Разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом

Математическая модель технологического процесса. Структурная схема микропроцессорной системы. Алгоритм работы цифровой вычислительной машины. Расчет параметров устройства управления. Моделирование динамики системы с применением ППП "MatLab/Simulink".


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


Федеральное агентство по образованию РФ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Рязанский государственный радиотехнический университет
Студенту гр.747 ___________________________ Вариант №____
1. Тема курсовой работы «Разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом».
2. Срок представления законченной курсовой работы к защите ноября 2011г.
3.1. Математическая модель технологического процесса
3.2. Микропроцессорный комплект 18085, AduC1816, К1878
3.3. Система команд МП 18080 (К580), 18051, К1878
- Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. М..Профессия, 2006.767 с.
- Микропроцессорные системы автоматического управления. Под ред. В.А. Бесекерского- Л.: Машиностроение, 1988. 365 с.
- Дьяконов В. Simulink4. Спб.: Питер, 2002. 428с. 4.Содержание пояснительной записки:
Разработка функциональной схемы МПС.
Расчет параметров устройства управления.
Моделирование динамики системы с применением ППП «MatLab/Simulink».
В наше время промышленные предприятия используют автоматизированные производственные линии. Их применение значительно увеличивает производительность, обеспечивает стабильное качество продукции, уменьшает отрицательное воздействие производственного процесса на человека, а также позволяет экономично использовать энергию и материалы. Также важную роль играет автоматизация управления технологическими процессами. Управлением в широком смысле слова называется организация какого-либо процесса, обеспечивающая достижение поставленной цели. Управляемым процессом может быть, например, процесс движения транспорта (водного, воздушного и наземного), технологический процесс и т.д. Ключевую роль при автоматизации управления объектами играет использование цифровых вычислительных машин.
Целью данной курсовой работы является разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом, представленного математической моделью. Необходимо составить алгоритм работы микропроцессорной системы, разработать программу, обеспечивающую выполнение заданного алгоритма.
В процессе выполнения данной курсовой работы 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.
Управляет работой технологического процесса микропроцессорное устройство управления (МПУУ). Необходимо составить алгоритм работы данного устройства, разработать программу, обеспечивающую выполнение этого алгоритма.
Микроконтроллер (МК) представляет собой однокристальную ЭВМ, включающую микропроцессор, необходимые виды памяти и каналы ввода/вывода аналоговой и цифровой информации. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в МК программой. Основным классификационным признаком МК является разрядность микропроцессора.
Разрядность МК определяется точностью данных, необходимой для управления объектами. Наиболее распространённым семейством микроконтроллеров являются 8-битные микроконтроллеры, широко используемые в промышленности. В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость.
Согласно заданию, нам необходимо выбрать микроконтроллер КР1878ВЕ1 (An15E03). Этот микроконтроллер предназначен для использования в системах управления, работающих в масштабе реального времени. Микроконтроллер отличается малым количеством внешних выводов, низким током потребления, высокой производительностью, наличием энергонезависимой памяти данных и возможностью многократного перепрограммирования памяти команд. Характерной особенностью его является гарвардская RISC-архитектура, позволяющая выполнять любую из 52 команд за два такта частоты процессора, единая система команд для всего семейства с возможностью адресации до двух операндов, находящихся в памяти, малое время реакции на прерывание и сохранение контекста, широкий диапазон конфигураций внутренней памяти команд, памяти данных и внутренних периферийных устройств.
Упрощенная структурная схема центрального процессора микроконтроллера представлена на рис. 1. Центральный процессор микроконтроллера предназначен для выполнения арифметических и логических преобразований 8-разрядных операндов, расположенных в памяти микроконтроллера. Архитектура процессора характеризуется разделенной памятью команд и данных. Это позволяет совместить процессы выборки команд и выборки операндов из памяти. Система команд процессора - симметричная, т.е. имеются двухоперандные команды, работающие одновременно с двумя операндами. Выборка операндов из памяти данных в случае двухоперандных команд производится одновременно по двум различным шинам - данных SRC и данных DST, с отдельными шинами адресов. Запись результата в память производится также по отдельной шине данных записи. Адрес записи совмещен с адресом чтения операнда DST.
Команды процессора имеют размерность 16 разрядов. Для обеспечения механизмов перехода к подпрограммам и прерываний программ в процессоре существует отдельный аппаратный стек глубиной в восемь адресов, где хранятся адреса возврата из подпрограмм и прерываний. В процессоре имеются служебные регистры для поддержки метода адресации операндов. Для сохранения значений этих регистров и слова состояния процессора при прерываниях программ и переходов к подпрограммам введен отдельный аппаратный стек данных глубиной в 16 байтов. Обращение к регистрам периферийных устройств микроконтроллера происходит по тем же шинам и точно так же, как и к оперативной памяти.
