Основы конструирования цифрового вычислительного устройства

Основы конструирования цифрового вычислительного устройства

1. Исходные данные

Передаточная функция объекта управления:

Параметры объекта управления:

Входной сигнал:

Параметры сигнала:

Метод синтеза: Логарифмических псевдочастотных характеристик.

Метод программирования: Параллельное.

Структурная схема системы

Расчетная структурная схема с учётом экстраполятора нулевого порядка:(p)-передаточная функция экстраполятора нулевого порядка.

Wоу - передатоная функция объекта управления.

Приведённая непрерывна часть системы имеет вид:

2. Определение Z-передаточной функции системы

=0, кратность m=2.

,m=1.

Вычет в полюсе S1=0:

Вычет в полюсе

Общее выражение для Z-передаточной функции приведенной части имеет вид:

Подставляя численные значения получим:

Введем обозначение:

Подставляя полеченные выражения в общее выражение 1. получим:

Преобразуем Z-передаточную функцию:

Окончательное выражение для приведенной Z-передаточной функции имеет вид:

Проверим правильность расчета в Matlab:

Создадим tf- модель объекта управления:

Расчёт Z- передаточной функции в Matlab

w1=tf(1, [1 0])=tf(5, [0.0004 0.008 1])=w1*w2=c2d(w3,0.0005,'zoh')function:

function:

-----------------------

.0004 s^2 + 0.008 s + 1function:

-------------------------

.0004 s^3 + 0.008 s^2 + sfunction:

.598e-007 z^2 + 1.036e-006 z + 2.585e-007

-----------------------------------------^3 - 2.989 z^2 + 2.979 z - 0.99time: 0.0005

Передаточные функции совпали следовательно расчет проведен правильно.

Передаточная функция замкнутой системы по управляющему воздействию с единичной обратной связью определяется ворожением:

Где W(z)-передаточная функция прямой цепи.

Где  

Определение Z-передаточной функции по ошибки:

4. Определения выражения для расчёта Логарифмических псеводочастотных характеристик Оу

Передаточная функция разомкнутой цепи имеет вид:

Билинейное преобразование имеет вид:

разделим числитель и знаменатель на

После раскрытия скобок и упрощения получим:

Разложим числитель и знаменатель на множители:

Переход к псевдочастоте:

Постоянные времени:

Построение располагаемой ЛАФПЧХ:

Посторенние ЛАФХ (MATLAB).

5. Анализ точности отработки типовых сигналов.

Ошибка при прохождении линейно нарастающего сигнала составляет 0,01-что удовлетворяет требованиям задания.

Переходный процесс системы при воздействии еденично-ступенчатого воздействия.

Время регулирования tр=0,81с

Перерегулирование 0%.

6. Синтезирование системы

Точность отработки сигнала A(t)=0.1+0.005t не более 0,001

Запас по амплитуде не менее 10Дб.

Запас по фазе не менее 300

Перерегулирование не более 20%.

Расчет запретной области ЛАФПЧХ:

 ;

Исходная псевдочастотная передаточная функция системы:

Желаемая псевдочастотная передаточная функция системы:

Передаточная функция фильтра:

.

Переход к Z-передаточной функции осуществляется в результате выполнения подстановки в найденную псевдочастотную передаточную функцию дискретного корректирующего устройства.

разделим числитель и знаменатель на (z+1) после раскрытия скобок получим:

Где,    

Структурная схема скорректированной системы:

Передаточная функция исходной системы:

Передаточная функция дискретно корректирующего устройства:

Передаточная функция замкнутой скорректированной системы по ошибке имеет вид:

Входной сигнал:

преобразование входного сигнала:

Установившееся значение сигнала ошибки найдем по теореме о предельном значении решетчатой функции:

Получим следующие ворожение:

Установившаяся ошибка: 0.0002131395538930085109522416.

Проверка правильности расчета в (MatLab):

Входной и выходной сигнал системы:

7. Переход к конечно-разностным уравнениям, реализующим функцию корректирующего алгоритма во временной области одним из методов программирования в соответствии с заданием

Способ прямого программирования

Передаточная функция корректирующего устройства:

Разделим числитель и знаменатель D(z) на z2 получим:

По определению передаточной функции:

Введем новую переменную e(z):

- соответствует смещению оригинала на 1 такт, z-2- соответствует смещению оригинала на 2 такта.

