Într-un sistem de control digital, un dispozitiv digital este utilizat ca controller. Controllerul digital poate fi un dispozitiv hardware format din circuite logice permanente sau un dispozitiv software - un computer digital. Controllerele hardware sunt ieftine și rapide, dar nu au flexibilitate sau programabilitate. Un controller digital bazat pe software are memorie programabilă în plus față de un procesor central (vezi Capitolul 8). Algoritmul de control este „programat” în memoria computerului și este folosit de procesor în timp real pentru a genera semnale de control. Algoritmul de control al unui astfel de controller poate fi modificat prin reprogramare, simplu, fără a fi nevoie de modificări hardware. De obicei, datele sunt eșantionate într-un controller digital la o perioadă de eșantionare fixă ​​(vezi Capitolul 5).

9.8.1 Sisteme de control cu computer

Într-un sistem de control bazat pe computer, un computer digital servește drept controller. În figura 9.29 este prezentat un sistem digital de control cu feedback. Informațiile intră în computerul de control în forma digitală. Semnalele generate de computer sunt în formă digitală. În mod obișnuit, acestea trebuie convertite în forma analogică pentru a fi utilizate în scopuri externe, cum ar fi acționarea unei instalații sau a actuatoarelor acesteia. Practic, orice lege de control poate fi programată în computerul de control. Computerele de control trebuie să fie mașini rapide și dedicate pentru funcționare în timp real, unde procesarea trebuie sincronizată cu funcționarea instalației și cerințele de acționare. Acest lucru necesită un sistem de operare în timp-real. În afară de aceste cerințe, computerele de control nu sunt practic diferite de computerele de uz general. Ele constau dintr-un procesor pentru a efectua calcule și pentru a supraveghea transferul de date, memoria pentru stocarea programelor și a datelor în timpul procesării, dispozitive de stocare în masă pentru a stoca informații care nu sunt necesare imediat și dispozitive de intrare/ieșire pentru a citi și a trimite afară informații.

9.8.2 Componente ale unui sistem de control digital

Sistemele de control digital pot utiliza instrumente digitale și procesoare suplimentare pentru acționarea, condiționarea semnalului sau funcții de măsurare. De exemplu, un motor pas cu pas care răspunde cu pași de mișcare incrementali atunci când este acționat de semnale de impuls poate fi considerat un actuator digital. În plus, de obicei conține circuite logice digitale în sistemul său de acționare. Similar, un solenoid cu două poziții este un actuator digital (binar). Controlul digital al debitului se poate realiza folosind o supapă de control digital. O supapă digitală tipică este formată dintr-un grup de orificii, fiecare dimensionat proporțional cu o valoare de plasare a unui cuvânt binar (2i, i = 0, 1, 2, ..., n). Fiecare orificiu este acționat de un solenoid separat ON/OFF cu acțiune rapidă. În acest mod, se pot obține multe combinații digitale de valori ale fluxului. Măsurarea digitală directă a deplasărilor și vitezei se poate face folosind encodere de arbori. Acestea sunt traductoare digitale care generează ieșiri codate (de exemplu, în reprezentare binară sau scală-gray) sau semnale de impuls care pot fi codate folosind circuite de numărare. Astfel de ieșiri pot fi citite de computerul de control cu ​​o ușurință relativă. Contoarele de frecvență generează, de asemenea, semnale digitale care pot fi introduse direct într-un controler digital. Când semnalele măsurate sunt în formă analogică, este necesar un capăt frontal analogic pentru a interfața traductorul și controllerul digital. Cardurile de interfață de intrare/ieșire care pot lua atât semnale analogice cât și digitale sunt disponibile cu ajutorul controllerelor digitale.

