Управление напряжением рентгеноскопической установки

Установка, рассматриваемая в данной работе, предназначена для досмотра багажа на пунктах таможенного контроля. Досматриваемый объект, перемещаясь в досмотровом туннеле с помощью ленточного транспортера, пересекает веерный луч рентгеновского излучения, которое формируется рентгеновской трубкой. Теневое изображение сечения объекта регистрируется линейкой фотодатчиков и циклически формирует изображение объекта, выводимое на экран.

В связи с тем, что химический состав веществ(оружие, контрабанда, наркотики, взрывоопасные вещества), которые необходимо контролировать на таможнях, разный. Не своевременное определение данных веществ может привести к очень серьезным последствиям, поэтому возникает необходимость использования рентгеноскопических интроскопов.

Для контроля необходимо излучать волны разной длины и интенсивности. Поэтому необходимо стабилизировать работу и интенсивность излучения рентгеновской трубки. Причины, вызывающие изменение рабочих параметров рентгеноскопов в процессе работы, - колебания напряжения сети и изменение анодного тока.

В данной работе будет рассматриваться анализ и синтез контура управления напряжением, исследованы статические и динамические характеристики системы. А также рассмотрена машинная модель системы управления, экспериментально исследованы динамические и статические характеристики одного из блоков системы, разработан технологичесий процесс сборки печатного узла управляющего вычислителя. Рассчитана стоимость вычислителя и определены мероприятия по охране труда разработчика.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕНТГЕНОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДОСМОТРА

Установка, рассматриваемая в данной работе, предназначена для досмотра багажа на пунктах таможенного контроля. Для предотвращения перемещения через границу оружия, контрабанды, наркотиков, взрывоопасных веществ необходимо контролировать этот процесс . Поэтому возникает необходимость использования рентгеноскопических интроскопов.

Для контроля необходимо излучать волны разной длины и интенсивности. Поэтому необходимо стабилизировать работу и интенсивность излучения рентгеновской трубки. Причины, вызывающие изменение рабочих параметров рентгеноскопов в процессе работы, - колебания напряжения сети и изменение анодного тока. Колебания напряжения сети приводят к значительным колебаниям интенсивности излучения вследствие изменения анодного напряжения и тока. Изменения анодного напряжения и особенно анодного тока могут также вызвать превышение допустимой мощности трубки либо номинального напряжения трубки при уменьшении анодного тока (уменьшение падения напряжения).

В данном дипломном проекте разрабатывается контур управления и стабилизации напряжения рентгеноскопической установки, рассмотрены возмущающие воздействия, такие как пульсация, колебания и шумы напряжения сети.

На рис.1.1 представлена функциональная схема рентгенотелевизионной установки "Полискан".

Система управления рентгеноскопичной установкой содержит: источник питания 1, второй источник питания 2, первый широтно - импульсный модулятор (ШИМ) 3, фильтр 4, инвертор 5, делитель напряжения 6, первое сравнивающее устройство 7, первый цифровой регулятор 8, второй широтно - импульсный модулятор (ШИМ) 9, третий блок питания 10, второе сравнивающее устройство 11, второй цифровой регулятор 12, рентгеновскую трубку 13.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема рентгенотелевизионной установки "Полискан"

Система работает таким образом.

На вход системы подается переменное напряжение 220 В, которое проходя через блоки вторичных источников питания 1,2, превращаются в постоянное по знаку напряжение. Далее, проходя через широтно-импульсный модулятор 3, напряжение идет на вход фільтра 4 , а потом на инвертор 5. После этого сигнал через велитель напряжения 6 поступает на вход первого сравнивающего устройства 7.

С целью управления интенсивностью и спектром излучения задается значение опорного напряжения. Первое опорное напряжение Е_оп1 подается на вход первого сравнивающего устройства 7. Расхождение между опорным напряженим и действительным устраняется путем введения в этот контур цифрового регулятора 8. Таким образом реализован первый контур.

