Лабораторные работы по курсу "Базы данных и знаний"

Ход работы

Для начало проведения лабораторной работы «Контроль и управление скоростью вращения ДПТ» следует подключиться к серверному компьютеру, на котором «активирована» программа «Сервер», также, подключен стенд. При нажатии на галочку «Пуск» открывается окно «Соединение» (рис. 6.). Вводим IP адрес сервера, порт оставляем неизменным (т.е. 50201) и вводим код доступа. Нажимаем на кнопку «Соединение» и соединяемся с сервером.

Рис. 6. Подключение к серверу.

На панели «Задание» (рис. 7.) вводим задание в об./мин. По умолчанию выбрана модуляция ШИМ с макс. Периодом 1000t (t – длинна единичного импульса, абсолютное значение которой, зависит от производительности компьютера на котором установлен стенд). Также можно в ручную задавать процент ШИМ, для этого надо поставить галочку «Отк. система». В итоге получается открытая система без автоматического регулирования. В поле «ШИМ %» вводится процент ШИМ. Также в программе реализован алгоритм дискретного ПИД – регулятора, параметры которого можно изменять на панели «ПИД - регулятор».

Рис. 7. Основное окно.

На панели «Датчик» имеется константа «Имп./Об.» равная 24, т.к. оптический формирователь импульсов имеет 24 отверстия, что в итоге получается 24 импульса равны одному обороту. «Порог чувств» определяет порог чувствительности, т.е. амплитуда сигнала датчика которую можно считать полезной, также фильтровав помехи малой амплитуды.

На панели «Вид» поставив галочку «Сиг. датчик» можно отобразить осциллограмму сигнала датчика импульсов. А галочка «Сиг. ШИМ» отображает осциллограмму ШИМ сигнала.
Лабораторная работа № 10
Цифровое управление температурой теплового объекта


Цель работы: изучение методов регулирования температуры при помощи цифровой системы управления


Краткие теоретические сведения

Структурная схема регулирования температурой теплового объекта представлена на рис 1. Замкнутую систему образуют:

Рис. 1. Структурная схема регулирования температурой теплового объекта.

- микроконтроллер, получает задание и информацию о текущей температуры теплового объекта, по определенному алгоритму вырабатывает сигнал управления.

- объект управления, тепловой объект, получая сигнал управления, меняет температуру в соответствии со своими динамическими характеристиками, преобразовывает электрическую энергию в тепловую.
- датчик преобразовывает тепловую энергию в электрическую, в данном случае в температуру в цифровом представлении, и подает на вход микроконтроллера для последующей обработки.
Тепловой объект состоит из источника тепла, нагревательного элемента – спирали, помещенного в пустотелый металлический корпус в форме цилиндра, в котором имеется отверстие для температурного датчика. Цилиндр установлен горизонтально, на одном из оснований цилиндра установлен охлаждающий элемент – вентилятор, для вывода «лишнего» тепла с теплообъекта. На другом основании цилиндра имеется крышка для температурного воздействия.
Принципиальная схема стенда приведена на рис. 2.
Цифровой датчик температуры U3, подключен в порт RE0 микроконтроллера U1, сигнал управления ШИМ снимается с порта RC2, электронный ключ нагревателя OV1 состоит из транзистора Q2. Сигнал управления вентилятором снимается с порта RB0, электронный ключ вентилятора DCM1 состоит из резистора R4 и транзистора Q1. Согласователь уровней состоит из микросхемы U4 и конденсаторов C1, C2, C3, C4. Дисплей состоит из микросхем U2, U5 и индикаторов HS1, HS2, HS3. Клавиатура состоит из кнопок “RESET” – для перезапуска микроконтроллера, “SET TEMP” – для отображения заданной температуры на дисплее, “+TEMP” – для инкремента заданной температуры, “-TEMP” – для декремента заданной температуры. Питание +5 V берется с USB порта J1, питание нагревательного элемента и вентилятора берется с блока питания собранного из трансформатора TR1, диодов D1, D2, конденсаторов С5, С6, С7.

Рис. 2. Принципиальная схема лабораторного стенда

В качестве датчика температуры используется микросхема DS18B20. DS18B20 - Высокоточный цифровой термометр с однопроводным интерфейсом в стандарте MicroLAN. Диапазон измеряемых температур от -55°C до +125°C. Считываемый с прибора цифровой код является прямым непосредственным кодом измеренного значения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях.