Рис. 1. Структурная схема центрального процессора микроконтроллера
Любая из команд процессора выполняется за одинаковый период времени. Одновременно на разных стадиях выполняются три команды процессора. Условные и безусловные переходы происходят по абсолютным адресам памяти команд, что позволяет устранить потерю времени при выполнении переходов.
2. Разработка функциональной схемы МПС
Укрупненная функциональная схема рассматриваемой микропроцессорной системы имеет следующий вид (рис. 2).
Рис. 2. Укрупненная функциональная схема МПС
- МПУУ - микропроцессорное устройство управления;
Более подробная функциональная схема технологического процесса имеет следующий вид (рис. 3).
- ЦВМ - цифровая вычислительная машина;
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 схематичном виде система регулирования с ЦВМ изображена на рис. 4.
Рис. 4. Система регулирования с ЦВМ
- g1, g2, … , gn - входные воздействия;
- у1, у2, … ,yn - регулируемые величины;
- и1, u2, ... un - выходные воздействия;
Рассмотрение системы со многими регулируемыми величинами представляет собой весьма громоздкую задачу. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением случая, когда ЦВМ вводится в одиночный контур с одной регулируемой величиной у и одним входным воздействием g.
В настоящее время для расчета систем с ЦВМ широко используются z-преобразование и w-преобразование. Использование этих преобразований позволяет распространить развитые для расчета непрерывных систем эффективные частотные методы и на дискретные системы, в частности на системы с ЦВМ.
3. Разработка структурной схемы МПС
Структурная схема микропроцессорной системы имеет следующий вид (рис. 5).
- g - задающая величина (входное воздействие);
- x1 - регулируемая величина (выходное воздействие);
- x2 - управляющее (регулирующее) воздействие;
- Wтп(s) - передаточная функция технологического процесса.
4. Расчет параметров устройства управления
Передаточную функцию технологического процесса составим по дифференциальному уравнению математической модели технологического процесса. Перейдем к символической форме записи дифференциальных уравнений, используя символ дифференцирования:
Запишем исходное дифференциальное уравнение в символической форме:
Коэффициент передачи будет равен частному от деления коэффициента при x1 на коэффициент при x2. Далее перейдем к преобразованию Лапласа путем замены p на комплексную переменную s и получим передаточную функцию элемента:
где , - преобразования Лапласа (изображения) выходной и входной величин соответственно.
Т.о. получим следующую передаточную функцию:
Произведем определение алгоритма управления .
Введем в данную систему два дифференцирующих корректирующих устройства. Дискретная передаточная функция каждого из них имеет вид:
При система будет неустойчива (рис. 6).
Рис. 6. Переходная характеристика САР при D(z)=1
Рис. 7. ЛАЧХ неустойчивого переходного процесса
Рассмотрим случай, когда . В данном случае, осуществляя подбор коэффициента a, получаем дискретную передаточную функцию следующего вида:
5. Моделирование динамики системы с применением ППП "MatLab/Simulink"
Для проверки качества разработанной системы произведем моделирование ее динамики в среде MatLab/Simulink 6.5. Блок-схема такой САР приведена на рис. 8.
Рис. 8. Блок-схема цифровой САР в Simulink
Оценим устойчивость и качество системы, используя частотный подход. Для этого построим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы (рис. 9).
Рис. 9. 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 -1800. Из рис. 9 видно, что запас по фазе составляет 85,30. Это соответствует требованию к этой величине, которое составляет 300. Запас по амплитуде равен 26 дБ, 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 рис. 10.
Рис. 10. Переходная характеристика САР
Величина перерегулирования определяется по формуле:
Где - максимальное значение переходной характеристики;
- установившееся значение переходной характеристики.
Эта величина будет равна 7%, что меньше предельно допустимого значения на этот параметр для качественных систем ().
Время переходного процесса показано на рис. 11 и равно 0.924с.
6. Разработка алгоритма управления
В предыдущем пункте мы реализовали цифровое корректирующее звено с некоторой дискретной передаточной функцией . В общем случае передаточная функция ЦВМ и представляет собой некоторое дробно-рациональное выражение:
где и - изображения (z-преобразования) последовательностей на входе и на выходе ЦВМ. Заметим, что всегда должно быть .
Поделим числитель и знаменатель последнего выражения на . Тогда
Отсюда может быть получено разностное уравнение, соответствующее алгоритму работы ЦВМ:
a0x2(n)+ a1x2(n-1)+…+ akx2(n-k)= b0x(n+s-k)+ b1x(n+s-k-1)+…+ bsx(n-k),
где x(n) и x2(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 .
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 x2(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.
Разделив числитель и знаменатель на , 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.
