Курсовая работа по Л.В. Ахметвалеева


Введение
Одной из наиболее важных проблем, возникающих при создании и эксплуатации судовых технических систем, является обеспечение требуемого качества и надежности управления в условиях возмущающих факторов, к которым относятся изменения параметров регулируемого процесса и среды функционирования системы.
Для управления сложными динамическими объектами используются методы и технологии искусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешней среды.
Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиально новых измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, содержащих в одном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте ее возникновения.
Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность по-новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, в частности освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.
ИД позволяет обеспечить выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатов отдельных, относительно недостоверных измерителей.
ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.
Можно дать следующее определение интеллектуального датчика: это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среды, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений.
Интеллектуальный датчик представляет собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.
Использование микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиков обеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик.
Одним из основных принципов интеллектуального подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи.
Из выше сказанного следует, что при использовании новых технологий и методов обработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики со значительно лучшими свойствами.1 Теоретическая часть
1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках
Новейшие средства микроэлектроники позволили помимо измерительных и подстрочных элементов интегрировать в датчики аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, по-новому подойдя к проблеме распределения функций между элементами систем контроля и управления.
Объединение цифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве позволяет производить не только усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике.
Такие интегральные датчики могут не только контролировать измеряемые величины, но и осуществлять их оценку, коррекцию по определенным критериям, контролировать свои собственные характеристики, работать в режиме диалога с центральной системой управления, принимать команды, передавать измеренные значения в цифровой форме, а также аварийные сообщения.
В отличие от интегральных датчиков, в которых на базе новых технологий осуществляется объединение чувствительных элементов со схемами их включения, а также линеаризация характеристик и термокомпенсация, датчики с встроенными вычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитывая многообразие их функций, возможности самоконтроля и двустороннего обмена информацией с системой управления.
Интеллектуальный датчик в силу особенностей своей структуры и расширенных функциональных возможностей позволяет обеспечить либо выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала до необходимого уровня, либо формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого количества результатов отдельных, относительно недостоверных измерений. В результате реальные метрологические характеристики интеллектуальных ИП оказываются существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении. Это связано с тем, что интеллектуальный датчик (ИД) является не просто датчиком, а представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительного элемента по определенному алгоритму.
Помещение технических средств обработки информации непосредственно к датчику логически оправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместно заметить, что, интеллектуальный датчик имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он адаптирует свои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматический самоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки, производит коррекцию погрешностей.
В автоматических системах управления и контроля интеллектуальные датчики выполняют следующие основные функциональные задачи:
-преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними;
-преобразование полученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи;
-избирательную регистрацию и предварительную обработку выходного сигнала;
-подавление существенных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий);
-реагирование на изменяющиеся условия в точках контроля;
-обеспечение и контроль собственного функционирования.
Эти задачи предопределяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик, а именно: -способность к самонастройке , т.е. изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходной величины, а также подавлению помех; -адаптивность к условиям окружающей среды;
Способность датчика или системы датчиков к самодиагностике, включая коррекцию ошибок. Исходя из этого можно дать следующее определение интеллектуального датчика- это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений, и представляющий собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники».
Интеллектуальный датчик представляет конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного компьютера, размещенную в зоне действия измеряемых величин, воспринимающую заключенную в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическое согласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственного функционирования и компенсацию отдельных составляющий погрешностей.Метрологические характеристики интеллектуальных датчиков
Можно указать на следующие особенности использования ИД по сравнению с традиционными датчиками.
Точность измерений зависит от внутренних погрешностей ИП (нелинейности, гистерезиса, недостаточной повторяемости), внешних условий, точности калибровки, степени воспроизводимости результатов, местоположения значения измеряемой величины в диапазоне измерения, точности, обеспечиваемой линиями передачи, приема и обработки сигнала.
Влияние этих фактором приводит к тому, что точность датчики класса 0,25% в реальных условиях составляет всею 1%. Однако точность измерений существенно повышается за счет внутренних вычислений, которые может выполнять ИД. Алгоритмы улучшения статических характеристик ВД позволяют производить коррекцию начального смещения и крутизны для строи» линейных статических характеристик, корректировку масштаба измерительного тракта, линеаризацию статических характеристик табличным методом, аппроксимацию с помощью полиномов, интерполяцию и т.д.
Благодаря возможностям самонастройки датчик выбирает наилучший диапазон измерения и посылает соответствующую информацию на верхний иерархический уровень. В случае выхода за границы диапазона измерений подается аварийный или предупредительный сигнал.
