1.1.4 Управляющее устройство
В управляющем устройстве (УУ, рис. 1.14) на основе информационных сигналов y^(t) о состоянии объекта управления и априорной информации y*(t) о желаемых свойствах ОУ вырабатываются сигналы управления u(t).
Рис. 1.14. Обозначение управляющего устройства на структурной схеме
Правило (алгоритм) преобразования информационных сигналов в сигналы управления называется законом управления. Одной из главных задач ТАУ как раз и является формирование законов управления. В качестве управляющих устройств используются программируемые контроллеры или компьютеры.
Использование цифровых управляющих устройств в качестве блока САУ влечет за собой определенные особенности ввода и вывода информации. При вводе текущей информации электрические сигналы (аналогового типа) от датчика масштабируются с помощью усилителей к требуемому диапазону, затем преобразуются в АЦП в кодированную последовательность импульсов и вводятся в память. Результат обработки информации по соответствующим программам в виде цифрового кода поступает на ЦАП, на выходе которого формируется аналоговый сигнал соответствующего напряжения.
Как правило, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — электронное устройство, преобразующее аналоговый сигнал (напряжение как непрерывную функцию времени) в двоичный цифровой код. Важными характеристиками АЦП являются разрешение и разрядность. Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП. Обычно измеряется в вольтах, поскольку для большинства АЦП входным сигналом является электрическое напряжение. Разрешение напрямую зависит от разрядности АЦП.
Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе; измеряется в битах. Например, АЦП с разрядностью 8 бит, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку 28 = 256.
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений. Например, при диапазоне входных значений от −10 до +10 В и разрядности АЦП 14 бит (214 = 16384 уровней квантования) получаем разрешение по напряжению (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 В = 1,22 мВ.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток или напряжение). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретной (числовой) информацией и непрерывными (аналоговыми) сигналами. Наиболее важными характеристиками ЦАП являются разрядность и максимальная частота дискретизации.
Разрядность определяет количество различных уровней выходного сигнала, которые ЦАП может воспроизвести. Задается в битах. Например, однобитный ЦАП способен воспроизвести два (21) уровня, а восьмибитный — 256 (28) уровней.Таким образом, количество уровней равно 2 в степени разрядность.
Максимальная частота дискретизации — максимальная частота работы ЦАП, на которой он выдает корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для правильного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была, по крайней мере, в два раза выше максимальной частоты в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц, в компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц.