Иванов Ю.И., Югай В.Я. Технические средства автоматизации и управления: Методическое руководство к лабораторным работам

Подождите немного. Документ загружается.

)0()0(

ионвых

. (18)

Из формулы (18) следует, что в системе с ПИ-регулятором

напряжение смещения воспринимается как возмущающее воз-

действие, в выходном сигнале в установившемся режиме его

вклад равен нулю и поэтому его введение не позволяет расши-

рить регулировочную характеристику.

На рис. 27 приведены графики переходных характеристик

ИСН с ПИ-регулятором и параметрами ИСН:

Uион=(0.5, 3.5В),

Uсм=0В, Ko=2, Kф=Kp=1, τи=1000*470e-6, τф=2000*470e-6 с

амплитудной характеристикой ШИМ без ограничений, а на рис.

25 с ограничениями 0 и 5В.

Рис. 27. Идеализированные переходные характеристики с ПИ-

регулятором

Рис. 28. Переходные характеристики с ПИ-регулятором и огра-

ниченной амплитудной характеристикой (Uион=0.5, 3.5В)

Рис.29. Переходные характеристики с ПИ-регулятором и огра-

ниченной амплитудной характеристикой (Uион=1.5, 3.5В).

Для сравнения на рис. 28, 29 приведены графики для вход-

ного воздействия с такой же формой сигнала, как и ранее, но

амплитудами импульса 3.5 и 1.5В.

На основе рассмотренных вариантов цифровых П и ПИ-

регуляторов могут быть построены и другие системы стабили-

зации. Например, в качестве объекта управления на рис. 17

вместо АФНЧ может

быть включен двигатель постоянного тока

с тахогенератором, нагревательный элемент с термодатчиком и

т.д., при условии, что между выходом ШИМ и входом ОУ будет

установлен соответствующий усилитель мощности.

Порядок выполнения лабораторной работы:

Используя программные модули предыдущих лабораторных

работ, подготовить программу микроконтроллера для реали-

зации ШИМ-регулятора напряжения (рис. 22) без обратной

связи.

Собрать схему ИСН в соответствии с рис.22.

3. Изменяя положение движка потенциометра, наблюдать с

помощью осциллографа и вольтметра за изменением вели-

чины и формы напряжения на выходах ШИМ и RC-фильтра.

Для фиксированного положения потенциометра, подключая

и отключая резистор нагрузки, наблюдать за изменением

этих выходных напряжений.

Ввести в программу модуль обработки сигнала обратной

связи и реализовать пропорциональный регулятор с разными

коэффициентами (Kp=1, 2, 4).

Проделать п.п. 3 и 4 для ИСН с обратной связью.

7. По результатам выполнения работы оформить отчет, сделать

выводы.

Дополнительное задание: программно реализовать ПИ-

регулятор для ИСН по схеме, приведенной на рис. 22, выпол-

нить исследования п.п. 3 и 4, сравнить результаты с параметра-

ми, полученными для П-регулятора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ В СИСТЕМЕ

СТАБИЛИЗАЦИИ С ЦИФРОВЫМ РЕГУЛЯТОРОМ

Цель работы: Исследование работы цифровой системы стабили-

зации с применением алгоритмов ослабления по-

мех в контуре управления.

Применение импульсных регуляторов с ШИМ, рассмотрен-

ных в лабораторной работе № 3, не всегда допустимо. В ряде

случаев это связано с широким спектром выходного сигнала,

который определяется формулой (11). Применение ЦАП для

формирования выходного сигнала

позволяет существенно сни-

зить уровень высокочастотных спектральных составляющих, но

обычно приводит к существенному снижению кпд выходных

формирователей сигналов.

Кроме того, необходимость подавления высокочастотных

спектральных составляющих в импульсном выходном сигнале

ШИМ приводит к существенному усложнению анализа свойств

системы стабилизации при воздействии помех. В данной лабо-

раторной работе проводится исследование воздействия помех

на

свойства системы стабилизации с применением цифровых алго-

ритмов сглаживания помех, рассмотренных ранее в лаборатор-

ной работе № 2. Схема с лабораторным стендом AVR для вы-

полнения этих исследований приведена на рис. 30.