Во втором контуре управления со вторичного источника излучения 2 напряжение подается на вход широтно-импульсного модулятора 9, а потом проходя второй блок питания 10, на другое сравнивающее устройство 11. Сравнивающее устройство 11 сравнивает заданное опорное напряжение Е_оп2 и действительное, которое есть на выходе вторичного блока питания 10. Цифровой регулятор 12 введенный в контур для устранения разногласия между этими напряжениями. Отрегулированный по напряжению сигнал подается на вход рентгеновской трубки 13.

Таким образом, получаем точный анализ багажа и веществ, лучшее изображение багажа на мониторе за счет управления интенсивностью и спектром излучения. Разрабатываемая система предназначена для управления генератором рентгеновского излучения, в роли которого выступает рентгеновская трубка.

1.2 Анализ ТЗ на разработку

1.3.1 Рентгеновские спектры

Рентгеновские спектры, спектры испускания и поглощения рентгеновских лучей, т. е. электромагнитного излучения в области длин волн от 10^-4 до 10³ [1]. Для исследования спектров рентгеновского излучения, получаемого, например, в рентгеновской трубке, применяют спектрометры с кристаллом-анализатором (или дифракционной решёткой) либо бескристальную аппаратуру, состоящую из детектора (сцинтилляционного, газового пропорционального или полупроводникового счётчика) и амплитудного анализатора импульсов. Для регистрации рентгеновского спектра применяют рентгенофотоплёнку и различные детекторы ионизирующих излучений[27,28,29].

Тормозное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Иногда в понятие тормозное излучение включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (в ускорителях, в космическом пространстве), и называют его магнитотормозным; однако более употребительным в этом случае является термин синхротронное излучение[36].

Спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновского спектра. Тормозной рентгеновский спектр возникает при торможении заряженных частиц, бомбардирующих мишень . Интенсивность тормозного спектра быстро растет с уменьшением массы бомбардирующих частиц и достигает значительной величины при возбуждении электронами. Тормозной рентгеновский спектр -- сплошной, так как частица может потерять при тормозном излучении любую часть своей энергии. Он непрерывно распределён по всем длинам волн , вплоть до коротковолновой границы (рис.1.3) [27,32].

Рисунок 1.3- Распределение интенсивности I тормозного излучения W по длинам волн l при различных напряжениях V на рентгеновской трубке.

Согласно классической электродинамике, которая достаточно хорошо описывает основные закономерности тормозного излучения, его интенсивность пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. Так как ускорение обратно пропорционально массе m частицы, то в одном и том же поле тормозное излучение легчайшей заряженной частицы -- электрона будет, например, в миллионы раз мощнее излучения протона. Поэтому чаще всего наблюдается и практически используется тормозное излучение, возникающее при рассеянии электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов; такова, в частности, природа рентгеновских лучей в рентгеновских трубках и гамма-излучения, испускаемого быстрыми электронами при прохождении через вещество[30,31].

Спектр фотонов тормозного излучения непрерывен и обрывается при максимально возможной энергии, равной начальной энергии электрона. Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату атомного номера Z ядра, в поле которого тормозится электрон. При движении в веществе электрон с энергией выше некоторой критической энергии E₀ тормозится преимущественно за счёт тормозного излучения (при меньших энергиях преобладают потери на возбуждение и ионизацию атомов) [8,9,10].

Рассеяние электрона в электрическом поле атомного ядра и атомных электронов является чисто электромагнитным процессом, и его наиболее точное описание даёт квантовая электродинамика. При не очень высоких энергиях электрона хорошее согласие теории с экспериментом достигается при учёте одного только кулоновского поля ядра. Согласно квантовой электродинамике, в поле ядра существует определённая вероятность квантового перехода электрона в состояние с меньшей энергией с излучением, как правило, одного фотона (вероятность излучения большего числа фотонов мала). Поскольку энергия фотона E равна разности начальной и конечной энергии электрона, спектр тормозного излучения имеет резкую границу при энергии фотона., равной начальной кинетической энергии электрона T_e, рис. 1.4. Так как вероятность излучения в элементарном акте рассеяния пропорциональна Z ², то для увеличения выхода фотонов тормозного излучения в электронных пучках используются мишени из веществ с большими Z (свинец, платина и т.д.). Угловое распределение тормозного излучения существенно зависит от T_e: в нерелятивистском случае тормозное излучение подобно излучению электрического диполя, перпендикулярного к плоскости траектории электрона. При высоких энергиях тормозное излучение направлено вперёд по движению электрона и концентрируется в пределах конуса с угловым раствором порядка; это свойство используется для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии (-квантов) на электронных ускорителях. Тормозное излучение является частично поляризованным[9,10,27,28,36].

