Основы цифрового управления : основные понятия и описание цифровых систем управления. Ч. 1

№ 1093

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà êîìïüþòåðíûõ èíôîðìàöèîííûõ è óïðàâëÿþùèõ
ñèñòåì àâòîìàòèêè

Ã.Ã. Øàïêàðèíà

Îñíîâû öèôðîâîãî
óïðàâëåíèÿ

Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è îïèñàíèå öèôðîâûõ
ñèñòåì óïðàâëåíèÿ

Ó÷åáíîå ïîñîáèå

×àñòü 1

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2009

УДК 681.5.011 
 
Ш23 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. С.Н. Богданов 

Шапкарина Г.Г. 
Ш23  
Основы цифрового управления. Основные понятия и описание цифровых систем управления: Учеб. пособие. Ч. 1. – М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2009. – 63 с. 

Изложены базовые положения современной теории цифровых систем 
управления непрерывными динамическими объектами. Рассмотрены основные методы описания цифровых систем управления. 
Пособие соответствует основным разделам дисциплины «Основы цифрового управления». 
Предназначено для  студентов специальности 220301. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Общие положения цифровых систем управления.............................6 
1.1. Основные характеристики цифровой системы управления ......6 
1.2. Основные элементы и режимы работы цифровой 
системы управления...........................................................................11 
Контрольные задания к разделу 1.....................................................18 
2. Обработка сигналов в цифровых системах управления .................19 
2.1. Основные понятия и определения .............................................19 
2.2. Дискретизация и восстановление непрерывного сигнала .......22 
2.3. Квантование и кодирование сигналов.......................................31 
2.4. Связь между аналоговыми и дискретными сигналами............53 
Примеры решения задач ....................................................................54 
Библиографический список...................................................................62 

Введение 

Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективных промышленных установок, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов и систем управления ими. 
При этом постепенно осуществляется переход к автоматизированному управлению технологическими процессами. 
В связи с возрастающими требованиями к повышению качества 
управления, воспроизводимости технологических процессов, снижению энергоемкости производства и др. на первый план выдвигается 
задача разработки систем управления на качественно новом уровне: с 
использованием цифровых средств контроля и управления. Это объясняется тем, что цифровые вычислительные машины (ЦВМ) обладают значительным быстродействием при решении различных логических задач, что позволяет реализовать сложные алгоритмы управления. 
Интенсивное развитие современных вычислительных средств 
привело к разработке и широкому использованию цифровых автоматических систем регулирования и управления. До последнего времени вычислительные машины ввиду их высокой стоимости использовались в основном для решения комплексных задач: обработки 
массивов данных, контроля и управления сложными технологическими процессами. 
В последние годы был достигнут небывалый прогресс в увеличении вычислительной мощности микропроцессоров, о чем свидетельствуют достижения последних лет в области материаловедения, приведшие к разработке мощных микропроцессоров. Благодаря наличию 
быстродействующих, недорогих и миниатюрных микропроцессоров 
появилась возможность автоматизировать многие производственные 
процессы используя компьютер непосредственно в контуре системы 
управления. 
Использование цифровых систем управления в промышленном 
масштабе стало возможным благодаря интенсивному развитию и совершенствованию технологии производства интегральных полупроводниковых компонентов, обеспечивших создание высокоэкономичных цифровых устройств хранения и обработки информации на базе 
больших интегральных схем (БИС). Можно сказать, что внедрению 
цифровых систем управления в значительной степени способствовало создание на базе БИС микропроцессоров. 

Однако методы проектирования цифровых систем существенно 
отличаются от классических методов, применяемых при анализе и 
расчете систем непрерывного типа. Во-первых, это связано с тем, что 
основой математического аппарата проектирования цифровых систем являются разностные схемы, которые заменяют дифференциальные уравнения, описывающие непрерывные системы. Во-вторых, 
алгоритмы, применяемые при расчете цифровых систем, в частности 
построение дискретных моделей, зачастую могут быть реализованы 
только с помощью ЦВМ. 
Одной из особенностей проектирования системы управления является то, что границы между компетенцией инженеров-технологов, 
программистов, прикладных специалистов и пользователей в настоящее время достаточно размыты, т.е. нельзя рассматривать сложную систему только с одной точки зрения, а решения принимать, 
опираясь на знания специалистов лишь одной области. Чтобы создать сложную систему, состоящую из множества взаимодействующих частей, необходим специальный подход, который разрабатывается на этапе проектирования системы. 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

