Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра автоматизации технологических процессов
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания к лабораторным работам
для студентов 4-го курса специальности 220301
“Автоматизация технологических процессов и производств
(в строительстве)”
Воронеж 2005
Составитель В.И. Енин
УДК 62.50
ББК 32.965.9
Цифровые системы управления [Электронный ресурс]: метод. указания к лаб. работам/ Воронеж. гос. арх.- строит. ун- т.; сост.: В.И. Енин. - Воронеж, 2005. - 43 с.
Методические указания содержат необходимые сведения и рекомендации по подготовке, выполнению и обработке результатов проведения лабораторных работ по цифровым системам управления в рамках учебной дисциплины "Цифровые системы управления".
Методические указания предназначены для студентов 4-го курса специальности 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)", изучающих дисциплину " Цифровые системы управления ", и используются при проведении лабораторных работ.
Ил. 2. Библиогр.: 14 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
Рецензент - В.Д. Волков, д.т.н., проф.
Начало Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЛЕЙНОГО ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ НА ЭВМ 5
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ НА ЭВМ 9
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР С ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ НА БАЗЕ ЭВМ 11
ЦИФРОВОЙ ОСЦИЛЛОГРАФ 13
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ 21
ДИСКРЕТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ 27
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫМ ОБЪЕКТОМ 30
ОПЕРАЦИИ ВВОДА-ВЫВОДА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ 33
ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АНАЛОГОВЫМ ОБЪЕКТОМ 37
ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР 40
ЦИФРОВОЙ АПЕРИОДИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР 43
Методические указания к лабораторным работам для студентов 4-го курса специальности 220301 “Автоматизация технологических процессов
и производств (в строительстве)”
Составитель: В. И. Енин
Отпечатано в авторской редакции
Подписано в печать ___________. Объем 1.95 Мб.
Уч. – изд. л. 2.2. Усл. – печ. л. 2.3.
Применение цифровых систем для управления объектами позволяет реализовать различные законы управления, перестраивать структуру и параметры системы управления, как в период наладки, так и в процессе эксплуатации. Цифровые регуляторы на базе ЭВМ в настоящее время не только заменяют несколько аналоговых, но и позволяют реализовать дополнительные функции. На их основе возможно создание систем управления любых типов.
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу "Цифровые системы управления" предназначены для студентов 4-го курса специальности 210200 "Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)", изучающих эту дисциплину и используются при проведении лабораторных работ. Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса "Цифровые системы управления".
Целью лабораторных работ является изучение студентами цифровых систем контроля и управления, принципов функционирования цифровых регуляторов, приобретение практических навыков разработки программного обеспечения для реализации заданных алгоритмов регулирования и управления.
Методические указания содержат описание лабораторных установок, сведения из теории цифровых систем управления, описание программного обеспечения и методику проведения лабораторных работ по исследованию различных типов цифровых систем регулирования.
Выполнение лабораторных работ требует предварительного изучения студентами соответствующих разделов лекционного материала и детального ознакомления с описаниями лабораторных работ и макетов.
Включение аппаратуры и проведение работ осуществляется после персонального разрешения преподавателя. При обнаружении неисправности студенты обязаны немедленно снять напряжение питания с силовых цепей макета и выключить компьютер, обеспечив сохранение программы. По окончании работы студенты обязаны предъявить преподавателю функционирующий, в соответствии с заданием, макет системы и после проверки его работоспособности преподавателем выключить аппаратуру и разобрать схему.
Зачет по выполненной лабораторной работе осуществляется в индивидуальном порядке при наличии оформленного отчета. Отчет должен содержать:
- название и цель работы,
- структурную схему исследуемой системы,
- блок-схему алгоритма работы управляющего устройства,
программу,
полученные данные и графики, отражающие функционирование системы,
- выводы по работе.
Выводы в сжатой форме должны содержать итоги исследования реализованной системы управления или регулирования и объяснять причины, вызвавшие возможные отклонения результатов от ожидаемых.
Цель работы: приобретение практических навыков синтеза управляющих устройств на базе ЭВМ, реализующих релейный закон управления.
Оборудование – Компьютер Intel_*86 c платой L-154, лабораторный стенд, двигатель постоянного тока, тепловой объект, RC-цепь.
В лабораторной работе используется универсальная плата ввода-вывода L-154 и ее программное обеспечение. Плата имеет в своем составе программируемый таймер для отсчета интервалов времени, 8-разрядные параллельные интерфейсы ввода и вывода, 16/32 аналоговых входа, аналоговый выход и устройство запросов прерывания. Программно установлен запрос прерывания по линии IRQ5. Необходимое программное обеспечение для выполнения работы размещено в модуле lpas.
Обращение к регистру вывода ЦАП происходит по адресу 300H. Для вывода в этот регистр можно использовать библиотечную процедуру OUTDA объектной библиотеки размещенной в модуле lpas. Для включения этой процедуры необходимо отметить этот модуль в числе вызываемых модулей в директиве USES. Содержимое регистра данных ЦАП может изменятъся от 0 до 4096. Числу 0 типа WORD (целому числу без знака) соответствует выходное напряжение (–5.12в), числу 2048 соответствует 0в, а числу 4096 соответствует напряжение (+5.12в).
