Разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом

В ходе выполнения данного курсового проекта необходимо разработать микропроцессорное устройство управления технологическим процессом.

В исходных данных задана математическая модель технологического процесса, представленная дифференциальным уравнением третьего порядка следующего вида:

Технологический процесс представляет собой объект управления. Далее по дифференциальному уравнению будет составлена передаточная функция технологического процесса.

Микроконтроллер (МК) представляет собой однокристальную ЭВМ, включающую микропроцессор, необходимые виды памяти и каналы ввода/вывода аналоговой и цифровой информации. Он предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в нём программой. Основным классификационным признаком МК является разрядность микропроцессора.

Разрядность МК определяется точностью данных, необходимой для управления объектами. Наиболее массовыми и постоянно расширяющими области своего применения являются 8-разрядные микроконтроллеры. В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Этот факт объясняется, с одной стороны, тем, что для большинства применений точности в 8 бит вполне достаточно, а с другой - их значительно более низкой стоимостью.

Согласно заданию, необходимо выбрать микропроцессор I8085 (КР580ИК80), являющийся программируемой универсальной БИС. Он может считывать информацию из внешних устройств, памяти и производить над ней арифметические и логические операции, анализировать результаты вычислений и записывать данные в память и внешние устройства, функционируя при этом под управлением команд из некоторого фиксированного множества. Микропроцессорная БИС I8085 представляет собой однокристальный 8-разрядный МП с магистралями (шинами): однонаправленной 16-разрядной шиной адреса (ША), двунаправленной шиной данных (ШД) и 12 сигналами управления (6 входных и 6 выходных), образующими шину управления (ШУ).

2. Разработка функциональной схемы МПС

Подробная функциональная схема технологического процесса имеет следующий вид (рисунок 1):

Рисунок 1. Функциональная схема МПС

где

СЭ - сравнивающий элемент;

ЦВМ - цифровая вычислительная машина;

УЭ - усилительный элемент;

ИЭ - исполнительный элемент;

ОУ - объект управления.

Целесообразно вводить ЦВМ в систему управления объектом в тех случаях, когда требуется обрабатывать большое количество поступающей информации и когда на ЦВМ возлагается решение ряда задач с обслуживанием нескольких зависимых или независимых каналов управления.

В настоящее время для расчёта систем с ЦВМ широко используются z-преобразование и w-преобразование. Использование этих преобразований позволяет распространить развитые для расчёта непрерывных систем эффективные частотные методы и на дискретные системы, в частности на системы с ЦВМ.

3. Разработка структурной схемы МПС

Структурная схема микропроцессорной системы представлена на рисунке 2:

Рисунок 2. Структурная схема МПС

где

g - задающая величина (входное воздействие);

x - ошибка регулирования;

D(z) - алгоритм работы ЦВМ;

u - управляющее (регулирующее) воздействие;

W(s) - передаточная функция технологического процесса;

y - регулируемая величина (выходное воздействие).

4. Расчет параметров устройства управления

Для проверки качества разработанной системы произведём моделирование её динамики в среде MatLab/Simulink 2009a. Схема САР приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема цифровой САР в среде Simulink

Оценим устойчивость и качество системы, используя частотный подход. Для этого построим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы (рисунок 6).

Рисунок 6. ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой САР

Анализ этих характеристик показывает, что система устойчива, т.к. частота, на которой ЛАЧХ пересекает линию 0 дБ меньше частоты, на которой ЛФЧХ пересекает линию -180° (Рисунок 8). Запас по фазе составляет 44°. Это соответствует требованию к этой величине, которое составляет минимум 30°, а максимум 50°. Запас по амплитуде равен 12дБ, что больше минимально допустимого значения (10 дБ). Следовательно, САР обладает требуемым качеством.

Определим качество полученной системы, анализируя кривую переходного процесса САР, который получается при подаче на вход системы единичного воздействия. Такая переходная характеристика изображена на рисунке 7.

Рисунок 7. Переходная характеристика САР

Величина перерегулирования определяется по формуле:

,

где - максимальное значение переходной характеристики;

- установившееся значение переходной характеристики.

Эта величина будет равна 51%, что соответствует предельно допустимому значению этого параметра для качественных систем ( = 50%).

6. Разработка алгоритма управления

В предыдущем пункте мы реализовали цифровое корректирующее звено с некоторой дискретной передаточной функцией . В общем случае передаточная функция ЦВМ ? 1 и представляет собой некоторое дробно-рациональное выражение:

где и - изображения (z-преобразования) последовательностей на входе и на выходе ЦВМ. Заметим, что всегда должно быть k ? s.

Поделим числитель и знаменатель последнего выражения на . Тогда

Отсюда может быть получено разностное уравнение, соответствующее алгоритму работы ЦВМ:

a0u(n) + a1u(n-1)+… + aku(n-k) = b0x(n+s-k) + b1x(n+s-k-1) + … + bsx(n-k), где u(n) и x(n) - дискретные последовательности на входе и выходе ЦВМ.

Результирующая передаточная функция разомкнутой системы в этом случае:

где - передаточная функция разомкнутой системы, определяемая выше приведенными формулами при D(z) = 1.

Анализируя задачу, выполняемую передаточным звеном, а также вид полученного разностного уравнения можно предположить, что цифровое устройство должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Для входной величины (ошибки регулирования x(t)) ЦВМ должна обеспечивать значительный запас по точности. На выходную величину u(t) это требование не распространяется. Так как входная величина ЦВМ x(t) есть разница между задающей величиной и выходным воздействием системы автоматического регулирования ее точность должна быть на несколько порядков выше.

2. Система автоматического регулирования работает в реальном масштабе времени. Работа в реальном масштабе времени означает, что длительность цикла обработки информации Тц в цифровом управляющем устройстве согласована с требованиями к качеству управления, с частотными характеристиками элементов контура управления и со спектрами возмущений. Она не может быть больше величины Т - такта дискретизации процесса по времени.

Получим алгоритм работы ЦВМ:

Разделив числитель и знаменатель на z, получим уравнение следующего вида:

Тогда уравнение алгоритма работы ЦВМ (разностное уравнение) будет иметь следующий вид:

Исходя из разностного уравнения и выше приведенных требований, составим алгоритм работы цифровой вычислительной машины (рисунок 8):

Рисунок 8. Алгоритм работы ЦВМ

В алгоритме управления используются операции вычитания чисел, сложения и умножения на вещественные коэффициенты а0 и а1 . Для реализации вычитания следует использовать операцию сложения чисел с использованием дополнительного кода. Умножение целого числа на вещественное можно реализовать следующим образом:

1. Производится беззнаковое умножение модуля числа на целую часть коэффициента.

2. Производится беззнаковое умножение модуля числа на дробную часть коэффициента.

3. Сложение целой части результата с дробной.

Схема алгоритма подпрограммы умножения представлена на рисунке 9.

В микроконтроллере в процессе умножения восьмиразрядных чисел получается шестнадцатиразрядный результат. Поэтому возникает необходимость сложения шестнадцатиразрядных чисел. Сложение таких чисел можно выполнить следующим образом:

1) отрицательные числа представляются в дополнительном коде;

2) складываются младшие байты операндов с помощью команды сложения;

3) к старшему байту одного из операндов добавляется перенос от предыдущей операции;

4) к результату прибавляется значение старшего байта другого операнда.

Схема алгоритма основной программы формирования управляющего кода представлена на рисунке 10.

микропроцессорный программа передаточный

Рисунок 9. Схема алгоритма подпрограммы умножения

Рисунок 10. Схема алгоритма основной программы

7. Разработка программы