Министерство транспорта Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра: «Электроснабжение железных дорог»

Синтез дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети

Методические указания к курсовому проекту

Санкт-Петербург

2014

УДК

ББК

Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теория дискретных устройств (автоматики и телемеханики)» составлены в соответствии с программой курса, утвержденной в 2013 году проректором университета путей сообщения.

В курсовом проекте выполняется проектирование дискретного устройства управления, обеспечивающего контроль напряжения в электротяговой сети в процессе движения высокоскоростных электропоездов и формирование управляющих воздействий на устройства поддержания заданного уровня напряжения.

Приведены варианты заданий на курсовой проект, а также сведения по теоретическим основам курса, данных по объему, содержанию и выполнению проекта, рекомендации по использованию электронных средств обработки информации.

Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 190901.65 «Система обеспечения движения поездов», специализации «Электроснабжение железных дорог».

Составили: А.Т. Бурков, А.И. Бурьяноватый,

М.А. Шарпилова, С.А. Бурков

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Цель, задачи и содержание курсового проекта

1.1. Вводные понятия

1.2. Цель и задачи курсового проекта

1.3. Основные разделы курсового проекта

2. Варианты индивидуальных заданий

2.1. Шифр задания

2.2. Индивидуальные задания к курсовому проекту

3. Рекомендации к выполнению курсового проекта

3.1. Порядок выполнения проекта

3.2. Введение

3.3. Первый раздел: Система диспетчерского управления напряжением в электротяговой сети

3.4. Второй раздел: Получение, преобразование и передача сигналов по каналам связи в системе телерегулирования напряжения в электротяговой сети

3.5. Третий раздел: разработка логической схемы дискретного устройства телерегулирования напряжения (задача синтеза)

4. Дополнительные задания

Заключение

Библиографический список

Приложения

Приложение 1. Логические функции двух аргументов

Приложение 2. Основные правила алгебры логики

Приложение 3. Основные логические элементы комбинационных схем

Приложение 4. Функциональные элементы комбинационных схем

Приложение 5. Примеры основных типов цифровых ИМС

Приложение 6. Бланк задания по курсовому проекту

1. Цель, задание и содержание курсового проекта

1. Вводные понятия

В технологических процессах любой природы обязательно проявляется взаимодействие между человеком и машиной, или машинами. Это взаимодействие основано на передаче сигналов от субъекта к объекту, восприятием данных сигналов, выполнением их содержания и на обратной передаче сигналов о полноте исполнения задаваемого состояния объекта.

В такой взаимосвязанной структуре отношений в процессе производства любой природы имеет место целенаправленное воздействие на объект с контролем степени достижения желаемого результата. Всякое изменение состояния объекта, системы или процесса, ведущее к достижению поставленной цели называется управлением. Совокупность объектов и отношений между ними, образующих единое целое, составляет систему управления, которая включает объекты управления, управляющую систему, каналы прямой и обратной связи (рис.1.1).

Рис.1.1. Модель системы управления:

ОУ – объекты управления; УУ – устройство управления; x(t) – управляющее воздействие, передаваемое по каналу прямой связи; y(t) – состояние объекта, характеризуемое определенными параметрами; x₀(t) – информации о состоянии объекта управления, передаваемые по каналу обратной связи; х_п – программное содержание к устройству управления; А – автоматы

Система управления выполняет три основные задачи: сбор информации; передачу сообщений в виде сигналов; обработку информации и выдачу управляющих воздействий. Информация, содержащая сведения о некотором объекте или явлении, как правило, в форме электрических сигналов с определенными характеристиками (амплитуда, частота импульсов и т.д.), измеряется в битах¹. Для записи информации используется двоичная система исчисления, алфавит которой содержит два символа 0 (ноль) и 1 (единица).

Сигналы в системе управления могут быть аналоговыми и дискретными (в частности, цифровыми). В отдельную группу обычно выделяются импульсные сигналы. Для преобразования, передачи, обработки сигналов служат электронные средства, которые представляют законченные технические устройства, имеющие определенное функциональное назначение.

Аналоговые (непрерывные) устройства служат для обработки непрерывных сигналов. Наиболее характерными среди них – усилители электрических сигналов. Простейшим дискретным устройством является транзисторный ключ. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные называется дискретизацией. Дискретизация производится с определенным шагом по времени, величина обратная шагу, называется частотой дискретизации. По уровню сигнал может быть квантован с определенным шагом по уровню. Дискретизированный по времени и квантованный по уровню сигнал называют цифровым сигналом. Для такого преобразования используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Обратные преобразования цифровых сигналов в аналоговые достигаются цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

В цифровой технике широкое применение получила двоичная система исчисления, обеспечивающая удобство ее использования, поскольку в ней имеется всего два символа «1» и «0», которые составляют алфавит. Каждому из этих символов ставится в соответствие высокий или низкий уровень сигнала, длинный или короткий импульс. Используя двоичную систему, можно задать любое число, т.е. получить закодированные сообщения. Комбинация символов «1» и «0» определяется правилом (законом) кодирования или просто кодом. В цифровых устройствах широко используются позиционный двоичный код (ПДК), основанный на двоичном алфавите.

