Введение в системы управления

Под управлением обычно понимают целенаправленное воздействие на объект, в результате которого он переходит в требуемое состояние. Объектом управления назовем ту часть окружающего мира, на которую можно воздействовать с определенной целью. В качестве объектов управления можно понимать различные природные и искусственные системы, устройства, явления.

В нашем случае в качестве объектов управления будем понимать отдельные компоненты бытовой радиоэлектронной аппаратуры и всю систему в целом.

В каждый момент времени объект находится в одном из своих возможных состояний. Любой объект управления (рисунок 1.1) существует не сам по себе, а в окружающей его среде.

Рисунок 1.1 - Взаимодействие объекта управления с окружающей средой

Среда постоянно воздействует на состояние объекта. Эти воздействия можно разделить на три группы:

объективно существующие и наблюдаемые воздействия (вход объекта X);

управляющие воздействия, с помощью которых происходит управление объектом (управляющий вход объекта U0);

неизмеряемые параметры среды и случайные изменения объекта (вход возмущений E).

Состояние объекта (выход объекта Y) можно представить параметрами, характеризующими его в каждый момент времени.

Управляющие воздействия U0 подаются на объект с определенной целью. Цель управления - это требуемое состояние или последовательность состояний объекта во времени. Цель должна быть описана с помощью параметров Y.

Таким образом, для управления объектом необходима следующая информация:

1. перечень возможных состояний объекта;

2. перечень входных параметров объекта и диапазоны изменения их значений;

3. допустимые управляющие воздействия;

4. характер возмущений;

5. цель управления объектом.

На основе этой информации для достижения цели управления требуются алгоритмы и средства преобразования входов объекта в необходимые управляющие воздействия и цели управления - в последовательность состояний объекта. Под алгоритмом понимают конечный набор правил для однозначного преобразования исходных данных в выходные.

На рисунке 1.2 приведена обобщенная структура системы управления. В ней имеются датчики, предназначенные для измерения состояний внешней среды и объекта управления, устройство управления, формирующее команды управления, исполнительные устройства, преобразующие команды в управляющие воздействия на входе управления объекта.

Для целенаправленного функционирования устройства управления ему необходимо задать цель управления Z. Достижение цели осуществляется по алгоритму управления, представляющему собой набор блоков аппаратных средств или набор программ.

Программы используются в случае, когда в качестве устройства управления применяются управляющие микроконтроллеры или микро-ЭВМ. Важной особенностью работы таких управляющих микро-ЭВМ и контроллеров, в отличие от обычных микро-ЭВМ, является выполнение ими всех операций в реальном масштабе времени.

Рисунок 1.2 - Структурная схема системы управления

Термин «реальное время» обозначает, что задержка реакции устройства управления должна быть конечной и не превышать определенного значения. Это касается не столько скоростных характеристик микро-ЭВМ, сколько относится к сложности алгоритмов и программ, реализованных в управляющей микро-ЭВМ.

При работе микро-ЭВМ и контроллеров в составе системы управления им приходится выполнять различные действия:

1. принимать информацию от датчиков о состоянии окружающей среды и объекта;

2. рассчитывать в реальном времени управляющие воздействия и передавать их на исполнительные устройства;

3. отображать, при необходимости, информацию о текущем состоянии системы пользователю на индикаторах;

4. принимать и обрабатывать команды пользователя по изменению условий процесса управления.

Управляющие микро-ЭВМ отличаются от обычных микро-ЭВМ и способом разработки программного обеспечения. Микро-ЭВМ, встроенные в оборудование, не имеют соответствующего набора внешних устройств (дисплеи, принтеры, внешние накопители и т.д.) и поэтому не пригодны для разработки и отладки программного обеспечения. В этом случае, либо программное обеспечение создается на аналогичной микро-ЭВМ, но имеющей необходимый набор внешних устройств, либо программы разрабатываются и отлаживаются на универсальных ЭВМ, с использованием симуляторов - программных моделей управляющей микро-ЭВМ или контроллера.

Последний способ разработки программного обеспечения называется кросс-технологией. При этом применяются программы: кросс-транслятор, кросс-компоновщик и кросс-отладчик.

Датчики

Датчиками называют устройства, формирующие электрические сигналы под воздействием внешних раздражающих факторов. По формируемым датчиками сигналам можно опознавать и измерять характеристики этих факторов. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков.

