книги из ГПНТБ / Филимонов Г.А. Основы цифровых устройств систем управления учебное пособие
.pdfВОЕННО-МОРСКАЯ ордена ЛЕНИНА АКАДЕМИЯ
Г.А.ФИЛИМОНОВ
OCHOBIJ ЦЖРОВНХ УСТРОЙСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Одобрено ученым советом ^ факультета в качестве учебного пособия для слушателей Академии
i'i.-нинград
I 9 6 H
Г О С . П У Б Л И Ч Н А Я
Ь'.'у |
Е Х Н П |
Ч Е С К А Я |
Е Б Л П О Т Е К А |
С С С Р |
шъ
Литературный редактор М.А.Сергеева Технический редактор Н.Ф.Семенова
К о р р е к т о р Е.Д.Смирнова
Типография ВМОЛА
Поступило в производство |
Подписано в печать |
13.10,1964 г . |
12.12.1964 г . |
Заказ 490 |
ГМ-493540 |
Печ.лист.29,5 + 3 вклейки |
ВВ Е Д Е Н И Е
Внастоящее время цифровая техника начинает широко внедряться в системы автоматического управления различны ми военными, промышленными и научными объектами. Это объяс няется прежде всего возможностью получения любой практиче ски необходимой точности вычислений с помощью универсаль ных или специализированных вычислительных машин, включенных
всистему управления. К тому же большим преимуществом та ких машин является способность выполнять кроме арифметиче ских и логические операции. Следует также отметить удобст во регистрации данных и хранение информации, представлен - ной в цифровой форме.
Если цифровая вычислительная машина или счетно-решаю щее устройство применяется в системе, в состав которой входят объекты, использующие информацию в непрерывной фор ме, возникает задача связЦ >дежду этими двумя типами устройств. Таким связывающим звеном являются преобразовате ли информации из аналоговой /непрерывной/ формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. Первую группу устройств называ ют преобразователями аналог-код. Эти устройства служат для преобразования исходной аналоговой величины в соответствую щий ей код, который поступает в цифровую машину для выпол нения арифметических или логических операций.Вторую группу устройств называют преобразователями код-аналог. Они необ ходимы для создания выходной аналоговой величины, соответ ствующей коду, поступившему из цифровой машины в качестве результата решения задачи на вход преобразователя.
При преобразовании аналоговой величины в цифровой код исходная аналоговая величина часто подвергается многократ ному преобразованию из одной аналоговой формы в другую.Эти промежуточные преобразования выполняются для облегчения вы явления, передачи или запоминания информации. В преобразо вателях код-аналог выходная величина также несколько раз
3
преобразуется, |
пока не |
будет |
выражена |
в форме, |
наиболее |
|
подходящей для |
использования |
в |
оконечных |
устройствах си |
||
стемы. |
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим |
типовые |
примеры |
использования |
цифровой |
||
техники в автоматических |
системах. |
|
|
Известно, что линия связи значительно упрощается, ес ли по ней передавать вместо л?прерывных сигналов дискрет ные, выраженные в виде импульсов. Поэтому еще до появ ления цифровых машин в телеметрических системах применя лись преобразователи аналог-код. В системах телеуправле ния, у которых команда может быть выражена в виде непре рывной величины, используются оба вида преобразователей: аналог-код и код-аналог.
На рис.1 показана блок-схема системы телеуправления. Задающий сигнал управления в виде непрерывной величины по ступает на преобразователь Н/Ц и оттуда уже в виде цифро вого кода поступает в линию связи. С приемника линии свя зи цифровой код подается на преобразователь Ц/Н, дающий на выходе такую непрерывную величину, которая по своему харак теру наиболее подходит для использования в управляемом объекте УО. Результат отработки сигнала снимается с выхода датчика Д также в виде аналоговой величины и через пре образователь Н/Ц линии связи и преобразователь Ц/Н переда ется обратно в пункт управления. Этот простейший пример ха рактерен тем, что показывает использование цифровых устройств в системах, где нет цифровых вычислительных машин.
Примером более сложной системы управления с использо ванием цифровой техники может служить разомкнутая система программного управления. Часто бывает необходимо, чтобы уп равляемый объект выполнил большую программу перемещений или действий. В такой программе содержится много данных, заданных с высокой точностью. Это создает большие, а иног да и неразрешимые трудности записи программы в аналоговой форме. Поэтому программа задается в цифровой форме и нано сится на магнитные ленты или перфоленты. Содержимым про
4
граммы является координаты объекта и параметры его движе ния для дискретных точек пути или дискретных моментов вре мени. Цифровые сигналы, считанные с программы после неко
торых преобразований из цифрового |
кода в |
число |
- |
импульс |
ный, через схему управления поступает на |
исполнительный |
|||
двигатель /р и с .2 /. Этот двигатель |
одновременно |
|
выполняет |
роль преобразователя унитарного кода в угол поворота выход
ного вала.
