Процесс моделирования работы коммутационного узла

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им.С. Торайгырова

Факультет физики, математики и информационных технологий

Кафедра вычислительной техники и программирования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

КП.370140.1805.32.05. ПЗ

Тема: Процесс моделирования работы коммутационного узла

Ст. преподаватель В.Ю. Игнатовский

Нормоконтролер: Студент:

Заведующий кафедрой Потапенко О.Г.

2006

Задание

Основной целью курсового проекта является разработка системы получения информации о температуре с минимальными допустимыми потерями. Поставленная цель достигается анализом способов необходимого преобразования сигнала, подбором наиболее рациональных вариантов обработки сигнала, формулированием требований к схемотехническим решениям.

В зависимости от варианта, возможный порядок выполнения курсового проекта выглядит как поочередное решение задачи:

выбор структурной схемы, выбор параметров сигнала на входах и выходах элементов структурной схемы, составление баланса погрешностей

выбор схемы и расчет измерительного преобразователя сопротивления в напряжение

выбор схемы и расчет источника стабильного тока

выбор схемы и расчет частотного фильтра

определение суммарной погрешности и мероприятий для уменьшения погрешности

выбор схемы и расчет формирователя выходного сигнала

составление принципиальной схемы системы обработки сигнала.

При решении задач следует рассматривать все возможные варианты реализации, однако к рассмотрению принимать наиболее целесообразные. Системный анализ и экономические расчеты для сопоставления равноценных вариантов допускается не производить с целью ограничения объема выполняемых работ.

Исходные данные к проекту:

1) допустимая погрешность 1%;

2) устройство удаленно от объекта на 95м;

3) уровень синфазной помехи составляет 3.2 В;

4) диапазон измерения температуры составляет ;

5) выходной сигнал в диапазоне мА;

6) датчик 50M, от доС, опрос каждые 4.5 секунды.

Содержание

Введение

1. Структурная схема измерительной части

2. Выбор схемы и расчет ПСН

2.1 Схема ПСН

2.2 Расчет ПСН

2.3 Определение погрешностей ПСН

3. Выбор схемы и расчет источника стабильного тока для ПСН

3.1 Выбор схемы источника стабильного тока

3.2 Расчет источника стабильного тока

3.3 Определение погрешностей источника стабильного тока

4. Выбор схемы и расчет измерительного усилителя

4.1 Выбор схемы измерительного усилителя

4.2 Расчет измерительного усилителя

4.3 Определение погрешностей измерительного усилителя

5. Выбор схемы и расчет фильтра низкой частоты

5.1 Определение желаемых параметров фильтра

5.2 Определение реальных параметров фильтра

5.3 Выбор схемы фильтра и его расчет

5.4 Определение погрешностей фильтра

6. Выбор схемы и расчет ПНТ

6.1 Выбор схемы ПНТ

6.2 Расчет ПНТ

6.3 Определение погрешностей ПНТ

7. Расчет источника питания

7.1 Выбор схемы и расчет стабилизатора напряжения

7.2 Выбор и расчет выпрямителя напряжения

7.3 Выбор и расчет трансформатора

8. Проверка общей погрешности

Заключение

Список использованных источников

Одной из характерных черт научно-технической революции является дальнейшее совершенствование средств и систем комплексной автоматизации различных процессов. Разработка и проектирование современных средств и систем - базируется на достижения в различных областях науки и техники, в том числе и в области автоматического регулирования и управления

Задача разработки систем автоматического регулирования и систем управления состоит в том чтобы, располагая некоторыми априорными сведениями об объекте и заданными требованиями к свойствам всей системы в целом (точность, надежность и т.д.), выбрать технические средства (а в случае необходимости сформулировать технические условия на разработку новых средств автоматики) и составить схему системы, обеспечивающую реализацию этих требований.

Измерительные устройства в системах управления служат для восприятия первичной информации о состоянии управляемого объекта и преобразования ее в сигналы, удобные для их последующей переработки в сигналы управления.

В современных системах управления измерительные устройства часто представляют собой сложные системы, содержащие ряд преобразователей, усилителей, корректирующих цепей, следящих систем и вычислительных устройств.

Основное требование, предъявляемое к измерительному устройству, состоит в том, чтобы он формировал полезный сигнал с минимальными искажениями.

Последние могут вызываться как динамическими и статическими свойствами измерительного устройства, так и влиянием на его работу помех и шумов.

