Микроконтроллерный регулятор оптимальной системы управления

Стр. 35 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ТАГАНРОГЕ Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра систем автоматического управления _ __ Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу « Микропроцессорные устройства систем управления » на тему: « Микроконтроллерный регулятор оптимальной системы управления » Вариант №4 Выполнил : Ст удент гр. А-144 Безродный С.В. Проверил: профессор кафедры САУ Крутчинский С.Г. Таганрог 200 8 Содержание: 1. Введение 2. Техническое задание 3. Синтез фильтра нижних частот 4. Синтез канала №1 4.1. Первичный преобразователь 4.2. И нструментальный усилитель 5. Синтез канала №2 5.1. Датчик с токовым выходом 5.2. Преобразователь ток-напряжение 6. Аналого-цифровой преобразователь 7 . Микроконтроллер AT 90 S 8535 7.1 . Прикладная программа микроконтроллерного регулятора 8 . Выбор элементной базы 9. Анализ качественных показателей МКС 10 . Заключение 11 . Список литературы 1. ВВЕДЕНИЕ. Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Для организации сбора данных с датчиков используется микроконтроллер, с помощью которого осуществляется контроль над технологическими процессами в производстве. Между датчиком и микроконтроллером обязательно должен присутствовать канал обработки данных, который осуществляет усиление, фильтрацию и нормирование сигнала, подавление синфазной помехи; производится нелинейная обработка сигнала с целью линеаризации характеристики датчика и приведение аналогового сигнала к виду, пригодному для ввода в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В ходе выполнения данного курсового проекта необходимо синтезировать устройство согласования первичного преобразователя (датчика) с микроконтроллером. В данном устройстве первым узлом является датчик, а АЦП является оконечным узлом проектируемого устройства, и все другие составные функциональные единицы прямо или косвенно обеспечивают его нормальное функционирование. Синтезируемое устройство содержи т два параллельных канала передачи сигналов : датчик – усилитель – фильтр нижних частот – аналого-цифровой преобразователь. Рис.1 . Схема проектируемого устройства . При внедрении данного типа систем в производство используют многоканальные структуры, позволяющие подключение к микроконтроллеру нескольких датчиков. В данном курсовом проекте необходимо синтезировать двухканальное устройство согласования, произвести расчет всех необходимых параметров устройства и путем моделирования оценить работоспособности системы Синтезированная система должна имеет высокую интеграцию и универсальность, обладает модернизационным запасом, стабильностью работы и высоким быстродействием. 2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ. Разработать двухканальную микроконтроллерную систему и программный продукт, обеспечивающие реализацию оптимального по комплексному критерию закона управления: г де В приведенных выражениях , представляют собой сигналы аналоговых датчиков (имеют размерность “Вольт”). Все прочие величины являются ко н стантами. , В , В ,В , В 0,42 0,83 3,4 0,01 0,07 0,08 0,12 0,28 0,34 1,1 Величина измеряется сенсорным элементом (измерительный мост), при этом дифференциальное напряжение изменяется в пределах 0,1мВ – 25мВ, а синфазное не превышает 5В. Величина измеряется датчиком с токовым выходом (максимальный ток 20мА). Примечание. Погрешность реализации линейного закона управления не должна превышать 2,5%. 3. СИНТЕЗ ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ. Рис. 2. У прощенная принципиальная схема ограничит е ля спектра третьего порядка. Необходимо рассчитать схему таким образом, чтобы граничная частота полосы пропускания о г раничителя спектра . Для реализации небольшой неравномерности амплитудно-частотной характер и стики (АЧХ) в полосе пропускания при любой аппроксимирующей функции добротность полюса оказывается незначительной, поэтому можно использовать дополнительные параметрич е ские условия: ; ; ; ; . Выбираем к Ом и нФ, тогда кОм и нФ. Устройство реализует передаточную фун к цию: , где , , , , , . После подстановки значений всех коэффициентов получим: Рис. 3. Схема ФНЧ в MicroCAP 8. Рис. 4. Графики АЧХ и ФЧХ фильтра . 4. СИНТЕЗ КАНАЛА №1. 4.1. Первичный преобразователь . Тензопреобразователь ВЮМА 4030 309.001 РЭ Описание. Тензопреобразователь ВЮМА предназначен для непрерывного пропорционального преобразования силы (серия С) или давления (серия Д) в электрический сигнал. Климатическое исполнение тензопреобразователей по ГОСТ 15150 в рабочем интервале температур от -50 0 С до 80 0 С. Преобразуемый параметр: - сила от -5 до 5Н, - давление от 0,1 до 0,6 МПа. Электрическое питание осуществляется постоянным током 1,5±0,3 мА. Начальное значение выходного сигнала, соответствующее нулевому значению преобразуемого параметра, не должно превышать по абсолютной величине 10 мВ. Величина сопротивления моста должна находится в пределах 4,5±0,35 кОм. Нелинейность выходного сигнала в пределах номинального значения диапазона изменения преобразуемого параметра, выраженная в процентах от диапазона выходного сигнала, должна