АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Е.А. Шутов АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Издательство Томского политехнического университета
УДК 658.26:621.31:004(075.8) ББК 31.29-5:32.97я73 Ш978
Шутов Е.А. Ш978 Автоматические системы управления устройствами электроснабжения: учебное пособие / Е.А. Шутов; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 51 с. В пособии изложены основы построения канала сбора и обработки данных. Дано представление о работе отдельных узлов канала. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электроснабжение и автоматизация объектов нефтегазовой промышленности». УДК 658.26:621.31:004(075.8) ББК 31.29-5:32.97я73
Рецензенты
Заместитель начальника отдела перспективного развития ООО «Горсети» Т.Н.Кирилова Кандидат технических наук, доцент ТГАСУ В.М. Педиков
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
ВВЕДЕНИЕ Курс «Автоматические системы управления устройствами электроснабжения» ориентирован на изучение средств сопряжения микроЭВМ с объектами управления. Рост сложности объектов управления, контроля, измерения обусловил необходимость высокой степени автоматизации процессов при вычислении параметров управления. Все эти задачи могут быть решены на основе систем сбора и обработки данных (СОД). Различные требования по стоимостным и техническим характеристикам, предъявляемые к СОД, определяют возможность вариаций структуры СОД на основе выбора метода обработки сигналов.
Контролируемый параметр (скорость, координата, температура, давление и т.д.) с помощью соответствующего датчика Д преобразуется в электрический сигнал. Часто датчики имеют большое выходное сопротивление и малый динамический диапазон (например, при изменении температуры на 1000С выходное напряжение датчика изменится на 3 мВ). Следовательно, необходимо применение согласующего устройства СУ, выполняющего в общем случае функции: усиления сигнала до необходимого уровня; расширение динамического диапазона входного сигнала; согласование датчика и других элементов канала СОД по нагрузке. Далее с помощью схемы нормализации СН из сигнала удаляются нежелательные низкочастотные и высокочастотные составляющие. Функциональные преобразования ФП аналогового сигнала проводят с целью введения в структуру датчика блоков для воспроизведения определенных математических операций и повышения его точностных параметров. Так, измерение скорости потока жидкости или газа основано на применении датчиков перепада давления в двух точках потока Преобразование аналоговой величины в цифровую всегда происходит за некоторый конечный промежуток времени. В течение этого промежутка времени сигнал на входе АЦП должен поддерживаться неизменным. Эту функцию выполняет устройство В/Х, сигнал на выходе которого пропорционален сигналу на входе до тех пор, пока не последует команда запоминания, после которой сигнал на выходе остается постоянным в течение промежутка времени, необходимого для преобразования сигнала в цифровую форму. Показанная структура (рис. 1.1, а) позволяет обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов систем СОД (из-за независимости обработки каждого сигнала) и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности системы по обеспечению требуемого уровня нормализации сигнала на входе АЦП в каждом канале. Такой вариант построения систем сбора данных имеет большое будущее, однако на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место более высокая стоимость СОД вследствие сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП. Другой вариант построения структуры системы СОД (рис. 1.1, б) основан на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов и перенесения управляемого процесса коммутации (УУ – устройство управления) из цифровой в аналоговую область (АК – аналоговый коммутатор). Высокие технические характеристики, свойственные структуре, приведенной на рис.1.1, б, обеспечены теми же функциональными блоками, которые были включены в состав структуры на рис. 1.1, а. Производительность такой системы находится в прямой зависимости от быстродействия АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в подобных системах необходимо применять АЦП с максимальным быстродействием. Проектируя ту или иную систему с использованием микроЭВМ, необходимо рассмотреть особенности схемотехники цифровых и аналоговых элементов сопряжения, а также схемы средней степени интеграции, являющиеся многофункциональными узлами ЭВМ.
1. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ АНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В канале связи объекта управления и микропроцессора обязаны присутствовать некоторые устройства аналогового преобразования, такие как преобразователь ток-напряжение, компаратор, активный фильтр, устройство выборки-хранения, основным элементом которых служит операционный усилитель.