Очень важной характеристикой измерительного устройства в системах управления является его точность, так как очевидно, что точность управления не может быть выше, чем точность измерения.

На точность измерения влияют точность датчиков, элементов преобразующих сигнал этих датчиков, а также большое значение имеет уровень помех. Основными видами помех являются помехи синфазные и дифференциальные. Синфазная помеха отличается от дифференциальной тем, что воздействует одновременно на оба входа измерительного устройства.

Основными причинами появления синфазных помех являются:

1) Влияние ближнего электромагнитного поля;

2) Появления разности потенциалов из-за заземления в двух разных точках….

Существует несколько основных направлений, позволяющих снизить влияние синфазных помех на точность измерения. Это увеличение входного сопротивления, симметрирование входных цепей, применение операционных усилителей с большим сопротивлением синфазному напряжению и применение гальванической развязки и др.

В данной курсовой работе требуется разработать измерительную часть устройства автоматического управления. Эта часть состоит из двух преобразователей типов сигналов (температура в напряжения, напряжения в ток), усилителя сигнала, а также фильтра низкой частоты, необходимого для борьбы с синфазной помехой.

Структурная схема

Рисунок 1 - Структурная схема измерительной части

Описание составных частей структурной схемы

Структурная схема представлена на рисунке 1, где:

1 - датчик температуры 50M, необходим для преобразования температуры в сопротивление:

его сопротивление при измеряемой температуре

2 - преобразователь сигнала датчика в напряжения (ПСН);

3 - источник тока для ПСН;

4 - измерительный усилитель:

напряжение входного сигнала равно напряжению на выходе ПСН.

Напряжение синфазной помехи (по заданию) равно 3.5В, напряжение выходного сигнала принимаем 1В;

5 - фильтр низкой частоты (необходим для ослабления синфазной помехи до уровня, который нам необходим - принимаем, что будет вполне достаточно уровня в 0,01% от общей погрешности):

напряжение входного сигнала равно напряжению на выходе ПСН, напряжение синфазной помехи равно напряжению синфазной помехи с учет ослабления на измерительном усилителе, в качестве частоты синфазной помехи принимаем частоту промышленной сети , опрос датчика ведется каждый 6 секунд;

6 - ПНТ (необходим для преобразования напряжения в ток):

входное напряжение ПНТ равно выходному напряжению измерительного усилителя, ток на выходе (по заданию) ;

7 - источник питания схемы измерительного устройства:

он должен обеспечивать двуполярное напряжение с допустимым коэффициентом пульсаций при входном напряжении переменного тока 220В.

Для расчета погрешностей принимаем, что около 50% погрешности будет на измерительном усилителе, на фильтре около 10%, а остальная погрешность поровну распределиться по остальным узлам схемы.

В качестве схемы преобразователя сопротивления в напряжение принимаем четырехпроводный ПСН рисунок 2

Рисунок 2 - ПСН

Напряжение на выходе схемы ПСН будет равно:

(1)

где - напряжение на выходе ПСН;

- потребляемый мостом ток;

- сопротивления плеч моста;

- сопротивления соединительных проводов.

Сопротивления плеч моста подбираются с учетом следующего соотношения:

(2)

Ом; Ом; Ом;

Сопротивления берем по ряду Е96 с точностью

Основное ограничение на параметры данной схемы накладывает мощность, рассеиваемая на термосопротивлении (принимается mВт):

(3)

С учетом данного ограничения рассчитываем ток :

(4)

Для удобства расчета примем ;

Так как плечи моста находятся в равновесии (т.е. выполнятся условие (2)), то общий ток, который потребляется мостом равен:

(5)

где - ток потребляемый по второму плечу моста ().

Напряжение на выходе схемы будет равно (1):

Далее рассчитываем погрешность ПСН. Она будет состоять из погрешности неточности сопротивлений:

(7)

где - погрешность от неточности сопротивлений;

- функции чувствительности соответственно для отклонения .

Функция чувствительности для сопротивления находиться по формуле:

(8)

аналогично для сопротивлений и :

(9)

(10)

Погрешность от неточности сопротивлений находим из (7) подстановкой (8), (9) и (10):

Для вычисления максимальной погрешности принимаем, что

Тогда формула для определения погрешности принимает вид:

; (11)

Вычисляем погрешность от неточности сопротивлений:

Рисунок 3 - Источник стабильного тока

Определяем наибольшее сопротивление нагрузки :

(12)

Сопротивления соединительных проводов находим по формуле:

(13)

Где - удельное электрическое сопротивление провода (Ом/м); - длина соединительных проводов (90 м);

S-
площадь поперечного сечения соединительных проводов ().

