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

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

11

Ч

а

с

т

ь

2

.

М

о

д

е

л

и

р

о

в

а

н

и

е

н

а

ф

у

н

к

ц

и

о

н

а

л

ь

н

о

м

у

р

о

в

н

е

1. Создать источник импульсов посредством перемножения гармони-

ческого и импульсного сигналов. Частота гармонического сигнала равна но-

меру варианта, умноженному на 20 МГц, период повторения импульса равен

номеру варианта, разделенному на 10 мкс. Расчет осуществлять по директи-

ве .TRAN (расчет переходных процессов).

2. Создать схему формирования сигнала ошибки посредством интегра-

тора, охваченного отрицательной обратной связью, содержащей усилитель с

коэффициентом усиления, равным номеру варианта, умноженному на 2. В

качестве входного устройства использовать генератор ступенчатой функции,

либо источник напряжения, формирующий кусочно-линейную функцию.

Расчет осуществлять по директивам .TRAN, AC.

3. Сформировать вычислитель функции времени. Данные по вариан-

там содержатся в табл. 1.2

. В качестве входного устройства использовать ис-

точник напряжения, формирующий кусочно-линейную функцию. Расчет

осуществлять по директиве .TRAN.

4. Проанализировать полученные результаты, сделать соответствую-

щие выводы.

5. Составить отчет, в котором подробно изложить все перечисленные

этапы выполнения задания.

Таблица 1.1

Номер

варианта

R

инт

C

инт

R

диф

C

диф

1

1 кОм

1 мкФ

50 Ом

750 нФ

2

10 кОм

0,2 мкФ

200 Ом

500 нФ

3

3 кОм

0,3 мкФ

500 Ом

0,5 мкФ

4

500 Ом

0,1 мкФ

20 кОм

150 нФ

5

300 Ом

20 мкФ

10 кОм

0,5 мкФ

6

2 кОм

0,5 мкФ

50 кОм

20 нФ

7

10 кОм

0,1 мкФ

0,3 кОм

300 нФ

8

1.5 кОм

0,3 мкФ

750 кОм

2 пФ

9

2 кОм

500 нФ

0,2 МОм

1 пФ

10

7.5 кОм

0,3 мкФ

500 Ом

500 нФ

11

200 Ом

1500 нФ

50 кОм

20 нФ

12

0.2 МОм

30 пФ

75 кОм

100 пФ

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

12

Т

р

е

б

о

в

а

н

и

я

к

о

ф

о

р

м

л

е

н

и

ю

о

т

ч

е

т

а

п

о

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

е

Отчет должен быть подготовлен в печатном виде с помощью редактора

MS Word и содержать следующие обязательные разделы: цель и задачи лабо-

раторной работы, задание для выполнения лабораторной работы, информа-

цию о порядке выполнения лабораторной работы, описание результатов ла-

бораторных исследований. Отчет оформляется в соответствии с СТО [8

].

В отчете должно быть отображено следующее:

1. Процедура создания нового проекта с указанием выбора графиче-

ского редактора (Capture или Schematics, указать применяемость редакторов),

типа проекта (Analog or Mixed A/D, PC Board Wizard, …), описания пред-

ставленных в диалоговом окне типов проекта.

2. Процедура поиска необходимых элементов в библиотеках (указать

команду вызова диалогового окна поиска элемента, название элемента, его

принадлежность к конкретной библиотеке, основные характеристики и свой-

ства элемента), указать название применяемой библиотеки, ее содержание

(пример: «abm.olb» – библиотека функциональных блоков (сумматор, пере-

множитель, интегратор и др.)), отличие библиотек символов *.olb и матема-

тических компонентов *.lib.

3. Методика создания иерархических блоков (указать команду, соз-

дающую блок, описание панелей диалогового окна создания блока, тип ие-

рархического блока; назвать команду, создающую порты ввода/вывода блока,

и описание типов портов ввода/вывода).

