Структурная схема регулятора

Структура автоматического регулятора при известном алгоритме может формироваться двумя способами. В соответствии с алгоритмом однозначно определяется первый способ параллельного соединения соответствующих структурных звеньев в цепи прямой связи схемы.

На рисунке 2 показана идеализированная структурная схема АРВ СД, которая содержит безынерционное звено с коэффициентом усиления k_U, идеальные дифференцирующее звенья с передаточными функциями рk?_U, рk?_f, рk?_I и реальное дифференцирующее звено с передаточной функцией [р/(рТ_д.р.+1)]k_f, безынерционный сумматор АНГ и апериодическое звено с передаточной функцией 1/(рТ_у +1), отображающее исполнительный усилитель автоматического регулятора.

Рисунок 2-Структурная схема автоматической системы регулирования возбуждения автоматическим регулятором сильного действия.

Регулируемый объектсинхронный генератор с возбудителем в структурной схеме автоматической системы регулирования возбуждения сильного действия представляется двумя последовательно соединенными апериодическими звеньями 1/(рТе+ 1) с постоянными времени возбудителя Те меньше 0,1 с и синхронного генератора Т?_d0 =Т?_d0Х?_d/Х_d?1 с.

В реальной структурной схеме АРВ СД все звенья инерционны, однако их постоянные времени несоизмеримы. Так, постоянные времени дифференцируюших звеньев, близких к идеальным Т_д.и. и реального Т_д.р., различаются на порядок Т_д.р?10Т_д.и. В связи с меньшим быстродействием измерительных преобразователей отклонения частоты Дf, чем измерительных преобразователей отклонения амплитуды ДU напряжения генератора, в схему вводятся апериодические звенья в цепи формирования сигналов по изменению и производной частоты. Алгоритм функционирования имеет вид:

где k_U — коэффициент усиления по напряжению;

k?_U — производная коэффициента усиления по напряжению;

k?_f — производная коэффициента усиления по каналу частоты;

k_f — коэффициента усиления по каналу частоты.

Следующий близкий к реальному алгоритм функционирования АРВ СД, использовавшийся при исследованиях динамических свойств регулятора (без сигнала по производной тока I_в возбуждения), в котором звеньями второго порядка учтены последовательно соединенные два апериодических звена в цепи формирования сигналов Д? f и f? и в усилительно-исполнительной части АРВ СД. Однако их постоянные времени относительно малы (по сравнению с постоянными времени возбудителя Те и синхронного генератора Т_d0). Поэтому вполне допустимо при расчетах параметров настройки АРВ СД определении коэффициентов усиления сигналов k_U, k?_U, k?_f, k_f, пользоваться идеализированными алгоритмом и структурной схемой.

Функциональная схема автоматического регулятора возбуждения сильного действия представлена в приложении 3.

Автоматический регулятор, как известно состоит из двух основных функциональных частей: измерительной ИЧ и исполнительной ИсЧ. Особенностью АРВ СД является наличие в нем логической функциональной части ЛЧ, координирующей использование сигналов по производным режимных параметров.

В соответствии с алгоритмом функционирования ИЧ содержит три основных измерительных органа (ИО): напряжения ИОН, изменения частоты ИОИЧ и тока возбуждения ИОТВ. Измерительный орган напряжения формирует сигналы по отклонению ДU и скорости изменения dU/dt действующего значения напряжения синхронного генератора, а ИОИЧ сигналы по изменению Д? f и производной df/dt частоты.

Измерительный орган тока возбуждения кроме сигнала, отображающего, как указывалось, скорость изменения ЭLС синхронного генератора dE_q/dt~dI_в/dt, формирует сигналы по отклонению тока возбуждения от номинального ДI_в и по интегральной функции? ДI²dt необходимые для поддержания тока возбуждения на неизменном уровне в режиме выбега синхронных генераторов атомных электростанций (по технологическим условиям останова турбоагрегата) и для разгрузки синхронного генератора по генерируемой реактивной мощности соответственно.

На схеме показаны дополнительные измерительные органы реактивного и активного токов ИОРuАТ и угла сдвига фаз ИОУ между ЭЛС холостого хода генератора E_г.х (перед его синхронизацией) и напряжением U_m на шинах электростанции и элемент изменения уставки ЭИУ регулятора.