Для датчиков технических систем необходимо преобразование интересующих явлений и эффектов в электрические сигналы. Некоторые датчики выполняют такое преобразование напрямую, за счет соответствующего физического явления. Терморезистор, например, изменяет сопротивление в зависимости от окружающей температуры.

Другие датчики требуют промежуточного преобразования. Примером такого датчика можно назвать датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Осаждение инея приводит к изменению освещенности, которое и преобразуется в электрический сигнал.

Из всего многообразия подобных устройств рассмотрим несколько наиболее важных типов датчиков.

Температурные датчики. С температурой мы сталкиваемся ежедневно, это наиболее знакомая нам физическая величина. Температурные датчики отличаются особенно большим разнообразием типов и являются самыми распространенными (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Температурные датчики

Тип датчика	Принцип действия	Примерный диапазон температур
Биметаллический датчик	Тепловое расширение	-50° - +500° С
Платиновый термометр сопротивления	Изменение электрического сопротивления	-50° - +300° С
Термопара	Генерация термо-ЭДС	-100° - +1300° С
Термоферрит	Изменение магнитной проницаемости	-20° - +150° С
Диод, транзистор, тиристор	Изменение проводимости	-20° - +100° С
Инфракрасный пироэлектрический детектор	Тепловое излучение	-150° - +1300° С
Кварцевый резонатор	Изменение частоты	-20° - +200° С
Плавкий предохранитель	Деформация, разрушение	+40° - +400° С

Как можно заключить из приведенной таблицы, различные температурные датчики имеют различную чувствительность и разный диапазон рабочих температур. В последнее время практическое применение нашли интегральные температурные датчики, имеющие на одном кристалле термочувствительный диод, усилитель и периферийные схемы для связи с микро-ЭВМ.

Оптические датчики. Подобно температурным, оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. По принципу преобразования «свет - электрический сигнал» в оптических датчиках можно выделить типы, основанные на следующих явлениях:

1. эффект фотоэлектронной эмиссии;
2. эффект фотопроводимости;
3. фотогальванический эффект;
4. пироэлектрический эффект.

Фотоэлектронная эмиссия - это испускание электронов при падении света на физическое тело.

Эффект фотопроводимости связан с изменением электрического сопротивления физического тела при облучении его светом.

Фотогальванический эффект - это возникновение ЭДС на выводах p-n перехода в облучаемом светом полупроводнике.

Пироэлектрический эффект связан с появлением на поверхности физического тела электрических зарядов при изменении уровня освещенности.

Преимущества оптических датчиков перед датчиками других типов заключаются в следующем:

1. возможность бесконтактного обнаружения;

2. возможность за счет изменения оптики работать с объектами чрезвычайно больших или очень малых размеров;

3. высокая скорость реакции;

4. обширная сфера использования, например, от измерения перемещения до определения формы и распознавания предметов.

Однако среди оптических датчиков практически нет датчиков, обладающих достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеют оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной части спектра.

К недостаткам оптических датчиков следует также отнести чувствительность к загрязнению, уровням посторонней фоновой засветки.

Датчики давления. Такие датчики используются в задачах измерения давления газов, массы и положения твердых тел, уровня и расхода жидкости.

Обычным способом реакции на изменение давления в таких датчиках является эффект деформации упругих тел (диафрагмы, мембраны и т.д.). Но при использовании эффекта деформации трудно получить электрический сигнал. В датчиках давления типа потенциалометрических (реостатных), емкостных, индукционных и ультразвуковых на выходе имеется электрический сигнал, но сами датчики более дорогие и сравнительно сложны в изготовлении.

Более перспективным является использование тензометров. Полупроводниковые диффузионные тензометры обладают высокой чувствительностью, малыми размерами, легко сопрягаются с периферийными схемами.

При изготовлении тензометра на поверхности кристалла кремния с n-проводимостью по тонкопленочной технологии формируется круглая диафрагма. На ее краях (рисунок 1.3) наносят пленочные резисторы, имеющие p-проводимость и ориентированные вдоль осей.

Рисунок 1.3 - Конструкция и схема тензометрического датчика

При приложении давления сопротивление одной пары резисторов увеличивается, а другой - уменьшается. С помощью мостовой схемы формируется выходной сигнал датчика. Недостатками этого типа датчика является температурная зависимость, небольшой срок службы.

Полупроводниковые датчики давления широко используются в автомобильной электронике, компрессорах, системах измерения артериального давления крови и т.д.