В алгоритме управления используются операции вычитания чисел, сложения и умножения на вещественные коэффициенты а0, а1 и а2. 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 рис. 12.
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 рис 13.
алгоритм цифровой микропроцессорный
Рис. 12. Схема алгоритма подпрограммы умножения
Рис.13. Схема алгоритма основной программы
Будем проводить моделирование без учета коэффициента, вынесенного за скобку. После выполнения моделирования умножим результат на этот коэффициент.
Запишем уравнение с коэффициентами в шестнадцатеричном формате:
На вход будем подавать единичный сигнал. На первой итерации x(n)=1, x(n-1)=0, x(n-2)=0. На второй итерации значение x(n), которое было на первой итерации, запишем в x(n-2), в x(n) запишем 1. Таким образом, на второй итерации x(n)=1, x(n-1)=1, x(n-2)=0. На третьей итерации значение x(n-1),которое было на второй итерации, запишем в x(n-2), значение x(n), которое было на второй итерации, запишем в x(n-1), в x(n) запишем 1. Таким образом, на третьей итерации x(n)=1, x(n-1)=1, x(n-2)=1.
Определим, как влияет округление при переводе в 16-ричную систему счисления.
Рис. 14 Сопоставительная блок-схема цифровых САР в Simulink
Рис. 15 ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутых САР (сопоставление)
Рис. 16 Переходная характеристика реальной САР.
Как видно из рисунков 15; а также рисунков 16 и 10, ошибка округления вносит некоторую погрешность, тем не менее существенных изменений в динамике переходного процесса не наблюдается.
Результатом работы программы является значение функции. Для проверки правильности работы программы выполним ручной просчет.
x2(n)=1.0Аh·1h-2.0Аh·0h+01h·0h=1.0Аh;
Результат работы программы представлен на рис. 17.
Рис. 17. Результат выполнения программы на первой итерации
x2(n)=1.0Аh·1h-2.0Аh·1h+01h·0h= -1h;
Результат работы программы представлен на рис. 18.
Рис. 18. Результат выполнения программы на второй итерации
Результат работы программы представлен на рис. 19.
Рис. 19. Результат выполнения программы на третьей итерации
%С6 - значение целой части функции;
%С7 - значение дробной части функции.
Умножим на вынесенный за скобку коэффициент и получим:
movl %A0, 01h ;целая часть коэффициента при х[n]
movl %A1, 0Аh ;дробная часть коэффициента при х[n]
movl %B0, 02h ;целая часть коэффициента при х[n-1]
movl %B1, 0Аh ;дробная часть коэффициента при х[n-1]
movl %C0, 01h ;целая часть коэффициента при х[n-2]
movl %C1, 00h ;дробная часть коэффициента при х[n-2]
movl %D3, 07h ;счетчик цикла умножения
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем целую часть 1-го слагаемого
mov %C5, %A6 ;сохранение целой части 1-го слагаемого
mov %A0, %A1 ;пересылаем дробную часть 1-го слагаемого в А0
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем дробную часть 1-го слагаемого
mov %C7, %A7 ;сохраняем результат 1-го слагаемого
mov %A0, %B0 ;пересылаем целую часть 2-го слагаемого в А0
mov %A1, %B1 ;пересылаем дробную часть 2-го слагаемого в А1
mov %A4, %B4 ;пересылаем 2-й множитель
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем целую часть 2-го слагаемого
mov %B5, %A6 ;сохранение целой части 2-го слагаемого
mov %A0, %A1 ;пересылаем дробную часть 2-го слагаемого в А0
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем дробную часть 2-го слагаемого
mov %B7, %A7 ;сохраняем результат 2-го слагаемого
mov %A0, %C0 ;пересылаем целую часть 3-го слагаемого в А0
mov %A1, %C1 ;пересылаем дробную часть 3-го слагаемого в А1
mov %A4, %C4 ;пересылаем 3-й множитель
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем целую часть 3-го слагаемого
mov %C0, %A6 ;сохранение целой части 3-го слагаемого
mov %A0, %A1 ;пересылаем дробную часть 3-го слагаемого в А0
jsr reginitial ;переход к подпрограмме инициализации регистров
jsr multipl ;умножаем дробную часть 3-го слагаемого
add %A6, %C1 ;сохраняем результат 3-го слагаемого
;переводим 2-е слагаемое в дополнительный код
;складываем результат и 3-е слагаемое
;подпрограмма инициализации регистров
and %D1, %D2 ;выделяем младший бит множителя
jeq .+10 ;переход если младший бит равен 0
shl %A6 ;логический сдвиг влево второго байта результата
add %A7, %A0 ;если младший бит=1,то прибавляем к первому байту результата множимое
shl %A0 ;логический сдвиг влево множимого
addl %A6, 00h ;прибаляем ко второму байту результата 0
jmp .+1 ;безусловный переход через одну команду
addl %D5, 01h ;прибаляем к регистру %D5 1
shl %A0 ;логический сдвиг влево множимого
shr %A3 ;логический сдвиг вправо множителя
subl %D0, 01h ;уменьшаем значение счетчика
При выполнении курсовой работы был составлен алгоритм работы микропроцессорной системы, которая управляет технологическим процессом. Также была разработана программа (в системе команд микроконтроллера KP1878BE1), реализующая данный алгоритм.