4. Описание процедуры подготовки задания на моделирование – выбор

директивы моделирования с описанием ее использования, выбор параметров

Таблица 1.2

Номер

варианта

Вид формируемой функции

1

1)120sin(2ln)(

2)4(

−+−+−=

+−

tttety

t

2

ttdtttty 84sin6112)(

23

+−+−−=

∫

3

4

2cos204log20)(

−

+−=

t

etty

4

∫

−+−= tdttttty 20117)(

2'

5

∫

−

+−+−= dteetttty

tt 25'2'''

)48(42)(

6

85

ln2

1)(

+

−

+−=

t

et

etty

7

|6|451524)(

3

tttttty +−++−+=

8

t

ettttgty

2

1log20)2cos()( −++−=

9

tttty log25)1sin(ln)(

2'

+−+−=

10

52

ln5422sin2cos)(

−

+−+−=

∫∫

t

etdtttgtdttty

11

t

ettty

5

415cos6ln

2)( −+−=

12

tettty

tt

4sin336)(

142

+++−=

−−

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

13

моделирования – время счета, максимальный шаг интегрирования, режим

предварительного расчета по постоянному току, точность расчета, макси-

мальное количество шагов интегрирования, задание на расчет частотных ха-

рактеристик и т. д.

5. Описание используемых команд для обработки результатов модели-

рования – встроенные команды расчета частотных характеристик, команды

разделения экрана на несколько видов и т. д.

Также необходимо указать параметры элементов цепей, независимых

источников, других используемых устройств, давать пояснения по выбору

конкретных параметров.

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

1. Какие основные типы проектов используются при применении па-

кетов OrCAD или Protel?

2. Дайте определение понятию «задание на моделирование».

3. Дайте определение понятию «директива моделирования».

4. Какие существуют директивы моделирования и в каких случаях они

применяются?

5. Какие основные параметры задаются при исследовании эквивалент-

ных схем во временной области?

6. Каким образом организуется расчет частотных характеристик уст-

ройства при исследовании с использованием модуля Capture?

7. Каким образом в параметрах элементов проектируемой схемы в

системах OrCAD, Protel учитываются температурные параметры?

8. В чем заключается назначение иерархического блока?



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

14

2

.

М

О

Д

Е

Л

Ь

Н

О

Е

П

Р

Е

Д

С

Т

А

В

Л

Е

Н

И

Е

С

Р

Е

Д

С

Т

В

И

С

И

С

Т

Е

М

У

П

Р

А

В

Л

Е

Н

И

Я

Л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

а

я

р

а

б

о

т

а

2

Р

а

з

р

а

б

о

т

к

а

м

а

т

е

м

а

т

и

ч

е

с

к

и

х

м

о

д

е

л

е

й

э

л

е

м

е

н

т

о

в

с

и

с

т

е

м

ы

э

л

е

к

т

р

о

п

и

т

а

н

и

я

(

С

Э

П

)

Ц

е

л

ь

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

ы

:

закрепление теоретических знаний в области разработки модели систе-

мы электропитания автономного объекта.

З

а

д

а

ч

и

л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

о

й

р

а

б

о

т

ы

:

• знакомство со структурой и основными топологическими решения-

ми систем электропитания автономных объектов;

• моделирование СЭП автономного объекта с использованием графи-

ческого редактора Capture и программы обработки результатов моделирова-

ния Probe;

• разработка и моделирование емкостного фильтра СЭП;

• приобретение навыков выполнения проектных задач в области ана-

лиза систем управления СЭП при помощи средств автоматизированного про-

ектирования.

Т

е

о

р

е

т

и

ч

е

с

к

и

е

с

в

е

д

е

н

и

я

Сведения о принципах функционирования, структуре, порядке расчета

функциональных узлов системы электропитания на основе импульсного пре-

образователя напряжения (конвертора) изложены в [4

; 5; 7].

Организация работы с модулем Сapture приведена в [1, гл. 2

; 3, ч. 3].

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

].

