CC BY
8
УДК 681.2
МЕТОД ВЕРИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ РЕАЛИЗУЕМЫХ НА ЦИФРОВЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ
11 2 А. А. Дружинин , А. В. Пучков , A. C. Асочаков
1Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31 Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, проспект Ленина, дом 30 E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
После реализации цифрового регулятора на цифровом устройстве управления необходимо подтвердить соответствие его параметров (структура, коэффициенты) с теоретически разработанным регулятором для предотвращения ошибок при замыкании обратной связи. В данной работе предложен и подтвержден экспериментально способ верификации регулятора на основе сравнения его отклика на типовые воздействия, с откликом на аналогичные воздействия эталонного регулятора в Matlab.
Ключевые слова: цифровой регулятор, эталонная модель, типовое воздействие, измерение, сигнал, БИХ-филътр.
THE METHOD OF VERIFICATION OF DIGITAL REGULATORS' PARAMETERS IMPLEMENTED ON DIGITAL CONTROL DEVICES
A. A. Druzhinin1, A. V. Puchkov1, A. S. Asochakov2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
After implementing a digital controller on a digital control device, it is necessary to confirm the correspondence of its parameters (structure, coefficients) with a theoretically developed controller to prevent errors when closing feedback. In this paper, we have proposed and have experimentally confirmed a method for verifying a regulator by comparing its response to typical inputs with the response to similar inputs of a reference regulator in Matlab.
Keywords: digital controller, reference model, typical inputs, measurement, signal, IIR-fliter.
Введение. С развитием микроэлектроники и электронно-компонентной базы микропроцессорные системы находят все большее применение в различных сферах деятельности. В частности, развивается энергопреобразующая аппаратура на основе импульсных источники питания, при проектировании которых начинают широко внедряться цифровые системы автоматического регулирования (ЦСАР) вместо аналоговых. Применение ЦСАР имеет ряд преимуществ перед применением аналоговой системы. Данное решение особенно актуально для космической техники, где стабильность характеристик и гибкость ЦСАР позволяет обеспечить заданные требования к энергопреобразующей аппаратуре в течение всего срока активного существования.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
С расширением области применения преобразователей с ЦСАР возникает потребность в разработке методов проведения испытаний и тестирования подобных устройств, и, в частности, регуляторов. Аналоговые регуляторы, в общем случае, - это операционные усилители с цепями обратной связи из активных и реактивных элементов. Проверка параметров самих операционных усилителей, резисторов, конденсаторов, и в конечном счете всего регулятора проводится стандартными методами электрических и функциональных испытаний[1]. Цифровой регулятор - это программный код для цифрового управляющего устройства (ЦУУ), состоящий из операций запоминания значений переменных, умножения на константы и сложения. В связи с разными подходами к физической реализации регуляторов, проверка параметров цифрового регулятора на основе методов, применяемых к аналоговым регуляторам невозможна. Поэтому тестирование регулятора, реализованного в ЦУУ, предлагается проводить при помощи сравнения отклика регулятора на типовые воздействия с реакцией на аналогичные воздействия эталонной модели, построенной в среде МайаЬ.
Модель регулятора и эксперимент. В общем виде цифровой регулятор выполняет функцию БИХ-фильтра (фильтра с бесконечной импульсной характеристикой). Формула БИХ-фильтра, реализующего наиболее распространенный тип регулятора -пропорционально-интегрального-дифференциального (ПИД) приведена в выражении 1.
Ь2 ■ 2 2 + Ь1 ■ 2 1 + Ь0 1 - 2"
в (2) = ^ ; (1)
Методы моделирования цифровых фильтров в среде МаАаЬ широко известны, и позволяют получить достаточно точные модели [2].
В программе МаЙаЬ реализована модель, приведенная на рис. 1.
Рис. 1. Модель для тестирования регулятора в МаАаЬ
Цифровые фильтры, в зависимости от своих коэффициентов обладают некоторой частотной характеристикой и динамическими свойствами. Динамические свойства фильтров хорошо проявляются путем определения реакции на ряд типовых воздействий, таких как ступенчатое, импульсное и гармоническое воздействия [3]. Таким образом, при подаче типовых воздействий на вход реализованного в ЦУУ фильтра и на вход его эталонной модели, их выходные сигналы должны быть идентичными. Если сигналы совпадают, то фильтр (регулятор) в ЦУУ реализован верно, если различаются, то в его реализации допущена ошибка.
Для эксперимента использовалась ПЛИС cyclone IV компании Altera. На ней реализован формирователь сигнала возмущения и регулятор, которые по структуре и коэффициентам аналогичны модели. После испытаний аппаратной модели регулятора на осциллограф поступают сигнал возмущения, сигнал с выхода фильтра и сигнал с аппаратной модели регулятора, реализованной в ПЛИС. В данном случае сигналом возмущения является последовательность импульсов частотой 100 Гц и амплитудой ±5 ед. На рис. 2 показаны получившиеся зависимости, на них пунктирной линией обозначен сигнал возмущения, сплошной линией - сигнал с выхода модели фильтра, а точечной линией сигнал с ПЛИС.
Рис. 2. Осциллограммы сигнала возмущения и реакции фильтров
Реакции выходных сигналов модели регулятора и фильтра реализованного в ПЛИС идентичны, следовательно, можно сделать вывод, что регулятор реализован верно.
Вывод. В данной работе подтверждено, что предложенный способ проверки реализации регулятора в ЦУУ работоспособен. Помимо использованного в эксперименте импульсного сигнала, в качестве сигналов возмущения могут выступать воздействия различной формы и частоты. Часто сигналом возмущения выступает гармоническое воздействие, так как в дальнейшем появляется возможность построения частотной характеристики реализованного регулятора без дополнительного оборудования.
Применение данного метода позволяет подтвердить характеристики регулятора, заложенные при проектировании, благодаря чему удается избежать ряда ошибок при программировании регулятора и нежелательных нестационарных режимов работы при отработке импульсного преобразователя.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ Р 53711-2009. Изделия электронной техники. Правила приемки. Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. №1161-ст: дата введения 01.09.2010.
2. Цифровая обработка сигналов и Ма^аЬ: учеб. Пособие / А. И. Солонина, Д. М. Клионский, Т. В. Меркучева, С. Н. Перов. - СПб.:БХВ-Петербург. - 512 е.: ил - (Учебная литература для вузов).
3. Солодовников В. В. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1 Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. Издательство «Машиностроение», Москва, 1967, - 769 с.
©.Дружинин А. А., Пучков А. В., Асочаков А. С., 2020