12 разрядный АЦП, входящий в состав платы, может быть включен в одном из двух режимах: 16 дифференциальных канала или 32 канала с общей землей. В плате перемычками установлен второй режим. АЦП на своем входе имеет предварительный усилитель, обеспечивающий коэффициент усиления 1, 2, 5.
При усилении равном 1 диапазон входного напряжения равен –(5.12в) (+5.12в). Напряжение на выходе АЦП представлено в дополнительном 12-разрядном коде, так что напряжению 0в соответствует код 0, а напряжению 5.12в – код 2048. Отрицательному напряжению (–5.12в) соответствует дополнительный код числа –2048. При вводе данных через АЦП номер канала ввода и усиление задаются в виде кода присвоенного целочисленной переменной “Номер канала”. Для нулевого канала и единичного усиления значение этой переменной равно $c0, для первого канала значение равно $c1.
В работе предлагается использовать язык программирования Паскаль.
В программное обеспечение платы для выполнения работы включены следующие процедуры, размещенные в модуле lpas:
procedure OUTDA(dat:integer);- вывод данных в ЦАП;
procedure INITINTR(rate1,rate2:word, name:pointer);- инициализация режима прерывания
Процедура выполняет следующие действия:
Запоминает регистры в стеке.
Запрещает прерывания на плате.
Запоминает адрес старой программы обработки прерывания (старый вектор) в переменной OldHand.
Устанавливает новую программу name обработки вектора прерывания от внутреннего таймера.
Инициализирует контроллер прерывания.
Устанавливает период между прерываниями равный rate1*rate2 мксек.
Разрешает прерывания.
Восстанавливает регистры.
procedure STOP_INTR; выключение прерывания
Процедура выполняет следующие действия:
Запоминает регистры в стеке.
Запрещает прерывания.
Восстанавливает старый, ранее запомненный в переменной
OldHand, вектор.
Восстанавливает контроллер прерываний.
Восстанавливает регистры.
procedure RESET_IRQ; - Процедура сбрасывает контроллер прерываний. Она должна быть последней в программе обработки прерывания.
procedure INTR_SETUP(n:word); Данная процедура сообщает драйверу о номере прерывания IRQ, установленному на плате с помощью перемычек.
Для IRQ5 значение n должно быть равно 2, (для IRQ3 n равно 0).
function ADCHAN(channel:word):integer ;- однократный ввод с установкой номера канала.
Функция выполняет следующие действия:
Устанавливает номер канала channel. Нулевой канал, к которому подключен аналоговый вход, при единичном усилении имеет значение channel=C0h (в Паскале $c0).
Дожидается установления номера канала.
.Дает старт преобразования в АЦП.
Дожидается бита готовности.
Считывает данные с АЦП.
procedure SETCHANNEL(Nch:word); - установка номера канала.
Рассмотрим реализацию релейного закона, при использовании управляющего устройства на базе ЭВМ. Основные соотношения, характеризующие релейный закон управления, теоретически рассмотрены в лабораторной работе № 1 по техническим средствам автоматизации. Лабораторная работа выполняется или на базе стенда, описанного в разделе 1, или задаются другие аналоговые объекты управления, перечисленные в списке оборудования. Аналоговая информация о состоянии выбранного объекта управления (температура, положение, напряжение, число оборотов) снимается с соответствующих выходов стенда (объектов) и подается на нулевой канал АЦП. Дискретный выходной сигнал снимается с выхода ЦАП, что позволяет изменять его уровень.
На базе ЭВМ реализовать систему стабилизации выходного параметра объекта с релейным законом регулирования. Управляющая программа должна обеспечить ввод задания, ввод зоны нечувствительности, ввод величины выходного воздействия и выход из программы в асинхронном режиме.
Получить у преподавателя объект управления и контролируемый параметр.
Подключить вход объекта управления к выходу ЦАП, а выход датчика контролируемого параметра к нулевому входу АЦП.
Написать программу, выводящую в ЦАП постоянное воздействие и периодически считывающую и регистрирующую в файл контролируемый параметр.
Запустив программу, получить разгонную кривую объекта управления и найти передаточную функцию объекта управления.
Написать программу обработки прерывания, предусматривающую ввод величины контролируемого параметра с записью в файл, сравнение его с величиной задания, определение выходного воздействия в соответствии с характеристикой релейного элемента, вывод управляющего воздействия и опрос клавиатуры. Часть этих операций может быть отнесена в основную программу.
Написать основную программу релейного управления.
Запустить программу управления, установить параметры регулятора и убедиться в правильности функционирования системы.
Сравнить длительности включения и выключения с расчетными длительностями.
Изменяя параметры регулятора выяснить их влияние на процесс регулирования.
Отчет должен содержать название и цель работы, блок-схему программы управления, программу с комментариями.
Нарисуйте функциональную схему системы стабилизации.
Каким образом в системе происходит цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование?
Укажите назначение регистров ввода/вывода.
Каким образом в системе изменяется задание?
Каким образом в системе изменяется ширина зоны неоднозначности?
Объясните структуру блок-схемы программы.
Поясните использование операторов программы.
А.С. Клюев. Двухпозиционные автоматические регуляторы и их настройка.-М.: Энергия, 1967.
Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютератипа IBM PC, -М.: ЭКОМ, 1997.- 224 с.
Пей Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. –М.: ДМК Пресс, 2003.-320с.
Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC/ Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера: Пер. с англ. –М.:Мир, 1992.- 592с.