Ченцов С.В. Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Êðàñíîÿðñê

ÈÏÊ ÑÔÓ

2009

Àâòîìàòèçèðîâàííîå

ïðîåêòèðîâàíèå

ñðåäñòâ

è ñèñòåì óïðàâëåíèÿ

Ýëåêòðîííûé ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé êîìïëåêñ

Áàíê òåñòîâûõ çàäàíèé â ñèñòåìå UniTest

Ó÷åáíàÿ ïðîãðàììà äèñöèïëèíû

Êóðñ ëåêöèé

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì

Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ ïî ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòå

УДК 681.5(075)

ББК 32.973я73

А22

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Автоматизирован-

ное проектирование средств и систем управления» подготовлен в рамках реализации

Программы развития федерального государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

(СФУ) на 2007–2010 гг.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки;

Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дис-

циплин

А22 Автоматизированное проектирование средств и систем управления [Элек-

тронный ресурс] : лаб. практикум / Д. В. Капулин, Е. Е. Носкова,

Ю. В. Краснобаев, С. В. Ченцов. – Электрон. дан. (3 Мб). – Красноярск : ИПК

СФУ, 2009. – (Автоматизированное проектирование средств и систем управле-

ния : УМКД № 1604–2008 / рук. творч. коллектива С. В. Ченцов). – 1 электрон.

опт. диск (DVD). – Систем. требования

: Intel Pentium (или аналогичный про-

цессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб

свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Mi-

crosoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный

продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1704-1 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1767-6 (лабораторного практикума)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902523 (ком-

плекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического ком-

плекса по дисциплине «Автоматизированное проектирование средств и систем управ-

ления», включающего учебную программу дисциплины, курс лекций, наглядное по-

собие «Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Презента-

ционные материалы», методические указания по самостоятельной работе, контроль-

но-измерительные материалы «Автоматизированное проектирование средств и систем

управления. Банк тестовых заданий».

Лабораторный практикум содержит восемь лабораторных работ, посвященных

разработке электронных устройств как элементов систем управления с помощью

САПР OrCAD и Protel. Для каждой лабораторной работы приведены необходимые

теоретические сведения, определены цели и задачи, указаны порядок выполнения и

требования к оформлению отчета.

Предназначен для студентов направления подготовки магистров 220200.68

«Управление в технических системах» укрупненной группы 220000 «Автоматизация и

управление».

Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ

Редактор Т. М. Пыжик

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий элек-

тронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория

по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного про-

дукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрирован-

ными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009

Объем 3 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

ВВЕДЕНИЕ................................................................... 6

1. ПРОБЛЕМАТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ И СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ. ФУНКЦИИ CAE/CAD/CAM ................ 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О САПР ORCAD, PROTEL.

ПРИМЕНЕНИЕ САПР ORCAD, PROTEL НА ЭТАПЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

........................................................... 8

Цель лабораторной работы .................................................................................... 8

Задачи лабораторной работы ................................................................................. 8

Теоретические сведения .......................................................................................... 8

Задание для выполнения лабораторной работы ................................................ 9

Порядок выполнения лабораторной работы ....................................................... 9

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 12

Контрольные вопросы ........................................................................................... 13

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ

И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ........................................ 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

(СЭП) .............................................. 14

Цель лабораторной работы .................................................................................. 14

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 14

Теоретические сведения ........................................................................................ 14

Структурные схемы СЭП автономных объектов и описание логики

их функционирования ............................................................................................ 14

Закон управления и структура устройства управления стабилизирующим

модулем зарядного устройства ............................................................................ 16

Структурные схемы СН и РУ. Описание логики их функционирования ........ 22

Общесистемный емкостной фильтр .................................................................... 28

Задание для выполнения лабораторной работы .............................................. 32

Алгоритм расчета значений элементов солнечной батареи ........................... 34

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 46

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 49

Контрольные вопросы ........................................................................................... 50

3. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ: МЕТОДЫ АНАЛИЗА СРЕДСТВ

И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ......................................... 51

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. ПРОВЕДЕНИЕ АНАЛИЗА ЧАСТОТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК

СЭП В РЕЖИМЕ ЗАРЯД ........................................................... 51

ОГЛАВЛЕНИЕ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Цель лабораторной работы .................................................................................. 51

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 51

Теоретические сведения ........................................................................................ 51

Задание для выполнения лабораторной работы .............................................. 55

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 55

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 56

Контрольные вопросы ........................................................................................... 57

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ПРОВЕДЕНИЕ АНАЛИЗА ЧАСТОТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК

СЭП В РЕЖИМЕ РАЗРЯДА ....................................................... 57

Цель лабораторной работы .................................................................................. 57

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 57

Теоретические сведения ........................................................................................ 57

Задание для лабораторной работы ..................................................................... 58

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 59

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 60

Контрольные вопросы ........................................................................................... 60