Подготовка к моделированию на основе модуля PSpice рассмотрена в

[1, гл. 4

; 3, ч. 4, 5].

С

т

р

у

к

т

у

р

н

ы

е

с

х

е

м

ы

С

Э

П

а

в

т

о

н

о

м

н

ы

х

о

б

ъ

е

к

т

о

в

и

о

п

и

с

а

н

и

е

л

о

г

и

к

и

х

ф

у

н

к

ц

и

о

н

и

р

о

в

а

н

и

я

Система электропитания автономного объекта (спутника связи) пред-

назначена для обеспечения потребителей электроэнергией требуемого каче-

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

15

ства в течение заданного срока активного существования (САС) при жёстких

ограничениях, накладываемых на массу СЭП. На рис. 2.1

приведена струк-

турная схема СЭП с основной батареей – солнечной (ОБС), разделенной на

две (ОБС1 и ОБС2), и двумя зарядными солнечными батареями (ЗБС1 и

ЗБС2). Энергия от ОБС1 и ОБС2 передается на высоковольтный выход СЭП

(на нагрузку Н100) через шунтовые регуляторы тока (ШРТ1 и ШРТ2). При

этом в случае достаточной суммарной мощности ОБС1 и ОБС2, за счет дей-

ствия цепи отрицательной обратной связи (ООС) по току поддерживается

выходной суммарный ток разрядных устройств на уровне (2÷3) А, мин и-

мально необходимом для обеспечения требуемого качества выходного на-

пряжения на высоковольтном выходе СЭП. Информационный сигнал о вели-

чине суммарного тока разрядного устройства (РУ) вычисляется посредством

сумматора С3 путем вычитания из тока нагрузки Н100 суммарного выходно-

го тока ШРТ1 и ШРТ2. Это позволяет не вводить в состав СЭП новых датчи-

ков тока, а использовать датчики тока, принципиально необходимые в систе-

ме для других целей. Так, датчик тока нагрузки (ДТ100) необходим для по-

лучения информации о токе нагрузки ля аппаратуры, а датчики выходных

токов ШРТ1 и ШРТ2 необходимы для работы регуляторов экстремальной

мощности (РЭМ1 и РЭМ2). Суммарный ток

ШРТ

I

∑

вычисляется посредством

сумматора С1, а сигнал рассогласования по току – посредством сумматора

С2. Сигнал уставки

УСТ1 РУ

()UI

задается из соображения поддержания выход-

ного суммарного тока РУ на минимально необходимом уровне. РЭМ1 и

РЭМ2 в случае недостатка мощности обеспечивают экстремальное регулиро-

вание ОБС1 и ОБС2. Причем из-за разброса параметров ОБС, силовых цепей

и устройств управления ШРТ возможен не одновременный переход ШРТ1 и

ШРТ2 в режим регулирования экстремальной мощности.

На рис. 2.2

приведена структурная схема СЭП с основной батареей

солнечной (ОБС) без ее разделения. Это позволяет упростить СЭП за счет

исключения РЭМ2 и сумматора С1. Но в этом случае возможно некоторое

недоиспользование мощности ОБС, так как сумма экстремумов мощности

двух ОБС больше экстремума мощности одной ОБС, равной по площади фо-

топреобразователей двум ОБС.

Зарядные регуляторы тока (ЗРТ1 и ЗРТ2), подключенные к ЗБС1 и

ЗБС2, обеспечивают заряд аккумуляторных батарей (АБ1 и АБ2) и передачу

энергии на входы соответствующих разрядных устройств, стабилизаторов

напряжения (СН1 и СН2). Желаемый ток заряда АБ1 и АБ2 обеспечивается

за счет ООС по току, для чего осуществляется измерение тока АБ посредст-

вом датчиков тока (ДТ АБ1 и ДТ АБ2) и выделение сигналов рассогласова-

ния по току посредством сумматоров С4 и С5. Желаемый ток заряда АБ1 и

АБ2 задается уставками

УСТ2 зарАБ1

()UI

и

УСТ3 зарАБ2

()UI

.

