Автоматизация технологических процессов и производств.-1
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
(ТУСУР)
Кафедра электронных средств автоматизации и управления (ЭСАУ)
«Утверждаю» зав. каф. ЭСАУ д-р техн. наук, проф.
А.Г. Гарганеев
«02» февраля 2012 г.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
Учебно-методическое пособие к практическим работам
Составитель:
канд. техн. наук, доц. каф. ЭСАУ В.С. Шидловский
Томск – 2012
1
Автоматизация технологических процессов и производств: Учебнометодическое пособие к практическим работам. – Томск: Томский гос. университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 28 с.
В пособии рассматриваются практические аспекты решения информационных задач АСУ ТП, непосредственного цифрового управления. Приведены задания на выполнения практических занятий, примеры решений.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств (в приборостроении)».
2
Содержание |
|
Практическая работа № 1. |
|
Первичная обработка информации в УВМ. |
|
Определение разрядности представления информации |
........................ 4 |
Практическая работа № 2. |
|
Определение частоты опроса |
|
измерительных преобразователей.......................................................... |
9 |
Практическая работа № 3. |
|
Непосредственное цифровое управление............................................. |
14 |
Список рекомендуемой литературы...................................................... |
26 |
3
Практическая работа № 1 ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В УВМ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗРЯДНОСТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ
Схема информационно-измерительного канала (ИИК)
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
c* |
|
|
xΜ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Дат- |
|
|
Нормирую |
|
|
|
Комму- |
|
|
АЦП |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
щий |
|
|
|
|
|
татор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
чик |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
преоб- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
разо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ватель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
(уси- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ли- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тель) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь x - измеряемый параметр; |
e - помеха; Z - вектор влияющих величин; |
|||||||||||||||||||||
x1 - сигнал на выходе датчика; |
x2 - сигнал |
на выходе |
нормирующего |
|||||||||||||||||||
преобразователя (усилителя); |
c* |
- |
код на выходе АЦП; x |
|
- “машинное” |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Μ |
|
|
|
|
|
значение параметра.
По разделу 1 занятия
Дано:
а) диапазон измерения параметра; б) точность измерения.
Требуется:
определить необходимую разрядность АЦП.
Пример:
Измеряется температура в диапазоне 0-200 оС с точностью до 0.1 оС. Определить необходимую разрядность АЦП.
Решение:
Относительная погрешность измерения
0.10 C
= 2000 C = 0.0005 .
4
Относительная величина шага квантования по уровню в АЦП
|
|
|
|
|
|
|
ΚΒ |
= |
|
1 |
|
, |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
2r − |
1 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
где r - разрядность АЦП. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Из условия |
ΚΒ ≤ |
находим искомую разрядность АЦП |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
r ≥11 т.к. |
1 |
|
|
|
= |
0.00049 < 0.0005 . |
|
|
|
||||||||
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
По |
разделу 2 занятия |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дано: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) разрядность АЦП |
r ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
б) значение кода c* на выходе АЦП; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
в) характеристики нормирующего преобразователя; |
|
|
|
||||||||||||||||
|
г) градуировочная |
|
характеристика |
измерительного |
преобразователя |
|
||||||||||||||
|
(датчика). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Требуется: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выполнить пересчёт значения кода c* в значение параметра x. |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дано: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Параметр |
Тип |
|
Диапазон |
|
|
Диапазон |
|
Коэффи- |
Разряд- |
Значение |
|||||||||
|
|
датчика |
|
измерения, |
|
изменения |
|
циент |
ность |
кода |
||||||||||
|
|
|
|
|
оC |
|
|
|
|
|
|
вы- |
|
|
|
передачи |
АЦП |
c* |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ходного |
|
нормиру- |
r |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнала |
|
ющего |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нормиру- |
|
усилите- |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ющего |
|
ля, |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
усилите- |
|
В/мВ |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ля, В |
|
|
Kн.у |
|
|
|
||
|
Темпера- |
Термо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тура |
электри- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ческий |
|
0-600 |
|
|
|
|
|
|
0-10 |
|
|
0.204 |
12 |
2925 |
||||
|
|
преобра- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зователь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ХК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение: |
|
|
|
|
|||||
5
1. Определяем сигнал x2 на выходе нормирующего усилителя
(см.схему ИИК).
x |
= (x2 max − x2 min ) c * |
+ x |
2 min |
, |
|
2 |
c *max |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
где
x2 max
x2 min
c* =
=10B;
=0B; - исходные данные (см. таблицу) 2925;
c * |
|
= 2r −1 = 212 |
−1 = 4095 |
- |
максимальный |
код |
на выходе АЦП |
при |
|||||
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r =12. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
x |
=10 2925 |
=7.14B. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
2 |
|
4095 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2. Определяем сигнал x1 |
на выходе датчика |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
x = |
x2 − x20 |
|
+ x , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
Kн.у |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
x20 |
|
- значение выходного |
|
сигнала нормирующего |
усилителя |
при |
||||||
входном сигнале x1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x = 7.14 −0 +0 |
|
=35 мВ. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 |
0.204 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3. |
Определяем значение параметра |
x . |
По |
градуировочной |
||||||||
характеристике термоэлектрического преобразователя градуировки ХК с помощью метода наименьших квадратов на персональном компьютере (программа предоставляется) осуществим аналитическую градуировку датчика в диапазоне температур 0-600 оС с относительной погрешностью не более 0.5%. Метод наименьших квадратов даёт
x =3.01+13.75 x1 −0.03 x12 ,
где x - значение температуры, оC; x1 - ЭДС термопары,мВ.