Устройство управления (см. рис. 1.1), на основе, заложенной в него программы х_п и сигнала обратной связи x₀(t), обеспечивает некоторую последовательность действий, в результате которых сведения, полученные на входе, преобразуются в новые сведения, сформированные на выходе x(t). В устройстве управления, в его логической части, совершается некоторое логическое действие по выработке управляющего воздействия. Схемы логической части устройства управления, как правило, сложны. Для их разработки целесообразно применять математический аппарат алгебры логики.

В алгебре логики применима двухзначная логика. Переменные в этой алгебре могут принимать лишь два значения (да-нет), условно обозначаемые LOG1 (или просто «1») и LOG0 (или просто «0»). Значит «1» и «0» соответствуют двум символам двоичного алфавита, положенные в основу двоичной системы исчисления. Их обычно называют двоичными переменными.

Переключательные дискретные электронные схемы переходят из одного состояния в другое в зависимости от комбинации входных сигналов. Эта зависимость является логической и описывается логической функций. Такие переключательные схемы принято называть логическими схемами (ЛС). Логическая схема в общем случае имеет n-входов и m- выходов и служит для преобразования входной дискретной информации в выходную дискретную информацию, как правило, в двоичной форме ее представления.

Более сложные ЛС состоят из простейших ЛС, называемых логическими элементами (ЛЭ). Различают простые логические элементы и логические элементы с запоминанием (памятью). ЛЭ выполняют простейшие логические операции И (логическое умножение), ИЛИ (логическое сложение) и НЕ (логическое отрицание), см. рис. 1.2. Соответственно ЛЭ получили названия: конъюнктор (И), дизъюнктор (ИЛИ) и инвертор (НЕ).

Рис.1.2. Три элементарные операции алгебры логики, графическое изображение операции и соответствующих логических элементов (а); алгебраическая запись (б) и таблица истинности (в)

Набор ЛЭ, включающий элементы И, ИЛИ, НЕ называется функционально полным, так как обеспечивает реализацию всех элементарных операций алгебры логики. Этот набор является основным (базисом). Имеются другие функционально полные наборы (см. Приложение 1).

По заданной логической функции, получаемой по словесному описанию функционирования проектируемого дискретного устройства, осуществляется переход к логической схеме в заданном базисе логических элементов.

Таким образом, решается задача синтеза дискретного устройства управления объектом.

Конструктивная реализация дискретного устройства управления осуществляется по блочно-узловому способу. Основными конструктивными элементами устройства управления являются ячейки, блок, кассета. Ячейкой называется узкий функциональный субблок, на шасси которого устанавливаются разнообразные схемные элементы. В качестве элементов применяются микроэлектронные интегральные схемы. Современные дискретные устройства управления конструируются на основе цифровых интегральных микросхем (ИМС). Существуют два конструктивно-технологических направления изготовления микросхем: создание полупроводниковых интегральных микросхем и гибридных интегральных микросхем.

Одним из видов цифровой микросхемы является логическая микросхема.

Интегральные микросхемы выпускаются в корпусах круглой и прямоугольной формы и без корпусов (рис. 1.3). По габаритным и присоединительным размерам корпуса подразделяют на типоразмеры, каждому из которых присваивают шифр (1,2,3 или 4) и обозначают двузначным числом (от 01 до 90), указывающим номер типоразмера. Например, корпус 201.14-2 – прямоугольный корпус типа 2, типоразмер 01, с 14 выводами, модификация 2. Разнообразные типы микросхем, выполняющие различные (в том числе логические) функции, имеющие единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения, объединяются в серии интегральных микросхем. Условное буквенно-цифровое обозначение типа ИМС включает четыре элемента (рис. 1.4). В справочной литературе /9/ приводятся данные по сериям цифровых ИМС отечественного производства: 108, 109, 114, 115, 121, 128, 130, 131, 133, 134, 136, 155, 156, 178, 185, 201, 202, 204, 205, 210, 211, 215, 217, 218, 221, 223, 229, 230, 231, 240, 243, 263 и т.д., выполненных по различным типам логики (например, ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика).

В Приложении 5 для примера приведены характерные типы логических ИМС, триггеров, шифраторов и дешифраторов, микропроцессорных ИМС.

а)	б)
в)

Рис.1.3. Габаритные и присоединительные размеры корпусов ИМП: а – в прямоугольном корпусе 201.14-6; б – в круглом корпусе 301.8-2; в – в прямоугольном корпусе 244.48-5

Рис.1.4. Построение условного буквенно-цифрового обозначения типа микросхемы по ГОСТ 18682-73 (приведен пример полупроводниковой ИМС 121-й серии, 21-го номера разработки, функционального назначения логического элемента И-НЕ (ИЛИ-НЕ), номер 1 в данной серии по функциональному признаку)