Проектирование микропроцессорных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Составление задания на проектирование информационно-управляющей системы

2. Идентификация объекта управления на основе экспериментальных данных

3. Синтез ПИД регулятора

4. Настройка регулятора по одному параметру

5. Разработка микропроцессорной системы управления объектом с запаздыванием

Заключение

Список использованных источников



Введение

Основной проблемой управления каким-либо объектом является необходимость обеспечения заданных технических требований.

Система управления должна решать различные задачи: поддержание на определенном уровне или изменение по определенному закону выходных параметров объекта управления; программное изменение выходных параметров объекта и отслеживание их изменений в соответствии с некоторыми внешними сигналами; сбор информации о состоянии объекта управления и ее обработка с сохранением результатов обработки в устройствах памяти.

Эффективным оказывается использование в автоматических системах микропроцессоров и построенных на их основе цифровых блоков и устройств. Использование микропроцессоров в системах автоматического управления обеспечивает резкий скачок в оценке их возможностей и свойств. Это заключается не только в улучшении точностных характеристик, повышении надежности и отказоустойчивости, обеспечении стабильности функционирования, но и в придании системам автоматического управления принципиально новых свойств, таких, как гибкость структуры, адаптивность, способность решать вычислительные и логические задачи, самоконтроль и др.

Программируемость микропроцессоров определяет возможность гибкой оперативной перестройки как алгоритма работы САУ, так и ее структуры с целью приспособления их к меняющимся условиям работы. При этом вносимые в систему изменения сводятся зачастую к замене одной большой интегральной схемы (БИС) памяти на другую. Свойство программируемости обеспечивает возможность внесения изменений в структуру и в программу работы системы на всех этапах ее проектирования -- от предварительного проектирования до эксплуатации серийных образцов.

Целью курсового проекта является:

- изучение методики идентификации объекта;

- закрепление навыков проектирования микропроцессорных систем от технического задания до рабочих чертежей;

- углубление знаний, полученных в теоретических курсах;

- получение навыков применения теоретических знаний на практике.

Основной задачей курсового проекта является разработка микропроцессорной информационно-управляющей системы для объекта с запаздыванием, выполняющей функции, определенные заданием на базе заданных системных требований.



1. Составление задания на проектирование информационно-управляющей системы

Исходными данными к проекту является переходная характеристика объекта, полученная при помощи программного комплекса «MatLab»™ (см. рис. 1). Из этой характеристики видно, что объект с запаздыванием. Время запаздывания ф менее двух секунд.

В ходе выполнения курсового проекта требуется:

Провести идентификацию объекта по переходной характеристике (рис. 1);

Синтезировать ПИД регулятор, обеспечивающий время переходного процесса tп в 3-5 раз меньше, чем время переходного процесса объекта t0, статическая точность = 8 рад/с;

Провести настройку регулятора по одному параметру объекта;

Разработать микропроцессорную систему управления на базе однокристальной микроЭВМ с программной реализацией регулятора.

Рисунок 1 - Исходная переходная характеристика

2. Идентификация объекта управления на основе экспериментальных данных

Широкое распространение получили методы идентификации детерминированных объектов путем определения аналитического выражения переходной характеристики h(t) по экспериментально полученной реакции объекта при ступенчатом изменении управляющего воздействия на входе.

В реальных условиях часто наблюдаются сигналы управления и реакции систем, являющиеся реализацией некоторого частного решения при определенном входном сигнале. В дальнейшем, аппроксимировав аналитическим выражением полученные реализации, можно построить дифференциальное уравнение заданной структуры, передаточную функцию или частотную характеристику объекта.

Для описания переходных функций объектов разных классов разработаны соответствующие методы.

Проведём идентификацию данного объекта графическим методом. Представим модель объекта колебательным звеном второго порядка и звеном чистого запаздывания, включёнными последовательно.