Gain1=1,0094732 Gain7=1,0094732= 1,96471624 Gain8=1,0094732

Gain3= 1,98337108 Gain4=1=0,9647981=0,98337273

Уравнение состояния системы имеет вид:

Y[kT]=0.00943473x1[kT]+3.9667 x2[kT]+1.009437U[kT]

Матрицы A,B,C,D, определяются выражением:

Способ параллельного программирования

Передаточная функция корректирующего устройства:

Разобьем дробь на сумму элементарных звеньев:

Представим D(z) виде:

Найдем коэффициенты А1, А2, В из уравнения:

Раскрывая скобки получим:

Откуда получаем:

Дискретная передаточная функция корректирующего устройства примет вид:

Разделим числитель и знаменатель D(z) на z получим:

По определению передаточной функции:

Введем новые переменные:

Переменные состояния определяются выражением:

Где:

Уравнение состояния системы имеет вид:

Y[kT]=0.0140156x1[kT]+2.009x2[kT]+2*1.0094743U[kT]

Матрицы A,B,C,D, определяются выражением:

Способ последовательного программирования

Передаточная функция корректирующего устройства:

Представим дискретную передаточную функцию системы виде:

Разделим числитель и знаменатель D(z) на z получим:

Запишем уравнение системы в операторной форме записи виде:

Gain14=0,999902 Gain20=1,00947432

Gain15=0,96721311 Gain21=1,00947432=0,9834711074 Gain22=1,00947432

Gain17=0,99750312=0,9999=1,00947432

Уравнение состояния системы имеет вид:

Y[kT]=1.959x1[kT]+2.007x2[kT]+1.0094743U[kT]

Матрицы A,B,C,D, определяются выражением:

. Построение алгоритма работы цифрового вычислительного устройства в реальном масштабе времени

Дискретно корректирующий фильтр в современных системах с компьютерным управлением реализуются путём непосредственного решения получаемых в режиме реального времени разностных уравнений.

В этом случае непрерывный сигнал f(t) подвергается аналого-цифровому преобразованию (переводится в цифровой код, а решение x[kT], получаемое в ЦВУ в реальном масштабе времени вводится в непрерывную часть системы через ЦАП. Алгоритм работы ЦВУ реализующий, реализующего решение разностного уравнения, представлен:

. Расчет переходных процессов в скорректированной системе, при подаче на вход сигнала с амплитудой единичной ступеньки в среде SimuLink, без учета квантования сигналов уровню и с учётом квантования сигнала по уровню

Переходный процесс в системе без учёта квантования сигнала по уровню.

Учёт квантования сигнала по уровню:

Преобразование исходной системы конечно-разностных уравнений последовательно корректирующего устройства к целочисленной форме, выполняющий эквивалентную обработку цифровых кодов аналоговых сигналов:

Исходная система конечно-разностных уравнений имеет вид:

Y[kT]=0.0140156x1[kT]+2.009x2[kT]+2*1.0094743U[kT]

Обозначим уровни дискретизации по переменным состояния dx по управляющему сигналу de по задающему сигналу de=dx.

Y[kT]=0.0140156x1[kT]*dx/de+2.009x2[kT]*dx/de+2*1.0094743U[kT]*dx/de.

Схема моделирования представлена на рисунке.

Алгоритм работающий с целочисленными данными:

function ke=ADC(e,dx);dx;=round(e/dx);;upr1=DAC(up,du);du;=up*du;;t0;y1;y2;tau;upr0;dx;du;=0.0005=0.01=0=0=0=0.0005=0upr=CSU(e,t1);t0;y1;y2;tau;upr0;dx;du;=round(0.9383469*1000);=round(1000);=round(0.999902*1000);=round(1000);=round(1.00947434*10000*dx/du);=round(0.01401566*10000*dx/du);=round(0.004817971*10000*dx/du);t1 >= t0;=(a1*y1+b1*e)/1000;=(a2*y2+b2*e)/1000;=(c1*e+d1*x1+d2*x2)/10000;=x1;=x2;=t0+tau;;

upr=upr0;

Учёт квантования сигнала по уроню:

Управляющие сигналы с учетом и без учёта квантования.

Библиографический список

передаточный управление сигнал логарифмический

1. О.В. Горячев, С.А Руднев. Основы теории микропроцессорных систем управления.

. В.А. Иванов, А.С. Ющенко. Теория дискретных систем автоматического управления. - М.: Наука, 1983.