15А_Микропроцессорные регуляторы (конспект за второй семестр 4-го курса, преподаватель Ляхова)

8

Микропроцессорный регулятор.

Рабочие характеристики АЦП и ЦАП:

- частота выборки (высокая частота важна для многоканальных систем, верхний предел ограничен временем аналого-цифрового преобразования,

- время преобразования,

- разрешающая способность АЦП - точность, с которой аналоговый сигнал может быть представлен в цифровой форме. Точность определяется числом уровней квантования = 2^N , где N - число двоичных разрядов, используемых в АЦП,

- разрешающая способность ЦАП - точность, с которой цифровой сигнал может быть представлен в аналоговый форме. Точность зависит от числа разрядов двоичного регистра декодера и порядка экстраполятора (Э). Э 0-ого порядка аппроксимирует непрерывную функцию с помощью серии прямоугольных импульсов, считываемых из двоичного регистра. При экстраполяции 1-ого порядка сигнал в промежутке между замерами меняется линейно.

Цифровой регулятор (ЦР) с программной реализацией операций в режиме реального времени использует микропроцессор (МП), включающий все средства, необходимые для обработки информации и управления данными. В зависимости от выполняемых функций в качестве МП регулятора может использоваться контроллер (ПЛК) для ограниченного объема логических операций и микро-ЭВМ для большего объема логических и арифметических операций.

x(t) e(t) u(t) y(t)

X АЦП МП ЦАП ОУ с G(p)

-1

Рис. Типовая структура одноконтурной АСУ с микропроцессором.

Микропроцессор последовательно выполняет операции приема, обработки и выдачи информации, поэтому обладает меньшим быстродействием, чем аппаратно реализованный ЦР. Но он более универсальный, легко перестраивается. С его помощью можно реализовать ЦР

- с равномерным и неравномерным, постоянным и переменным шагом квантования,

- с постоянными и зависимыми от скорости входного воздействия коэффициентами,

- с элементом сравнения.

x(t) e(t) u(t) y(t)

АЦП1 МП ЦАП ОУ с G(p)

АЦП2

Рис. Схема микропроцессорного ЦР без схемы сравнения.

Устройствами сопряжения МП с непрерывной частью АСУ являются АЦП и ЦАП, которые должны быть совместимы

- по логическим уровням цифровых сигналов с шиной данных МП,

- по видам цифровых кодов и формата данных.

e(t) Устройства сопряжения u(t)

Каналы Каналы

А, В А, В

(УВВ1) (УВВ2)

Микропроцессор

Рис. Структура микропроцессорного регулятора.

Микропроцессорный регулятор состоит из

- микропроцессора,

- устройства сопряжения, содержащее ЦАП и АЦП,

- каналов ввода-вывода (УВВ).

Сопряжение с непрерывной частью АСУ производится с помощью устройства сопряжения, основой которого являются АЦП.

Компаратор АЦП УВВ1 МП

e(t)

Ген-р такт. Ген-р импул. УВВ2 ЦАП  Масш . u(t)

импульсов синхронизации усил.

Рис. Функциональная схема микропроцессорного регулятора.

Генератор тактовых импульсов формирует последовательность импульсов для работы цифровой части АЦП. Генератор импульсов синхронизации, являясь делителем на 32 частоты повторения тактирующих импульсов, обеспечивает синхронизацию АЦП и управляет записью выходной информации микропроцессора во входные регистры ЦАП. Компаратор формирует логический сигнал (амплитудой не менее 10В) остановки преобразования в АЦП. Сумматоры суммируют выходные токи ЦАП. Масштабирующий усилитель обеспечивает необходимый уровень выходных сигналов цифрового регулятора.

Организация обмена данными микропроцессора и устройства сопряжения осуществляется с помощью 2-х программируемых устройств ввода-вывода (УВВ).

Для ввода в микропроцессор (МП) цифрового кода УВВ1 программируется на стробируемый ввод, соответствующий режиму “1”. Импульсы стробирования вырабатываются АЦП после окончания преобразования аналогового сигнала (сигнал “конец преобразования”).