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5. ПРОВЕДЕНИЕ АНАЛИЗА ЧАСТОТНЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК

СЭП В РЕЖИМЕ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ОТБОРА МОЩНОСТИ

СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

....................................................................................... 61

Цель лабораторной работы .................................................................................. 61

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 61

Теоретические сведения ........................................................................................ 61

Задание для лабораторной работы ..................................................................... 67

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 80

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 82

Контрольные вопросы ........................................................................................... 83

4. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА

СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ..................... 84

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6. ПРОВЕДЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

СЭП С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДУЛЯ PSPICE OPTIMIZER ................................... 84

Цель лабораторной работы .................................................................................. 84

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 84

Теоретические сведения ........................................................................................ 84

Задание для лабораторной работы ..................................................................... 85

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 85

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 88

Контрольные вопросы ........................................................................................... 88

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7. ПРИМЕНЕНИЕ САПР ORCAD НА ЭТАПЕ

КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

...... 88

Цель лабораторной работы .................................................................................. 88

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 88

ОГЛАВЛЕНИЕ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Теоретические сведения ........................................................................................ 89

Задание для лабораторной работы ..................................................................... 90

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 90

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 93

Контрольные вопросы ........................................................................................... 93

5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ СРЕДСТВ

И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ........................................ 95

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8. ФОРМИРОВАНИЕ ВОЗМУЩАЮЩИХ И УПРАВЛЯЮЩИХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ НА

СЭП С ПОМОЩЬЮ МОДУЛЯ STIMULUS EDITOR .................... 95

Цель лабораторной работы .................................................................................. 95

Задачи лабораторной работы ............................................................................... 95

Теоретические сведения ........................................................................................ 95

Задание на лабораторную работу ........................................................................ 95

Порядок выполнения лабораторной работы ..................................................... 95

Требования к оформлению отчета по лабораторной работе .......................... 97

Контрольные вопросы ........................................................................................... 97

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................ 98



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

В настоящее время инженер в процессе своей деятельности нередко

использует ЭВМ для проведения различных вычислений, а в ряде случаев

проектировщик современной аппаратуры просто не может обойтись без ЭВМ

как без основного рабочего инструмента. При этом разработчик использует

современные системы автоматизированного проектирования, либо решает

нестандартные задачи проектирования, опираясь на системы для инженер-

ных и научных расчетов.

Автоматизированное проектирование позволяет существенно сокра-

тить финансовые затраты и время на разработку систем управления, повышая

точность расчетов и сокращая объем экспериментальных исследований. Про-

дуктивное использование ЭВМ немыслимо без развитого прикладного про-

граммного обеспечения, позволяющего быстро и надежно моделировать и

оптимизировать предлагаемые решения.

Уровень технического развития средств и систем управления немыс-

лим без применения систем автоматизированного проектирования (САПР) на

различных этапах разработки и производства аппаратуры. Такими САПР яв-

ляются OrCAD фирмы Cadence Design Systems и Protel фирмы Altium. На се-

годняшний день, пройдя значительный путь по совершенствованию своих

продуктов, OrCAD и Protel представляют собой системы, позволяющие раз-

работчикам в достаточно короткие сроки создавать, моделировать электрон-

ные схемы, разрабатывать печатные платы и подготавливать их к производст-

ву. OrCAD и Protel по праву считаются одними из лучших роизводителей па-

кетов проектирования.

Изучение дисциплины «Автоматизированное проектирование средств

и систем управления» позволяет ознакомиться с основными важными разде-

лами процесса проектирования с использованием САПР. Предлагаемая рабо-

та представляет собой сборник лабораторных работ по проектированию сис-

тем электропитания автономных объектов и необходимых для их выполне-

ния теоретических сведений.

Цель сборника – раскрыть содержание, принципы и методологию со-

временных подходов к автоматизации проектирования средств и систем

управления техническими объектами.

В задачи дисциплины входят: изучение основ методов формирования

математических моделей объектов автоматизации и управления, методов ав-

томатизированного проектирования автоматических и автоматизированных

средств и систем управления объектами различной природы с применением

современных компьютерных технологий; использование программно-

аппаратных средств автоматизации проектирования последних поколений в

целях разработки технических средств и систем управления на современной

элементной базе.

Предлагаемые лабораторные работы посвящены освоению систем

сквозного проектирования OrCAD и Protel, дающих мощные возможности по

ВВЕДЕНИЕ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

автоматизации функционального и конструкторского этапов проектирования

электронных устройств систем управления. Работы снабжены детальным

описанием данных систем проектирования. Теоретические сведения, описа-

ние большинства лабораторных работ и процедура их выполнения в пред-

ставленной работе даны на основе использования САПР OrCAD. Однако все

лабораторные работы могут выполняться как в системе OrCAD, так и в Protel,

поскольку процедура выполнения работ и методика проектирования с ис-

пользованием этих систем мало отличаются друг от друга. Поэтому выбор

САПР для выполнения лабораторных работ оставлен на усмотрение препо-

давателя.



