конспект за второй семестр 4-го курса, преподаватель Ляхова (15А_Микропроцессорные регуляторы)

Посмотреть архив целиком

8



Микропроцессорный регулятор.


Тип информационного сигнала

Устройство входа ЭВМ

Устройство выхода ЭВМ

Непрерывный аналоговый (ток, напряжение)

АЦП

ЦАП

Дискретный бинарный (вкл./ выкл.)

Контактное устройство сопряжения

Контактное устройство сопряжения с реле (электромагнитными, твердотельными, тиристорными..)

Последовательность импульсов

Счетчик импульсов

Генератор импульсов (например, для управления шаговыми двигателями)

ШИМ

Время - импульсное устройство

Генератор импульсов


Рабочие характеристики АЦП и ЦАП:

- частота выборки (высокая частота важна для многоканальных систем, верхний предел ограничен временем аналого-цифрового преобразования,

- время преобразования,

- разрешающая способность АЦП - точность, с которой аналоговый сигнал может быть представлен в цифровой форме. Точность определяется числом уровней квантования = 2N , где N - число двоичных разрядов, используемых в АЦП,

- разрешающая способность ЦАП - точность, с которой цифровой сигнал может быть представлен в аналоговый форме. Точность зависит от числа разрядов двоичного регистра декодера и порядка экстраполятора (Э). Э 0-ого порядка аппроксимирует непрерывную функцию с помощью серии прямоугольных импульсов, считываемых из двоичного регистра. При экстраполяции 1-ого порядка сигнал в промежутке между замерами меняется линейно.


Цифровой регулятор (ЦР) с программной реализацией операций в режиме реального времени использует микропроцессор (МП), включающий все средства, необходимые для обработки информации и управления данными. В зависимости от выполняемых функций в качестве МП регулятора может использоваться контроллер (ПЛК) для ограниченного объема логических операций и микро-ЭВМ для большего объема логических и арифметических операций.


x(t) e(t) u(t) y(t)

X АЦП МП ЦАП ОУ с G(p)


-1


Рис. Типовая структура одноконтурной АСУ с микропроцессором.


Микропроцессор последовательно выполняет операции приема, обработки и выдачи информации, поэтому обладает меньшим быстродействием, чем аппаратно реализованный ЦР. Но он более универсальный, легко перестраивается. С его помощью можно реализовать ЦР

- с равномерным и неравномерным, постоянным и переменным шагом квантования,

- с постоянными и зависимыми от скорости входного воздействия коэффициентами,

- с элементом сравнения.


x(t) e(t) u(t) y(t)

АЦП1 МП ЦАП ОУ с G(p)


АЦП2


Рис. Схема микропроцессорного ЦР без схемы сравнения.


Устройствами сопряжения МП с непрерывной частью АСУ являются АЦП и ЦАП, которые должны быть совместимы

- по логическим уровням цифровых сигналов с шиной данных МП,

- по видам цифровых кодов и формата данных.


e(t) Устройства сопряжения u(t)



Каналы Каналы

А, В А, В

(УВВ1) (УВВ2)


Микропроцессор


Рис. Структура микропроцессорного регулятора.


Микропроцессорный регулятор состоит из

- микропроцессора,

- устройства сопряжения, содержащее ЦАП и АЦП,

- каналов ввода-вывода (УВВ).

Сопряжение с непрерывной частью АСУ производится с помощью устройства сопряжения, основой которого являются АЦП.



Компаратор АЦП УВВ1 МП

e(t)

Ген-р такт. Ген-р импул. УВВ2 ЦАП Масш . u(t)

импульсов синхронизации усил.


Рис. Функциональная схема микропроцессорного регулятора.


Генератор тактовых импульсов формирует последовательность импульсов для работы цифровой части АЦП. Генератор импульсов синхронизации, являясь делителем на 32 частоты повторения тактирующих импульсов, обеспечивает синхронизацию АЦП и управляет записью выходной информации микропроцессора во входные регистры ЦАП. Компаратор формирует логический сигнал (амплитудой не менее 10В) остановки преобразования в АЦП. Сумматоры суммируют выходные токи ЦАП. Масштабирующий усилитель обеспечивает необходимый уровень выходных сигналов цифрового регулятора.

Организация обмена данными микропроцессора и устройства сопряжения осуществляется с помощью 2-х программируемых устройств ввода-вывода (УВВ).