На свойства тормозного излучения при прохождении электронов через вещество влияют эффекты, связанные со структурой среды и многократным рассеянием электронов [1,9,36].

Тормозное рентгеновское и гамма-излучение широко применяются в технике, медицине, в исследованиях по биологии, химии и физике[3,4,].

Рентгеновские спектры поглощения получают, пропуская первичное рентгеновское излучение непрерывного спектра через тонкий поглотитель. При этом распределение интенсивности по спектру изменяется -- наблюдаются скачки и флуктуации поглощения, которые и представляют собой рентгеновские спектры поглощения.

Рисунок 1.4- Теоретические спектры энергии (Eg) фотонов тормозного излучения в свинце и в алюминии; цифры на кривых -- начальная кинетическая энергия электрона Te в единицах энергии покоя электрона mec2 » 0,511 МэВ (интенсивность I дана в относительных единицах).

Для каждого уровня рентгеновского спектра. поглощения имеют резкую низкочастотную (длинноволновую) [8,10,35].

1.3.2 Коэффициент ослабления рентгеновских лучей

Закон ослабления интенсивности рентгеновских лучей в веществе может быть получен при предположении, что доля энергии рентгеновских лучей, поглощенной при их прохождении через достаточно тонкий слой вещества, пропорциональна толщине этого слоя. Коэффициентом пропорциональности при этом является так называемый коэффициент ослабления , зависящий от атомного номера вещества Z и длины волны излучения [9,10,27,29,37].

Коэффициент называют линейным коэффициентом ослабления. Его величина зависит от атомного номера поглощающего вещества и длины волны рентгеновского излучения. Размерность линейного коэффициента ослабления [ ] = L^-1. Физический смысл : линейный коэффициент ослабления характеризует относительное уменьшение интенсивности луча при прохождении слоя поглотителя единичной толщины[28,29].

Массовый коэффициент ослабления характеризует уменьшение интенсивности рентгеновских лучей в единице массы вещества, а произведение dx представляет собой поверхностную плотность вещества. Использование величины поверхностной плотности при проведении эксперимента позволяет исключить существенную погрешность, возникающую при измерении толщины тонких поглотителей. В случае необходимости линейный коэффициент ослабления находится умножением _m на экспериментально найденную величину плотности вещества при температуре опыта.

Толщина слоя половинного ослабления убывает с возрастанием длины волны излучения.

1.3.3 Генераторы рентгеновского излучения

Рентгеновская трубка, электровакуумный прибор, служащий источником рентгеновского излучения. Такое излучение возникает при торможении электронов, испускаемых катодом, и их ударе об анод (антикатод); при этом энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом, частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Излучение рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного рентгеновского излучения на характеристическое излучение вещества анода. Рентгеновские трубки различают различают: по способу получения потока электронов -- с термоэмиссионным (подогревным) катодом, автоэмиссионным (острийным) катодом, катодом, подвергаемым бомбардировке положительными ионами и с радиоактивным () источником электронов; по способу вакуумирования -- отпаянные, разборные; по времени излучения -- непрерывного действия, импульсные; по типу охлаждения анода -- с водяным, масляным, воздушным, радиационным охлаждением; по размерам фокуса (области излучения на аноде) -- макрофокусные, острофокусные и микрофокусные; по его форме -- кольцевой, круглой, линейчатой формы; по способу фокусировки электронов на анод -- с электростатической, магнитной, электромагнитной фокусировкой[1,2,28,29].

Спектральный состав излучения трубки зависит от выбора материала анода. Для большинства областей применения оптимальным является родиевый анод, хотя другие материалы, например молибден, хром или золото, могут быть предпочтительнее в определенных случаях. [23,24,38].