Формируемые ими сигналы используются для предотвращения нарушения синхронной статической устойчивости электропередачи в режиме потребления реактивной мощности синхронным генератором и для его автоматической точной синхронизации. Измерительная часть АРВ СД содержит активный сумматор АW сигналов. Сумма сигналов измерительной части ИЧ превращается в регулирующее воздействие в виде напряжения U_рег исполнительным усилителем или двумя усилителями А1, А2 при двух тиристорных преобразователях.

Рисунок 3-Функциональная схема автоматической системы регулирования возбуждения с АРВ СД.

Произведём замену автоматического регулятора возбуждения (АРВ) на программируемый микроконтроллер (ПМК) типа PCCP Z8, с такой целью, что современные технологии требуют быстроту и точность реакций на происходящие в управляемом технологическом процессе события в реальном масштабе времени, точность, надёжность, быстродействие и качество процессов управления и контроля слежения за технологическим процессом.

Программа на языке Ассемблера обеспечивает его функционирование в соответствии с алгоритмом и формирование сигналов, необходимых для указанных других функций АРВ СД по управлению возбуждением синхронного генератора.

8 Общее описание и характеристика программируемого микроконтроллера широкого применения типа PCCP Z8.

Простота эксплуатации и обслуживания, работа в реальном масштабе времени и почти неограниченные возможности коммуникации — все эти качества делают гибко программируемые контроллеры PCCP Z8 практически универсальным средством построения систем управления. Обладая модульной архитектурой, в которую входят различные по мощности ЦПУ (центральные процессорные устройства), это семейство устройств существенно расширяет привычную область применения гибко программируемых микроконтроллеров.

Полная стандартизация используемых команд сводит к минимуму затраты на создание пользовательских программ. Несложная структура программ обеспечивает их наглядность. Подпрограммы и функции обработки прерываний просто присоединяются к телу основной программы. Все процессорные блоки (ЦПУ) контроллеров PCCP Z8 оснащены базовым набором таймеров, счетчиков, маркеров для создания оптимальных пользовательских программ.

Быстрые и точные реакции на происходящие в управляемом технологическом процессе события в реальном масштабе времени перестали быть преимуществом лишь больших и мощных контроллеров. PCCP Z8 решает эти задачи с легкостью.

Его быстрые функции обработки прерываний, счетчики и модулируемые по длительности импульсов выходы ставят новые, до сих пор невиданные в области программируемых микроконтроллеров рекорды быстродействия.

Кроме того, все контроллеры данного семейства оснащены функцией обработки прерываний, генерируемых по времени, которые позволяют решать задачи периодического контроля или периодического вывода управляющих сигналов, не увеличивая существенно время обработки главного программного цикла.

Так, например, можно прерывать программный цикл каждые 5 мс (разрешающая способность до 1 мс), считывать аналоговые значения давлений и вращающих моментов в управляемой системе и обрабатывать их. Таким образом возможно без проблем обработать до 20 000 событий в секунду, осуществляя одновременное управление шаговыми моторами.

Большое разнообразие интегрированных функций счетчиков и таймеров (например, инкрементальный датчик) позволят решить практически любую задачу автоматизации с точностью до миллисекунды без необходимости применения вспомогательных подпрограмм, как правило, чрезвычайно интенсивных по используемой памяти и времени обработки.

Для ускорения реакции на входные и выходные команды возможен прямой доступ к входам/выходам периферии, так что центральный процессор контроллера постоянно работает с актуальными значениями сигналов датчиков и сенсоров и может в любой момент влиять на протекание технологического процесса. Это справедливо также и для входов/выходов подключенных к контроллерам по информационной шине модулей децентрализованной периферии.

Такая возможность работы в реальном масштабе времени особенно важна при измерении скоростей перемещения и вращения, при решении задач позиционирования или синхронизации шаговых моторов и моторов постоянного тока. Кроме того, в контроллер PCCP Z8 встроены часы реального времени, которые, помимо секунд, минут и часов, могут также оперировать с датами и днями недели. Для обеспечения работы встроенных часов даже при длительных перебоях электропитания может использоваться буферная батарея.