Регуляторы экстремальной мощности (РЭМ3 и РЭМ4) обеспечивают

поиск максимальной мощности ЗБС1 и ЗБС2, для чего достаточно обеспе-

чить максимум выходного тока ЗРТ1 или ЗРТ2. Ограничение напряжений АБ

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

16

по верхнему уровню обеспечивается за счет ООС по напряжению АБ (на

рис. 2.1

и рис. 2.2 показаны пунктиром).

Разрядные устройства РУ1 и РУ2 обеспечивают передачу энергии на

высоковольтный выход СЭП от соответствующих ЗБС (через ЗТР) на «свету»

или от соответствующих АБ в «тени», а также стабилизацию напряжения на

этом выходе. Стабилизирующие устройства СУ1 и СУ2 решают ту же задачу

применительно к низковольтному выходу СЭП. Статическая точность под-

держания напряжений на высоковольтном и низковольтном выходах СЭП

обеспечивается интегрирующими ООС по напряжению, включающими бло-

ки «интегратор ОС100» и «интегратор ОС27». Динамические характеристики

РУ и СН обеспечиваются индивидуальными (для каждого модуля РУ или

СН) контурами ООС. Выравнивание токов АБ в режиме их разряда обеспе-

чивается за счет выравнивания входных токов РУ1 и РУ2, а также входных

токов С1 и С2.

Для выравнивания входных токов СН используются информационные

сигналы с внутренних (входящих в состав модулей СН) датчиков тока. Ин-

формация о входных токах модулей поступает в узел токовыравнивания

(УТВ) СН, где формируются сигналы отклонения входных токов СН1 и СН2

от среднего входного тока. Сигналы отклонения входных токов СУ1 и СУ2

возвращаются в соответствующие СН и обеспечивают выравнивание вход-

ных токов СН.

Поскольку входные токи СН выровнены с использованием «внутрен-

них» токовых информационных сигналов, то для выравнивания токов АБ

достаточно выровнять входные токи РУ, для чего используются информаци-

онные сигналы с датчиков тока АБ.

З

а

к

о

н

у

п

р

а

в

л

е

н

и

я

и

с

т

р

у

к

т

у

р

а

у

с

т

р

о

й

с

т

в

а

у

п

р

а

в

л

е

н

и

я

с

т

а

б

и

л

и

з

и

р

у

ю

щ

и

м

о

д

у

л

е

м

з

а

р

я

д

н

о

г

о

у

с

т

р

о

й

с

т

в

а

Силовая цепь конвертора, входящего в состав ЗУ, может быть выпол-

нена по одной из классических схем преобразователей – понижающей или

повышающей. Причем если напряжение на АБ – U

АБ

> U

ВЫХ

, то в ЗУ исполь-

зуют конверторы с силовыми цепями повышающего типа (рис. 2.4, а

), а в РУ

– конверторы с силовыми цепями понижающего типа (рис. 2.3, а). Если на-

пряжение на АБ – U

АБ

< U

ВЫХ

, то в ЗУ используют конверторы с силовыми

цепями понижающего типа (рис. 2.3, а), а в РУ – конверторы с силовыми це-

пями повышающего типа (рис. 2.4, а

). Особенность работы конвертора ЗУ

состоит в том, что он стабилизирует своё входное напряжение, которое одно-

временно является выходным напряжением СЭП. Такой режим может возни-

кать в СЭП, энергопреобразующая аппаратура которых содержит шунтовые

стабилизаторы.

Рассмотрим случай, когда U

АБ

> U

ВЫХ

и в РУ использован конвертор с

силовой цепью понижающего типа, а в ЗУ – конвертор с силовой цепью по-

вышающего типа. Временные диаграммы изменения токов и напряжений на

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

17

элементах схем приведены на рис. 2.3, б и рис. 2.4, б соответственно. На вре-

менных диаграммах приняты следующие обозначения:

U

У.К

– сигнал управления ключом;

U

L.P

– регулируемая составляющая напряжения на дросселе;

U

VD

– напряжение на диоде VD;

I

L

, I

L.СТ

, I

L.Р

– ток дросселя, его стационарная и регулируемая составляющие;

I

С.Р

– регулируемая составляющая тока конденсатора С.

