Импульсные системы автоматического управления

Основные понятия импульсных систем

Известные способы передачи и преобразования сигналов делятся на непрерывные и дискретные.

При непрерывном способе передается и преобразуется каждое мгновенное значение сигнала. При этом могут использоваться различные виды модуляции. В дискретных способах передачи или преобразования сигналы подвергаются квантованию по времени, уровню или смешанному квантованию (рисунок 1.1.1).

 

Рисунок 1.1.1

 

Квантованию по уровню соответствует фиксация дискретных уровней сигнала в произвольные моменты времени (рисунок 1.1.1а).

Квантование по времени соответствует фиксации дискретных моментов времени, при которых уровни сигнала могут принимать произвольные значения (рисунок 1.1.1б).

При смешанном или одновременном квантовании по времени и по уровню (рисунок 1.1.1в) непрерывный сигнал заменяется дискретными уровнями, ближайшими к значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты времени.

САУ по виду квантования делятся на импульсные (квантование по времени), релейные (квантование по уровню) и цифровые или релейно-импульсные (смешанное квантование).

В импульсных системах обычно используется импульсная модуляция. Процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определенному временному закону какого – либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Основными параметрами немодулированной последовательности импульсов (рисунок 1.1.2) являются:

А – амплитуда, Т – период повторения, gТ – длительность или ширина импульса, параметр g называют скважностью.

 

Рисунок 1.1.2

 

Расстояние между импульсами определяется частотой .

Процесс импульсной модуляции состоит в изменении по определённому временному закону какого-либо параметра периодически повторяющихся импульсов. Величина, определяющая закон модуляции, называется модулирующей величиной.

Если параметры последовательности импульсов изменяются в зависимости от значений модулирующей величины в фиксированные равноотстоящие друг от друга моменты времени, то это импульсная модуляция ПЕРВОГО рода (ИМI). При ИМI амплитуда А, скважность γ, период Т, фаза или частота определяются значением модулирующей величины в равноотстоящие дискретные моменты времени (рисунок 1.1.3 а, в, г).

Если же параметры последовательности импульсов изменяются в соответствии с текущим значением модулирующей величины, то такой вид модуляции называют импульсной модуляцией ВТОРОГО рода (ИМII). При ИМII амплитуда изменяется в течение времени существования импульса, а ширина, временной сдвиг (фаза или частота) определяются значением модулирующей величины в моменты времени, промежутки между которыми отличны от промежутков между немодулируемыми импульсами (рисунок 1.1.3 б).

Рисунок 1.1.3

 

Величина εТ- время сдвига модулируемого импульса относительно синхронизирующего импульса с периодом   Т=2π/ω₀, Т=1/ f.

В зависимости от модулируемого параметра различают:

1. Амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ).

2. Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).

3. Времяимпульсную модуляцию (ВИМ), которая делится на:

а) ЧИМ – частотно-импульсная модуляция,

б) ФИМ – фазоимпульсная модуляция.

4. Кодоимпульсная модуляция (КИМ), в ней одновременно происходит квантование и по времени и по уровню.

Рассмотренные виды модуляции являются двухтактными. При однотактной модуляции импульсы имеют постоянный знак.

 Импульсные системы представляют собой соединение импульсного элемента и непрерывной части:

Рисунок 1.1.4 – Cтруктурные схемы импульсных систем

 

Основными параметрами ИЭ (импульсного элемента) являются коэффициенты передачи Кп, период Т=2π/ω₀, частота ω₀ следования импульсов, длительность γТ, форма импульса S (t).

Под характеристикой ИЭ понимают зависимость величины модулированного параметра выходной последовательности импульсов от дискретных значений входной величины. Эта характеристика может быть линейной и нелинейной.

В линейном диапазоне крутизна (c) характеристики ИЭ определяется отношением величины модулируемого параметра выходной последовательности импульсов к соответствующему дискретному значению входной величины ИЭ.

Крутизна линейной характеристики АИЭ равна коэффициенту усиления (Ки) ИЭ. Величина Ки определяет постоянную высоту выходных импульсов, а знак их определяется знаком Хм.

 

                       а)                                       б)                                           в)

а) характеристика АИЭ

б) характеристика ВИЭ

в) характеристика ШИЭ

Хм - значение входной величины в дискретный момент времени,

γТ и e₁Т – соответствующие длительность и положение импульса

Рисунок 1.1.5 – Характеристики ИЭ

 

Характеристики широтного и временного ИЭ являются четными функциями входной величины

В зависимости от вида и рода ИЭ импульсные системы подразделяются на три типа: амплитудно-импульсные системы (АИС), широтно- импульсные системы (ШИС), время-импульсные системы (ВИС). При это может использоваться модуляция первого и второго рода. Эти ИС могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

ИС могут содержать один или несколько ИЭ. Системы с несколькими ИЭ делятся на асинхронные и синхронные (рисунок 1.1.6).  В асинхронных системах периоды повторения по крайней мере двух ИЭ различны. В синхронных ИС периоды повторения всех ИЭ равны между собой.

Частным случаем  синхронных ИС являются синфазные системы, в которых совпадают не только импульсы, но и фаза.

Частным случаем асинхронных ИС являются многократные, в которых периоды различных ИЭ кратны периоду одного из них. В синфазных многократных системах моменты возникновения кратных импульсов одинаковы (рисунок 1.1.6).

 

Рисунок 1.1.6

 

В линейных системах выполняется принцип суперпозиции или принцип наложения, а параметры ИЭ и непрерывной части системы не зависят от внешних сигналов и величин, характеризующих состояние системы.

К линейным ИС относятся АИС с линейным ИЭ и линейной непрерывной частью.

К нелинейным ИС относятся ШИС и ВИС, а также АИС с нелинейной характеристикой ИЭ или с нелинейной непрерывной частью.

Примеры импульсных систем