Лекции по микропроцессорным системам управления в горной промышленности - файл n1.doc
Лекции по микропроцессорным системам управления в горной промышленностиДоступные файлы (1):
n1.doc
Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В.Плеханова (технический университет)
Б.М.БОРИСОВ, В.Е.БОЛЬШАКОВ, Э.А.КАЛЬМ,
В.И.МАЛАРЕВ, Н.Н.УВАРОВ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2001
УДК 621(322)(075.80)
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ: Конспект лекций /
Б.М.Борисов, В.Е.Большаков, Э.А.Кальм, В.И.Маларев,
Н.Н.Уваров. Санкт-Петербургский горный ин-т, СПб, 2001. 44 с.
В конспекте рассмотрены вопросы, связанные с методами обработки информации в устройствах управления и защиты, применяемых в горной промышленности, на базе микропроцессоров, организацией управления микропроцессорными системами, а также отмечены основные принципы аппаратно-программной реализации микропрограммных автоматов.
В приложениях даны описания и некоторые рекомендации по применению в учебном процессе программ для изучения основных логических элементов и узлов, структуры микропроцессоров, основных команд, последовательности их выполнения, приведен программный комплекс, с помощью которого можно наглядно изучать и создавать программы реализации алгоритмов управления дискретными процессами в горной автоматике.
Конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при проведении теоретических и практических занятий по курсу «Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах» и может быть использован студентами других специальностей для курсового и дипломного проектирования.
Табл.5. Ил.18. Библиогр.: 19 назв.
Научный редактор проф.
Р.М.Проскуряков Рецензент к.т.н.
А.А.Сарвин (Северо-Западный заочный политехнический институт).
| Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2001 г. |
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в различных отраслях внедряют сравнительно дешевые, универсальные, малоэнергоемкие
микропроцессорные средства. Как показывает практика, разработка и частично внедрение технических средств автоматики с применением микропроцессоров и микроЭВМ вполне реально и для угледобывающих предприятий [5]. Несмотря на различия в применяемых технических средствах, основные теоретические и практические подходы к созданию микропроцессорных автоматических систем в определенной степени универсальны.
В большинстве своем учебные пособия узко ориентированы (связь, радиоэлектроника и т.п.) [1, 4, 9, 10, 13], но могут быть рекомендованы для углубленного изучения рассматриваемых в предлагаемом пособии вопросов. Теоретические проблемы, в частности, касающиеся прикладной теории дискретных автоматов, изложены в работах [3, 15]. Большое внимание микропроцессорным системам управления уделяется при разработке систем автоматизированного электропривода [2, 7, 11, 18].
Предлагаемый конспект лекций, в основном, предназначен для студентов специальности 180400 при проведении теоретических и практических занятий по курсу «Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах».
В приложениях даны описания и некоторые рекомендации по применению в учебном процессе программ для изучения основных логических элементов и узлов, структуры МП, основных команд, последовательности их выполнения, приведен программный комплекс, с помощью которого можно наглядно изучать и создавать программы реализации алгоритмов управления дискретными процессами в горной автоматике. Все программы составлены Н.Н.Уваровым [2].
1. Методы обработки информации
Все системы автоматического контроля (САК) и управления (САУ) построены на различных методах обработки информации.
Системы автоматического контроля содержат устройства получения информации (датчики), преобразования ее и представления в требуемом виде. САУ включают в себя САК, а также устройства задания, сравнения полученной (с помощью САК) информации, преобразования в управляющий сигнал.
Обработка аналоговой и цифровой (которая сводится к последовательности действий над числами) информации производится соответственно аналоговой либо цифровой аппаратурой.
В
аналоговой аппаратуре обработка информации заключается в преобразованиях между токами (
I) или напряжениями (
U) вида
UL = LdIL/dt; Ic = CdUc/dt; Uz = ZIz. Затем следует обычно изменение масштаба
U2 = KU, а также нелинейные преобразования вида
U2 = f(
U1)
. При этом все элементы аналогового устройства в каждый момент времени активны, т.е. работают параллельно.
В показанном на рис.1,
а простейшем аналоговом устройстве на выходе формируется величина
Uc(
t)
, являющаяся решением следующего дифференциального уравнения:

. (1)
На рис.1,
б показан график функций
Uc(
t) при некоторой конкретной форме входного воздействия
E(
t): в данном случае это аналоговая, или непрерывная, форма представления информации.
При ближайшем рассмотрении на практике работу аналоговых САК и САУ по обработке информации можно представить как опрос и воздействие на объект последовательностью дискретных действий. Причем интервал дискретности
Т бесконечно мал (
Т стремится к нулю). В целом ряде случаев инерционность объектов и систем управления ими делает последнее требование (
Т стремится к нулю) практически нецелесообразным.
Повышение
Т в дискретном процессе увеличивает погрешность контроля и управления. В пределах же допустимой погрешности величина
Т может быть больше нуля. Таким образом, от аналоговых систем можно перейти к дискретным.
При переводе аналогового сигнала в дискретный, иначе говоря, при
квантовании по уровню и по времени, используют
цифровые системы и устройства. В таких устройствах выполняется ряд логических и вычислительных операций по преобразованию информации или сигналов, представленных в различной форме: токовые, потенциометрические, частотные и т.п.
Возвращаясь к предыдущему примеру, представим информацию об
Uc(
t) в зависимости от
E(
t) в дискретной форме. Она появляется в дискретные моменты времени
nТ, где
Т – интервал, разбивающий ось времени. Зависимость между значениями функции выражаем не в дифференциальной форме, а в разностной. Здесь расчет каждого последующего значения
Uc(
nT + Т) выполняем, зная предыдущее
Uc(
nT) и
E(
nT):
Uc(
nT +
T) =
K1Uc(
nT) +
K2E(
nT). (2)
Алгоритмы расчетов, при которых по известному предыдущему значению вычисляется последующее, называют рекуррентными. Вычислительный процесс, выполняемый цифровыми устройствами, носит циклический характер. Операции умножения, деления, интегрирования, дифференцирования и другие заменены операциями сложения, сдвигов регистров и некоторыми другими.
Возможный алгоритм вычислений показан на рис.2. В блоке 1 формируется прием очередного значения
E в регистр
R4 . Блок 2 формирует в регистре
R0 значение второго слагаемого выражения (2). Блок 3 – вычисление значения первого слагаемого этого выражения, блок 4 – прибавление его к содержимому регистра
R0. В регистре
R0 образуется вычисленное значение выходной величины
Uc(
nT + T), которое выдается блоком 5. В блоке 6 производится подготовка к повторению цикла для вычисления
Uc(
nT + 2
T), необходимой замене в правой части выражения (2)
Uc(
nT) на
Uc(
nT + T), передача вычисленного значения
Uc(
nT + T) в регистр
R1, ранее хранивший
Uc(
nT). Далее происходит переход к блоку 1 и очередное повторение цикла.
Для записи выполняемых в блоках алгоритма действий использованы обозначения:
(
Ri) – содержимое регистра
Ri, «» – знак засылки результата операции в соответствующий регистр.
Действия, т.е. вычисления, в цифровых устройствах, в отличие от аналоговых, производятся последовательно, что снижает быстродействие. При цифровом методе обработки возникает необходимость в большом количестве относительно сложных узлов, а также координирующем их работу устройстве.
Однако цифровые устройства, к которым относятся и микропроцессорные, по сравнению с аналоговыми, имеют и много преимуществ:
возможность обеспечения любой требуемой точности обработки;
высокую помехозащищенность;
высокую стабильность характеристик обработки;
возможность выполнения большего числа видов обработки.