Б некоторых случаях количество хранимой информации мо
жет быть сильно |
уменьшено, если для управления перемещени |
||
ем использовать |
не текущие координаты, а только координа |
||
ты исходной |
точки и данные о законе перемещения, |
например |
|
о величине |
скорости и ускорения. В этих случаях |
система |
управления строится так, чтобы в ней запоминались и сумми ровались поступающие на вход сигналы, выражающие прираще ния соответствующих величин.
Однако во многих случаях разомкнутые системы ЦПУ не могут обеспечить требований высокой точности и гибкости, предъявляемых к современным системам управления. В связи с этим.созданы замкнутые цифровые системы управления, име ющие обратную связь, охватывающую всю систему.
Исходными сигналами, определяющими положение управля емого объекта, являются команды в цифровой форме, поступа ющие на цифровую машину извне или хранящиеся в запоминаю щем устройстве самой машины. Одновременно в машину посту пают сигналы обратной связи от датчиков, характеризующие фактическое положение управляемого объекта. Поскольку дат чики, как правило, выдают непрерывные сигналы, то они пред варительно проходят через преобразователь аналог-код. В ре зультате сравнения кодов чисел, соответствующих обоим сиг налам, цифровая машина вырабатывает сигнал ошибки, с выхо да машины этот сигнал поступает на преобразователь код-ана лог, а затем уже на органы управления объектом. В качестве примера такой системы можно привести систему автоматичес кого самолетовождения и бомбометания "Диджитак" Л-1 ,
5
блок-схема которой дана на рис.З.
В качестве исходных данных для навигационных вычисле ний в цифровую машину вводятся координаты пункта назначе ния, местоположение самолета, его воздушная скорость гг , высота полета Н и другие величины. Кроме того, в машину вводится фактический курс самолета от компаса К , причем выходной сигнал компаса преобразуется в цифровой код пре образователем Н/Ц.
Вычисленная поправка к курсу вводится в цепь управле ния самолет-компас-автопилот посредством органа, суммирую
щего поправку |
лК |
с сигналом управления, поступившим от |
компаса. Для |
соединения цифровой машины с суммирующим ор |
|
ганом используется |
преобразователь цифрового кода в угол |
поворота вала. К преобразователю предъявляются специфичес кие требования, поскольку поправка к курсу выдается цифро
вой машиной |
через определенные промежутки |
времени |
и |
хра |
|
нится в |
выходном устройстве машины очень |
недолго. |
Извест |
||
но, что |
для |
нормальной работы автопилота |
необходимо, |
что |
бы поправка вводилась непрерывно до момента появления ее нового значения. Поэтому преобразователь должен хранить выходную величину в течение всего времени, необходимого для вычисления нового значения поправки.
Данные о высоте полета, воздушной скорости и курсе са молета, выраженные в виде напряжения, временного интервала или угла поворота оси, также поступают па соответствующие преобразователи аналог-код, а затем подаются в цифровую ма шину.
Цифровая вычислительная машина по данным блока измере ния времени БИВ и сведениям о высоте полета определяет те кущие координаты самолета. Весь пройденный самолетом мар шрут хранится в запоминающем устройстве машины, и в резуль тате сравнения предыдущего и текущего местоположений само лета может быть определена его путевая скорость. По воз душной и путевой скоростям самолета вычисляется скорость ветра. В результате проделанных вычислений может быть оп ределен истинный курс самолета.
6
По координатам пункта назначения, координатам самоле та и истинному курсу цифровая машина вычисляет поправку к курсу, которая является выходной величиной, вводимой в ав топилот. По достижении заданного пункта назначения цифро вой вычислитель переходит к решению других задач или полу чает из запоминающего устройства координаты нового пункта назначения.
Одним из примеров наиболее сложной системы управления с использованием цифровой техники является комплекс управ
ления |
запуском и полетом баллистической ракеты "Поларис" |
|
[ 2 ] . |
На упрощенной блок-схеме /р и с .4 / показали |
поток пред |
пусковой информации между системой управления |
ракетой,при |
борами управления стрельбой и корабельной системой инерци альной навигации.