В схемах рис. 2.3, а

и рис. 2.4, а приняты одинаковые направления то-

ков дросселя L и конденсатора С.

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

18

ОБС

ЗБС 1

ШРТ

РЭМ

ДТ ШРТ 1

ДТ ШРТ 2

U

УСТ.1

(

I

РУ

)

ЗРТ 1

РЭМ

U

УСТ.2

(I

ЗАР.АБ

)

РУ 1

УТВ АБ

АБ

ДТ АБ

ЗБС 2

ЗРТ 2

РЭМ

U

УСТ.3

(I

ЗАР.АБ

)

АБ

ДТ АБ

ДТ ЗРТ

СН 1

УТВ

СН

СН 2

РУ 2

Интегра-

тор СР И

Интегра-

тор СР И

Н

U

ВЫ

ДТ

I

Р

I

ШРТ

I

ДТ ЗРТ

1

ОС по напряже-

нию

С1

С2

С3

КМ

С4

С5

Рис. 2.1. Структурная схема СЭП с разделенными ОБС (ОБС 1, ОБС 2)

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

19

ОБС

ЗБС 1

ШРТ

РЭМ

ДТ ШРТ

U

УСТ.1

(I

РУ

)

ЗРТ 1

РЭМ

U

УСТ.2

(I

ЗАР. АБ

)

РУ 1

УТВ АБ

АБ

ДТ АБ

ЗБС 2

ЗРТ 2

РЭМ

U

УСТ.3

(I

ЗАР. АБ

)

АБ

ДТ АБ

ДТ ЗРТ

СН 1

УТВ

СН

СН 2

РУ 2

Интегра-

тор СР И

Интегра-

тор СР И

Н

100

U

ВЫ

ДТ

I

Р

I

ШРТ

I

ДТ ЗРТ

1

ОС по напряже-

нию

С1 С2

КМ

С3

С4

Рис. 2.2. Структурная схема СЭП с объединенными ОБС

2. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа 2. Разработка математических моделей элементов системы электропитания (СЭП)



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Лаб. практикум

20

Рис. 2.3. Схема и временные диагонали понижающего типа

При сравнении временных диаграмм рис. 2.3, б

и рис. 2.4, б видно сов-

падение регулируемых составляющих I

С.Р

токов конденсаторов С в обоих

схемах при совпадении интервалов проводящего состояния ключа K в схеме

рис. 2.3, а

и диода VD в схеме рис. 2.4, а. Следовательно для стабилизации

выходного напряжения СЭП посредством схемы рис. 2.4, а

необходимо

управлять проводящим состоянием диода VD так же, как и проводящим со-

стоянием ключа K в схеме рис. 2.3, а.

При этом конвертор ЗУ (рис. 2.4, а) бу-

дет обладать такими же динамическими и статическими характеристиками,

что и конвертор РУ (рис. 2.3, а

). В режиме непрерывного тока диод VD пере-

ключается инверсно ключу K, т. е. для перевода диода в открытое состояние

необходимо закрыть ключ. Значит, для управления ключом конвертора ЗУ

необходимо и достаточно схему устройства управления дополнить инверто-

ром, подключенным к выходу широтно-импульсного модулятора.

+U

АБ

+U

ВЫХ

VD

L

C

ВХ

C

I

L

I

C

U

У.K

а

t

и

t

и.ст.

t

и.р.

T

mT

(m+1)T

(

m

+2)

T

t

U

У.K

U

АБ

t

U

L.P

I

L

,

I

L.СТ

I

L

I

L.СТ

t

I

L.Р

t

I

С.Р

–U

АБ

б

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

Подождите немного. Документ загружается.