При проведении анализа все элементы, присутствующие в образце, одновременно излучают фотоны характеристической флуоресценции. Для изучения концентрации какого-либо элемента в образце необходимо из общего потока излучения, поступающего от пробы, выделить излучение такой длины волны, которая является характеристической для исследуемого элемента[28,29].

На рис. 1.5 изображена схема рентгеновской трубки для структурного анализа.

Рисунок 1.5-Схема рентгеновской трубки для структурного анализа

На рис.1.5 показано: 1- металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 -- окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 -- термоэмиссионный катод; 4 -- стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 -- выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 -- электростатическая система фокусировки электронов; 7 -- анод (антикатод); 8 -- патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.

1.3.4 Оптические параметры рентгеновских трубок

Линейное фокусное пятно - действительное фокусное пятно резко выраженной прямоугольной формы, для которого характерно максимальное распределение интенсивности излучения вблизи центра прямоугольника.

Обычно для получения необходимой площади эффективного фокусного пятна при проектировании под небольшими углами выбирают отношение длины к ширине линейного фокусного пятна не менее двух.

Эффективное фокусное пятно - проекция действительного фокусного пятна на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. Обычно это направление совпадает с направлением центрального луча, т.е. луча, выходящего из центра фокусного пятна через центр выходного окна.

Качество рентгеновской трубки характеризуется ее «добротностью» - отношением допустимой кратковременной мощности к площади эффективного фокусного пятна. Уменьшением допустимого угла раствора рабочего пучка можно уменьшить угол среза анода и при неизменной площади эффективного фокусного пятна получить большую «добротность» трубки.

1.3.5 Электрические характеристики

Теоретические статические анодные характеристики рентгеновской трубки с плоскими электродами, представляющие зависимость анодного тока, от постоянного анодного напряжения при различных неизменных значениях тока накала, показаны на рис.1.6.

Рисунок 1.6 - Теоретические статические анодные характеристики рентгеновской трубки с плоскими электродами

На восходящем участке ОА увеличение анодного напряжения вызывает увеличение анодного тока в связи с тем, что в создании анодного тока принимают участие только те термоэлектроны, скорость которых достаточна, чтобы преодолеть тормозящее поле пространственного заряда у катода рентгеновской трубки.

Напряжение, при котором достигается насыщение, называется напряжением насыщения U_S, при этом ток, проходящий через рентгеновскую трубку, называется током насыщения, а его сила обозначается через I_S.

Реальные анодные характеристики рентгеновских трубок значительно отличаются от теоретических и зависят от конструкции трубки.

На рис.1.7 изображены реальные анодные характеристики рентгеновских трубок различной конструкции.

Рисунок 1.7 - Диодные характеристики рентгеновских трубок различной конструкции

На кривых А и В насыщение наступает при небольших анодных напряжениях. Такие трубки называются трубками с "большой проницаемостью". На кривой С насыщение наступает при больших напряжениях, на кривой D насыщение вообще не наступает. Рентгеновские трубки с такими характеристиками называются трубками с "малой проницаемостью".

Реальные характеристики на участке насыщения непараллельны оси абсцисс из-за роста эмиссионного тока с ростом анодного напряжения вследствие усиления поля у катода, уменьшающего работу выхода, и дополнительного нагрева катода при протекании анодного тока[25].

При другом способе построения анодных характеристик строится семейство кривых, выражающих зависимость между анодным током и током накала при определенном неизменном анодном напряжении эти характеристики называются эмиссионными.

Кроме статических анодных характеристик и эмиссионных характеристик на практике используются накальные характеристики, которые устанавливают связь между напряжением и током накала.

1.3.6 Типы рентгеновских трубок

Существует два типа рентгенофлуоресцентных спектрометров в которых выделение характеристического излучения происходит с помощью кристаллов-анализаторов. Такие спетрометры называются "спектрометры волновой дисперсии - (WDS)". Среди них различают спектрометры последовательного действия и квантометры.

