователь сигнала управления, входящий в состав схемы управления электронным регулятором (рис. 1.2), служит для прёобразования суммарного сигнала управления Х у ± Х ох, заданного в циф­ ровом виде, в последовательность импульсов управления F, синхрон­ ных с сетевыми напряжениями и распределенных внутри периода регулирования по требуемому закону.

Суммарный сигнал управления состоит из собственного сигнала управления Х у, определяющего уровень выходного параметра ЭР, и сигнала обратной связи Х0.с. используемого для коррекции выходно­ го параметра в течение интервала Тр. Если значение сигнала Х у по­ стоянно в течение Тр, то сигнал Х0.с может принимать несколько зна­ чений за этот интервал времени в зависимости от способа коррекции выходного параметра.

В общем виде ФСУ можно представить конечным автоматом, на входы которого поступают сигналы управления Х у, обратной связи

Структура такого автомата и условия его переходов в последующие состояния на каждом из тактов работы Ts определяются требуемым законом распределения сигнала Х у ± Х ол по интервалу Тр, состоя­ щему из N тактов длительностью Ts каждый в соответствии с уравне­ нием (2.54). При реализации способов ШИУ — НЧ и ЧСИУ — НЧ значение N постоянно, а для ЧИУ — НЧ и комбинированного управ­ ления изменяется в зависимости от сигнала Х у ± Х0.с. В дальнейшем основное внимание будет уделено принципам построения ФСУ для способов управления с постоянным интервалом Тр, т. е. постоянном значении N, которое определяет минимальную величину дискретности управления 1IN.

На основании сказанного следует, что ФСУ с постоянным интерва­ лом Тр служат для преобразования аналогового или дискретного сиг­

меньше наибольшего значения суммарного сигнала управления. Зна­ чение fi = 1 соответствует подаче в нагрузку кванта энергии в момент ;Т , а значение /у = 0 — отсутствию кванта в этот момент.

Для способов низкочастотного управления формирователь сигна­ ла управления представляет собой управляемый делитель частоты (УДЧ), который делит частоту импульсов синхронизации, вырабатывае­ мых схемой синхронизации СС в моменты перехода сетевого напряже­

152

Рис. 4.9

где Дых = F\ /пх = 1/7,; k — коэффициент деления, представляющий собой отношение X y/N, равен глубине регулирования у. Величина k представляет собой правильную дробь, изменяющуюся от нуля до единицы при изменении сигнала управления Х у ± Хж от 0 до 1 с дискретностью 1/N.

В качестве основных характеристик ФСУ используют: закон рас­ пределения квантов энергии по тактам интервала повторения, т. е. способ реализации функции (4.74); вид представления сигналов Х у и Хос'* основное уравнение функционирования, отражающее принцип, на базе которого реализуется данный тип ФСУ; характеристику вход — выход, связывающую число импульсов на входе и выходе устройства; положительную е+ и отрицательную е~ погрешности работы ФСУ; универсальность, характеризующуюся рядом возможных значений N: степень централизованиости использования ФСУ для нескольких ре­ гуляторов; функциональный состав используемой для реализации ФСУ элементной базы и уровень интеграции ее элементов.

Классификация возможных схем ФСУ на основе перечисленных признаков показана на рис. 4.9. Согласно этой классификации все типы ФСУ делятся на две группы: схемы с параллельно-последователь­ ным (позиционные) и последовательным (алгоритмические) преобра­ зованием сигнала управления Х у в последовательность импульсов для каждого из тактов Ts периода регулирования Т?.

Формирователи параллельно-последовательного преобразования де­ лятся на схемы с преобразователем кодов и схемы с генераторами ве­ совых последовательностей. Первый тип ФСУ выполняется на основе классических комбинационных схем, реализующих требуемое преоб­ разование сигнала управления в соответствующее ему значение сло­ ва F, в соответствии с выбранной функцией (4.74). Для последующего

153

преобразования параллельного слова F в последовательное синхрон­ но с тактами Ts служит N-разрядный регистр сдвига, информационные входы которого поразрядно соединяются с выходами комбинационной схемы; а на тактовый вход подаются импульсы такта. При большой раз­ рядности п слова F такие схемы оказываются довольно громоздкими, что является их недостатком.