Колебательный объект второго порядка имеет передаточную функцию

где , а корнями полинома являются комплексно-сопряженные числа . Для определения приближенных значений постоянной времени и коэффициента демпфирования по переходной характеристике с помощью графических методов можно воспользоваться следующими соотношениями:

;

;



По переходной характеристике объекта (см. рис. 2) определим следующие параметры:

А1 ? 2; А2 ? 0,544; л ? 3,674;

;

;

ф ? 0,61; К = 7,3.

Рисунок 2 - Определение параметров по характеристике

Промоделируем полученный объект в программном комплексе «MatLAB» (рис. 3).

Рисунок 3 - Модель объекта

На рисунке 4 видно, что полученная при моделировании переходная характеристика (сплошная линия) практически совпадает с исходной (пунктирная линия).

Рисунок 4 - Сравнение исходной и полученной характеристик

3. Синтез ПИД регулятора

По заданию регулятор должен обеспечивать время переходного процесса в 3-5 меньше, чем время переходного процесса исходного объекта.

По рисунку 5 определим время переходного процесса: с.

Зададимся желаемым временем переходного процесса



с.

Так как система имеет транспортную задержку, целесообразно синтезировать ПИД регулятор, модифицированный предиктором Смита. Соответствующая структура приведена на рис. 6.

Рисунок 6 - Структура объекта с регулятором

Ho(s) - передаточная функция объекта управления;

HoЭМ(s) - предиктивная модель объекта управления;

Hr(s) - передаточная функция регулятора.

Запишем передаточную функцию регулятора Смита в общем виде:

,

Где - дифференциальный, - пропорциональный и - интегральный коэффициенты регулятора.

Определим формулы для вычисления коэффициентов:

,



, > ,

,

Передаточная функция объекта управления:

,

Здесь , ,

Исходя из полученных ранее соотношений

,

,

,

Смоделируем регулятор Смита с учетом найденных коэффициентов ПИД регулятора, предварительно усилив входной сигнал в 8 раз для достижения заданной статической точности (рисунок 7).

Рисунок 7 - Модель регулятора Смита

вводятся в интерфейсе настройки блока PID controller (рис. 8):



Рисунок 8 - Настройки блока PID controller

Переходный процесс регулируемой системы представлен на рисунке 9:

Рисунок 9 - Переходный процесс отрегулированной системы

Время полученного переходного процесса Tпп = 1,28 - 0,63 = 0,65 (с), что меньше исходного времени в три раза. Качество переходного процесса при этом не вызывает претензий.

4. Настройка регулятора по одному параметру

Для выполнения настройки рассчитанного ПИД регулятора по одному параметру объекта, используем полученный ранее объект без учета задержки. Модель представлена на рисунке 10.



Рисунок 10 - Модель для настройки ПИД регулятора

Объект в нижней ветке изменен введением в коэффициент при s в знаменателе его передаточной функции переменной delta.

Построим графики переходных процессов исходного объекта с ПИД регулятором и измененного:

function ex

% Расчитанные параметры ПР

kp = 0.125;

ki = 0.643;

kd= 0.041;

K = [kp ki kd];

% передаем параметры в рабочую область

assignin('base', 'kp', K(1));

assignin('base', 'ki', K(2));

assignin('base', 'kd', K(3));

assignin('base', 'delta', 2); % величина отклонения

% запуск моделирования до настройки

sim('IUMPS3');

Yout1 = Yout1';Yout1 = Yout1 ./ Yout1(size(Yout1,2));

Yout2 = Yout2';Yout2 = Yout2 ./ Yout2(size(Yout2,2));

figure(1)

plot(Yout1,'b'); hold on; grid on;

plot(Yout2,'r'); hold off; grid on;

На рисунке 11 изображены переходные процессы исходного объекта с настроенным ПИД регулятором (1) и измененного объекта с ненастроенным ПИД регулятором (2). идентификация регулятор микропроцессорный датчик