В настоящий момент семейство PCCP Z8 представляет собой самый полный набор средств автоматизации подобного класса на рынке. Электропитание датчиков интегрировано в CPU. Это позволяет подключать датчики и сенсоры непосредственно к микроконтроллеру с большой экономией монтажной площади и денежных затрат.

На рисунке 4 представлена стандартная архитектура контроллера типа PCCP Z8.

Архитектура микроконтроллеров РССР Z8 включает: генератор тактовых импульсов, систему сброса контроллера, центральный процессор с Арифметико-Логическим Устройством (АЛУ) и Регистром Флагов Состояния (РФС), регистровый файл, встроенную память программ, переключаемую специальным счетчиком команд, специальный механизм адресации внешних устройств памяти, который обеспечивает синхронизацию работы АЛУ с микросхемами внешней памяти (только для Z86E40), набор периферийных устройств в составе: портов ввода/вывода, компараторов, функциональных таймеров, системы прерываний, охранного таймера WDT и средств обеспечения режимов пониженного энергопотребления, узла сброса прибора в начальное состояние.

Рисунок 4- Стандартная архитектура контроллера типа PCCP Z8.

Микроконтроллеры РССР Z8 могут иметь три типа независимых друг от друга, и ни как не пересекающихся друг с другом областей памяти: регистровый файл, память программ, память данных.

Регистровый файл: состоит из регистров двух типов — регистров общего назначения (РОН) и регистров специального назначения (РСН). Объем регистрового файла составляет от 60 до 256 байт в зависимости от типа прибора. Регистры регистрового файла РССР Z8 могут быть доступны и как 8-битные байты, а для ряда операций и как 16-разрядные слова. РОН являются универсальными регистрами, которые исполняют роль встроенного ОЗУ для контролеров РССР Z8, не имеющих аппарата для подключения внешней памяти. Любой из РОН может быть использован в качестве аккумулятора, указателя адреса, регистра данных или индексного регистра.

РСН служат для обеспечения управления периферийными устройствами контроллеров РССР Z8. Как-то, переключения портов ввода/вывода, выбора режимов их работы, установок системы прерывания, обеспечения режимов работы контроллера и встроенных таймеров, в том числе и WDT. Кроме того, к РСН РССР Z8 относятся так называемые регистры процессора, которые включают такие необходимые для работы центрального процессора прибора элементы памяти, как регистровый указатель, указатели стека, РФС и регистр счетчика команд. Память программ максимальной емкость 64 Кбайта может быть использована в составе микроконтроллерной системы, построенной на основе РССР Z8. Однако, подобное достижимо лишь для контроллера типа Z86E40, имеющего аппаратный механизм для подключения внешней памяти. Остальные контроллеры семейства в качестве памяти программ могут использовать только внутреннюю встроенную память программ, объем которой лимитирован конкретным типом устройства.

Память программ предназначена для хранения кодов управляющей программы, подготовленной пользователем на этапе разработки программируемого устройства на базе контроллеров семейства РССР Z8. Помимо кода программы, в первых 12 ячейках программной памяти располагаются адреса каждого из 6 векторов прерывания, любого из контроллеров. Поэтому при сбросе контроллера программный счетчик устанавливается на адрес 000СН, откуда и начинает свое действие собственно программа управления любым из контроллеров Z8.

Для внутреннего сегмента памяти программ любого из контроллеров семейства РССР Z8 возможна защита памяти программ, блокировка доступа к которой может осуществляется на этапе программирования контроллеров.

Память данных (максимальный объем также 64Кбайта) имеет смысл только в отношении микроконтроллера типа Z86E40, который имеет механизм адресации внешней памяти. При этом разделение обращения к внешней памяти программ и к внешней памяти данных осуществляется сигналом DM. Для всех остальных контроллеров семейства РССР Z8, не имеющих механизма для подключения внешних ресурсов памяти, в качестве памяти программ выступает набор РОН. В частности именно он используется для организации стека при разработке программного обеспечения для контроллеров не содержащих аппарата подключения внешней памяти, что возможно благодаря программной установке вершины стека.

Значение рабочей частоты контроллера, также напрямую связанно с его потреблением. Достаточно сказать, что при минимальных значениях тактовой частоты потребление контроллера меньше в три-четыре раза, потребления на максимальных значениях частоты тактирования.