Цифровой регулятор системы стабилизации реализуется

программно в микроконтроллере лабораторного стенда. В целом

алгоритм работы системы стабилизации соответствует струк-

турной схеме

САУ, приведенной на рис. 7. Алгоритм стабилиза-

ции можно реализовать как П-регулятор или ПИ-регулятор,

используя соответствующие фрагменты программы лаборатор-

ной работы № 3. В отличие от импульсной системы стабилиза-

ции (лабораторная работа № 3) выходное напряжение в данной

схеме (рис. 30) формируется ЦАП лабораторного стенда.

Рис. 30. Схема лабораторного стенда для исследования влияния

помех в цифровом регуляторе

Выходной фильтр (Rф и Cф, рис. 30) предназначен для

подавления высокочастотных спектральных составляющих

выходного напряжения, связанных с дискретизацией в цифро-

вом регуляторе. Так как уровень этих составляющих сигнала

существенно меньше в данной реализации, постоянная времени

выходного фильтра также намного меньше

, чем в импульсном

регуляторе. Параметры выходного фильтра незначительно

влияют на передачу в выходную цепь сигналов в диапазоне

частот менее 100 Гц. Это позволяет оценить свойства реализо-

ванных алгоритмов преобразования данных для сигналов в этом

частотном диапазоне.

Сигнал задатчика, поступающий на вход PA1 (рис. 30),

формируется измерительным генератором GFG-8255. Как уже

указывалось, генератор обеспечивает независимую регулировку

величины постоянной

составляющей, амплитуды и частоты

переменной составляющей сигнала. В лабораторной работе

постоянная составляющая является основным сигналом задат-

чика, определяющим величину выходного напряжения системы

стабилизации. Переменная составляющая сигнала моделирует

помехи в контуре управления системы стабилизации. Регулируя

параметры переменной составляющей, можно оценить влияние

помех на стабильность выходного напряжения.

Сигнал обратной связи поступает на

регулятор через вход

PA2 (рис. 30). Сигнал ошибки, являющийся входным для регу-

лятора, должен программно формироваться в виде разности

сигналов задатчика и обратной связи, поступающих на входы

PA1 и PA2. В соответствии с реализуемым алгоритмом регуля-

тора этот сигнал ошибки программно должен определять вы-

ходной код, поступающий в ЦАП.

В соответствии с выражением (1)

для системы стабилизации

(Xвх(t)=const, kос=1) выходной сигнал определяется следующим

образом:

Y(p) = (Xвх(p –Y(p))W

(p)W

ОУ

(p)+ Xпом(p)W

(p)W

ОУ

(p) . (19)

В лабораторной работе свойства объекта управления моде-

лируются выходным фильтром (Rф, Cф) с передаточной функ-

цией

ОУ

)(

При отсутствии помех (Xпом(t)=0) можно выбрать параметры

регулятора для получения требуемого качества управления.

Например, применив ПИ-регулятор, в соответствии с первым

слагаемым выражения (19), получим нулевую статическую

ошибку. Однако, под влиянием помех (второе слагаемое выра-

жения (19)) выходная координата Y(t

) непостоянна, что сущест-

венно снижает стабильность выходного сигнала.

Алгоритмы сглаживания помех, рассмотренные в лабора-

торной работе № 2, позволяют ослабить влияние помех. Их

применение изменяет передаточную функцию регулятора W

(p)

так, чтобы в первом слагаемом выражения (19) влияние этих

дополнительных алгоритмов было минимальным, а во втором

слагаемом – достигалось максимальное ослабление помех. Сле-

дует помнить, что полностью избежать изменения свойств регу-

лятора невозможно. Применение алгоритмов сглаживания при-

водит к изменению запаса устойчивости и качества переходных

характеристик системы управления. При рациональном выборе

параметров

сглаживания эти изменения могут лежать в допус-

тимых пределах.

Порядок выполнения лабораторной работы:

Используя программные модули лабораторных работ № 1, 3,

подготовить программу микроконтроллера для реализации

П-регулятора напряжения с ЦАП (рис. 30) без обратной свя-

зи и с обратной связью.

Собрать схему ИСН в соответствии с рис.30.

10. Регулируя параметры сигнала на выходе генератора (по-

стоянная составляющая – сигнал задатчика, переменная со-

ставляющая – помехи в контуре управления в диапазоне час-

тот 50 – 100 Гц) с помощью осциллографа и вольтметра

оценить изменения выходного напряжения на выходе схемы

и влияние помех.