1.1. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Операционный усилитель (ОУ) – это аналоговая ИС, на выходе которой формируется напряжение
где
которая называется дифференциальным входным сигналом, и абсолютно не чувствителен к любой составляющей входных сигналов, общей для обоих входов ОУ. Она называется синфазным сигналом и определяется формулой
Коэффициент усиления ОУ без обратной связи – постоянная, положительная безразмерная величина, которая на низких частотах (0
Идеальная передаточная характеристика ОУ показана на рис. 1.3. Выделим линейную часть (область усиления), где
При анализе неинвертирующих схем ( ¨ разность потенциалов между входами ОУ, работающего в линейном режиме, равна 0; ¨ токи через входные зажимы ОУ отсутствуют. При анализе инвертирующих схем ( ¨ потенциал суммирующей точки равен нулю (точка ¨ ток, попадающий в суммирующую точку из цепей входа, равен току, протекающему в цепи обратной связи; ¨ токи через входные зажимы усилителя отсутствуют. Коэффициент, показывающий, какая часть напряжения возвращается на инвертирующий вход, называют коэффициентом обратной связи
Это выражение следует из уравнения простого делителя напряжения. Основное уравнение функционирования ОУ (
откуда
Решая относительно
где
Из формулы (1.1) следует, что коэффициент усиления ОУ с отрицательной обратной связью равен
и меньше коэффициента обратной связи ОУ без обратной связи. Величину
Входной сигнал
окончательно имеем Изложенная методика рассмотрения ОУ справедлива при его идеальности. Для идеального усилителя напряжение на выходе равно нулю при
1.2. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Одним из важнейших применений ОУ являются активные фильтры.
В пассивных фильтрах используются только пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы и индуктивности. Схема активного фильтра содержит одно или более активных устройств, обычно ОУ. Ниже перечислены положительные свойства активного фильтра по сравнению с пассивным фильтром. 1. Коэффициент усиления. В активном фильтре максимум передаточной характеристики может быть больше единицы. 2. Минимальное влияние нагрузки. Передаточная характеристика активного фильтра практически не зависит от нагрузки, на которую работает фильтр, и источника, управляющего фильтром. 3. Безындуктивные фильтры. Для построения активного фильтра необходимы только резисторы и конденсаторы и не требуются индуктивности. Это свойство наиболее важно при работе на относительно низких частотах (<10 Гц), так как в противном случае потребовались бы большие индуктивности.
Решая последнее уравнение относительно
Умножая обе части уравнения на
После приведения подобных в последнем уравнении и учитывая, что передаточная характеристика определяется как
Рассмотрим частный случай двухполюсного фильтра нижних частот, в котором
На нулевой частоте, где Для упрощения предположим
где
Квадрат амплитуды передаточной функции фильтра записывается в виде
Если необходимо, чтобы частотная характеристика фильтра была «максимально плоской», монотонно убывающей с частотой, то сначала необходимо принять
Следовательно, чтобы наклон равнялся нулю только при
При таких условиях выражение для квадрата модуля передаточной функции принимает вид
Точка 3 дБ имеет место при
Фильтр этого типа с «максимально плоской» передаточной характеристикой в пределах полосы пропускания называется фильтром Баттерворта. На практике широко применяют фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя, анализ которых подробно изложен в литературе [7].