Рисунок 11 - Переходные процессы исходного и измененного объектов

Все виды автоматической настройки используют три принципиально важных этапа: идентификация, расчёт параметров регулятора, настройка регулятора. Часто конечный этап включает этап подстройки (заключительная оптимизация настройки). Оптимизация настройки необходима в связи с тем, что методы расчёта параметров регулятора по формулам не учитывают нелинейности объекта, в частности, всегда присутствующую нелинейность типа «ограничение», а идентификация параметров объекта выполняется с некоторой погрешностью. Подстройка регулятора может быть поисковой (без идентификации объекта, путём поиска оптимальных параметров) и беспоисковой (с идентификацией). Поисковая идентификация базируется обычно на правилах или на итерационных алгоритмах поиска минимума критериальной функции. Наиболее распространён поиск оптимальных параметров с помощью градиентного метода: находят производные от критериальной функции по параметрам ПИД регулятора, которые являются компонентами вектора градиента, а далее производится изменение параметров в соответствии с направлением градиента.

Выполним настройку ПИД регулятора для измененного объекта методом градиентов.

x0 = [kp ki kd]; % формируем массив начальных параметров (x0 = K)

options = optimset('MaxIter',100,'TolFun',0.01);

[x,fval] = fminunc(@optim_func, x0, options);

% результат настройки

fval

K_new = x

function output = optim_func(input)

K = input;

% передаем параметры в рабочую область

assignin('base', 'kp', K(1));

assignin('base', 'ki', K(2));

assignin('base', 'kd', K(3));

assignin('base', 'delta', 2);

% assignin('base', 'kp', K(1));

% assignin('base', 'ki', K(2));

% assignin('base', 'kd', K(3));

% Запуск моделирования

sim('IUMPS3');

Yout1 = Yout1';Yout1 = Yout1 ./ Yout1(size(Yout1,2));

Yout2 = Yout2';Yout2 = Yout2 ./ Yout2(size(Yout2,2));

% Построение переходных процессов

figure(2)

plot(Yout1, 'b'); hold on; grid on;

plot(Yout2, 'r'); hold off; grid on;

pause(0.1);

% Рассчет среднеквадратического отклонения

output = sqrt(sum((Yout1-Yout2).^2));

Новые коэффициенты регулятора:

Kp = 0.2537 Ki = 0.6397 Kd = 0.0403

На рисунке 12 представлен результат корректирования коэффициентов ПИД регулятора, переходный процесс совпадает с исходным.

Рисунок 12 - Результат корректирования ПИД регулятора

Таким образом, ПИД регулятор был перенастроен для обеспечения такого же качества переходного процесса в измененном объекте, как и в исходном.

5. Разработка микропроцессорной системы управления объектом с запаздыванием

Передаточная функция объекта управления имеет вид:

,

Передаточная функция регулятора имеет вид:



,

Для получения цифровой модели регулятора и ОУ используем подстановку

,

В результате подстановки получаем следующие выражения (при Т0=0,01с):

Передаточная функция объекта управления в цифровом виде:

,

Передаточная функция регулятора в цифровом виде:

,

Разностное уравнение синтезированного регулятора:

,

,

,

Разностное уравнение объекта:



,

,

где , - текущее выходное значение;

, - выходное значение, задержанное на такт;

выходное значение, задержанное на два такта;

текущее входное значение;

входное значение, задержанное на такт;

2] - входное значение, задержанное на два такта.

Микропроцессорная система включает в себя:

а) Восьмиразрядный микроконтроллер AT90USB1287;

б) 14-разрядный АЦП MAX1062;

в) 14-разрядный ЦАП AD5040;

г) Драйвер для подключения к разъему RS-232 MAX232.

Основой системы служит восьмиразрядный микроконтроллер AT90USB1287 фирмы ATMEL, построенный на модифицированной RISC архитектуре. Контроллер имеет встроенный модуль интерфейса SPI, что упрощает подключение АЦП и ЦАП, а так же универсальный синхронный/асинхронный приемник-передатчик (USART) - модуль интерфейса, используемый для согласования микроконтроллера с разъемом RS-232 для подключения к ПК.

Сбор данных с датчиков объекта осуществляет 14-тиразрядный аналого - цифровой преобразователь MAX1062, передачу данных управления от ПК - 14-тиразрядный цифро - аналоговый преобразователь AD5040. Оба устройства подключаются к микроконтроллеру через интерфейс SPI.