Для выдачи отсчетов выходного сигнала ЦР на ЦАП УВВ2 программируется на работу в режиме “0”. Считывание информации с регистров каналов А и В и ее запись во входной регистр каналов АЦП осуществляется синхронизирующими импульсами устройства сопряжения.

С поступлением на неинвертирующий вход сигнала ошибки e(t) начинается процесс его преобразования в цифровой код. Как только напряжение, снимаемое с выходного операционного усилителя АЦП, станет равным напряжению ошибки, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического “0”, которое останавливает преобразование в АЦП. При этом на цифровых выходах АЦП устанавливается двоичный код ошибки системы, который с появлением импульса ”конец преобразования” записывается в регистр канала А 1-ого УВВ (УВВ1), запрограммированного на стробируемый ввод информации с АЦП. В течение времени ожидания МП постоянно опрашивает регистр канала А. Как только произошла запись кода ошибки в регистр канала (порта) А и величина этого кода превысила порог ложного срабатывания, МП переходит к выполнению записанной в нем программы работы ЦР.

После окончания каждого цикла расчетов результат последней операции передается в порты А и В УВВ2 (старший байт результата - в порт В, младший - в порт А). С частотой повторения импульсов синхронизации старшие 12 разрядов результата в каждом цикле, хранимого в регистрах портов А и В, одновременно считываются во входные регистры ЦАП. Величина выходного сигнала регулятора остается неизменной до тех пор, пока не произойдет смена информации в регистрах портов А и В УВВ2.

Микропроцессорное управление потоками жидкости или газа.

Для нанесения вещества на поверхность подложки используются потоки газовых и жидких смесей при диффузи, эпитаксиальном наращивании.

Расход Q жидкости или газа диафрагменным измерителем перепада давлений Р

( в соответствии с законом Бернулли) определяется выражением:

Q = K (Р / ),

где  - удельный вес вещества, К - коэффициент, характеризующий проницаемость клапанного устройства с изменяемым отверстием диафрагмы (положение клапана характеризуется состоянием а ).

Рис. Эпюра распределения давления потока газа или жидкости в области клапана.

К_а Область нормальной

работы

n

.

.

3 Р

2

1

а

3 10 Р , КПа

Рис. Значение коэффициента К для различных положений клапана а = 1... n.

Коэффициент К постоянен при небольших перепадах давления Р на клапане : от 3 до 10 КПа. Когда перепад давлений выходит за указанные пределы, необходимо производить корректировку коэффициента К. Для формирования алгоритма целесообразно заменить график зависимости К = f (Р) аналитическим представлением К, привязанным к контролируемому датчиком положению клапана а:

К = К_а (а + Δа).

Исполнительное устройство (электродвигатель) преобразует управляющее воздействие (а ) в положение клапана а . Заданный расход Q₀ технологической среды зависит от перепада давлений Р и предварительного положения клапана а :

Q₀ = К_а ·(а + а) ·(Р /  ) .

Рассчитываемое микропроцессорным регулятором управляющее воздействие для изменения положения заслонки должно быть

a + а = К_а^-1 ·Q ₀ / (Р/ ) .

γ, Q₀ (а + а) а Q

К_а^-1 Q ₀ / Р/  Х Исполн. устр-во Клапан

а

U_P Uа R

Измерения а и Р P₁ P₂

Рис. Функциональная схема реализации алгоритма управления потоком.

Техническая реализация АСУ:

- датчик перепада давления ( P₁ - P₂ )- дифференциальный манометр,

- датчик положения заслонки клапана - потенциометрический ( R ),

- исполнительное устройство - асинхронный электродвигатель, изменяющий проницаемость диафрагмы путем сдвига заслонки клапана (регулятор электродвигателя - тиристорный),

- клапан - запорно-регулирующий, приводимый в действие кривошипно-шатунным механизмом, связанным через редуктор с валом электродвигателя.

Двигатель

Т рубопровод Клапан

Датчик Р Датчик перепада

п оложения а давлений