Urządzenia wyjściowe w komputerowych układach
sterowania

Urządzenia wyjściowe stanowią ogniwo pośrednie między szybko

działającym, obsługującym wiele kanałów komputerem a wolno

działającymi urządzeniami wykonawczymi i regulatorami analogowymi.

Urządzenia te powinny zapewnić:

• przyporządkowanie sygnału wyjściowego odpowiedniemu kanałowi

(komutację);

• zapamiętanie wartości sygnału;

• przekształcenie i wzmocnienie mocy sygnału;

• pozostanie urządzeń wykonawczych w położeniach zajmowanych w

chwili awarii komputera

.

Sygnały przeznaczone do sterowania zaworów z napędem

elektromagnetycznym, sprzęgieł, przekaźników itp. są zapamiętywane w

rejestrach i wzmacniane. Często między rejestrem a wzmacniaczami mocy są

stosowane układy separacji galwanicznej- tak jak w układach wejściowych

stosowane są w tym celu optoizolatory.

Do wzmacniania sygnałów tej grupy stosowane są kluczowane wzmacniacze

tranzystorowe lub tyrystorowe.

Dla uzyskania sygnałów sterujących urządzenia analogowe są

stosowane na stępujące metody:

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na napięcie w przetworniku C/A

dołączonym na stałe do sterowanego urządzenia.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na napięcie i zapamiętywanie wyniku

w pamięci analogowej —w tym rozwiązaniu jeden przetwornik C/A

obsługuje wiele kanałów.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na czas trwania impulsu o stałej

amplitudzie.

• Zamiana liczby zapisanej w rejestrze na czas załączenia silnika o stałej

prędkości wirowania, a więc na zmianę położenia.

• Zamiana liczby wpisanej do licznika na liczbę kroków silnika skokowego,

czyli tak jak poprzednio na zmianę położenia.

W komputerowym sterowaniu urządzeń analogowych rozróżnia się

algorytmy przyrostowe i pozycyjne.

W pierwszym przypadku sygnał wyjściowy określa żądaną zmianę wartości

wielkości analogowej, a w drugim żądaną wartość tej wielkości.

Przy stosowaniu algorytmu przyrostowego urządzenie sterowane musi

zawierać element całkujący. Elementem całkującym jest np. silnik, a więc

sterowanie silnikami odbywa się z użyciem algorytmu przyrostowego

- liczba otrzymywana na wyjściu komputera jest przetwarzana na zmianę

położenia. Przy zamianie liczby na napięcie może być używany zarówno

algorytm przyrostowy, jak i pozycyjny.

Urządzenia wyjściowe dla sygnałów analogowych

Urządzenie zamieniające liczbę na wartość napięcia nazywane jest

przetwornikiem cyfrowo-analogowym (przetwornikiem C/A).

Przetwarzana liczba wpisywana jest do rejestru, którego każda pozycja steruje

jednym z kluczy

K1 - Kn. Wpisanie jedynki do komórki rejestru powoduje ustawienie

odpowiadającego jej klucza w pozycji górnej (oczywiście klucze są

półprzewodnikowe).

Do wejścia wzmacniacza dołączona jest tzw. drabinka rezystancyjna,

przez którą na wejście wzmacniacza podawany jest sygnał o wartości

zależnej od kombinacji zer i jedynek wpisanych do rejestru.

Wartości rezystorów tworzących drabinkę są tak dobrane, że ustawienie każdego

klucza w pozycji górnej zwiększa sygnał wyjściowy wzmacniacza o wartość

odpowiadającą wadze bitu sterującego tym kluczem. Dzięki temu, przy

określonej wartości napięcia odniesienia, napięcie wyjściowe wzmacniacza,

będące również sygnałem wyjściowym przetwornika, odpowiada liczbie

binarnej wpisanej do rejestru

.

Przetwornik może przetwarzać liczby z uwzględnieniem ich znaku: bit znaku

przetwarzanej liczby określa polaryzację napięcia odniesienia, a więc

jednocześnie polaryzację napięcia wyjściowego.

Dokładności przetwarzania produkowanych przetworników są większe niż

wymagania

urządzeń

analogowych,

szczególnie

przy

sterowaniu

przyrostowym, gdy maksymalny sygnał wyjściowy przetwornika odpowiada z

reguły ok. 10% zmiany wielkości wyjściowej sterowanego urządzenia.

Przetworniki C/A, produkowane przez wiele firm jako układy scalone, są jeszcze

na tyle drogie, że często są stosowane rozwiązania, w których jeden przetwornik

obsługuje wiele kanałów.