На таких спектрометрах осуществляется последовательное выделение каждой характеристической линии рентгеновского излучения любого числа элементов с помощью движущегося кристалла-анализатора и высокоточного гониометра (прибора для измерения углов), сопряженного с устройством вращения, управляемого компьютером.

Преимущества приборов последовательного действия:

-Универсальность: определение любого числа элементов.

-Оптимальные условия измерения программируются для каждого элемента.

-Очень высокая чувствительность, низкие уровни детектирования.

С помощью квантометров осуществляются параллельные измерения.

Интенсивности характеристического излучения элементов измеряются одновременно благодаря использованию нескольких настроенных фиксированных "каналов" расположенных вокруг образца. Фактически каждый из них является отдельным спектрометром с кисталл-анализатором и детектором, настроенными на прием определенной длины волны одного элемента.

Преимущества квантометров: высочайшая скорость анализа при использовании для поточного контроля качества в индустрии; малое количество движущихся частей, прекрасная надежность в условиях промышленного предприятия.

контур напряжение рентгеноскопическая установка вычислитель

2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КОНТУРА УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ РЕНТГЕНОСКОПИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Постановка общей задачи синтеза

2.2.1 Формирование функциональной схемы СУ

Функциональная схема, рассматриваемой системы, представлена на рис. 2.1.

Рисунок 2.1-Функциональная схема контура управления напряжением рентгеноскопической установки

На данной схеме введены следующие обозначения:

ПИД регулятор; СС-схема сравнения;

ШИМ- широтно -импульсный модулятор;

МП - микропроцессор; АЦП - аналогово - цифровой преобразователь; БИ- блок инверторов; Тр1, Тр2- трансформатор;

УН1,УН2 - умножитель напряжения; РТ - рентгеновская трубка, ДТ - датчик тока, ДН - датчик напряжения.

2.2.2 Линеаризация математической модели СУ

Объектом управления для проектируемой системы является рентгеновская трубка 0.32BPM34-160 (рис. 2.2).

Линеаризованная математическая модель СУ является исходным материалом для нашей работы.

Построение модели выполнялось на основании теоретических зависимостей, рассмотренных в первом разделе и паспортных данных трубки, представленных в табл. 2.1

Рисунок 2.2 - Рентгеновская трубка 0.32BPM34-160

Таблица 2.1 Основные технические характеристики рентгеновской трубки 0.32BPM34-160

По чертежу трубки (рис. 2.2) определили расстояние между анодом и катодом d=60mm. Тогда зависимость плотности анодного тока на участке возрастания от анодного напряжения описывается выражением

. (2.1)

Номинальное значение площади эффективного фокусного пятна S_ef=0,24мм². Угол мишени, согласно чертежу трубки, равен 10є. Тогда площадь действительного фокусного пятна

. (2.2)

Зависимость анодного тока от напряжения описывается выражением

. (2.3)

Поскольку зависимости напряжения насыщения и тока насыщения от тока накала не известны, предположим, что при допустимых напряжениях насыщение не происходит. В таком случае изменение тока накала будет приводить к деформации анодной характеристики.

Такую деформацию можно учесть в виде коэффициента. Поскольку эмиссия увеличивается с ростом температуры, а отвод тепла от катода затруднен, то можно принять зависимость анодного тока от температуры катода пропорциональной зависимости от тепловыделения. Тогда анодный ток пропорционален квадрату тока накала, то есть квадрату катодного напряжения. По данным табл. 2.1 можно выбрать усредненный коэффициент пропорциональности, равный 0,01.

Полное выражение для анодного тока будет иметь следующий вид:

. (2.4)

2.2.3 Построение модели объекта

Поскольку полученная модель существенно нелинейна, то для ее линеаризации строили модель системы в первом приближении. Для этого воспользовались графиками статических характеристик для рентгеновских трубок, конструктивно сходных с исследуемой.

Накопление энергии в сердечнике высоковольтного трансформатора и в высоковольтной выпрямительной схеме вызывают инерционность канала напряжения. Нагрев катода трубки - наиболее инерционный процесс во всей системе рентгеновской установки.

