НАЗАД

3.5. ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ САУ

В современной технике широко используются различные системы автоматического управления (САУ). Разомкнутые САУ состоят из управляющего органа и связанного с ним исполнительного органа, который непосредственно воздействует на объект управления. Замкнутые САУ отличаются наличием одного или нескольких датчиков, контролирующих состояние объекта управления и посылающих соответствующие сигналы в управляющий орган (обратная связь). Создать простую систему автоматического управления можно на базе ПЭВМ. Для этого к выводам LPT--порта через специальные схемы сопряжения подключают те или иные исполнительные органы (лампочка, светодиод, электродвигатель, динамик, электромагнит) и датчики (фотодиод, фоторезистор, микрофон).

1. Разомкнутая и замкнутая система управления. Соберем установку, позволяющую промоделировать функционирование разомкнутой и замкнутой САУ. Для этого к LPT--порту ПЭВМ подключим устройство сопряжения 2, выход которой соединен с маломощным электродвигателем 3 и оптодатчик, состоящий из светодиода 7, фотодиода 6 и формирователя импульсов 3 (рис.1.1). Принципиальная схема устройства, позволяющего подключить двигатель к ПЭВМ, представлена на рис. 1.2. К валу двигателя прикрепим картонный диск 5 с одной или несколькими прорезями. Оптодатчик установим так, чтобы при вращении диска происходило затемнение и освещение фотодиода.

Рис. 1. Замкнутая система автоматического управления.

Рис. 1. Замкнутая система автоматического управления.

Для того, чтобы получить разомкнутую систему управления оптодатчик следует отодвинуть от диска и запустить программу, обрабатывающую сигналы с оптодатчика и управляющую работой двигателя. Эта программа достаточно проста и читатель может написать ее самостоятельно. Допустим, сначала компьютер находится в режиме ожидания, вращаясь в цикле и опрашивая при этом LPT--порт. При кратковременном пересечении светового пучка оптодатчика на его выходе формируется сигнал, который поступает в компьютер. Тот выполняет заданную последовательность действий, моделируя технологический процесс: двигатель включается на несколько секунд, затем выключается, после этого снова включается на чуть большее время, затем снова выключается и т.д. После окончания компьютер снова переходит в режим ожидания в котором находится до следующего пересечения оптодатчика.

Установим оптодатчик так, чтобы диск находился между светодиодом и фотодиодом, тем самым замкнув САУ. Запустим программу Пр--1. Двигатель начнет вращать диск, на выходе оптодатчика появится последовательность импульсов, которые будут поступать в ПЭВМ. Когда их число достигнет 50, компьютер выключит двигатель, диск по инерции совершит несколько оборотов и остановится. Через некоторое время компьютер снова включит двигатель и после совершения 100 оборотов выключит его.

1 : CLS : OUT &H378, 4: k = 0                     'Пр-1
WHILE k < 120: x = INP(&H379): PRINT x;           'QBASIC
IF (x = 119) AND (y = 127) THEN k = k + 1
y = x: PRINT k: WEND: OUT &H378, 5
FOR i = 1000 TO 500 STEP -20
SOUND i, i / 300: NEXT
k = 0: OUT &H378, 4
WHILE k < 250: x = INP(&H379): PRINT x;
IF (x = 119) AND (y = 127) THEN k = k + 1
y = x: PRINT k: WEND
OUT &H378, 5: SOUND 500, 10
FOR i = 1 TO 1500: PRINT "ОСТАНОВКА": NEXT: GOTO 1
END                    

Используемые программы могут быть составлены так, что при их запуске на экране ПЭВМ будет появляться список режимов функционирования разомкнутой или замкнутой САУ. При выборе того или иного режима система ведет себя соответствующим образом.

2. Система автоматического регулирования скорости вращения. Изучение самоадаптирующихся систем автоматического регулирования обычно осуществляют на примере регулятора скорости вращения, функционирующего по замкнутой схеме. На регулируемый объект (вал электродвигателя) воздействует источник возмущения, в результате происходит отклонение регулируемого параметра (угловая скорость ω) от заданного значения ω0. Это регистрируется датчиком, который передает сигнал регулирующему органу, так изменяющему вращающий момент, что скорость восстанавливает требуемое значение ω0.

Экспериментальная установка для изучения автоматического регулирования скорости состоит из персональной ЭВМ, к LPT-порту которой через специальные схемы сопряжения подключены микроэлектродвигатель и оптодатчик. На валу двигателя закреплен диск с 16 прорезями, пересекающими световой пучок, идущий от светодиода к фотодиоду оптодатчика. При вращении вала на выходе оптодатчика появляются импульсы, частота которых пропорциональна скорости ω. Они поступают в ПЭВМ и обрабатывающиеся специальной программой, написанной в среде Borland Pascal 7.0. В результате ПЭВМ вырабатывает прямоугольные импульсы фиксированной частоты, разделенные промежутком T, от величины которого зависит скорость вращения двигателя (широтно-импульсная модуляция). Программа определяет отклонение скорости вращения ω от значения ω0 и в соответствии с заданным законом регулирования изменяет управляющий параметр T. На экране монитора строятся графики зависимости и от времени (рис. 2).

Допустим, что в результате увеличения тормозящего момента или уменьшения напряжения питания в момент скорость двигателя резко уменьшилась (рис. 2.1, 2.2). Программа считает число пересечений светового пучка оптодатчика за единицу времени, определяет ω, находит разность ω и ω0 на величину пропорциональную уменьшает управляющий параметр T. Действующее значение тока через двигатель увеличивается до тех пор, пока скорость вала ω снова не станет равна ω0.

Рис. 2. Экспериментальные графики на экране монитора.

Рис. 2. Экспериментальные графики на экране монитора.

На рис. 2.1 изображен график зависимости скорости вращения вала от времени в системе с малым запаздыванием. Можно искусственно увеличить инерционность системы, изменив программу так, чтобы управляющий параметр вычислялся, исходя из значения T в уже прошедший момент времени t. При соответствующем законе регулирования скорость вращения вала совершает затухающие колебания, стремясь к (рис. 2.2). Видно, что данная самонастраивающаяся электромеханическая система ведет себя как гомеостат, имитирующий адаптацию живых организмов к изменениям окружающей среды. Установка также позволяет изучить переходный процесс при скачке задающего воздействия. На рис. 2.3 представлены графики ω(t) и T(t) в случае, когда в моменты времени t1, t2, t3, происходят резкие изменения заданного значения ω0. Видно, что это приводит к такому изменению управляющего параметра T, при котором угловая скорость вала ω приближается к новому значению ω02, затем к ω03 и т.д.

3. Замкнутая электронно-акустическая система. В качестве еще одного примера замкнутой САУ рассмотрим систему, в которой компьютер одновременно используется в качестве генератора сигнала и регистрирующего устройства. К 5 выводу LPT-порта подключим активные колонки, а напротив них установим микрофон, соединенный со звуковой платой ПЭВМ (рис. 3). Можно написать программу так, чтобы колонки генерировали звуковые импульсы, а на экране монитора периодически получались осциллограммы сигнала с выхода микрофона.

Рис. 3. Замкнутая электронно-акустическая система.

Рис. 3. Замкнутая электронно-акустическая система.

Текст используемой программы Пр-2 представлен ниже. С помощью оператора port[888]:=255; (или 0) осуществляется подача логической 1 (или 0) на 2--9 выводы LPT--порта. К одному из них через резистор 1 кОм или конденсатор 0,05 мкФ следует подключить вход активных колонок. С приходим импульса колонки выдают щелчок и одновременно начинается оцифровка сигнала с микрофона. В результате положение осциллограммы на экране (рис. 3) зависит от расстояния между микрофоном и динамиком. При удалении микрофона импульс на экране смещается вправо. Для стабилизации осциллограммы на экране монитора вычисляется среднее значение оцифрованного напряжения по всему массиву x[i] (переменная sredn) и учитывается его изменение, при построении графика.