Основное назначение вычислительного устройства ракеты состоит в том, чтобы на активном участке траектории вычис лять разности между заданными /расчетными/ и текущими зна чениями углов, характеризующих направление вектора скоро сти, модуля скорости и координат центра массы ракеты. За теи на основании полученных значений разностей выдавать ко
манды бокового и продольного управления, |
команды для окон |
||
чания работы двигателя /при достижении расчетной |
точки |
||
траектории/ и отделения боевой части ракеты. |
|
||
Необходимые исходные данные цифровое |
вычислительное |
||
устройство получает перед запуском ракеты от корабельной |
|||
системы ПУС, а в полете от инерциальной системы |
наведения. |
||
На рис.5 |
показана блок-схема и линии прохождения сигналов |
||
бортовой |
системы управления. |
|
|
Основным прибором корабельной системы ПУС |
является |
||
цифровая вычислительная машина, которая решает следующие |
|||
основные |
задачи: |
|
|
I / |
на основании координат цели, хранящихся в запомина |
ющем устройстве машины, и по данным, получаемым от корабель ной системы инерциальной навигации, вычисляет траекторию полета ракеты*
7
|
2 / |
передает коэффициенты траектории и конечное значе |
|||
ние |
скорости в вычислительное устройство ракеты) |
|
|||
|
3 / |
вычисляет ускорения ракеты, перед |
запуском |
вызы |
|
ваемые |
движением корабля, и вычитает их из |
сигналов |
аксе |
||
лерометров стабилизированной |
платформы для |
осуществления |
|||
ее |
коррекции^ |
|
|
|
|
|
V |
рассчитывает азимут |
цели и устанавливает внутрен |
нее кольцо карданова подвеса платформы согласно полученно му направлению, при этом истинный меридиан поступает от ко рабельной системы инерциальной навигации)
5/ осуществляет предстартовые проверки. Рассмотренные примеры отнюдь не исчерпывают всех слу
чаев применения цифровых машин, выполняющих функции управ
ления различными объектами, и приведены |
только для |
иллю |
|||||
страции |
комплекса |
проблем, решаемых с помощью цифровой |
|||||
техники. |
|
|
|
|
|
||
|
В настоящее время определились два основных типа спе |
||||||
циализированных электронных цифровых машин, |
работающих в |
||||||
системах управления: цифровые арифметические |
машины и циф |
||||||
ровые |
аналоги. |
|
|
|
|
|
|
|
Первый тип машин построен на основе |
электронной |
циф |
||||
ровой |
вычислительной маиины программного |
управления. |
Эти |
||||
машины обладают целым рядом характерных |
свойств, |
отличаю |
|||||
щих их |
от чисто вычислительных машин. |
|
|
|
|
||
|
К числу таких |
свойств относятся: |
|
|
|
|
|
I / |
наличие гибкой разветвленной |
системы |
внешних |
устройств, обеспечивающих непосредственную связь машины с источниками информации и управляемыми объектами)
2 / приспособленность |
системы |
управления машины к ра |
боте в реальном маситабе |
времени. |
Это значит, что машина |
долина постоянно согласовывать ход вычислительного процес са с характером поступления внешней информации)
3 / высокое быстродействие, обусловленное необходимо стью производить обработку информации и вычисления в ре альном маситабе времени, не допускающем длительных задер-
8
хек в выдаче результатов |
вычислений после поступления ис |
|
ходных данных} |
|
|
4 / большая |
емкость оперативных запоминающих устройств |
|
и почти полное |
отсутствие |
внешних запоминащих устройств |
на магнитных лентах. В машинах этого класса широко исполь
зуются специальные запоминающие устройства для |
хранения |
программ} |
|
5 / высокая надежность и безотказность в работе. Структурная схема такой управляющей машины представле
на на рис.6. |
|
|
Источниками информации для ЭЦУМ |
обычно являются |
ус |
тройства, вырабатывающие непрерывные |
сигналы в виде |
элект |
рических напряжений или углов поворотов механических вали
ков. В связи с этим необходимо иметь преобразователи |
ин |
формации из непрерывного или дискретно-непрерывного |
пред |
ставления в чисто дискретное представление. |
|
Запоминающие устройства /ЗУ / предназначаются для |
за |
писи, хранения и выдачи кодов чисел и команд в соответству
ющие блоки машины. Как правило, |
в ЭЦУМ имеются два типа ЗУ: |
||
ДЗУ - долговременное ЗУ и ОЗУ |
- |
оперативное ЗУ, или, |
как |
его еще называют "оперативная |
память". |
|
|
Арифметическое устройство |
|
/АУ/ предназначено для |
вы |
полнения арифметических и логических операций над числами, выраженными в принятой для данной машины системе счисле ния и представленными в виде соответствующих кодов.
Устройство управления /УУ/ обеспечивает правильную по следовательность работы как всей машины, так и ее отдель ных элементов. Кроме того, УУ управляет вводом очередной входной величины от того или иного источника информации.
Устройства вывода в ЭЦУМ существенно отличаются от
устройств вывода ЭЦВМ. |
Эти устройства солее |
сложны, |
так как |
|
они связывают |
машину с |
управляемым объектом |
или нескольки |
|
ми объектами. |
Результат вычислений, который |
является |
той |
|
или иной командой для управляемого объекта, |
выдается |
из |
||
ЭЦУМ в виде двоичного |
кода. Однако, исполнительная система |
9