FIGURA 9.29 Un sistem digital de control cu feedback

Măsurătorile analogice și semnalele de referință trebuie să fie eșantionate și codificate înainte de procesarea digitală în cadrul controllerului. Prelucrarea digitală poate fi utilizată eficient și pentru condiționarea semnalului. Alternativ, cipurile de procesare digitală a semnalului (DSP) pot funcționa ca controllere digitale. Dar, semnalele analogice trebuie precondiționate folosind circuite analogice înainte de digitalizare pentru a elimina sau minimiza problemele datorate distorsionării de aliasing (componente de înaltă frecvență peste jumătate din frecvența de eșantionare care apar fals ca componente cu joasă-frecvență) și pierderii (eroare din cauza trunchierii semnalului) ) precum și pentru îmbunătățirea nivelului semnalului și filtrarea zgomotului străin (vezi Capitolul 5). Sistemul de acționare al unei instalații preia de obicei semnale analogice. Adesea, ieșirea digitală de la controller trebuie convertită în formă analogică din acest motiv. Atât conversia analogic-digitală (ADC), cât și conversia digital-analogică (DAC) pot fi interpretate ca proceduri de condiționare a semnalului (modificare). Dacă se măsoară mai mult de un semnal de ieșire, fiecare semnal va trebui să fie condiționat și prelucrat separat. Ideal, acest lucru va necesita echipamente de condiționare și procesare separate pentru fiecare canal de semnal. O alternativă mai puțin costisitoare (dar mai lentă) ar fi împărțirea în timp a acestui echipament scump folosind un multiplexor. Acest dispozitiv va alege un canal de date dintr-un grup de canale de date într-o manieră secvențială și îl va conecta la un dispozitiv de intrare comun.

Practica curentă de utilizare a sistemelor de control digitale dedicate, bazate pe microcontrollere (capitolul 8) și adesea, distribuite (descentralizate) în aplicații industriale poate fi raționalizată în raport de avantajele majore ale controlului digital.

9.8.3 Avantajele controlului digital

Câteva dintre avantajele importante ale controlului digital sunt:

1. Controlul digital este mai puțin sensibil la zgomot sau la variația parametrilor în instrumentație, deoarece datele pot fi generate, reprezentate, transmise și procesate sub formă de cuvinte binare, cu biți care posedă două stări identificabile.

2. Sunt posibile acuratețe și viteză foarte ridicate prin procesarea digitală. Implementarea hardware este de obicei mai rapidă decât implementarea software.

3. Controlul digital poate gestiona sarcini repetitive extrem de bine, prin programare.

4. Pot fi programate legi complexe de control și metode de condiționare a semnalului care pot fi imposibil de implementat folosind dispozitive analogice.

5. O fiabilitate ridicată în funcționare poate fi obținută prin minimizarea componentelor hardware analogice și prin descentralizare folosind microprocesoare dedicate pentru diferite sarcini de control.

6. Cantități mari de date pot fi stocate folosind metode de stocare a datelor compacte, de înaltă densitate.

7. Datele pot fi stocate sau păstrate pentru perioade foarte lungi de timp, fără derivă și fără a fi afectate de condiții adverse de mediu.

8. Transmiterea rapidă a datelor este posibilă pe distanțe lungi, fără a introduce întârzieri dinamice excesive, ca în sisteme analogice.

9. Controlul digital are capabilități ușoare și rapide de recuperare a datelor.

10. Prelucrarea digitală utilizează tensiuni operaționale mici (de exemplu, 0–12 V DC).

11. Controlul digital este rentabil.

9.8.4 Implementarea computerului

În sistemele de control bazate pe computer, în memoria computerului de control trebuie programat un algoritm de control adecvat. Un controller digital este funcțional similar cu omologul său analogic, cu excepția faptului că datele de intrare ale controllerului și datele de ieșire de la controller sunt în formă digitală (vezi Figura 9.29). Legea de control poate fi reprezentată de un set de ecuații diferență (sau recurență). Aceste ecuații diferență leagă semnalele de ieșire discrete de la controller și semnalele de intrare discrete în controller. Problema dezvoltării unui controller digital poate fi interpretată ca formularea ecuațiilor diferență adecvate care sunt capabile să genereze semnalele de control necesare. Similar, la fel cum un controller analogic poate fi reprezentat printr-un set de funcții de transfer analogice, un controller digital poate fi reprezentat printr-un set de funcții de transfer discrete. Aceste funcții de transfer discrete, la rândul lor, pot fi transformate într-un set de ecuații diferență.

