В системах управления и автоматизации

Материальным носителем информации при автоматизации управления технологическими объектами является сигнал. Сигналы текущей информации о состоянии ТОУ вырабатываются датчиками и далее обрабатываются каналами обратной связи.

В преобразовании сигналов прямой и обратной связи можно выделить два аспекта:

- преобразование природы, формы и параметров сигнала (усиление, формирование, модуляция, квантование и пр.);

- установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемого и контролируемого параметров (кодирование: состояние – сигнал; перекодирование: сигнал – сигнал; декодирование: сигнал – состояние).

Для управления ТОУ наиболее часто используются электрические сигналы, реже – механические, пневматические, гидравлические. Классификация представления сигналов в системах управления (СУ) ТОУ приведена на рис.1.2.

Рис.1.2. Классификация представления сигналов в СУ ТОУ

В соответствии с классификацией сигналы делятся на две группы:

- аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне находиться в бесконечно большом количестве состояний;

- дискретные, способные в определенном интервале находиться в конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной сигнал логического элемента или узла цифровой схемы и т.д.).

Аналоговые сигналы могут быть потенциальными с линейным и нелинейным преобразованиями первичного состояния параметра и гармоническими, отрабатывающими изменение первичного состояния параметра соответствующим изменением амплитуды, частоты или фазы сигнала. Получение первых осуществляется более простыми устройствами, вторые являются более гибкими, устойчивыми к помехам, позволяют осуществлять гальваническую развязку цепей.

Дискретные сигналы бывают квантованными по уровню и времени. Они являются лишь определенным приближением к аналогу параметра, измеряемого датчиками или полученного в преобразованном виде.

Для источников аналоговых сигналов характерна большая, чем у дискретных, чувствительность к помехам и инструментальным погрешностям преобразователей (дрейф нуля, температурные колебания коэффициентов усиления и т.п.). Источники дискретных сигналов лишены этих недостатков, т.к. образующие их элементы работают не в усилительном, а в релейном режиме.

Квантование сигналов по уровню (рис.1.3, а) сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней. В результате непрерывный сигнал y(t) заменяется ступенчатой функцией . Разность уровней Dy(t) называется разрешающей способностью сигнала или шагом квантования по уровню.

Квантование непрерывного сигнала y(t) по времени сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени Т = Dt. Последний называется шагом квантования или периодом квантования по времени и может быть постоянным или переменным. Дискретные сигналы могут быть представлены в виде импульсов, модулированных по амплитуде А, частоте f = 1/Т и скважности g=t/T, как показано на рис.1.3, б, в, г.

При амплитудной модуляции в моменты времени t_к значение амплитуды импульса А_к равно значению непрерывного сигнала в данный момент времени. При модулировании по частоте – частота импульсов пропорциональна аналоговому сигналу; при модуляции по скважности – скважность пропорциональна измеряемому сигналу.

Следовательно, при модуляции по частоте и скважности амплитуды дискретного сигнала А_f и остаются неизменными (рис.1.3, в, г), а изменяются пропорционально исходному аналоговому сигналу соответственно период квантованного сигнала Т_i (на рис.1.3, в Т_i уменьшается, т.е. увеличивается ) и длительность импульсов (на рис.1.3, г возрастает, т.е. возрастает ).

а) б )

в) г)

Рис.1.3. Квантование сигналов:

а – по уровню, б, в,г - по времени, где б – модулирование по амплитуде;

в – по частоте; г – по скважности