Программируемая пользователем разрешающая способность встроенного АЦП может быть изменена в диапазоне от 9 до 12 разрядов выходного кода. Абсолютная погрешность преобразования меньше 0,5°C в диапазоне контролируемых температур -10°C до +85°C. Максимальное время полного 12-ти разрядного преобразования ~750мс (при разрешении 12 разрядов).
Внутренняя энергонезависимая память температурных уставок обеспечивает запись произвольных значений верхней и нижней границы уставок. Кроме того, микросхема содержит встроенный логический механизм приоритетной сигнализации в линию о факте выхода температуры за один из выбранных порогов.
Узел 1-Wire-интерфейса прибора организован таким образом, что существует теоретическая возможность адресации неограниченного количества подобных устройств на однопроводной линии. Термометр имеет индивидуальный 64-разрядный регистрационный номер (групповой код 028Н) и обеспечивает возможность работы без внешнего источника питания, только за счет паразитного питания однопроводной линии.
Питание прибора через отдельный внешний вывод производится напряжением от 3,0 В до 5,5 В. Термометр размещается в транзисторном корпусе TO-92 или в 8-контактном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (DS18B20Z).
Лабораторный стенд (рис. 3.) работает в автономном режиме, имеет собственный интерфейс ввода/вывода, т.е. дисплей для отображения текущей и заданной температуры и клавиатуру для изменения заданной температуры. Также стенд имеет интерфейс RS232, что обеспечивает взаимодействие с компьютером. При этом компьютер не вмешивается в алгоритм формирования сигнала управления, а посылает задание (заданную температуру) и отображает текущую температуру.
Лабораторные занятия могут производиться как в локальном режиме, так и в удаленном (т.е. сетевом).
В локальном режиме лабораторные занятия производятся на стенде с подключением к серверному компьютеру или без него. Допустим, что лабораторный подключен к сети питания, Изучаемый объект, т.е. теплообъект.
Температура теплообекта комнатная, измеряется с помощью цифрового датчика температуры (блок 1) и записывается в ОЗУ микроконтроллера через порт 1. С помощью клавиатуры (блок 18) задаем температуру. Введенное значение сохраняется в ОЗУ, также в ЭНППЗУ (энергонезависимое перепрограммироваемое постоянное запоминающее устройство).

Рис. 3. Функциональная схема лабораторного стенда подключенного к
серверному компьютеру.

Алгоритм формирования сигнала управления (блок 8) исходя из данных содержащихся в ОЗУ (температура объекта и заданная температура) формирует сигнал управления по следующему закону:

Если температура объекта меньше заданной то микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал блоком ШИМ. Электронный ключ (блок 5), подключенный к выходу ШИМ, подает ток нагревательному элементу (блок 3), тем самым увеличивая температуру теплообъекта.

Если температура объекта больше заданной то микроконтроллер согласно закону управления приведенному выше, формирует сигнал на выходе порта 2 (установкой логической единицы т.е. 5 V), тем самым открыв электронный ключ (блок 4), включает вентилятор. Вентилятор выведет нагретый воздух с теплообъекта.
Стенд подключается в COM порт (блок 10) компьютера через интерфейс RS232 с помощью согласователя уровня (TTL – RS232) (блок 9). Температура задается с помощью клавиатуры (блок 15), и сохраняется в ОЗУ. Программа обработки локальных и сетевых запросов (блок 11) считав с ОЗУ заданную температуру, передает ее микроконтроллеру через COM порт, также через COM порт запрашивает и получает информацию о температуре теплообъекта, для отображения ее на дисплее (блок 14).



Рис. 4. Обработка данных в компьютере клиента.

В сетевом компьютер клиента подключается к серверному компьютеру посредством Internet / Intranet. Информация о температуре теплообъекта передается сетевому интерфейсу (и далее в Internet / Intranet) через программу обработки локальных и сетевых запросов. Компьютер клиента (рис. 4) получает переданную информацию через свой сетевой интерфейс. Программа обработки локальных и сетевых запросов сохраняет информацию в ОЗУ для отображения на дисплее (блок 14). Температура задается с помощью клавиатуры (блок 15), и сохраняется в ОЗУ. Программа обработки локальных и сетевых запросов (блок 11) считав с ОЗУ заданную температуру, отправляет ее серверному компьютеру посредством сетевого интерфейса. Серверный компьютер, принимает информацию и передает ее микроконтроллеру, аналогично описанному выше. Цикл передачи информации (датчик температуры => микроконтроллер => серверный компьютер => компьютер клиента => задание температуры => серверный компьютер => микроконтроллер => сигнал управления => теплообъект => датчик температуры) повторяется.