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Целью лабораторной работы является закрепление теоретических зна-

ний в области математического моделирования технических объектов, а так-

же знакомство с системами проектирования OrCAD и Protel.

• изучение структуры САПР OrCAD, Protel;

• освоение методик исследования различных режимов работы проек-

тируемых устройств: RC-фильтров, аналоговых функциональных блоков;

• изучение входного языка моделирования программы PSpice, форми-

рование задания на моделирование;

• получение практических навыков по организации работы с иерархи-

ческими блоками при многоуровневом описании проектируемой системы.

Общая характеристика САПР OrCAD, Protel, организация работы с па-

кетами приведены в [1, гл. 2

; 2; 3, ч. 1–3].

Описание входного языка PSpice, правила составления задания на мо-

делирование, структура текстового задания на моделирование приведены в

[1, гл. 4;

3, ч. 5].

Принципы работы с модулем Сapture, работа с графической библиоте-

кой элементов приведены в [1, гл. 2

; 3, ч. 3].

Описание структуры проекта, создание иерархических блоков приве-

дены в [3, ч. 8

Подготовка к моделированию на основе модуля PSpice рассмотрена в

[1, гл. 4

, 3, ч. 4, 5].

Моделирование на функциональном уровне в OrCAD рассмотрено в

[1, гл. 4

Организация работы с модулем Probe приведена в [1, раздел 5.1

ПРОБЛЕМАТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 1. Применение САПР OrCAD, Protel на этапе функционального проектирования систем управления



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

Задание для выполнения работы состоит из двух частей. В первой

части выполняется моделирование электрических RC-фильтров. Преподава-

тель распределяет номера вариантов между студентами, затем из табл. 1.1

студенты в соответствии с номером варианта выбирают параметры схем ин-

тегирующей, дифференцирующей и совмещенных (соединенных последова-

тельно интегрирующей и дифференцирующей) цепей. После выполнения

первой части работы, студент приступает к выполнению второй части. В со-

ответствии с номером варианта из табл. 1.2

выбирается функция времени и

реализуется с помощью элементов библиотеки ABM. Параметры независи-

мых источников сигналов выбирают произвольно.

1. В соответствии с рис. 1.1 нужно собрать схемы интегрирующей,

дифференцирующей и совмещенных цепей с использованием иерархических

блоков в модуле Capture. Данные R и C по своему варианту взять из табл. 1.1

2. Подать на вход каждого блока, содержащего отдельную цепь, сину-

соидальный сигнал. В качестве источника сигнала использовать независимый

источник синусоидального напряжения VSIN. На каждый из выходов систе-

мы подключить резистивную нагрузку номиналом 1 кОм.

3. В профилях моделирования указать директиву расчета переходных

процессов, задать время расчета. Провести моделирование собранных схем c

использованием модуля PSpice A/D. Результаты моделирования для каждой

из схем представить в модуле Probe на пяти планах: сигнал с входного ис-

Рис. 1.1. Схемотехническая реализация интегрирующей (а), дифференцирующей

(б) и совмещенных (в, г) цепей

инт

диф

инт

диф

инт

диф

инт

ПРОБЛЕМАТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 1. Применение САПР OrCAD, Protel на этапе функционального проектирования систем управления



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

точника, сигнал с выхода интегрирующей цепи, сигнал с дифференцирую-

щей цепи и сигналы с совмещенных цепей.

4. Подобрать точность расчета настройкой директивы .Option таким

образом, чтобы сгладить сигналы и провести моделирование с новыми пара-

метрами точности.

5. Сравнить полученные результаты вычислительных экспериментов,

объяснить, сделать выводы.

6. Заменить источник VSIN на источник VAC. Провести расчет час-

тотных характеристик модуля выходного сопротивления каждой из схем,

применив директиву .AC Sweep/Noise. Построить АЧХ и ФЧХ модуля вы-

ходного сопротивления каждой из схем в постпроцессоре Probe.

7. В соответствии с рис. 1.2

собрать в редакторе Capture схемы после-

довательных цепей, содержащих идеальный операционный усилитель с рези-

стором номиналом 100 МОм в цепи обратной связи.

8. Провести расчет частотных характеристик модуля выходного со-

противления каждой из схем, применив директиву AC Sweep/Noise. Полу-

чить АЧХ и ФЧХ модуля выходного сопротивления каждой из схем в про-

грамме Probe. Сравнить полученные результаты между собой и с результата-

ми, полученными в п. 6. Сделать выводы о взаимовлиянии цепей и роли бу-

ферного усилителя, установленного между цепями.

9. Составить отчет, в котором подробно изложить все перечисленные

этапы выполнения задания.

Рис. 1.2. Схемы с буферным усилителем