11.

Подключая и отключая резистор нагрузки, оценить из-

менение выходного напряжения.

12. Ввести в программу модуль цифрового сглаживания

помех лабораторной работы № 2, проделать п.п. 3 и 4 для

ИСН с подавлением помех в контуре управления.

13.

По результатам выполнения работы оформить отчет,

сделать выводы.

Дополнительное задание: программно реализовать ПИ-

регулятор для ИСН по схеме, приведенной на рис. 30, выпол-

нить исследования п.п. 3 и 4, сравнить результаты с параметра-

ми, полученными для П-регулятора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

5. ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СРЕДСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ И

УПРАВЛЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Цель работы: Изучение способов подключения к микроконтрол-

леру периферийных устройств для визуализации

и управления технологическими процессами.

Для удаленного контроля и управления в средствах автома-

тизации применяют различные интерфейсы, например CAN,

LIN, RS-232, RS-422, RS-485 и др. В свою очередь, многие мик-

роконтроллеры имеют выполненные на аппаратном уровне

интерфейсные блоки: UART, SPI, I2C, CAN, АЦП, ЦАП и др.

Эти

интерфейсные блоки позволяют им “общаться с внешним

миром” путем приема и передачи стандартных аналоговых и

цифровых сигналов.

Функционально законченные системы управления должны

предусматривать не только реализацию требуемых алгоритмов

управления, но и содержать средства визуализации и контроля

параметров и режимов работы. В данной лабораторной работе

рассматривается решение такой задачи для программы,

реали-

зующей импульсный стабилизатор постоянного напряжения

(ИСН) с ПИ-регулятором (лаб. раб. №3). Отображение заданно-

го и выходного значений напряжений ИСН можно выполнить

шестиразрядным семисегментным индикатором лабораторного

стенда, а контроль и управление ИСН – персональным компью-

тером (PC).

С целью облегчения отладки программы лабораторную

работу рекомендуется выполнить в два этапа. На первом

этапе

дополнить программу модулем, обеспечивающим передачу

информации с помощью SPI-интерфейса на светодиодный ин-

дикатор, а на втором – модулем обмена информацией между

микроконтроллером AVR и PC с помощью интерфейса RS-232.

Рекомендации по выполнению лабораторной работы:

Модуль отображения

Так как в стенде применен шестиразрядный индикатор, а

индицировать необходимо две величины: заданное и измерен-

ное выходное напряжение ИСН, то целесообразно три старших

разряда индикатора выделить для отображения заданного значе-

ния, а три младших – выходного. Исходной информацией для

отображения являются выходные коды АЦП

для аналоговых

сигналов, поступающих на PA0 и PA1 микроконтроллера, эти

коды используются в исходной программе. Для правильного

отображения чисел на индикаторе, двоичные значения, полу-

ченные от АЦП, должны быть преобразованы в двоично-

десятичные коды, а затем – в коды управления семисегментного

индикатора.

Преобразование двухбайтового двоичного числа в упако-

ванный двоично-десятичный код (BCD)

можно выполнить про-

граммой "bin16bcd5", приведенной в приложении 3. Упакован-

ный BCD-код – это такое представление десятичного числа,

когда каждая десятичная цифра представляется 4 – битным

двоичным позиционным кодом 8-4-2-1. При этом байт содержит

две десятичные цифры. Младшая десятичная цифра занимает

правую тетраду (биты 3 – 0), старшая – левую тетраду (биты 7 –

4). Многоразрядные BCD-числа занимают несколько смежных

байт. Если число

является знаковым, то для представления знака

в BCD-формате отводится старшая тетрада старшего байта. Для

кодирования знака можно использовать шесть двоичных кодо-

вых комбинаций, которые не используются для представления

десятичных цифр. Это коды 1010-1111 (A-F в шестнадцатерич-

ном представлении). Обычно для кодирования знака "плюс"

применяют код 1100 (С), а для знака "минус" – 1101 (D).

Алгоритм программы "bin16bcd5"

заключается в следую-

щем. Предположим, что имеется целое 16-битовое число без

знака (диапазон от 0 до 65535). Очевидно, что необходимо най-

ти 5 десятичных цифр. Способ преобразования заключается в