В ИД возможна коррекция влияния помех и различных возмущений за счет реализации дифференциальных методов измерений программными способами, использования итерационных методов обработки для нелинейных зависимостей, применения адаптивных методов коррекции с формированием скорректированного значения по результатам последнего измерения.
Интеллектуальный датчик надежней традиционных, так как они позволяют:
упростить измерительный преобразователь, используя возможности его характеристик с помощью программного обеспечения, в том числе корректируя масштабы и внося поправки на температуру с помощью вычислительного устройства
увеличить количество однотипных смертельных ячеек; свести к минимуму аналоговую часть - источник неисправности и искажений;
ввести системы автоматического контроля старения комитентов, повышающие надежность датчика в целом (обнаружение перенапряжений, разогрева, избыточного статическою давления и т.п.);
контролировать состояние окружающей среды для обнаружения отклонений и исключения работы датчика неустановленных пределов; - контролировать работоспособность отдельных элементов и узлов, в том числе напряжения питания ни прецизионных элементах, уровни срабатывания, токи и напряжения смещения; • осуществлять автоматическую само калибровку по внешним или встроенным эталонным источникам.
Программное обеспечение позволяет автоматически управлять процессом измерений: включением/выключением, сменой диапазонов, переключением каналов измерений, частотой калибровки, порядком адресования. Выбор алгоритма, тест-сигналов, точек и времени измерений и др., а также выбор фильтров в соответствии с параметрами помех осуществляется в соответствии с задачами измерений или по командам управляющей ЭВМ. Связь ИД с управляющей ЭВМ и другими периферийными устройствами реализуется программными способами по общей шине; передача сигналов осуществляется в режимах квитирования, с прерыванием и контролем программных средств, с последовательным и параллельным опросом, п режиме передачи и приема сигналом управления. ИД позволяет обрабатывать результаты измерений с целью сжатия пересылаемой информации, реализуя контроль предельных значений, а также выполняя заданные математические и логические операции в соответствии с поставленной задачей измерения.
Интеллектуальные датчики обеспечивают доступ к внутренней информации, которая может быть использована в цепях диагностики и профилактического обслуживания. Датчик через портативный пульт или посредством дистанционного управления с верхнего иерархического уровня дает оператору сведения о:
1. мгновенных значениях напряжений питания, промежуточных величинах, результатах вторичных измерений;
2. совокупности параметров, 'занесенных и намять перед возникновением неисправности;
3. дате последнего контроля, (калибровки, проверки нуля и т.п.);
4. причинах устраненных отказов;
5. вторичных параметрах, превысивших допустимые пределы (внутренней температуре, абсолютном давлении и др.).
Интеллектуальные датчики, объединенные микропроцессорами, позволяют поднять на новый качественный уровень возможности создаваемых средств измерений. Идеальным уровнем «интеллектуальности» датчика является интеграция его функций, которая не приводит к увеличению общих материальных затрат на разработку и создание средств измерений.
1.2 Обработка сигнала датчика
Несмотря на то, что сигнал на выходе чувствительного элемента может быть слабым, передаваемый сигнал должен иметь высокий уровень и, по возможности, лежать в подходящем диапазоне значений для того, чтобы дойти до основных устройств в неискаженном виде и упростить вычисление измеряемой величины. Поэтому, в общем случае, сигнал сенсора должен пройти предварительную обработку, которая позволяет осуществи! ь многие важные задачи (рис.1.3), такие как:
специальные меры обеспечения безопасности;
соединение с другими компонентами последовательно, параллельно или в замкнутом контуре;
усиление сигнала;
масштабирование,
линеризацияпреобразование сигнала
В настоящее время вошло в практику преобразование сигнала датчики п цифровую форму в самом датчике. В силу возрастающего применения распределенных систем с шинной архитектурой это становится нее более необходимым. В дополнение к нагрузке системы в целом достоинством является и то, что данные измерения могут передаваться без потери точности независимо от расстояния между датчиком и устройствами обработки данных более высокою уровня. Перенос функций обработки сигналов с аппаратуры на программное обеспечение упрощает повышение точности измерений. Производственные отклонения можно учитывать путем простой параметризации вместо того, чтобы проводим, механическую или электрическую подстройку. Используя физические или Mint магические модели, описывающие поведение датчика, можно проводить более точные измерении, учитывая влияние различных факторов. В зависимости от физической природы измеряемой величины датчики делятся на две группы: датчики пьезоэлектрических величин, и датчики неэлектрических величин, К первой группе относятся датчики, реагирующие на изменение напряжения, тока, частоты, мощности, реагирующие на изменение температуры, давления, крутящего момент, частоты вращения и т.