Ом;

Примечание, для соединения схемы с ПСН используем кабель КВВГ.

Сопротивление нагрузки (12) будет равно:

Ом;

В качестве исходной схемы берем схему, представленную на рисунке 3. Необходимо выбрать стабилитрон VD. Для этого вычисляем необходимое напряжение стабилизации :

(14)

где - напряжение вхождения транзистора в насыщение. Так как напряжение стабилизации повторяется на сопротивлении (так как ), то есть возможность выбрать номинальное напряжение стабилизации стабилитрона :

; (15)

выбирается таким образом, чтобы транзистор VT не входил в режим насыщения. Для кремниевых транзисторов принимается В,

В;

Выбираем прецизионный стабилитрон Д815Е. Его параметры:

Напряжение стабилизации В;

Ток стабилизации ;

Максимальное дифференциальное сопротивление Ом;

Допустимая рассеиваемая мощность mВт;

Температурный коэффициент сопротивления ТКС=0,1.

Теперь выбираем сопротивление . Оно необходимо для задания тока через стабилитрон VD () и находиться из соотношения (16):

; (16)

Ом;

Выбираем по ряду Е24 сопротивление = 4,3 Ом.

Мощность рассеваемая на сопротивлении будет равна:

Вт;

С целью надежности, номинальную мощность резистора принимаем с запасом от 3 до 6 раз:

Вт;

Принимаем = 0,05 Вт.

Выбираем сопротивление :

Ом;

Для того чтобы скомпенсировать разброс напряжения стабилитрона и влияние тока базы транзистора сопротивление делаем с подстройкой:

Ом;

Принимаем Ом (по ряду Е96); Ом (по ряду Е24).

Мощность рассеваемая сопротивлением равна:

Вт;

Номинальную мощность сопротивления принимаем также в раз больше:

Вт = 2,5 Вт;

Далее выбираем транзистор VT. Он должен удовлетворять следующим параметрам:

В;

А;

;

В.

Выбираем по справочнику ВС489С. Его параметры:

Допустимое напряжение К-Э В;

Допустимый ток коллектора mA;

Напряжение насыщения В;

Коэффициент усиления ;

Допустимая рассеваемая мощность mВт.

Рассеваемая мощность на транзисторе будет:

mВт;

Резистор в данном случае необязателен, поэтому принимаем = 0.

Выбираем операционный усилитель (ОУ): ОР-37Е. Его параметры:

Напряжение питания В;

Потребляемая мощность mВт;

Напряжение смещения мкВ;

КОСС дБ;

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление Мом;

Средний входной ток нА;

Разность входных токов 7нА;

;

Температурный диапазон .

Определяем погрешности:

а) Погрешность от разброса сопротивлений не учитываем, так как сопротивление подстроечное;

б) Погрешность от отклонения напряжения питания:

Разброс напряжения питания составляет 0,5%, тогда:

В;

Отклонение напряжения питания до минимума равно:

;

Выражаем отсюда ток стабилизации:

mA;

Разброс напряжения стабилизации составляет:

mВ;

Аналогичный расчет делаем для повышения напряжения питания.

mA;

mВ;

Наибольшим отклонением напряжения стабилизации является - 2,787 mВ.

Погрешность составит:

mA;

в) Погрешность от реального ОУ, она зависит в данном случае от :

mВ;

мкА;

г) Погрешность от резистора не учитываем, так как подстроечное.

д) Погрешность от транзистора. Она определяется долей тока базы, но так как подстроечное, то эту погрешность не учитываем.

е) Суммарная погрешность:

мкА;

или в процентном соотношении:

Окончательная схема источника стабильного тока изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Источник стабильного тока

Так как синфазная помеха не превышает 10В и коэффициент усиления не большой, то достаточно будет взять простейший дифференциальный усилитель. Схема простейшего дифференциального усилителя представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Измерительный усилитель

Определяем требуемый коэффициент усиления:

; (17)

где - напряжение на выходе измерительного усилителя;

- напряжение на входе измерительного усилителя.

Выбираем операционный усилитель ОР-37Е.

Теперь выбираем сопротивления и . Они должны удовлетворять следующим условиям:

Мом;

где - входное сопротивление ОУ;

Ом;

где - напряжение смещения ОУ;

- разность входных токов ОУ.

Принимаем 12Ком;