6
При x1 =35мВ имеем x = 447,50 C .
Задание на работу
Дано:
а) наименование параметра; б) тип датчика;
в) диапазон измерения параметра; г) диапазон изменения выходного сигнала нормирующего усилителя;
д) коэффициент усиления нормирующего усилителя; е) градуировочная характеристика измерительного преобразователя
(датчика); ё) точность измерения;
ж) значение кода на выходе АЦП.
Требуется:
а) определить необходимую разрядность АЦП; б) осуществить аналитическую градуировку датчика (программа для
ЭВМ метода наименьших квадратов предоставляется); в) выполнить пересчёт кода на выходе АЦП в значение параметра
В отчёте представить:
а) задание на работу; б) порядок выполняемых действий с комментариями;
в) результаты промежуточных и окончательных расчётов.
7
№ |
Тип |
Диапазон |
Коэффициент |
Требуемая |
Значение |
вари- |
датчика |
измерения, |
передачи нор- |
точность |
кода c * |
анта |
(градуи- |
оС |
мирующего уси- |
измерения, |
на выходе |
|
ровка) |
|
лителя (преоб- |
оС |
АЦП |
|
|
|
разователя) |
|
|
1 |
ХК |
0-600 |
0.204 В/мВ |
2 |
254 |
2 |
ХК |
0-600 |
0.204 В/мВ |
1 |
675 |
3 |
ХА |
0-800 |
0.3 В/мВ |
1.5 |
418 |
4 |
ХА |
0-400 |
0.61 В/мВ |
0.5 |
500 |
5 |
ТСМ 50М |
0-150 |
0.312 В/Ом |
0.2 |
476 |
6 |
ТСМ 50М |
50-100 |
0.935 В/Ом |
0.1 |
304 |
7 |
ТСМ 100М |
0-150 |
0.156 В/Ом |
0.2 |
217 |
8 |
ТСМ 100М |
50-100 |
0.467 В/Ом |
0.1 |
243 |
9 |
ХА |
0-600 |
0.4 В/мВ |
2 |
136 |
10 |
ХА |
0-600 |
0.4 В/мВ |
1.5 |
223 |
Примечание:
а) измеряемый параметр - температура; б) диапазон изменения выходного сигнала нормирующего усилителя
(преобразователя) 0-10 В; в) градуировочные характеристики датчиков выдаются
преподавателем на занятиях
Рабочая программа MNK (метод наименьших квадратов) имеется на жестком диске ПЭВМ в каталоге ASU.
8
Практическая работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ОПРОСА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основные сведения
Метод определения частоты опроса измерительных преобразователей выбирается в зависимости от вида исходной информации об интерполируемом сигнале. Ниже рассматриваются два варианта исходной информации.
Определение частоты опроса измерительных преобразователей при ступенчатой
интерполяции-экстраполяции сигнала. Корреляционная функция сигнала неизвестна
Дано:
а) временной ряд интерполируемого сигнала;
б) допустимая величина дисперсии ошибки экстраполяции σε2 доп.
Требуется:
определить интервал опроса измерительного преобразователя.
Алгоритм №1
1. Экспериментально проводят n измерений величины x(t) с
произвольным интервалом времени h между соседними замерами. 2. По ниже приведённым формулам выполняют вычисления
∑n (xi − xi− j )2
σjh = |
i= j |
|
, j =1,2,...,n, |
|
n −1 |
||
|
|
|
где xi = x(ih); xi− j = x[(i − j)h].
9
3. Графическим способом строят зависимость σjh от периода опроса:
σih =ϕ( jh) , j =1,2,...,n.
4. Для заданного значения СКО ошибки ступенчатой экстраполяции σε доп , по графику функции σjh = ϕ( jh) определяют необходимый интервал опроса T.
Алгоритм №2
1. Для заданного временного ряда x( jh) вычисляют оценку его среднего значения
S= 1 ∑n x( jh) n j=1
и оценку дисперсии
σ2x = |
1 |
∑n |
[x( jh) − S]2. |
|
|||
|
n −1 i=1 |
|
|
2. Находят n0 -число пересечений временным рядом x( jh) своего среднего значения за время t = n h.
3. Период опроса измерительного преобразователя определяют из неравенства
T ≤ 4n nσh2 σε2 доп.
0 x
Пример
С помощью программы формирования временного ряда PRAKT при числе ординат n =1000 и таких параметрах программы как среднее=100 , отклонение=10 , гамма=0.01 получаем: S =101.8 - среднее; n0 = 22-число пересечений; σ2x =84.2 -оценку дисперсии и таблицу значений σjh по алгоритму №1.
Таблица
j |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
σjh |
0.56 |
0.81 |
1.00 |
1.19 |
1.34 |
1.48 |
1.61 |
1.74 |
1.86 |
1.97 |
2.08 |
|
По таблице, с учётом σε доп= 2, определяем T ≤10 h .
10