Динамические характеристики объекта получим экспериментально на физически-подобной модели - электронно-лучевой трубке монитора. Постоянную времени канала напряжения - по задержке возникновения изображения (около 5с), а постоянную времени канала тока - по времени достижения полной яркости (около 9с).

Таким образом, в каждый канал модели объекта введем инерциальное звено первого порядка.

Линеаризованная модель объекта автоматического управления (рис. 2.3) включает, кроме собственно трубки, модели силовых цепей и датчиков обратной связи.

Рисунок 2.3 - Линеаризованная модель рентгеновской трубки

2.2.4 Исследование и анализ функциональных свойств системы

Исследуем статические и динамические свойства системы с помощью пакета MATLAB. Передаточная функция системы имеет вид:

; (2.5)

. (2.6)

Функция pzmap(sys) изображает диаграмму расположения нулей и полюсов линейной системы на плоскости корней. Полюсы изображаются маркером х, а нули - о. График представлен на рис. 2.4.

Используя команду damp(sys), вычислим собственные значения, коэффициенты демпфирования и собственные частоты. Результаты выполнения приведены в табл. 2.2

Таблица 2.2 Результат вычисления коэффициентов демпфирования

Используя команду step(sys), вычислим переходную функцию системы и построим ее график, с помощью команды margin(sys) - вычислим по частотным характеристикам системы запас по модулю, запас по фазе и соответствующие им частоты, а с помощью команды nyquist(sys) - поcтроим частотный годограф (диаграмму) Найквиста в координатах для определения устойчивости замкнутой системы.

Графики представлены на рис. 2.5, 2.6 и 2.7.

Рисунок 2.5 - Переходные функции системы по задающему и возмущающему воздействию

Из рис. 2.5 видно, что время переходного процесса по задающему воздействию равно 8,2с.

Рисунок 2.6 - Диаграмма Боде

Из рис. 2.6 видно, что запас по амплитуде - бесконечность, а запас по фазе-91,5°.

Рисунок 2.7 - Диаграмма Найквиста

Изучив полученные результаты, делаем вывод, что необходимо в систему вводить регулятор, так как нас не устраивает время переходного процесса, он не удовлетворяет требованиям ТЗ(t_ПП?3с)

2.3 Динамический расчет системы

2.3.1 Синтез цифрового корректирующего устройства с получением дискретной передаточной функции регулятора

Синтез структуры системы управления обусловлен располагаемым приборным оборудованием и поставленными задачами.

Для построения контура стабилизации необходимо выбрать закон управления, который обеспечивал бы не только устойчивость контура управления, но и приемлемое качество переходных процессов и точность в установившемся режиме. Синтез структуры системы управления обусловлен располагаемым приборным оборудованием и поставленными задачами.

Используем пропорционально-интегрально-дифференциальный закон управления (ПИД - регулятор).

Для подбора коэффициентов регулятора в исходную систему строим ЛАЧХ и с его помощью подбираем коэффициенты.

2.3.2 Синтез корректирующего устройства с помощью ЛАЧХ

Построение располагаемой ЛАЧХ. Под располагаемой ЛАЧХ понимается характеристика исходной системы управления, построенной исходя из требуемых режимов стабилизации. Обычно под исходной системой понимается система, состоящая из управляемого объекта и управляющего устройства и не снабженная необходимыми корректирующими средствами:

(2.7)

Строим располагаемую ЛАЧХ. Для этого производим статический расчет САУ по задающему и возмущающему воздейставию.

Статический расчет САУ по задающему воздействию:

(2.8)

(2.9)

(2.10)

По возмущающему воздействию

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Из предложенных выбираем тот, который больше.

 (2.14)

(2.15)

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Построение желаемой ЛАЧХ делается на основе тех требований, которые предъявляются к проектируемой системе управления, такие как перерегулирование, время переходного процесса, коэффициенты ошибок.

Определяем частоту фазы желаемой ЛАЧХ.

. (2.19)

Находим ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства путем вычитания ЛАЧХ располагаемой системы и ЛАЧХ желаемой системы.

(2.20)

(2.21)

(2.22)

МП реализует передаточные функции регулятора и корректирующего звена. Из условия подавления помех определим .