Преобразование сигналов Х у ± Хос в слова F может быть выполне­ но и на основе постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) соот­ ветствующей емкости, в которое должны быть записаны все значения слова F. Адресом выборки требуемого значения F будет служить зна­ чение сигнала управления. Применяемое ПЗУ должно быть рассчитано на хранение N (Хутах — X ymin) бит двоичной информации; аппара­ турные затраты такой схемы ниже, чем предыдущей, за счет упроще­ ния ПЗУ по сравнению с комбинационной схемой той же разрядности, однако значение N ограничивается разрядностью выходного кода ПЗУ.

Дэстоинствами ФСУ обоих типов являются высокая скорость пре­ образования информации и универсальность структуры, позволяющие использовать эти схемы в системах многоканального управления элек­ тронными регуляторами как узлы общего пользования, недостатками — большой объем памяти и сложность комбинационных схем при боль­ ших значениях N.

Формирователи сигналов управления параллельно-последователь­ ного типа с генераторами весовых последовательностей существенно проще рассмотренных выше схем, в особенности при большой разряд­ ности слова N. Однако они менее универсальны с точки зрения реали­ зуемых функций преобразования и не всегда обеспечивают распределе­ ние единичных разрядов по тактам с достижением наилучших режимов работы ЭР. В первую очередь это относится к показателям качествен-. ных характеристик регуляторов, в рассматриваемых ФСУ, как прави­ ло, не достигается минимум критериев вида (2.54) и (2.56). Однако отклонения от оптимальных законов распределения достаточно не­ велики, что в сочетании с существенной простотой этих ФСУ не препятствует их широкому распространению в схемах управления.

Принцип построения этих ФСУ состоит в том, что из основной час­ тоты /вх формируется п последовательностей несовпадающих во вре­ мени импульсов, частоты которых кратны друг другу с коэффициентом

Каждая из них занимает на временной оси определенную позицию, и ее присутствие в суммарном выходном сигнале/вых зависит от значения кода сигнала управления Х у db Х 0шС:

где xQ, xlt ..., *(„_и — значения кода X y в соответствующем разряде. Основание деления L определяет принцип формирования i-x час­ тот, по которому ФСУ этого типа делятся на двоичные (при L = 2),

154

десятичные (при L = 10) и комбинированные: двоично-десятичные (при L = 2 • 10) и произвольные (при L = М, где М — произвольное целое число). На рис. 4.10 показаны примеры временных диаграмм, иллюстрирующих принцип формирования позиционных частот дйя двоичного (рис. 4.10, а) и десятичного (рис. 4.10., б) ФСУ при W = 2s и N = 101 соответственно.

ФСУ последовательного действия делятся на схемы с динамическим определением коэффициента деления и схемы с пошаговым вычислением функции F [/Т5]. В первом такте Т5 для каждого периода регулиро­ вания Тр определяется с точностью до ближайшего большего числа коэффициент деления k. Остаток от деления учитывается в следующем цикле вычислений. Во втором типе ФСУ вычисление функций F [/Ts] производится на каждом шаге Т5, т. е. N раз в течение Тр в соответ­ ствии с алгоритмом принятия решения, соответствующим требуемому закону распределения квантов. Вычисление функции F f/TsJ или зна­ чения k мбжет выполняться с помощью универсальных или специали­ зированных вычислителей. В качестве универсального вычислитель­ ного устройства может использоваться любой вычислитель (микроЭВМ, микропроцессорное устройство и т. д.), работающий в реальном масштабе времени с прерываниями. При этом вычисление алгоритма принятия решёния или функции вида (4.74) может рассматриваться для него как вспомогательная задача, поскольку частота выдачи раз­ рядов fj не превышает нескольких герц или десятков герц, а время на вычисление составляет несущественную часть такта Ts. Оставшееся время такта 'может использоваться для выполнения других вычисли­ тельных операций — например, расчета сигнала обратной связи, син­ хронизации работы группы регуляторов, линеаризации характеристик датчиков и т. д.

155

Специализированные вычислители, как правило, работают для ограниченных наборов однотипных алгоритмов принятия решения и не могут использоваться для вычисления функций иного вида. По­ этому их быстродействие в основном выше. Технической базой таких схем могут быть сумматоры последовательного или параллельного типа, а также множительно-делительные устройства на регистрах сдви­ га. Применение таких схем целесообразно, в автономных регуляторах с небольшой разрядностью числа F, для которых сложность дополни­ тельных устройств сопряжения универсальных вычислителей может значительно превысить сложность первых схем.