Wymaga to oczywiście stosowania pamięci analogowych, pamiętających

wartość sygnału analogowego, dołączanych do wyjścia przetwornika przez

komutator. Ponieważ sygnał wyjściowy przetwornika ma zakres zmienności kilku

woltów, komutacja nie sprawia więc kłopotów. Komutator zawiera z reguły

szereg kluczy półprzewodnikowych montowanych łącznie z pamięciami

analogowymi.

W regulatorach elektronicznych pamięć analogowa jest wykorzystywana w

układzie sterowania ręcznego i w układach współpracy z komputerem.

W obu przypadkach jest to pamięć przyrostowa, czyli dobrej klasy element

całkujący. Uproszczony schemat takiej pamięci przedsta wiono na rysunku.

Wzmacniacz operacyjny objęty jest pojemnościowym (całkującym) sprzężeniem

zwrotnym.

W położeniu 2 klucza sygnał wyjściowy

y nie powinien ulegać zmianie. Jego

zmiany (zniekształcenia zawartej w nim

informacji) mogą być powodowane:

• upływnością kondensatora;

• skończoną wartością rezystancji

klucza w stanie rozwarcia;

• prądem wejściowym wzmacniacza;

• dryftem zera wzmacniacza;

• skończoną wartością rezystancji

pomiędzy wejściem wzmacniacza a

masą.

Tego typu pamięci analogowe budowane są ze wzmacniaczy scalonych z

dodatkowym stopniem wejściowym na tranzystorach MOS. Stopień wejściowy

stosuje się dla uzyskania bardzo dużej rezystancji wejściowej.

W układach stosujących pozycyjny algorytm pracy używane są pamięci

analogowe zapamiętujące wartość ostatnio wprowadzonego sygnału. Podobnie jak

w pamięci przyrostowej, zapamiętany sygnał ulega zniekształceniu i powinien być

możliwie często aktualizowany.

Utrzymywanie stałej wartości napięcia wyjściowego przy roztwartym kluczu jest

podstawowym wymaganiem stawianym pamięciom analogowym

.

Dołączenie do przetwornika C/A wielu pamięci analogowych powoduje, że

sygnały przesyłane do pamięci mają postać impulsów o amplitudzie równej

napięciu wyjściowemu przetwornika.

Gdy stosowany jest algorytm pozycyjny i pamięci zapamiętują wartość

(amplitudę) tego impulsu, wówczas jego czas trwania (szerokość) nie ma

większego znaczenia.

Powinien on być tylko wystarczająco długi, aby na kondensatorze zdążyła się

ustalić nowa wartość napięcia.

W stosowanych rozwiązaniach czas ten jest rzędu l ms, co pozwala nawet przy

dużej liczbie obsługiwanych kanałów powracać do tego samego kanału

wystarczająco często, aby wyeliminować błędy spowodowane dryftem pamięci.

Gdy stosowany jest algorytm przyrostowy i pamięć analogowa jest po prostu

elementem całkującym, wówczas znaczenie ma zarówno amplituda jak i

szerokość impulsu.

Na rys. przedstawiono schematy blokowe dwóch wariantów układu

zamieniającego liczbę na czas trwania impulsu.

W układzie (a) liczba przetwarzana jest

wpisywana do rejestru, a impuls o

odpowiadającej

jej

szerokości

jest

otrzymywany

z

komparatora

porównującego

zawartość

rejestru

z

zawartością licznika zliczającego impulsy

zegarowe.

Na wyjściu komparatora otrzymujemy l,

gdy zawartość licznika jest mniejsza od

liczby wpisanej do rejestru. Jeżeli po

wpisaniu przetwarzanej liczby do rejestru

rozpoczniemy

podawanie

impulsów

zegarowych do wyzerowanego licznika, to

przez czas potrzebny do wprowadzenia do

licznika liczby impulsów równej liczbie

wpisanej do rejestru, sygnał wyjściowy

komparatora będzie miał wartość

1.

W rozwiązaniu przedstawionym na

rys. (b) liczba przetwarzana jest

wpisywana

do

licznika,

który

następnie

jest

rozładowywany

impulsami

zegarowymi

odejmowanymi od jego zawartości.

Układ

badania

stanu

licznika

wytwarza sygnał o wartości l przez

cały czas, gdy zawartość licznika jest

różna od 0.

Impuls na wyjściu tego układu trwa

więc od wpisania przetwarzanej

liczby do licznika aż do jego

wyzerowania.

Przetwarzanie sygnałów wyjściowych komputera do postaci analogowej może

być także dokonane przez zamianę liczby na kąt obrotu wału silnika.

Metoda ta jest powszechnie stosowana, jeżeli sygnał wyjściowy komputera ma

zostać prze tworzony na sygnał pneumatyczny. Stosowane są wówczas

przetworniki przesuniecia-ciśnienia.