быть не более 0,15%. Перемещение конца рычага тензопреобразователей серии С , соответствующее изменению силы от нуля до верхнего предельного значения должно быть в пределах 0,25±0,003 мм. Вариация выходного сигнала от диапазона выходного сигнала, должна быть не более 0,1%. Изменение начального значения выходного сигнала на каждые 10 0 С, вызванное изменением температуры окружающей среды по абсолютной величине, должно быть не более 2мВ. Величина сопротивления моста при температуре 80±3 0 С должна быть не более 5,3кОм. Средний срок службы 12 лет. Устройство и работа тензопреобразователя. Тензопреобразователь представляет собой цилиндрический корпус с присоединенным штуцером (преобразователь давления) или рычагом (преобразователь силы) на одном торце и контактным разъемом на противоположном торце. Чувствительным элементом является сапфировая мембрана с кремниевыми тензорезисторами. Сапфировая мембрана по всей плоскости жестко соединена с металлической (титановой) мембраной, образуя с ней двухслойную мембрану, жестко закрепленную в корпусе. Двухслойная мембрана соединяется с мембраной, воспринимающей измеряемое давление, или с рычагом, воспринимающим измеряемую силу. Под действием давления или силы двухслойная мембрана деформируется , вызывая изменение сопротивления тензорезисторов, собранных в мостовую схему. В одну диагональ моста включен источник питания, а с другой диагонали снимается выходной электрический сигнал, пропорциональный механической деформации мембраны от приложенного давления или силы. В целях пассивной термокоррекции выходного сигнала используется внешнее сопротивление, включаемое параллельно одному из тензорезисторов моста. Рис. 5 . Схема подключения тензопреобразователя. 4.2. Инструментальный усилитель . В разрабатываемой микроконтроллерной системе входной блок состоит из измерительного моста и инструментального усилителя. Заметную роль в данной схеме играет входной, масшта б ный усилитель, в основном от того с какой точностью будет усиливаться входной сигнал, зав и сит погрешность преобразования АЦП. Согласно техническому заданию, входная величина измеряется сенсорным элементом (измерительный мост), а величина - с помощью датчика с токовым выходом . Так как датчик имеет большую синфазную помеху, в качестве масштабного усилителя используется инстр у ментальный, который согласовывает с опорным источником напряжения. Схемы и з мерительного моста и инструментального усилителя имеют вид: Стр. 35 Рис. 6 . Измерительный мост и инструментальный усилитель. Таким образом при согласовании ОУ1 и ОУ2 результирующая погрешность будет определяться параме т рами ОУ3. Измерительный мост преобразует значения входной величины в эквивалентное ей значение напряжения (с коэффициентом пропорциональности ), в соответствии с законом и з менения значений реостата . Параметры ОУ выбираются из условия минимизации дрейфа нуля . Напряжение на выходе усилителя определяется соотношением : , где - коэффициент усиления схемы. Примем В. Выбираем значения кОм, кОм. Таким образом, чтобы получить единичный коэффициент усиления ИУ нужно выбрать , тогда В. Рис. 7 . Схема канала №1. Рис. 8 . АЧХ и ФЧХ канала № 1 . В качестве прецизионного инструментального усилителя можно использовать МАХ 4195: СИНТЕЗ КАНАЛА №2. 5.1. Датчик давления «АРКТУР-01» с токовым выходом . Назначение. Датчик давления Арктур-01 (в дальнейшем – датчик) предназначен для непрерывного преобразования избыточного давления жидкостей и газов, в унифицированный токовый выходной сигнал. Датчик может применяться при контроле, регулировании и управлении технологическими процессами, а также при учете, в том числе коммерческом, жидкости и газа. Арктур-01– цифровой датчик избыточного давления, имеющий климатическое исполнение УХЛ1 по ГОСТ 15150, предназначенные для работы при температуре окружающей среды от минус 40°С до +80°С, преобразующий измеряемое давление в унифицированный токовый выходной сигнал 0-5 мА (по 4-х-проводной линии связи) или 4-20 мА (по 2-х-проводной линии связи). Датчик имеет невзрывозащищенное исполнение. По эксплуатационной законченности датчики являются изделиями ГСП третьего порядка по ГОСТ 12299. Характеристики, параметры, размеры. Верхние пределы измерений избыточного давления датчиков — 0,06*; 0,1; 0,16; 0,25; 0,40; 0,60; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10; 16 25 40 60 100 МПа. Конструкция датчиков обеспечивает возможность подстройки нуля и верхнего предела изменения выходного сигнала при выпуске из производства и в процессе эксплуатации. Конструкция датчиков исключает несанкционированный доступ к электронному блоку. Конструкция датчиков обеспечивает возможность измерения давления сред, по отношению к которым материалы, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионностойкими. Пределы основной допускаемой погрешности, выраженной в процентах от верхнего предела измерений, равны ± 0,1 ; ± 0,15; ± 0,2; ± 0,25 ± 0,5% Вариация выходного сигнала не превышает допускаемой основной погрешности . Номинальная статическая характеристика преобразования датчиков линейно-возрастающая и имеет вид: Y-Y Н = K*Х в интервале Yн