1.3. КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Компаратор – это схема (рис. 1.2), предназначенная для сравнения двух входных напряжений Во многих отношениях компаратор практически аналогичен ОУ, причем любой ОУ можно использовать в качестве компаратора. Однако компаратор предназначен для работы без обратной связи, т.е. в ключевом режиме, в то время как ОУ почти всегда используется в режиме с обратной связью и выполняет функции линейного усилителя. ОУ вырабатывает нулевое выходное напряжение, когда дифференциальная составляющая входного сигнала равна нулю. Компаратор работает так, что его выходное напряжение принимает всего два фиксированных значения, поэтому при нулевом напряжении на входе выходное напряжение равно либо Выходное напряжение ОУ имеет уровни насыщения, примерно на 1 Частотная характеристика ОУ выбирается такой, чтобы обеспечить определенный запас устойчивости усилителя в режиме с обратной связью. Это неизбежно приводит к сокращению полосы пропускания и уменьшению скорости нарастания выходного напряжения. В компараторе никаких ограничений на частотную характеристику не накладывается. Наиболее важной характеристикой компаратора является время срабатывания или время задержки распространения сигнала. Это время между моментом переключения входного напряжения и моментом, когда выходное напряжение достигнет определенного уровня. Обычно используется уровень 90 %. Времена срабатывания компараторов обычно составляют от 1 мкс до 10 нс. Изменение входного напряжения, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое (чувствительность), очень мало, как правило, от 0,1 до 3 мВ. Вследствие малого входного напряжения переключения выходное напряжение компаратора почти все время соответствует уровню насыщения – либо Напряжение смещения
Схема компаратора с положительной обратной связью приведена на рис.1.7, а, а на рис. 1.7, б показана его передаточная характеристика. Уровень входного напряжения, при котором происходит переключение уровня выходного напряжения с низкого на высокий, определяется выражением
а формула для выходного напряжения, необходимого для переключения из высокого уровня в низкий, записывается в виде
Ширина петли гистерезиса
В ряде случаев наличие петли гистерезиса необходимо для исключения неопределенности момента переключения компаратора, т.е. предотвращения «дребезга» (рис. 1.7, в). На рис. 1.7, г показана характеристика переключения при наличии петли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса Промышленностью изготавливаются компараторы в виде ИС (К554СА1). Условное графическое обозначение компаратора в интегральном исполнении иллюстрирует рис. 1.8.
1.4. СХЕМА ВЫБОРКИ И ХРАНЕНИЯ
В конце короткого временного интервала выборки аналоговый ключ закрывается. Это позволяет электрически изолировать конденсатор К важнейшим характеристикам устройства выборки и хранения относятся: время выборки – время от момента подачи сигнала на выборку до момента установления выходного сигнала; апертурное время – интервал времени между моментом подачи сигнала на хранение и моментом размыкания ключа; скорость разрушения информации – изменение выходного напряжения вследствие разряда запоминающей емкости; сквозная передача – часть входного сигнала, которая вследствие конечного сопротивления разомкнутого ключа передается на выход. В интегральном исполнении все элементы выборки и хранения располагаются на одной подложке, за исключением конденсатора
2. ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Электрические сигналы, как объект обработки, по своей физической природе являются аналоговыми, т.е. представляют собой непрерывные функции напряжения или тока от времени. Поэтому в процессе формирования и обработки таких сигналов с помощью цифровых устройств важную роль играют операции преобразования в цифровую форму и обратно. Для выполнения этих операций служат аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Первые обеспечивают сопряжение источников аналоговых сигналов с цифровыми устройствами обработки, а вторые предназначены главным образом для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации.
2.1. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Цифро-аналоговый преобразователь – это ИС, которая преобразует входной цифровой код в выходное аналоговое напряжение или ток, являющиеся двоично-взвешенными эквивалентами входного цифрового кода. Простым примером
где Выходное напряжение, соответствующее входному коду …..0001, равно
Выходное напряжение, соответствующее входному коду 1000…, равно Максимальное напряжение на выходе вырабатывается, когда входной код равен 111…, и равно
Номинальное выходное напряжение полной разрядной сетки определяется выражением
и, таким образом, больше максимального выходного напряжения на Во многих ЦАП выходное напряжение полной разрядной сетки устанавливается равным 10,000 В. Следовательно, в 4- разрядном (
Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R-2R, изображенной на рис. 2.2. Так как потенциал суммирующей точки ОУ равен нулю, то, анализируя эквивалентную схему, изображенную на рис. 2.3, можно записать для точки
тогда получим
При В рассмотренных схемах с целью повышения быстродействия в качестве ключей используются транзисторные сборки, работающие в импульсном режиме. Существует большое количество ЦАП различного типа в интегральном исполнении с разрядностью входного кода от 8 до 16 и с временем преобразования от 5 мкс до 35 нс (например, ИС К572ПА1, исследуемая на лабораторной работе).
2.2. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
2.2.1. АЦП ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА
Популярное: Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ![]() ©2015-2024 megaobuchalka.com Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (359)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |