Разработка микропроцессорной системы климат-контроля

ВВЕДЕНИЕ 

      Быстрорастущие  потребности современного общества требуют широкомасштабного, тотального использования новейших технологий в различных отраслях экономики, так называемого Hi-Tec (High Technogy). Разработка современных систем автоматизации технологического процесса производства является одной из актуальнейших задач развития экономики любого государства.

      Крупнейший  специалист в области информатики  академик Е.П.Велихов в одной из своих статей высказал гениальную по своей простоте мысль: «Тот, кто умеет делать компьютеры, владеет миром». В России и странах СНГ развитие микроэлектроники в настоящее время находится в кризисном состоянии. В силу объективных исторических обстоятельств конца 90-х годов переход на производство субмикронных интегральных микросхем не был освоен, что привело к катастрофическому отставанию от мировой техники.  

      Все разнообразные средства цифровой техники: персональные компьютеры, микропроцессорные  системы измерений и автоматизация  технологических процессов, цифровая связь, телевидение, бытовая техника и т.д. строятся на единой элементной базе, в состав которой входят чрезвычайно разные по сложности микросхемы – от логических элементов, выполняющих простейшие операции, до сложнейших программируемых кристаллов, содержащих миллионы логических элементов.   

      С появлением микропроцессоров и СБИС с программируемой структурой произошло  качественное изменение подхода  к методам проектирования и изготовления средств автоматики.

      Микропроцессор  способен выполнять команды, входящие в его систему команд. Меняя последовательность команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Иначе говоря, в этом случае задачи структура аппаратных средств не связана с характером решаемой задачи. Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соответствующим снижением стоимости.   

      Данная  работа посвящена разработке системы  климат-контроля в квартирах и  офисах, предусмотренной в так  называемых «интеллектуальных» зданиях, в которых помимо нее предусмотрены:

- автономное питание от дизель-генераторной установки и солнечных батарей;

- системы  охранной безопасности, включая  пожарную,  и блокировки лифтов;

- системы  видеонаблюдения;

- системы  телекоммуникации – интернет, спутниковая  связь и TV. 
 
 
 

      1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ 

      1.1 Этапы разработки системы  

      1.1.1 Задачи и принципы управления.

        Задача управления – изменять  протекающие в объекте управления  процессы посредством соответствующих команд для достижения поставленной цели.

      Фундаментальными  принципами управления являются:

      - принцип разомкнутого управления;

      - принцип компенсации – управление  по возмущению;

      - принцип обратной связи.

      Таким образом, САУ – это система, стремящаяся  сохранить в допустимых пределах рассогласование (ошибку) ε(t) между  требуемыми х(t) и действительными у(t) значениями управляемых переменных с помощью их сравнения на основе принципа ОС и использования получаемых при этом сигналов управления. 

      Система, в которой входной сигнал х(t) –  известная функция (детерминированный  сигнал) на всем промежутке управления, называется системой программного управления.

      Система, в которой задающий входной сигнал х(t) =const, называется системой стабилизации.

      Система, в которой задающий входной сигнал x(t) – случайная функция, называется следящей системой. Система, управляющая только одной выходной величиной, называются одномерной. Одномерные системы могут быть системами программного управления, системами стабилизации и следящими системами.

      Кроме того, на практике используются:

- системы  с поиском экстремума показателя  качества;

- системы  оптимального управления;

- адаптивные  системы. 

      1.1.2 Классификация САУ.

      Системы автомаического управления (САУ) можно классифицировать по классам и принципам действия.

      По  классам дифференциальных уравнений:

      Линейными системами называются систмы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, в противном случае система входит в класс нелинейных. Линейные и нелинейные дискретные системы описываются соответсвеннно линейными и нелинейными разностными уравнениями или системами разностных уравнений.

      Линейные  и нелинейные стационарные системы описываются дифференциальными уравнениями с постояными коэффициентами, а нестационарные системы с переменными коэффициентами.

      Сосредоточенные системыили системы со средоточенными параметрами, описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями.

      Распределенные системы или системы с распределенными параметрами, описываются дифференциальными уравнениями в частных производных.

      Существуют  два закона управления: по отклонению выходной велины и по возмущению.

      САУ по отклонению – принцип И.И.Ползунова, предложенная им в 1765г. В настоящее время используется в 90% промышленных САУ.

      Достоинством  САУ по отклонению является то, что  она компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое  вызвало изменение значения ее выходного сигнала у от заданного значения. Это изменение фиксирует датчик и через цепь отрицательной обратной связи, сигнал контролируемого параметра поступает на вход сравнивающего устрйства, которое, в свою очередь, вырабатывает сигнал отклонения ε = х - х_ос , поступающего на регулятор (рисунок 1.1). Недостаток состоит в том, что сначала должно появиться отклонение ε выходного сигнала у (параметра) от заданного ззначения и только затем регулятор компенсирует возмущающе воздействие.

      

      Рисунок 1.1 - Структурная схема САУ по отклонению

      САУ по возмущению – принцип Ж.Понселе, предложеннй им в 1830г. Если f возмущающее действие на объект, его измеряют и подают на регулятор для сравнения с заданным значением и выработки управляющего сигнала, изменяющего значение входного сигнала (рисунок 1.2).

      

      Рисунок 1.2 - Структурная схема САУ по возмущению

      При таком принципе управления изменение  возмущающего воздействия компенсируется регулятором до того, как оно нарушит  технологический режим работы объекта. Однако есть существенный недостаток – неспособность компенсировать влияние других возмущающих воздействий.

      САУ по возмущению является разомкнутой, т.е. без обратной связи по выходному  сигналу.

      Комбинированные САУ совмещают оба закона управления и лишены многих недостатков рассмотренных схем.

      По  закону изменения выходного сигнала  задатчика различают САУ стабилизации, программные и следящие.

      По  закону изменения выходного сигнала  регулятора различают САУ дискретные (двух, трехпозиционные) и непрерывные (аналоговые).

      Двухпозиционные (вкл. – выкл.) системы надежны (холодильные установки), дешевы, но мала точность регулирования.

      Трехпозиционные (больше-норма-меньше) системы обладают качеством выше, но надежность мала.

      В аналоговых системах выходной сигнал регулятора непрерывно изменяется во времени в определенном стандартизированном диапазоне.     

      1.1.3 Основные элементы автоматики.

      Элементами  автоматики называются устройства, выполняющие определенные функции преобразования сигнала в системах автоматического управления и контроля. Элементы автоматики могут быть соединены электрическими, механическими и другими связями, а на чертежах изображают в виде кинематических, электрических, гидравлических и

пневматических  схем.

      Каждый  элемент в системе выполняет определенную функцию, которая заключается в получении, преобразовании и передаче информации в виде сигналов.

      По  назначению элементы автоматики делятся  на: датчики, регуляторы, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели и т.д.

      Датчик – устройство, предназначенное для преобразования информации, поступающей на его вход в виде некоторой физической величины, на выходе в другую физическую величину, более удобную для воздействия на последующие элементы.

      Основной  характеристикой датчика является зависимость выходной величины у от входной х, т.е. у = f(x) или просто выходной характеристикой.

      Различают два вида датчиков: параметрические, в которых изменение контролируемой величины сопровождается соответствующим изменением параметра электрической цепи (активного, индуктивного и емкостного сопротивления) и наличие источника питания и генераторные, в которых изменение контролируемой величины сопровождается соответствующим изменением ЭДС на выходе.

      В зависимости от вида используемой энергии  различают механические, тепловые, оптические и другие типы датчиков.

      Основной  характеристикой элементов является зависимость выходной величины у  от входной х, т.е. у = f(x) или просто выходной характеристикой, помимо которой существуют частотные и временные характеристики.

      Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Существуют различные типы реле, но основными являются электромеханические (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и т.д.), в которых изменение входной электрической величины вызывает замыкание или размыкание контактов. Бывают бесконтактные магнитные реле (герконы) и бесконтактные реле электронного типа (триггеры).

      Распределитель (мультиплексор) – элемент автоматики, осуществляющий поочередное подключение одной входной величины к одному входу других цепей. Распределители используются при необходимости управления несколькими объектами от одного и того же управляющего органа.

      Исполнительные  устройства - это электромагниты с втяжным и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также электродвигатели.

      Используя выходную характеристику элемента y = f(x), можно получить коэффициент преобразования или коэффициент передачи, представляющий собой отношение выходной величины у к входной х 

                                                           К = у/х                                              (1.1)

при х = const называемый статическим коэффициентом преобразования.

      Например, у датчика коэффициентом преобразования является чувствительность, а для усилителя - коэффициент усиления.

      Отношение приращения выходной величины ∆у (или dy) к приращению входной величины ∆х (или dx)

                                                    К' = ∆у/∆х ≈ dy/dx                                    (1.2)

при ∆х→ 0 называется динамическим коэффициентом преобразования.

      Динамическим  режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а, следовательно, и выходная величина у изменяются во времени.

          

      1.2 Показатели качества регулирования