Следует отметить, то независимо от вида вычислительного устрой­ ства алгоритм пошагового вычисления функции (4.74) остается оди­ наковым и может быть основан, например, на соотношении вида (2.54), в котором принято значение ^ = 0.

ФСУ на спецвычислителях могут выполняться с накоплением ин­ формации о предшествующих /-му шагу вычислениях в течение периода регулирования Тр и без накопления информации, но с хранением ин­ формации об ошибке вычисления, определяемой дискретностью регу­ лировочной характеристики. Последние существенно проще, так как максимальный объем хранимой в них информации равен N, в то вре­ мя как в ФСУ с накоплением информации — N2.

. По способу технической реализации ФСУ на спецвычислителях могут выполняться на элементах с параллельной обработкой информа­ ции (накапливающих сумматорах) и элементах с последовательной обработкой информации (суммирующих и вычитающих счетчиках). Первые — более быстродействующие, но имеют более сложную схему, вторые работают медленнее, но проще по технической реализации.

Существенное влияние на конструкцию формирователей сигнала управления, особенно входных цепей этих схем, оказывает способ пред­ ставления сигналов управления и обратной связи. Обычным способом представления является параллельное двоично кодированное число, однако могут использоваться и двоично-десятичное, восьмиричное и унитарное кодирования, а также аналоговый сигнал.

Степень централизованности использования ФСУ определяется числом параллельно работающих ЭР или ИО, обслуживаемых одной схемой управления или одним ФСУ. Если несколько регуляторов ра­ ботают независимо друг от друга, то схема ФСУ каждого из них авто­ номна и не оказывает влияния на работу других ЭР. При синхронной работе группы регуляторов (схем ИО) согласованное формирование слов F по каждому из каналов является эффективным приемом повы­ шения качества использования электроэнергии группой ЭР. Д ля реа­ лизации синхронной работы при нескольких автономных ФСУ возни­ кает потребность в дополнительных узлах согласования работы схем управления, увеличивающих сложность систем в целом. Одним из воз­ можных путей снижения сложности управления и является использо­ вание общего ФСУ, обслуживающего группу регуляторов и осуществля­ ющих синхронизацию их работы более простыми техническими реше­ ниями.

Влияние функционального состава применяемой элементной базы

166

и уровня ее интеграции на проектирование ФСУ в основном проявля­ ется в уровне технических затрат на схему конкретного ФСУ и затрат времени на его проектирование в связи с выбором тех или иных серий интегральной микросхемотехники.

4.7. ФСУ позиционного типа на генераторах весовых последовательностей

В основу работы ФСУ этого типа положен принцип разложения сигнала управления Х у на ряд слагаемых, каждое из которых осу­ ществляет управление подачей энергии в нагрузку с минимальными значениями критериев £, в периоде регулирования Тр.

Сигнал управления Х у, представленный в двоичном коде с разряд­

ностью п, для позиционных ФСУ с основанием 2" можно записать в виде

х у = *02° + *,2» + . . . + г '" - 1’.

В соответствии с этим уравнением можно заключить, что сигнал управления Х у состоит из ряда составляющих, отличающихся друг

от друга на весовой коэффициент 2*. Отсюда же легко получить струк­ турную схему ФСУ.

Эта схема состоит из генератора весовых частот (ГВЧ), построенно­ го на основе соединенных последовательно делителей частоты на 2 (счетных триггерах), каждый разряд которых соединен с соответствую­ щей схемой совпадения (логического умножения), на вход которой по­ ступает требуемый разряд сигнала Х у. На вход ГВЧ поступают им­ пульсы такта Ts, а выходы всех схем совпадения объединены схемой ИЛИ (логического сложения), выход которой является выходом ФСУ.

Генератор ГВЧ генерирует ряд импульсных последовательностей, число которых равно количеству разрядов числа N. Частота каждой

последовательности, соответствующей i-му разряду, равна (Ts2n-1)-1 . При суммировании последовательностей тех разрядов, коэффициенты xt которых в числе Х у равны 1, на выходе схемы ИЛИ последователь­ но формируется слово F, содержащее при поступлении на вход N им­ пульсов— TSX у импульсов,

/=1 *•=!