Для ввода в микропроцессор (МП) цифрового кода УВВ1 программируется на стробируемый ввод, соответствующий режиму “1”. Импульсы стробирования вырабатываются АЦП после окончания преобразования аналогового сигнала (сигнал “конец преобразования”).

Для выдачи отсчетов выходного сигнала ЦР на ЦАП УВВ2 программируется на работу в режиме “0”. Считывание информации с регистров каналов А и В и ее запись во входной регистр каналов АЦП осуществляется синхронизирующими импульсами устройства сопряжения.

С поступлением на неинвертирующий вход сигнала ошибки e(t) начинается процесс его преобразования в цифровой код. Как только напряжение, снимаемое с выходного операционного усилителя АЦП, станет равным напряжению ошибки, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического “0”, которое останавливает преобразование в АЦП. При этом на цифровых выходах АЦП устанавливается двоичный код ошибки системы, который с появлением импульса ”конец преобразования” записывается в регистр канала А 1-ого УВВ (УВВ1), запрограммированного на стробируемый ввод информации с АЦП. В течение времени ожидания МП постоянно опрашивает регистр канала А. Как только произошла запись кода ошибки в регистр канала (порта) А и величина этого кода превысила порог ложного срабатывания, МП переходит к выполнению записанной в нем программы работы ЦР.

После окончания каждого цикла расчетов результат последней операции передается в порты А и В УВВ2 (старший байт результата - в порт В, младший - в порт А). С частотой повторения импульсов синхронизации старшие 12 разрядов результата в каждом цикле, хранимого в регистрах портов А и В, одновременно считываются во входные регистры ЦАП. Величина выходного сигнала регулятора остается неизменной до тех пор, пока не произойдет смена информации в регистрах портов А и В УВВ2.


Микропроцессорное управление потоками жидкости или газа.


Для нанесения вещества на поверхность подложки используются потоки газовых и жидких смесей при диффузи, эпитаксиальном наращивании.

Расход Q жидкости или газа диафрагменным измерителем перепада давлений Р

( в соответствии с законом Бернулли) определяется выражением:

Q = K (Р / ),

где - удельный вес вещества, К - коэффициент, характеризующий проницаемость клапанного устройства с изменяемым отверстием диафрагмы (положение клапана характеризуется состоянием а ).


Рис. Эпюра распределения давления потока газа или жидкости в области клапана.


Ка Область нормальной

работы

n

.

.

3 Р

2

1

а


3 10 Р , КПа

Рис. Значение коэффициента К для различных положений клапана а = 1... n.


Коэффициент К постоянен при небольших перепадах давления Р на клапане : от 3 до 10 КПа. Когда перепад давлений выходит за указанные пределы, необходимо производить корректировку коэффициента К. Для формирования алгоритма целесообразно заменить график зависимости К = f (Р) аналитическим представлением К, привязанным к контролируемому датчиком положению клапана а:

К = Ка (а + Δа).

Исполнительное устройство (электродвигатель) преобразует управляющее воздействие (а ) в положение клапана а . Заданный расход Q0 технологической среды зависит от перепада давлений Р и предварительного положения клапана а :

Q0 = Ка ·(а + а) ·(Р / ) .

Рассчитываемое микропроцессорным регулятором управляющее воздействие для изменения положения заслонки должно быть

a + а = Ка-1 ·Q 0 / (Р/ ) .



γ, Q0 (а + а) а Q


Ка-1 Q 0 / Р/ Х Исполн. устр-во Клапан

а

UP Uа R

Измерения а и Р P1 P2


Рис. Функциональная схема реализации алгоритма управления потоком.


Техническая реализация АСУ:

- датчик перепада давления ( P1 - P2 )- дифференциальный манометр,

- датчик положения заслонки клапана - потенциометрический ( R ),

- исполнительное устройство - асинхронный электродвигатель, изменяющий проницаемость диафрагмы путем сдвига заслонки клапана (регулятор электродвигателя - тиристорный),

- клапан - запорно-регулирующий, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом, связанным через редуктор с валом электродвигателя.

Двигатель

Трубопровод Клапан



Датчик Р Датчик перепада

положения а давлений

клапана

АЦП АЦП



Вводимые Микропроцессор а Устройство

параметры: К управления

Q0, , a, K а двигателем



Рис. Схема АСУ расходом вещества.