Odată ce o lege de control este disponibilă sub forma analogică, ca funcție de transfer, legea de control digitală corespunzătoare poate fi determinată prin obținerea funcției de transfer discret care este echivalentă cu funcția de transfer analogică. Această abordare este deosebit de utilă atunci când, de exemplu, este necesară actualizarea (modernizarea) unui sistem de control analogic bine stabilit prin înlocuirea circuitelor sale compensatoare analogice cu un controller/compensator digital. Atunci, funcția de transfer (Laplace) a compensatorului analogic poate fi obținută prin testarea sau analiza (sau ambele) compensatorului. Obiectivul eventual ar fi dezvoltarea unei ecuații diferență pentru a reprezenta compensatorul analogic. Aceasta este o sarcină de bază în dezvoltarea unui controller digital și este gestionată convenabil prin metoda transformatei-z.

O funcție de transfer discretă depinde în mod necesar de perioada de eșantionare T folosită pentru a converti semnale analogice în date discrete (date eșantionate). Acțiunea de control digital se apropie de acțiunea de control analogic corespunzătoare atunci când T se apropie de zero. Rata de eșantionare mai rapidă oferă o acuratrețe mai bună și o eroare mai mică de aliasing, dar necesită timpi de ciclu de procesare mai mici, care la rândul lor necesită procesoare eficiente și algoritmi de control îmbunătățiți pentru un anumit nivel de complexitate a controlului. Rata de eșantionare mai rapidă este mai exigentă și pe hardware-ul interfeței. Este necesară o dimensiune mare a cuvântului pentru a reprezenta cu exactitate datele. Prin creșterea dimensiunii cuvântului (numărul de biți pe cuvânt), gama dinamică și rezoluția datelor reprezentate pot fi îmbunătățite și eroarea de cuantizare a scăzut. Chiar dacă timpul ciclului de procesare va crește, în general, prin creșterea dimensiunii cuvântului, în medie există și un avantaj de viteză pentru creșterea dimensiunii cuvântului unui computer. Cu cât este mai mare dimensiunea programului (numărul de instrucțiuni pe program), cu atât sunt mai mari cerințele de memorie și, în plus, cu atât este mai lent ciclul de control asociat pentru un computer de control dat. Rezultă că rata de eșantionare, timpul ciclului de procesare, dimensiunea cuvântului de date și cerințele de memorie sunt parametri cruciali care sunt interrelaționate în controlul digital.

Controlul digital este deosebit de preferat atunci când algoritmii de control sunt complecși. Algoritmul pentru un controlor în trei puncte (controller PID), de exemplu, este destul de simplu și direct. Chiar dacă un controller PID poate fi implementat cu ușurință prin mijloace analogice sau chiar printr-un controller digital hardware, se poate decide să se folosească un microprocesor simplu ca și controller în fiecare buclă proporțional-integrativ-derivativ (PID) a unui sistem de control. Abordarea microcontrollerului are avantajele costului redus, dimensiunilor mici și flexibilității. În special, integrarea cu un controller de supraveghere de nivel-superior într-un mediu de control-distribuit va fi destul de convenabilă atunci când sunt folosite controllere de buclă bazate pe microprocesor. De asemenea, integrarea buclelor PID cu scheme de control mai complexe, cum ar fi controlul de liniarizare (control cu feedback neliniar) și controlul adaptiv va fi simplificată atunci când se utilizează abordarea de control digital bazat pe software. Implementarea digitală a compensatoarelor lead și lag poate fi puțin mai dificilă decât implementarea controllerelor în trei puncte.

9.9 Probleme