На этом принципе построена например микросхема К155ИЕ8, вы­ полняющая роль управляемого делителя частоты.

Характеристика вход — выход двоичного позиционного ФСУ, по­ казывающая, сколько импульсов формируется на его выходе на соответствущем такте Ts, может быть наиболее удобно представлена в матричном виде [14]:

^ = [Я][М]2 [ХУ],

где [В] — вектор-строка, определяемая двоичным кодом числа так­ товых импульсов Ts, поступивших на вход ГВЧ с момента начала

157

интервала Тр:

[Ху] и [M]2 — вектор-столбец кода Х у и матрица двоичных весовых коэффициентов соответственно равны:

Число выходных импульсов F позиционного ФСУ определяется как сумма всех значений матрицы [М]2, полученных на пересечении еди­ ничных значений bt и xt.

Например, для шестиразрядного ФСУ (п = 6) с исходными дан­ ными Ху = 41 и числом импульсов на входе ФСУ b = 21 число им­ пульсов F на выходе ФСУ равно:

В соответствии с принятой методикой первоначально определяется сумма элементов отмеченных строк (начиная сверху), находящихся на пересечении с отмеченными столбцами, затем результаты суммиру­ ются (F = 0 + 3 + 11 = И).

Максимальную положительную и отрицательную погрешности ра­

В случае, если сигнал управления представляется в двоично-де­ сятичном коде, используются позиционные ФСУ с основанием 10", Схемы таких ФСУ удобно строить на двоично-десятичных счетчиках.

158

На рис. 4.11 показаны схема такого ФСУ и временные диаграммы его работы.

Уравнение функционирования десятичного позиционного ФСУ име­ ет вид

В этом уравнении член в квадратных скобках характеризует чис­ ло импульсов, вычитающееся из 24, для формирования основания 10 из двоичного кода, что достигается совмещением во времени импуль­ сов последовательности 23 с импульсами последовательностей 2°, 21 и 22 (рис. 4.10, б).

Характеристика вход — выход десятичных ФСУ может быть за­ писана аналогично двоичным ФСУ

Вектор-столбец сигнала управления [Ху]10 принимает значение 1 на соответствующих номерах десятичных кодов, например при Х у = = 35 единице равны хь и хю-з-

Число выходных -импульсов F10 определяется суммированием всех значений матрицы [М]10, полученных на пересечении единичных зна­ чений bt и х{.

Погрешности и быстродействие десятичных УДЧ несущественно отличаются от двоичных в силу общности их принципов построения.

159

Двоично-десятичные УДЧ строятся как комбинация двух рассмот­ ренных типов УДЧ с целью расширения их универсальности. В ос­ нове их работы лежит принцип распределения импульсов внутри де­ сятичного разряда по закону десятичного УДЧ, а импульсов переноса в старший разряд — по закону двоичного УДЧ.

Комбинированные УДЧ с произвольной дискретностью строятся по принципу, аналогичному выше рассмотренному. С помощью логичес­ ких схем из последовательности частот, формируемых из основной с коэффициентом 2, составляется логическая матрица, выходные пара­ метры которой, как и для рассмотренных случаев, определяются ко­ дом сигнала управления и величиной дискретности. Их динамические характеристики аналогичны рассмотренным схемам, а универсальность ограничена дискретностью, на которую они рассчитаны. Перестройка на другую дискретность практически исключается.

4.8.ФСУ последовательного типа

Вформирователях с последовательным преобразованием исполь­ зуются принципы потактового сравнения заданного управляющего воздействия (сигнала Х у и реального сигнала управления F) на выходе ФСУ в предыдущем такте работы, т. е. решение о подаче кванта энер­ гии к нагрузке на каждом такте принимается схемой последовательно во времени и зависит от результатов решения на всех предыдущих так­ тах интервала регулирования.

Принцип потактового сравнения соответствует соотношению (2.55) при ii = 0, что обеспечивает минимальные значения критериев и £3 [14]. Функция Ф распределения Х у единиц по N разрядом числа F, соответствующая этому способу, носит название функции подходящих дробей. Частично этот принцип распределения исследовался в п. 2.4,

\6Q