3.6.2.Особенности прохождения непрерывного сигнала в цифровых системах.
В настоящее время применяются преимущественно цифровые ИС, что вызвано как постоянным повышением требований к таким системам, так и стремительным ростом возможностей цифровой вычислительной техники.
Несмотря на то, что в цифровых системах происходит некоторая потеря информации ввиду прерывистого характера ее передачи, они имеют ряд преимуществ перед непрерывными.
Особенно характерно это для цифровых систем управления, в которых контролируемые и управляемые процессы имеют в основном аналоговый характер. В большинстве таких систем циркулируют как аналоговые, так и цифровые сигналы. Поэтому необходимо преобразование сигналов, обеспечивающее взаимодействие цифровых и аналоговых элементов системы.
При этом информационная или управляющая система содержит процессор, аналогово-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи. ЦАП, или декодер - это устройство, преобразующее цифровой код в аналоговый сигнал (операция декодирования цифровых входных данных). АЦП - это устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код. Если характеризовать эти устройства только функцией передачи информации, их можно описать с помощью структурных схем и передаточных функций.
рис. 3.7
На рис. 3.7 показана укрупненная схема такого типа. Если в схеме управления входным сигналом является цифровой код, то она состоит из цифровой ЭВМ, ЦАП, управляемого объекта (процесса) и АЦП.
ЭВМ преобразует входной сигнал в цифровой управляющий сигнал в соответствии с алгоритмом, заложенным в программу. ЦАП преобразует цифровой код ЭВМ в аналоговый сигнал, который воздействует на управляемый процесс. АЦП преобразует выходной сигнал управляемого процесса в последовательные импульсы.
Если применяется аналоговый вход и аналоговый выход, то используется схема, приведенная на рис. 3.8.
В современной технике управления и обработки информации цифровые системы обладают следующими главными преимуществами:
1. Повышенной чувствительностью, высокой надежностью, отсутствием дрейфа, высокой помехоустойчивостью.
2. Небольшими габаритами и массой.
3. Низкой стоимостью, удобством при программировании.
4 Высокой гибкостью по сравнению с аналоговыми системами, которая заключается в возможности изменения алгоритма преобразования информации без каких-либо изменений в аппаратных средствах системы.
5. Возможностью работы в режиме разделения времени.
Рис. 3.8
ЭВМ в цифровой системе управления работает в режиме реального времени. Систему обработки данных в режиме реального времени можно определить как систему, получающую исходные данные и выдающую результаты с такой скоростью, которая обеспечивает своевременную реакцию системы на изменения, происходящие во внешней среде. Время ответа управляющей ЭВМ должно соответствовать времени регулирования управляемого процесса:
Рис. 3.9
На рис. 3.9 представлена схема, имитирующая прохождение непрерывного сигнала через ЦВМ, включенную в информационную систему.
Составные элементы этой схемы:
ключ (КЛ), или импульсный элемент, преобразующий непрерывный сигнал в дискретный (дискретизатор);
аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий амплитуду дискретного сигнала в цифровой код;
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
экстраполятор (Э).
Дискретный сигнал на выходе ключа может принимать любое значение в заданном амплитудном диапазоне. Далее сигнал поступает в ЭВМ в цифровой бинарной форме со скоростью, соответствующей интервалу дискретизации по времени, для обработки по заданному алгоритму. После ЭВМ цифровой сигнал трансформируется преобразователем цифра-аналог в дискретно-аналоговую форму. Наконец, экстраполятор приводит сигнал к аналоговому непрерывному виду, форма которого определяется характеристиками экстраполятора.
Влияние на динамику имеют лишь три из перечисленных элементов: ключ, ЭВМ и экстраполятор, а характеристики АЦП и ЦАП обычно не влияют на математическое описание системы, поэтому схему рис. 3.10 можно упростить. На рис. 3.4 представлена динамически эквивалентная ей схема.
рис. 3.10
В дальнейшем предполагается, что анализ схемы с ЦВМ справедлив при следующих ограничениях:
Шаг дискретности Т0 постоянен.
Запаздыванием, создаваемым процессом вычисления в ЭВМ, можно пренебречь.
ЭВМ выполняет любую линейную операцию (дифференцирование, интегрирование, упреждение, запаздывание, решение дифференциальных и интегральных уравнений и т.д.).
ЭВМ работает в реальном времени.
ЭВМ может использовать настоящую и прошлую, но не будущую информацию (принцип физической осуществимости).
ИС с помощью ЦАП дискретизирует сигнал по времени и квантует по уровню. Можно показать, что квантование по уровню создает на выходе ошибку второго порядка малости по сравнению с эффектом от дискретизации по времени (ошибку квантования по уровню можно считать некоторым возмущающим воздействием) В связи с этим при дальнейшем рассмотрении динамики системы квантованием по уровню можно пренебречь.