Кроме того, потребление контроллеров РССР Z8, как впрочем, для большинства статических микросхем, значительно зависит и от температурного режима работы прибора Общее потребление контроллера также определяется рабочим режимом, в котором он находится. Для ССР Z8 различают три основных режима работы. Это штатный рабочий режим, при котором все узлы контроллера функционируют в полном объеме (штатное потребление). И два режима пониженного потребления: режим HALT, при котором остановлено тактирование процессора, но все периферийные узлы поддерживают активное состояние (~50% от штатного потребления), и режим STOP, при котором также останавливается тактирование, а все периферийные устройства переводятся в пассивное состояние (~7% от штатного потребления). Столь малое потребление объясняется тем, что в режиме STOP прекращается работа тактового генератора микроконтроллера. Если же в режиме STOP отключить еще и WDT, то можно достигнуть величины ~0,05% от штатного потребления. Выход из режима HALT осуществляется при срабатывании любого из прерываний, а из режима STOP либо по сигналу сброса, который может быть активизирован, в том числе и WDT, либо при выполнении одного из условий задаваемых заранее в регистре специального назначения SMR.

Основным достоинством микроконтроллеров типа РССР Z8 является их исключительно высокая надежность и исключительно высокое отношение производительности к цене прибора с учетом общей стоимости разработки.

Доказательство этому можно увидеть, если посмотреть на чем построены схемы управления большинства устройств, которые окружают нас в повседневной жизни, компьютерные клавиатуры и манипуляторы, кофемолки и микроволновые печи, пульты телевизоров и видеомагнитофонов, приборы автомобильной электроники и преобразователи электроэнергии, во многих типах этих и множества других устройств вы найдете контроллеры семейства РССР Z8.

Сам факт выбора большим количеством зарубежных производителей в качестве основного элемента системы управления для изделий широкого потребления приборов семейства РССР Z8 говорит об их исключительной надежности и рациональности использования этих микросхем при создании продукции массового спроса.

Пример работы программы специально написанной для программируемого микроконтроллера:

CODE SEGMENT BYTE PUBLIC.

ASSUME CS: CODE.

PUBLIC UpperCase, StringOf; объявить имена.

function Uppercase (S: String): String.

UpperRes EQU DWORD PTR [BP+10].

UpperStr EQU DWORD PTR [BP+6].

Uppercase PROC FAR.

PUSH BP: сохранить регистр BP.

MOV BP, SP: установить стек.

PUSH DS: сохранить регистр DS.

LDS SI, UpperStr: загрузить адрес строки.

LES DI, UpperRes: загрузить адрес результата.

CLD: переместить строку.

LODSB: загрузить длину строки.

STOSB: скопировать результат.

MOV CL, AL: поместить длину строки в СХ.

XOR CH, CH.

JCXZ U3: пропустить в случае пустой строки.

U1: LODSB: пропустить, если символ отличен.

: от 'а'…'z'.

CPM AL,'a'.

JB U2.

CPM AL,'z'.

JA U2: переместить строку.

SUB AL,'a'-'A': преобразовать в прописные буквы.

U2: STOBS: сохранить результат.

LOOP U1: цикл по всем символам.

U3: POP DS: восстановить регистр DS.

POP BP: восстановить регистр ВР.

RET 4: удалить параметры и возвратить.

: управление.

UpperCase ENDP.

; function StringOf (Ch: Char; Count: Byte): String.

StrOfRes EQU DWORD PTR [BP + 10].

StrOfChar EQU BYTE PTR [BP + 8].

StrOfCOunt EQU BYTE PTR [BP + 6].

StringOf PROC FAR.

PUSH BP: сохранить регистр ВР.

MOV BP, SP: установить границы стека.

LES DI, StrOfRes: загрузить адрес результата.

MOV AL, StrOfCount: загрузить счетчик.

CLD: продвинуться на строку.

STOSB: сохранить длину.

MOV CL, AL: поместить значение счетчика в CX.

XOR CH, CH.

MOV AL, StrOfChar: загрузить символ.

REP STOSB: сохранить строку символов.

POP: восстановить ВР.

RET: извлечь параметры и выйти.

SrtingOf ENDP.

CODE ENDS.

END.