Передаточная функция регулятора ПИД - типа имеет вид:

; (2.23)

; (2.24)

(2.25)

; (2.26)

Т.к при построении ЛАЧХ мы учитывали интегрирующее звено, поэтому при расчете мы эту составляющую не учитываем.

На рис. 2.8 изображено построение ЛАЧХ.

Выбор периода квантования Т является важным этапом проектирования ЦСАУ. Уменьшение Т облегчает условия устойчивости, приводит к повышению точности регулирования, загрузки ЦВУ и неэкономному расходу машинного времени.

Увеличение Т ухудшает качество регулирования ЦСАУ. Поэтому возникает проблема компромиссного решения, удовлетворяющего противоречивым требованиям.

Практика проектирования ЦСАУ позволяет сделать практический вывод: для обеспечения устойчивости ЦСАУ необходимо, чтобы частота 2/Т была, по крайней мере, на 0,5 декады правее частоты среза желаемой ЛАЧХ непрерывной части:

0,08с. (2.28)

Таким образом, данный метод определения Т исходит из обеспечения устойчивости ЦСАУ.

Передаточная функция цифрового регулятора имеет вид:

(2.29)

(2.30)

(2.31)

=; =; =. (2.32)

2.3.3 Исследование и анализ функциональных свойств цифровой системы

Структурная схема системы с цифровым регулятором представлена на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - Структурная схема исследуемой системы

Передаточная функция системы имеет вид:

. (2.33)

На рис. 2.10 показана переходная функция системы по задающему воздействию.

Рисунок 2.10- Переходная функция системы по задающему воздействию

Из рис. 2.10 видно, что время переходного процесса по задающему воздействию равно 2с.

На рис. 2.11 представлена диаграмма Боде.

Рисунок 2.11 - Диаграмма Боде

Из рис. 2.11 видно, что запас по амплитуде - 22,7 дБ, а запас по фазе- 44,5 °. Исследуем влияние на систему возмущений.

В данной работе будет исследована реакция системы на такие возмущения: нестабильность питания(скачок) от - f1, пульсация от с частотой 100 Гц - f2 , наводки, шумы - f3.

Первым рассмотрим влияние пульсации на систему управления анодным напряжением в рентгеноскопической установке.

На рис. 2.12 показана структурная схема исследуемой системы.

Рисунок 2.12 - Структурная схема исследуемой системы

Передаточная функция системы имеет вид:

. (2.34)

На рис. 2.13 изображена переходная функция системы по возмущающему воздействию, которое подается на 5 секунде.

Рисунок 2.13- Переходная функция системы по возмущающему воздействию

Из рис. 2.13 видно, что время переходного процесса по возмущающему воздействию равно 8с.

Вторым рассмотрим влияние нестабильности питания на систему управления анодным напряжением в рентгеноскопической установке.

На рис. 2.14 показана структурная схема исследуемой системы.

Рисунок 2.14 - Структурная схема исследуемой системы

Передаточная функция системы имеет вид :

. (2.35)

На рис. 2.15 показана переходная функция системы по возмущающему воздействию, которое подается на 5 секунде.

Рисунок 2.15- Переходная функция системы по возмущающему воздействию

Из рис. 2.15 видно, что время переходного процесса по задающему воздействию равно 6.5 с. Третье - влияние наводок на систему управления анодным напряжением в рентгеноскопической установке.

Передаточная функция системы имеет вид :

. (2.36)

На рис. 2.17 показана переходная функция системы по возмущающему воздействию, которое подается на 5 секунде.

Рисунок 2.17- Переходная функция системы по возмущющему воздействию

Из рис. 2.17 видно, что время переходного процесса по возмущающему воздействию равно 4с. Теперь рассмотрим влияние всех возмущений на систему управления анодным напряжением в рентгеноскопической установке. На рис. 2.18 показана структурная схема исследуемой системы.

Рисунок 2.18 - Структурная схема исследуемой системы

Передаточная функция системы имеет вид :

. (2.37)

На рис. 2.19 показана переходная функция системы по возмущающему воздействию, которое подается на 5 секунде.

