Теплоемкость камеры с ее содержимым и ограниченная мощность нагревателя затягивают процесс нагревания и после отключения нагревателя он продолжает греть некоторое время.

При управлении движениями объектов (промышленных роботов, станков с ЧПУ) также приходится учитывать их инерционность (это рассматривается в дальнейшем). В рассматриваемых системах управления получила широкое распространения так называемая схема ПИД (пропорциональная, интегральная, дифференциальная ), которая повышает скорость и точность работы. Основное представление о ней мы получили из примера электронагревателя (рис. 28). Можно сказать, что система автоматического управления ПИД была реализована схемно путем соединения основных элементов в замкнутую систему с отрицательной обратной связью в соответствии с рис.13. Для учета интеграла и производной от рассогласования применяют специальные схемные решения, например, целые замкнутые контуры со своими датчиками и корректирующие элементы схем.+ Билет 17

Билет 11

Компьютерные сети в САУ (PROFIBUS и CAN)

В системах SCADA на нижнем уровне используются компьютерные сети специального типа для связи между собой различных элементов САУ. Существует около трех десятков различных типов таких сетей. Широко распространен, особенно в Европе, тип сети PROFIBUS, рис. 62, созданный первоначально в Германии.

PROFIBUS позволяет использовать для передачи информации витую пару проводников с волновым сопротивлением 150 ом на максимальное расстояние 100 – 1200 м между повторителями со скоростью соответственно 12 Mbit/s - 9.6 kbit/s (чем дальше, тем медленнее). При использовании оптоволоконных кабелей расстояние между повторителями достигает 15 км. Используются также специальные наборы функций – профили для различных областей применения сети. Эти наборы стандартизованы и информация о них открыта (open), например, для управления движениями существует профиль РROFIdrive. В Беларуси имеет большое развитие производство грузовых автомобилей, автобусов, троллейбусов, большегрузных самосвалов и другой колесной техники. Эти технические средства постепенно насыщаются большим количеством САУ с применением ЭВМ. Для обмена данными здесь применяется специальный тип сети – CAN (Controller Area Network). В этой сети для передачи данных на расстояние используется шина (bus) и не имеется центральной ЭВМ (host computer). Создание сети CAN первоначально было начато немецкой фирмой Robert Bosch GmbH в 1983 г. В настоящее время использование сети CAN обязательно на автомобилях, производимых в Евросоюзе. Развитию данного типа сети способствовало очень быстрое развитие всего автомобилестроения. Немалую роль сыграла в этом сильная конкуренция производителей и отсюда значительные ассигнования на новые разработки, это продолжается и сейчас в связи с созданием электроавтомобилей, как показано на рис. 63. Сами по себе электронные средства, применяемые в автомобилях, ничем существенно не отличаются от других, применяемых в аналогичных условиях вибрации, влажности и т.д. Поэтому стандарт CAN применяется, помимо автомобилей, в других областях промышленной автоматизации во многом благодаря низкой стоимости контроллеров и процессоров для CAN. Здесь важно отметить, что некоторые производители электронного оборудования преуспевают благодаря работе на определенный успешный сектор экономики. Все автоматическое оборудование, установленное на объекте управления, подключается к отдельным узлам (node) сети, связанным проводной шиной (bus), как показано на рис. 64. При скорости передачи 1 Mbit/s максимальное расстояние между узлами равно 40 м. Это расстояние можно увеличивать до 500 м, но при этом скорость снижается до 125 kbit/s. В каждый момент времени на шину может передавать данные только один узел. Это стандартное правило для канала передачи сообщений, так как два и более передатчика на канале создают помехи друг другу, что исключает правильную работу канала. Узлы сети имеют различный приоритет при передаче сообщений, аналогично приоритету прерываний от различных устройств в ПК. Например, в автомобиле высокий приоритет имеют тормоза, в их работе должна быть минимальная задержка. Процессор узла (Host processor) обеспечивает связь между всеми, подключенными к нему устройствами:

Различными элементами САУ - датчиками (sensor 1, 2..), управляющими устройствами (control device 1, 2..), исполнительными элементами (actuator 1, 2..)