uses  crt, graph; const n=200;  m=5;               'Пр-2
var x: array [0..N] of integer;                    'PASCAL
s, sredn,  Gd, Gm, i, z: integer;
BEGIN Gd:=Detect; 
 InitGraph(Gd,Gm, 'c:\bp\bgi'); 
 if graphResult <> grOk then Halt(1);
 port[$226]:=1; delay(10); port[$226]:=0;
Repeat 
 {Repeat port[$22C]:=$20; until port[$22A]-127>5;}
 port[888]:=255; delay(15); port[888]:=0;   delay(15);
 port[888]:=255; delay(15); port[888]:=0;   s:=0;
 for i:=1 to n do 
   begin port[$22C]:=$20; 
   x[i]:=(port[$22A]-127); delay(1); s:=s+x[i]; 
   end; 
 sredn:=round(s/n);
 for i:=1 to n do 
   begin 
   circle(m*i,240-x[i]+sredn,2);
   line(m*i,240-x[i]+sredn, m*(i-1),240-z+sredn); z:=x[i]; 
   end;
 delay(3000); cleardevice;
until KeyPressed;
END.

3. Акустический метод измерения координаты. Предыдущий эксперимент может быть положен в основу измерения координаты тела с достаточно высокой частотой отсчетов. Допустим, необходимо измерить координату колеблющегося маятника через каждые 0,2 с (с частотой 5 Гц) и построить график зависимости x=x(t). Для этого на конце маятника устанавливают микрофон, соединенный через устройство сопряжения (усилитель и формирователь прямоугольных импульсов) с 11 выводом LPT-порта. Напротив колеблющегося маятника с микрофоном располагают активные колонки, соединенные через конденсатор с 3 выводом LPT-порта ПЭВМ. При запуске программы на колонки поступают электрические импульсы, динамик издает щелчки. Звуковые импульсы достигнув микрофона вызывают появление на 11 выводе LPT-порта импульса напряжения. По времени запаздывания сигнала с микрофона относительно сигнала, посылаемого на колонки, можно определить координату микрофона, результаты записать в файл, построить график зависимости координаты маятника от времени. Программа может быть написана так, что на экране ПЭВМ появится метка (изображение импульса с микрофона), смещающаяся вправо или влево в зависимости от положения микрофона, либо будет выводиться его координата.

Рассмотрим один из возможных вариантов программы (Пр--3). При записи в ячейку ОЗУ с адресом 888 числа 210= 000000102 на 3 выводе LPT--порта появляется логическая 1, динамик вырабатывает звуковой импульс. Практически сразу же запускается цикл 1 в котором в массиве xx[i] сохраняются состояния ячейки ОЗУ с адресом 889 в последовательные моменты времени. Когда звуковой импульс достигает микрофона, на выходе формирователя прямоугольных импульсов появляется логическая 1, в результате чего изменяется содержимое ячейки ОЗУ 889. Это также сохраняется в массиве xx[i]. После этого запускается цикл 2, в котором состояние массива xx[i] выводится на экран в текстовом или графическом виде. Оператор delay(100); обеспечивает задержку в 100 мс, после чего осуществляется очистка экрана (оператор cleardevice;). Все это находится в цикле Repeat ... untill KeyPressed; и поэтому повторяется до тех пор, пока не будет нажат пробел.

uses crt,graph;                                     'Пр-3
var t,DV, MV, EC, x, y, k, time, i :integer;        'PASCAL
xx : array[1..1200] of integer;
Begin
   DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi');
   EC:=GraphResult; if EC<>grOK then Halt(1); end;
   repeat                               {Начало общего цикла}
   port[888]:=2; delay(2); port[888]:=0; {Формирование импульса}
   for i:=1 to 1200 do xx[i]:=port[889]; {Цикл 1}
   for i:=1 to 1200 do 
     begin                           {Цикл 2}
     if xx[i]<120 then xx[i]:=200 else xx[i]:=0;
   { if i/50=round(i/50) then line(i,0,i,480); }
     circle(round(i/2),240-xx[i],2); 
     end;                            {Конец цикла 2}
   delay(100); cleardevice;          {Задержка и очистка экрана}
   until keypressed;                 {Конец общего цикла} 
   CloseGraph;
End.

При запуске программы динамик начинает выдавать последовательность импульсов. Перемещая микрофон относительно динамика, пронаблюдайте смещение импульса на экране монитора. При приближении микрофона к динамику на распространение звука требуется меньшее время, поэтому изображение импульса на экране смещается влево. Сравнительно небольшие перемещения микрофона (2--5 мм) вызывают заметные смещения импульса на экране монитора.


ВВЕРХ