д. По роду выходной величины датчики делятся на электрические и неэлектрические. Электрические в зависимости от характера выходной величины подразделяют на два типа- параметрические и генераторные. Параметрические датчики преобразуют неэлектрические измеряемые величины в параметры электрических цепей L, С, R. Такие преобразователи включаются в различные измерительные схемы, которые имеют дополнительный источник питания. В генераторных происходит преобразование энергии измеряемой величины в ЭДС постоянного или переменною тока Системы, состоящие из одного датчика, могут давать лишь частичную информацию о состоянии внешней среды, тогда как системы с множеством датчиков объединяют связанные данные от нескольких одинаковых и/или разных датчиком. Смысл применения многосенсорных систем состоит в создании синергстичсских эффектом, повышающих качество и доступность информации о состоянии измеряемого объекта. Цель обработки сигналов в многосенсорной системе - получить определенную информацию, используя необходимую совокупность данных измерения. В общем, требуется достичь определенного уровня, например, точности или надежности, которых нельзя достичь, имея лишь один датчик. Например, для обнаружения присутствия используют ультразвуковые датчики с высокой чувствительностью к шуму, турбулентности воздуха из-за тепловых воздействий и колебаний штор и растений. Микроволновые датчики могут обнаружили, движение объектов вне наблюдаемою помещения или быть введены в заблуждение другими электромагнитными полями (от мобильных телефонов и т.п.). Комбинация обоих типов датчиков и применение специальных процедур обработки сигналов позволяет достичь более высокой надежности обнаружения за счет различия зависимостей да пиков от внешних воздействий. Результат свидетельствует о более качественной работе системы из нескольких датчиков по сравнению с системой с одним датчиком Сложная обработка сигналов, основан на методах слияния данных может- повысить точность измерения более, чем используемый обычно простой пороговый алгоритм. Процесс слияния данных, поступающих от многих датчиков, должна проектироваться специально для каждого конкретного случая с учетом специфики применения для того, чтобы обеспечить правильное определение всех требуемых измеряемых величин или решений. Типичными подходами здесь являются теория статистических решении, методы усреднения, калмановская фильтрация - -для слияния неточных данных датчиков; нечеткая логика – для сформулированных на качественном уровне задач и нейронные сети - для задач, где ожидаемому повелению можно обучить, используя набор характеризующих параметров.Сегодня многосенсорные системы незаменимы в задач аварийного предупреждена, таких как охрана свободною пространства путем оценивания видеосигнала, обнаружение лежащего человека или ранее обнаружение пожара, или требуемого высокого уровня надежности. Например, для раннего обнаружения пожара предложены матрицы датчиков, включающие в себя оптические детекторы рассеянного света и датчики концентрации газа. В том случае обработка сигнала должна позволить различить ситуации пожара, отсутствия пожара и беспокоящего события путем идентификации характерных признаков пожара по измерениям выходных сигналов величин.
Блок выделения признаков необходим для понижения размерности измерительного пространства и извлечения соответствующей информации, характеризующей ситуации, связанные с возникновением пожара. Выделенные признаки далее классифицируются с помощью нейронных сетей с целью оценить к какому классу относятся данные измерения и следует ли посылать пожарной команде сигнал тревоги..
1.3 Разработка требований правил PC к интеллектуальным датчикам, как элементам повышенной надежности, предназначенным для реализации ответственных функций
1. Для ответственных судовых устройств: сланные двигатели, балластные, топливные и осушительные устройства, подруливающие, устройства и т.п.; интеллектуальные средства автоматизации должны иметь избыточную конфигурацию.
2. Функции управления, аварийной сигнализации и безопасной остановки должны быть выполнены таким образом, чтобы одиночные неисправности или нарушения в работе электронной» оборудования не должны влиять более чем на одну из этих функций. Это может быть достигнуто выбором специального оборудования для выполнения каждой из этих функций, или обеспечением резервною оборудования, или другими эффективными средствами.
3. Неисправности в интеллектуальных средствах автоматизации не должны приводить к аварийному состоянию обслуживаемого судового оборудования или всего судна в целом.
4. Для поддержания безопасной работы судил электронные регуляторы (ИР) главных дизелей должны обладать избыточностью с помощью резервирования.
5. При наличии резервного оборудования переключающие устройства должны быть такими, чтобы предотвратить нарушения в работе резервной электронной системы и механизмов при их управлении.
6. Переключения между избыточными интеллектуальными средствами автоматизации должны происходить автоматически и не приводить к нарушению постоянного функционирования в случае неисправности. Требования переключения к пользователю должны быть простыми и легко выполнимы без затраты времени.
7. Электронные аккумуляторы должны иметь энергонезависимый источник питания.