Получены следующие результаты при x(n)=1:
Результаты, полученные в результате работы программы, совпадают с результатами, полученными при ручном расчете, а также с результатами, полученными в ППП "MatLab/Simulink".
1. Бесекерский В.А., Ефимов Н.Б., Зиатдинов С.И. Микропроцессорные системы автоматического управления. Л.: Машиностроение, 1988. 365 с.
2. Методические указания по МПС МК К1878ВЕ1.
Структурная схема устройства управления. Алгоритм работы микроконтроллера в его составе. Строение центрального процессорного элемента – микроконтроллера AVR семейства Classic. Принципиальная схема устройства, расчет временных параметров ее работы. курсовая работа [636,5 K], добавлен 03.12.2013
Структурная схема микропроцессорного устройства для определения частоты сигнала. Выбор микроконтроллера, описание алгоритма нахождения частоты. Алгоритм работы программы управления микропроцессорным устройством. Программа работы микропроцессора. курсовая работа [605,7 K], добавлен 24.11.2014
Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера. Методы и средства совместной отладки аппаратных и программных средств. Структурная схема и функциональная спецификация устройства - регулятора яркости ламп накаливания. Алгоритм управления. дипломная работа [1,4 M], добавлен 15.07.2010
Алгоритм работы схемы микропроцессорного устройства и протокол обмена информацией между ним и объектом управления. Составление карты памяти для микропроцессора. Разработка программы на языке Ассемблера для выбранного микропроцессора и микроконтроллера. контрольная работа [207,8 K], добавлен 29.06.2015
Основные функции конструктивных элементов пассажирского лифта, принцип и структурная схема его работы. Характеристика релейной и микропроцессорной станций управления. Преимущества разрабатываемого устройства, реализация его режимов управления лифтом. дипломная работа [1014,2 K], добавлен 25.04.2013
Структурная схема и модель устройства передачи данных. Моделирование датчика температуры, АЦП И ЦАП в Matlab и OrCAD. Модель кода с удвоением. Расчет кодовых комбинаций и пример исправления ошибки. Программирование ПЛИС для циклического кодирования. курсовая работа [690,4 K], добавлен 28.10.2011
Проект структурной схемы микропроцессорной системы управления. Блок-схема алгоритма работы МПС; создание программы, обеспечивающей его выполнение. Распределение области памяти под оперативное и постоянное запоминающие устройства. Оценка ёмкости ПЗУ и ОЗУ. курсовая работа [467,9 K], добавлен 21.05.2015
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Разработка микропроцессорного устройства управления технологическим процессом курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Статья: Песчанская икона Божией Матери
Утилизация Отходов Курсовая Работа
Курсовая работа по теме Кримінально-правова характеристика злочинів у сфері віросповідання
Реферат: Long Day
Сочинение по теме Разговоры богов (Dialogoe deorum)
Контрольная работа по теме Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А
Курсовая работа по теме Естетичне виховання учнів у процесі вивчення іноземної мови
Глобальные Проблемы Человечества Реферат По Обществознанию
Курсовая Рабочие Места И Их Рационализация
Сочинение По Пословице Безделье Мать Всех Пороков
Дипломная работа по теме Проектирование программно-аппаратного комплекса (ПАК) для облегчения процесса отладки устройств на базе микропроцессора AT91SAM9260
Реферат: Анализ ассортиментных показателей товаров, возможности их улучшения.
Курсовая работа по теме Проект модернизации бульдозера для расширения его технологических характеристик
Контрольная работа: Процесс компаундирования нефтепродуктов
Контрольная работа: Аспекты безопасности жизнедеятельности
Дипломная работа по теме Разработка программно-технических средств для защиты от несанкционированного доступа (на примере ООО 'Минерал')
Пути улучшения организационной системы маркетинга на предприятии
Реферат: Толстой и Ясная поляна. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Понятие междурнародного разделения труда
Сочинение По Английскому Языку Про Семью
Интерферирующее влияние родного языка при восприятии звуков английского языка - Иностранные языки и языкознание дипломная работа
Внутренние воды России - География и экономическая география презентация
Теоретические, нормативные и практические аспекты учетной политики на предприятии - Бухгалтерский учет и аудит курсовая работа