Датчики влажности и газоанализаторы. Влажность - физический параметр, с которым человечество имеет дело очень давно. Раньше датчиком влажности выступал человеческий или конский волос, изменяющий свою длину при изменении влажности. Позднее применяли специальную полимерную пленку, разбухающую от воды. Однако, датчики на этой основе обладают нестабильностью характеристик во времени, узким рабочим диапазоном, наличием гистерезиса чувствительности.

В настоящее время для датчиков используется специальная пористая керамика и твердые электролиты. В этих датчиках устранены описанные выше недостатки. Датчики на основе керамики используются в видеомагнитофонах и видеокамерах для обнаружения повышенной влажности с последующим переводом аппаратуры в нерабочее состояние до высыхания. Другой областью применения этих датчиков можно назвать схемы управления электронными кухонными плитами. В плитах по уровню влажности можно судить о степени готовности блюда.

Газовые датчики или газоанализаторы используются в бытовых случаях для обнаружения утечек горючего газа. Датчики могут использовать свойства явления катализа в твердых электролитах, интерференции и поглощения инфракрасных лучей, свойств полупроводниковой керамики, работающей по принципу каталитического горения.

Однако газовые датчики обладают большой избирательной характеристикой относительно газовой среды.

Магнитные датчики. Магнитные датчики, как и оптические, имеют возможность бесконтактного измерения и обнаружения, обладают высоким быстродействием. Однако для этих датчиков важен фактор расстояния, требуется достаточная близость к источнику магнитного поля. По классификации магнитных датчиков можно выделить датчик Холла, магниторезистор, датчик Джозефсона.

Среди магнитных датчиков широко известен датчик Холла. Принцип эффекта Холла основан на возникновении разности потенциалов на гранях твердого тела при протекании тока в условиях приложения магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока. Датчики Холла в интегральном исполнении широко применяются в двигателях видеомагнитофонов и видеокамер для определения положения, угла поворота и управления частотой вращения двигателя.

Магниторезистивные датчики изменяют свое сопротивление в магнитном поле. Более ранними являются магниторезисторы на основе полупроводников. Сейчас активно разрабатываются магниторезисторы на основе ферромагнетиков. Для последнего вида характерна высокая чувствительность и технологичность производства. Датчики применяются в магнитных головках многодорожечных цифровых магнитофонов. Недостатком отмечают узкий динамический диапазон обнаружения изменений магнитного поля.

Перспективными являются магнитные датчики на эффекте Джозефсона - явлении низкотемпературной сверхпроводимости, зависящей от магнитных полей. Датчики на этом принципе отличаются сверхвысокой чувствительностью к изменению магнитного поля. В качестве недостатка можно назвать относительную сложность изготовления и применения, особенно за счет необходимости использования очень низких температур при работе.

Перечисленные типы датчиков являются очень интересными и распространенными. Можно также назвать и другие типы датчиков: звуковые, радиационные, рентгеновские, СВЧ-датчики, датчики вибрации, скорости вращения, датчики вкуса, запаха и т.п.

К современным датчикам предъявляются довольно жесткие требования:

1. Высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, скорость отклика, взаимозаменяемость.

2. Высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к влияниям внешней среды, безотказность в работе.

3. Технологичность: малые габариты, масса, низкая себестоимость, простота конструкции.

При подключении датчиков к устройству управления, выполненного на основе микро-ЭВМ, появляются дополнительные возможности и для самих датчиков. Частично удается скомпенсировать недостатки датчиков. При этом:

1. линеаризуется нелинейная характеристика конкретного типа датчиков;

2. подавляются шумы датчика;

3. корректируются чувствительность датчика и точка нуля, которые могут изменяться при длительной эксплуатации;

4. производится автоматическая диагностика датчиков.

В дальнейшем для разработки датчиков будут ужесточены требования:

1. Интегральное исполнение. В датчиках обязательными будут интерфейсные схемы, усилители, АЦП и.т.д.

2. Комбинирование. В одном корпусе нужно объединять несколько датчиков, либо объединять датчики с исполнительными устройствами.

3. «Интеллектуализация». На кристалле датчиков необходим микропроцессор, обрабатывающий и контролирующий состояние датчиков. Микропроцессор также должен принимать решение относительно полученных данных. Такая необходимость актуальна в системах обеспечения безопасности, где недопустима ложная информация и важна малая протяженность и недоступность линии передачи данных к устройству управления.