Регулирование расхода производится по следующему алгоритму:

1 - По измеренным значениям P1 и P2 вычислить Р - UP.

2 - По величине сопротивления R потенциометра определить состояние клапана а - Uа.

3 - Из базы данных для определенного а найти величину Ка.

3 - По заданному значению расхода Q0 вычислить требуемое положение (состояние) клапана (а + а) .

4 - По результатам сравнения вычислить управляющее воздействие а.

5 - Осуществить отработку сигнала а исполнительным устройством.

6 - Вернуться к шагу 1 до достижения устойчивого состояния а = 0.


Зависимость коэффициента К от положения клапана а храниться в памяти микропроцессора. Зависимость К(а) получается в результате градуировки , проводимой с шагом n - аn-1 ). Каждый тип клапана имеет свою зависимость К(а). Задающие значения могут изменяться от n = 0 (клапан полностью закрыт) до n = 25 (полностью открыт). Программа вычисляет ошибку положения, после чего проводится корректировка положения клапана. Состояние процессора и характер выполняемой программы отражается на дисплее.


Перестраиваемые модульные роботы.


При реализации сложных манипуляций, например, для проведения хирургических операций внутри человеческого тела, возникает необходимость микророботу изменять свою конфигурацию. Благодаря перестраиваемой форме, такой робот сможет пройти по отдельным сосудам к месту, где нужно выполнить задачу, при необходимости, изменить свою форму и доставить нужный хирургический инструмент.

Изменение конфигурации робота предопределяет необходимость разбиения его на автономные модули.


 

Рис. Изображение кубообразного прототипа модуля и строение базового модуля робота.


Модуль состоит из 2-х частей для выполнения поворотов. Для получения нужной конформации поворачиваются не модули относительно друг друга, а части одного модуля. В этом случае упрощается управление серводвигателем. Первый куб примагничивается к столу. Поворачиваясь и перемещаясь, разъединяясь на части и снова соединяясь, робот меняет свою конфигурацию. Перемещения 2-х или 3-х координатные.


Рис. Различные конфигурации робота.


Модуль M-TRAN. Соединение модулей между собой осуществляется регулируемыми магнитами. Управление простое: да/нет.

Рис. Модуль M-TRAN.


Одним из вариантов является использование пружины из сплава с памятью формы - СПФ (shape memory alloySMA). В автономном состоянии нелинейные пружины (Non-linear spring) отталкивают соединительную плату (Connecting plate). При включении лампочки (Light bulb) происходит нагревание СПФ пружины (фазовый переход мартенсит – аустенит). СПФ пружина сжимается и противодействует усилию пружин отталкивания. Соединительные платы соседних модулей притягиваются и остаются в таком положении, пока действует световой сигнал управления нагреванием СПФ пружины (SMA coil).

Рис. Узел соединения модулей.


Информационная система управления включает проводную и беспроводную связь между модулями, а с управляющим компьютером – беспроводную через трансивер (Transceiver). Модуль содержит основной процессор (Main-CPU, Neuron Chip) и несколько контроллеров (PIC-P, PIC-M, PIC-A).

Рис. Информационная система управления роботом.



Рис. Внутренняя структура модуля.


Программное обеспечение сервера (host PC) обеспечивает задачи построения конфигурации многомодульного робота, т.е. управления его локальной сетью. При формировании конформации робота предусмотрены персональные задания для каждого модуля: его углы поворота, с какими модулями устанавливать связь.

Среди программ модуля имеются несколько алгоритмов сближения для 3-х диапазонов:

1) дальнего (long range) - более 50 мм,

2) среднего (mid range) – от 50 до 3 мм,

3) ближнего (short range) менее 3 мм.

На 1 этапе стоит задача поиска модуля с требуемым адресом. На 2 этапе воспроизводится процедура причаливания (docking). После сближения до 3 мм запускается процедура формирования магнитной связи.



Рис. Алгоритм процедуры причаливания.


функционирования на расстоянии между модулями от 3 до50 мм. Производится идентификация соседнего модуля. Формируется или подтверждается сигнал приводу перемещения



Рис. Структура локальной сети перестраиваемого модуля.



Случайные файлы

Файл
108876.rtf
93308.rtf
22443.rtf
16246-1.rtf
ref-17541.doc