Связь с ПК осуществляется посредством микросхемы MAX232 -- это интегральная микросхема, преобразующая сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах.

Электрическая принципиальная схема и перечень элементов представлены в приложениях А и Б соответственно.

Программная реализация:

float delay[416]={0,…,0};

float X_pr=0,X_pr_pr=0,Y1_pr=0,Y1_pr_pr=0, Y2_pr_pr=0,Y2_pr=0,SUM1_pr=0,SUM1_pr_pr=0;

float X,Z,Y1,Y2,SUM1;

uint16_t ptr=0; // Указатель кольцевого буфера

void TIMSK_1(void)

{

TCCR1B|=(1<<CS11); // Коэффициент деления предделителя - 8.

SREG|=(1<<7); // Глобальное разрешение прерываний.

TIMSK|=(1<<TOIE1); // Разрешить прерывание по переполнению Т1.

// Число тактов таймера до переполнения = 0x0416

TCNT1H=0xFF-0x04; TCNT1L=0xFF-0x16;

SPI1_TX(CH0_StartOfConversion);

X=ToVolts(SPI1_RX()); // Перевод данных с АЦП в цифровое значение в вольтах

SPI1_TX(CH1_StartOfConversion);

Z=ToVolts(SPI1_RX());

Y2=1.969*Y2_pr-0.9707*Y2_pr_pr+X+X_pr+0.012*X_pr_pr;

SUM1=-Y2+delay[ptr]-Z; // Считывание значения задержки Y3

delay[ptr] = Y2; // Запись в буфер задержки

ptr++; if(ptr==416)ptr = 0;

Y1=Y1_pr_pr+4.1*SUM1-8.075*SUM1_pr+3.98143*SUM1_pr_pr;

SPI2_TX(ToSamples(Y2)+0x7FF); // Y2 Смещается

X_pr = X;

Y1_pr = Y1;

Y2_pr_pr = Y2_pr;

Y2_pr = Y2;

SUM1_pr_pr=SUM_pr;

SUM1_pr = SUM1;

}

SREG=0x00000000; // Завершение обработки прерывания

vector=TIMER1_OVF_vect
__interrupt void T1_OVER()

}



Заключение

Широкое распространение получили методы идентификации детерминированных объектов путем определения аналитического выражения переходной характеристики h(t) по экспериментально полученной реакции объекта при ступенчатом изменении управляющего воздействия на входе.

В реальных условиях часто наблюдаются сигналы управления и реакции систем, являющиеся реализацией некоторого частного решения при определенном входном сигнале. В дальнейшем, аппроксимировав аналитическим выражением полученные реализации, можно построить дифференциальное уравнение заданной структуры, передаточную функцию или частотную характеристику объекта. В настоящей работе был использован графический метод.

Для идентифицированного объекта была предпринята попытка настроить ПИД регулятор и добиться сокращения времени переходного процесса, но регулятор не дал желаемых результатов, так как объект имеет транспортную задержку. Это привело к решению использовать предиктор Смита.

Предиктор Смита -- Модель объекта управления, которая позволяет предсказать поведение объекта с транспортной задержкой. Модель состоит из двух частей: из модели задержки и динамической модели объекта без задержки. Если модель правильно идентифицирована, то с ее помощью можно предсказать выходную переменную, решая уравнения модели, т.е. не дожидаясь реакции объекта на управляющее воздействие. Предиктор Смита может быть реализован программно на основе математической модели объекта.



Список использованных источников

1. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - 3-е изд. -М.: 1975. - 167 с.

2. Тарарыкин С.В., Тютиков В.В. Типовые динамические звенья линейных систем управления: Учеб. пособие с лабор. практикумом / ИГЭУ. - Иваново, 2001. 78 с. - ISBN 5-89482-093-6.

3. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч. II. Теория нелинейных и специальных систем автоматического управления. / А. А. Воронов, Д. П. Ким, В. М. Лохин и др.; Под ред. А. А. Воронова.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 504 с., ил.

4. Евстигнеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007 г. - 592 с.

Размещено на Allbest.ru

...