Рисунок 2.19- Переходная функция системы по задающему воздействию

Из рис. 2.19 видно, что время переходного процесса по возмущающему воздействию равно 5с. Изучив полученные результаты, делаем вывод, что полученная система удовлетворяет заданным в ТЗ данным.

В данной работе был проведен анализ и синтез системы стабилизации скорости вращения паровой турбины. А также синтез цифрового корректирующего устройства с получением дискретной передаточной функции регулятора, статический и динамический расчет системы.

2.4 Экспериментальное определение коэффициента широтно-импульсного модулятора

Существуют несколько способов ввода аналоговых сигналов в цифровую систему, альтернативных аналого-цифровому преобразованию. Одним из них является формирование широтно-модулированных импульсов по аналоговому сигналу и измерение их длительности микропроцессорным устройством.

ШИМ-модулятор состоит из генератора треугольных импульсов, выполненного на операционном усилителе LM324N, и компаратора.

Мультивибратор - генератор с самовозбуждением - генератор пилообразных (треугольных) импульсов. Он формирует два вида импульсов - прямоугольные и треугольные (пилообразные).

Компаратор выполняет сравнение двух сигналов. Он предназначен для логического сравнения двух различных величин. В данном случае компаратор сравнивает сигнал с измерительного элемента - терморезистора, включенного в резисторный делитель и сигнал, полученный с мультивибратора

Широтно-импульсный модулятор - преобразователь медленно меняющегося входного сигнала в последовательность импульсов, характеризующихся постоянством амплитуды и периода при изменении длительности импульса.

Рисунок 2.20 - ШИМ-модулятор

Для того, чтобы определить необходимо построить статическую характеристику.

- связь длительности импульса и напряжения.

- определение коэффициента широтно-импульсной модуляции.

На рис.2.21 представлена статическая характеристика ШИМ - модулятора.

Рисунок 2.21 - Статическая характеристика ШИМ - модулятора

От 0 до 1.48 В у ШИМ - модулятора нечувствительная зона, с 1.48 В и до 2.96 В - линейный участок, а от 2.96 В - зона насыщения.

В нашей системе на ШИМ - модулятор подается напряжение и на выходе у него напряжение, поэтому посчитаем исходя из функциональной схемы, изображенной на рис. 2.22.

Рисунок 2.22 - ШИМ-модулятор

В данном разделе был произведен динамический расчет системы. Т.к характеристики системы не удовлетворяли ТЗ, то в систему был введен цифровой регулятор и рассчитаны его составляющие. Также рассмотрено влияние возмущений на систему, таких как пульсация, наводки и нестабильность напряжения в сети. Экспериментально был определен коэффициент широтно-импульсного модулятора, путем построения статической характеристики.

3/ Конструкторская часть

3.1 Подготовка алгоритмов управления к реализации на управляющем вычислителе

(3.8)

Все величины представляют собой напряжение в диапазоне от 0. . .+5В. Коды данных величин поступают на микроконтроллер. Затем в ЦАП, потом на усилитель мощности. Мы получили алгоритм управления вычислителем с точки зрения управленца, теперь надо осуществить его программно. Мы можем посчитать сколько ячеек памяти нам нужно, т.е. объем. Переменные составляющие , такие как , , записываем в оперативную память, а коэффициенты(,,, ,) в постоянную память.

3.2 Функциональная схема вычислителя

Интегральная схема представляет восемь каналов (42) аналоговый переключатель с декодером. Корпус типа 402.16-18. Вес не больше, чем 1,2 гр.

Цель выводов:

S0 - логический выход 2⁰; V - вход санкции; - напряжение мощности; Al0_Al3 - аналоговые входы; Out - аналоговые выходы; GND - земля; S1 - логический выход 2¹. Условное графическое обозначение IC K590KH3 представлено на рис. 3.4.

Рисунок 3.4 - Условное графическое обозначение K590KH3

Аналоговый переключатель с декодером позволяет делать опрос адреса каналов уровня сигнала на входах S0-S1 для управления передачей аналоговой информации в АЦП. Для операций в системах микропроцессора IC есть вход санкции операции - вывод V.