Преимущество цифровых регуляторов

Цифровые регуляторы для систем с отрицательной обратной связью впервые начали широко применяться для управления медленными объектами, а также для реализации простейших алгоритмов при невысоких требованиях по качеству и точности переходных процессов (например, для релейного управления). Между тем прецизионное и широкополосное управление объектами гораздо лучше может быть обеспечено цифровыми регуляторами. В настоящее время более дешевые и малогабаритные регуляторы, характеризующиеся более высокой стабильностью, точностью и надежностью, могут быть реализованы только методами цифровой техники. Аналоговая техника уступает цифровой по всем этим параметрам. Критерии применимости цифровой техники — достигаемое быстродействие АЦП и их разрядность, так как быстродействие и разрядность ЦАП, во-первых, менее критичны, а во-вторых, всегда превышают эти параметры по сравнению с АЦП. В настоящее время доступны АЦП с разрядностью 14 и более, с частотой преобразования 200 МГц и выше. Это перекрывает потребности почти всех известных задач управления реальными объектами. При этом управление медленными объектами требует реализации больших постоянных времени, что может быть обеспечено цифровой техникой без ограничений, а аналоговой техникой — лишь за счет применения конденсаторов большой емкости, что вызывает рост габаритов и стоимости регулятора. Таким образом, для управления не только медленными объектами, но и объектами с полосой рабочих частот до десятков мегагерц цифровые регуляторы обладают существенными преимуществами. Для прецизионного управления, для управления в области низких частот и (или) для управления в условиях прерывающейся обратной связи могут применяться только цифровые регуляторы, использование в этом случае аналоговых регуляторов нецелесообразно.

Преимущество цифровых регуляторов связано также с возможностью самонастройки и адаптации параметров. Средства только аналоговой техники для решения этих задач неприемлемы.

Для моделирования таких систем могут использоваться программы MATLAB, Simulink, MathCAD, VisSim и другие средства автоматизации проектирования и анализа замкнутых сложных динамических систем. Наиболее адекватна для этих целей именно программа VisSim. Действительно, при тщательном анализе выявлены некорректные результаты моделирования в программах MATLAB, Simulink, MathCAD в некоторых публикациях. Причина некорректности моделирования состоит не столько в недостаточной компетенции авторов, сколько именно в недостаточной адекватности этих программных средств для данной задачи, которая состоит в избыточной точности реализации, которая не достигается в реальных цифровых регуляторах. Те сигналы, которые может рассчитать программа MATLAB (Simulink), не могут быть рассчитаны с такой точностью цифровыми регуляторами. В цифровых регуляторах неизбежно используются методы численного интегрирования и дифференцирования сигналов, получаемых в виде последовательности цифровых отсчетов. Именно по такому алгоритму работает программа VisSim, а прочие программы работают по другим алгоритмам, которые не могут быть использованы цифровыми регуляторами.

Сравнительным анализом установлено, что наиболее адекватна задаче испытаний разработанных алгоритмов программа моделирования VisSim 5.0/6.0, способная моделировать замкнутые динамические системы с линейными и нелинейными элементами, включая объекты с запаздыванием. Преимущественным отличием этого программного продукта является выполнение операций интегрирования и дифференцирования точно таким же путем, как это может быть выполнено на микропроцессорном регуляторе, т. е. на основе имеющихся отсчетов входных сигналов, взятых с наперед заданным равным промежутком времени. Эта программа позволяет исследовать различные методы интегрирования и дифференцирования, на основании чего можно рекомендовать наилучший метод для реализации в цифровом регуляторе. В отличие от этой программы такие программы, как MATLAB, Simulink, MathCAD, осуществляют аналитическое вычисление производных и интегралов, что не может быть воспроизведено на практике цифровыми регуляторами, поскольку аналитические выражения входных сигналов в реальности недоступны.

Отметим, что при моделировании в программе VisSim необходимо выбрать один из нескольких методов интегрирования. Очевидно, что при реализации цифрового регулятора также необходимо выбрать один из этих методов. Исследования показали, что в ряде случаев результат изменяется при изменении метода интегрирования. Однако при реализации цифровых регуляторов разработчики, как правило, не обращают внимания на эту особенность, считая, что интегрирование и дифференцирование как таковые дают требуемый результат вне зависимости от метода выполнения интегрирования или дифференцирования, в то время как в действительности это не так. Моделирование в программе VisSim неминуемо привлекает внимание разработчика к задаче выбора этого метода. От него лишь требуется использовать тот же метод в регуляторе, который был использован при моделировании.

Вывод 2.8. Численная оптимизация цифровых регуляторов с помощью программы VisSim дает наиболее адекватный результат, который может быть воспроизведен регуляторами наиболее точно.