8. Для избегания возможной потери или искажения данных в результате отключения источника питания, программы и соответствующие запоминающие устройства, ответственные за работу ИР, должны иметь энергонезависимую память.
9. Работа бесперебойного источника питания должна контролироваться. Неисправности должны индицироваться с сопровождением аварийного сигнала.
10. Интеллектуальные регуляторы (ИР) должны работать в режиме реального времени. Время in клика должно соответствовать постоянному времени судового оборудования.
11. ИР совместно с исполнительными механизмами должны быть сконструированы 1иким образом, чтобы эффекты от неисправностей и сбоев в работе приводили к расчетному состоянию технических средств с наименьшими критическими последствиями.
12. Средствабезопасности при неисправностях или сбоев в работе компонентов интеллектуальных устройств должны автоматически возвращать выходную величину в предопределенное расчетом состояние с наименьшими критическими последствиями.
13. Интеллектуальныерегуляторы, обеспечивающие постоянное функционирование при постоянной готовности (работоспособности) не позволяют прерывать функционирование, как при нормальных режимах работы, так и в случае одиночной неисправности системы.
14. Самоконтролирующие интеллектуальные устройства должны обнаруживать неисправности следующих типов:
неисправности;
неисправности датчиков и исполнительных элементов:
неисправности компьютерного аппаратного обеспечения;
нарушение невыполнения программного обеспечения;
нарушение логических действий программного обеспечения.
15. Устройства, с помощью которых пользователь может выходить на вход ИР, включая ручки, кнопки, выключатели, клавиши, джойстики и т.д., должны быть рассчитаны и устроены таким образом, чтобы избежать небрежных действий. Для ответственного оборудования должны использоваться специальные клавиши.
16. Интеллектуальные устройства должны быть рассчитаны таким образом, чтобы неисправности электронных компонентой не вызывали опасных действий устройства.
17. Системы программною и аппаратного обеспечения должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при восстановлении питания после неисправности источника питания возможность автоматического или дистанционного управления и контроль наступили немедленно.
18. Изменениепараметров должно быть, возможно при выполнении средств, ограничивающих доступность не подготовленному персоналу. В качестве таких средств могут использоваться кнопочные переключатели, перфокарты, пароли и г.п. Аналогично изменения программы и конфигурации системы должны выполняться только подготовленным персоналом.
19. В устройствах ввода-вывода должны использоваться стандартизированные устройства сопряжения с объектом.
20. Конструкцияаппаратного обеспечения должна быть простой. Должен быть обеспечен доступ к «вменяемым частям для ремонта и обслуживания.
21. Разъемыв платах и соединениях должны иметь специальную конструкцию для защиты от неумышленной перестановки, установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться и вызывать нарушения в работе, которые могут привести к опасности.
22. Разъемы в платах и соединениях должны иметь специальную конструкцию для зашиты от неумышленной перестановки, установки в неверное положение. Разъемы не должны повреждаться и вызывать нарушения в работе, которые могут привести к опасности
23. Интеллектуальные устройства должны быть защищены против неумышленных или неправильных модификаций программ и данных. Требуемые меры зависят от конфигурации устройства
Вид готовности Максимальное время
Постоянная 0
Высокая 30 сек
С ручным восстановлением 10 мин
Ремонтопригодных систем 3 час
2 Разработка МКУ управления термостатом
2.1 Структура МКУ
Микроконтроллер  (рис. 1.1) состоит из памяти, процессора, портов ввода-вывода, системной шины, датчиков, исполнительных устройств.Память содержит команды управляющей программы. Она имеет байтную или двухбайтную организацию, то есть, каждая ячейка памяти содержит 8 или 16 двоичных разрядов.
Процессор выбирает из памяти команды управляющей программы и выполняет действия предписанные ими.
 
Порты ввода-вывода – в простейшем случае параллельные регистры, через которые информация с технологических датчиков попадает на системную шину контроллера для обработки (порты ввода) и управляющая информация с системной шины попадает на исполнительные устройства (порты вывода).
Системная шина обеспечивает пересылки данных между процессором, памятью и портами. Возможны следующие варианты пересылок:
· порт ввода - процессор;
· процессор - память;
· память - процессор;
· процессор - порт вывода.
Датчики бывают нескольких видов: концевые выключатели, датчики скорости, датчики угла, датчики давления, датчики расхода и др.
2.2 Разработка аппаратной части
2.2.1 Выбор и обоснование электронной базы
2.2.2 Описание принципиальной электрической схемы МКУ
3 Разработка управляющей программы МКУ
3.1 Разработка управления программы в программной среде WinIDE
Список используемой литературы
Приложение

Приложенные файлы

  • docx 10966474
    Размер файла: 37 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий