Микроконтроллерный регулятор оптимальной системы управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ТАГАНРОГЕ

Факультетавтоматики 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:

Студент гр. А-144Безродный С.В.

Проверил:

профессор кафедры САУ Крутчинский С.Г.

Таганрог 2008

Содержание:

1.  Введение

2.  Техническое задание

3.  Синтез фильтра нижних частот

4.  Синтез канала №1

4.1. Первичный преобразователь

4.2. Инструментальный усилитель

5. Синтез канала №2

5.1. Датчик с токовым выходом

5.2. Преобразователь ток-напряжение

6. Аналого-цифровой преобразователь

7. Микроконтроллер AT90S8535

7.1. Прикладная программа микроконтроллерного регулятора

8. Выбор элементной базы

9. Анализ качественных показателей МКС

10. Заключение

11. Список литературы

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 содержит 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.

1.                ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ.

Разработать двухканальную микроконтроллерную систему и программный продукт, обеспечивающие реализацию оптимального по комплексному критерию закона управления:

где

В приведенных выражениях ,  представляют собой сигналы аналоговых датчиков (имеют размерность “Вольт”). Все прочие величины являются константами.

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%.

2.                СИНТЕЗ ФИЛЬТРА НИЖНИХ ЧАСТОТ.

Рис.2. Упрощенная принципиальная схема ограничителя спектра третьего порядка.

Необходимо рассчитать схему таким образом, чтобы граничная частота полосы пропускания ограничителя спектра .

Для реализации небольшой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания при любой аппроксимирующей функции добротность полюса оказывается незначительной, поэтому можно использовать дополнительные параметрические условия:

; ; ;

; .

Выбираем кОм и нФ, тогда кОм и нФ.

Устройство реализует передаточную функцию:

,

где

, ,

, , , .

После подстановки значений всех коэффициентов получим:

Рис.3. Схема ФНЧ в MicroCAP 8.

Рис.4. Графики АЧХ и ФЧХ фильтра .

3.                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 -50⁰С до 80⁰С.

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 10⁰С, вызванное изменением температуры окружающей среды по абсолютной величине, должно быть не более 2мВ.

Величина сопротивления моста при температуре 80±3⁰С 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, масштабный усилитель, в основном от того с какой точностью будет усиливаться входной сигнал, зависит 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 инструментальный, который согласовывает  с опорным источником напряжения. Схемы измерительного моста и инструментального усилителя имеют вид:

Рис.6 . Измерительный мост и инструментальный усилитель.

Таким образом при согласовании ОУ1 и ОУ2 результирующая погрешность будет определяться параметрами ОУ3.

Измерительный мост преобразует значения входной величины  в эквивалентное ей значение напряжения (с коэффициентом пропорциональности ), в соответствии с законом изменения 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, g 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≤Y≤Yв,

где Y – текущее значение выходного сигнала датчика, мA;

Yн,Yв – нижний и верхний пределы изменения выходного сигнала, соответственно, мA;

К – коэффициент пропорциональности, указанный в таблице 1.1, мA/МПa;

Х – значение измеряемой величины, МПa;

Таблица 1.1

Допускаемое отклонение характеристики преобразования _м датчиков от номинальной статической характеристики не превышает 0.8

Диапазоны изменения выходных сигналов, тип линии связи и максимальное сопротивление нагрузки соответствуют указанным в таблице1.2.

 Таблица 1.2