1.1. Основные характеристики цифровой 
системы управления 

Последние годы характеризуются существенным прогрессом в 
области разработки цифровых систем управления. Популярность 
этих систем во всех отраслях промышленности объясняется как совершенствованием ЦВМ, в частности микропроцессоров, так и преимуществом работы с цифровыми сигналами. 
Первый пример практического применения управляющей ЭВМ 
(по опубликованным в открытой печати данным) относится к 
1959 году и связан с применением УЭВМ типа RW300 на нефтехимическом заводе компании «Texaco». Компьютер, построенный на 
электронных лампах, следил за расходом, температурой, давлением и 
концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчитывал необходимые управляющие воздействия на основе обработки 
входной информации. Эта ЭВМ по сравнению с современными компьютерами имела очень низкую эффективность (время, затрачиваемое на операцию сложения, составляло 1 мс, а умножения – около 
20 мс) и невысокую надежность – среднее время между отказами 
(для ЭВМ этого типа) в лучшем случае составляло от нескольких часов до нескольких дней. 
До последнего времени вычислительные машины ввиду их высокой стоимости использовались в основном для решения комплексных задач: обработки массивов данных, контроля и управления 
сложными технологическими процессами. Прогресс в области технологии полупроводников позволил создать такие вычислительные 
машины, которые по габаритным размерам и стоимости гораздо 
меньше существовавших до сих пор, хотя они менее производительны и удобны в обслуживании. Их называют микро-ЭВМ, а при специальном использовании для управления различными процессами – 
управляющими микро-ЭВМ. Информационные связи в микро-ЭВМ 
осуществляет микропроцессор; в его составе многие тысячи элементов схем монолитно объединяются па площади в несколько 
квадратных миллиметров. 
Теперь с помощью управляющей ЦВМ можно решать задачи 
управления, что ранее было невозможно по причине существовав

ших до сих пор высокой стоимости и(или) больших размеров ЦВМ. 
Управляющие микро-ЭВМ в большинстве случаев создаются и программируются для решения специальных задач. Они используются 
также в качестве устройств, которые можно обслуживать не как 
ЭВМ, а как обычные устройства управления в привычной для оператора форме. В соответствии с объемом задач, решаемых при 
управлении, очень разнообразны функции, возложенные на микроЭВМ, и их конструктивное исполнение. 
При реализации задач управления технологическими процессами 
очень часто требуется не столько «вычислять», сколько выстраивать 
сложные логические связи. По основным выполняемым функциям 
управляющие ЭВМ подразделяются на ЭВМ контроля, управления 
технологическими процессами, управления производством, а по типам использования – на вычислительные устройства, бортовые ЭВМ 
и т.д. С применением интегральных микросхем уменьшились также 
и габаритные размеры машин: их усовершенствование шло от больших (управляющих) ЭВМ к малым, мини- и микро- (управляющим) 
ЭВМ. При этом принципы внутреннего структурного построения 
вычислительных машин и электронной обработки цифровых данных 
почти не изменялись. 
Управляющие ЦВМ коммутируют и обрабатывают поток информации, поступающий от трех источников: 
1 – технологического процесса (данные процесса); 
2 – обслуживающего персонала (данные управления); 
3 – вышестоящей диспетчерской или координирующей вычислительной машины, например в иерархической схеме соединений 
ЭВМ или в многопроцессорной системе (данные связи). 
При построении систем управления с ЦВМ существенными являются следующие факторы: 
1. Для связи с измерительными и исполнительными звеньями 
процесса требуются специальные аппаратные средства, которые 
должны обеспечивать между вычислительным устройством и процессом согласование как энергии различных видов и уровней мощности, так и функциональных принципов (вид сигналов процесса в 
большинстве случаев аналоговый, в вычислительном устройстве – 
цифровой). Эти аппаратные устройства носят название периферийных устройств. В управляющих микро-ЭВМ они часто весьма просты и приспособлены для решения специальных задач; в универсальных системах они гораздо сложнее и рассчитаны на возможные 
изменения вариантов их использования.