Сетью (bus) через CAN – контроллер (CAN controller) и трансивер (Transceiver).

Процессор расшифровывает полученные от шины сообщения и отсылает их нужному управляющему устройству или исполнительному элементу, а также определяет, какие сообщения нужно передавать от датчиков и управляющих устройств в сеть и передает их CAN-контроллеру. Работу сети CAN рассмотрим, начиная с физического уровня, который образован шиной и трансивером. На этом уровне передаются отдельные биты информации. Трансиверы в связи имеют функцию приемо-передатчиков. При передаче информации из узла в сеть – это передатчик (transmitter). При приеме информации из сети в узел – это приемник (receiver). Объединение слов дало термин “трансивер” (Transceiver). При приеме информации трансивер работает как адаптер уровня сигналов между шиной и контроллером, а также как электрическая защита контроллера от перенапряжений, которые возможны в шине. При передаче на шину он также работает как адаптер. Контроллер выполняет следующие функции: - накапливает последовательно полученные от трансивера биты в законченные сообщения, выставляет прерывание процессору и передает ему сообщение, - при передаче на шину, наоборот, контроллер побитно передает полученное от процессора сообщение в трансивер.

2. Акустическое оформление громкоговорителей (колонки)

Хотя все элементы звукового тракта влияют на качество звука, следует выделить громкоговоритель и его акустическое оформление (попросту ящик). Это называется колонкой. На рис.20 слева показана схема работы динамического громкоговорителя и, так называемое, акустическое короткое замыкание. Звуковые волны создаются колебаниями конической мембраны диффузора, приводимого в движение звуковой катушкой, по которой протекает переменный ток звуковой частоты. Этот ток описывается вышеприведенной суммой синусоид и поступает из усилителя. Катушка расположена в постоянном магнитном поле.

Билет 13

1. Датчики САУ (основные требования к ним, классификация, датчики приближения)

См. Билет 1

2. Сравнение кинематических пар вращательной и поступательной в управляемых механизмах (станки, роботы)

См Билет 12

Рисунок 20. Громкоговоритель и его акустическое оформление

Движение диффузора вправо создает повышенное звуковое давление, распространяющееся в пространство правее громкоговорителя в виде звуковой волны. Однако слева от диффузора создается пониженное звуковое давление, куда легко переходит сжатый воздух справа, огибая край диффузора. Это явление по краям диффузора называется акустическим коротким замыканием, оно существенно снижает излучение звука громкоговорителем. Как показано в середине рис.20, для устранения акустического короткого замыкания громкоговоритель помещают в ящик. В этом случае путь воздуха, огибающего диффузор увеличивается в соответствии с размерами ящика. Чем больше ящик, тем лучше излучаются звуки, особенно низкие частоты. Здесь проявляется свойство волн огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны. Например, на частоте 100 Гц длина звуковой волны (в воздухе) составит примерно 3 м (см. рис.17). Открытый ящик с размерами: 1х1,2х0,6 м практически хорошо излучает звук различных частот. Для уменьшения размеров ящика его закрывают, как показано на рис.20 справа, тогда воздух вовсе не может зайти с тыла диффузора. Однако при этом затрудняются колебания диффузора из-за сжатия воздуха в закрытом ящике. Поэтому в ящике устраивают небольшое отверстие с трубкой (фазоинвертор).

Зависимость коэффициента передачи сигнала от его частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Она позволяет более детально проанализировать качество акустической системы. На рис.21 приведен пример АЧХ для активных колонок (внутри колонки имеется усилитель) типа Defender Mercury 45 [8].

Краткие выводы из этого графика: неравномерность АЧХ составляет ±6 дБ (в 4 раза от середины по обе стороны) в диапазоне 50 - 27000 Гц. Следует отметить, что на частотах ниже 50 Гц коэффициент передачи существенно падает (завал низких частот), что соответствует общей проблеме на низких частотах.

Билет 14

1. Таблица 2.1. Описание команд:

Команда	Описание
GOREADY	Выйти в исходное положение
SPEED	Скорость движения до следующего объявления
GONEAR	Передвигаться к точке на заданное расстояние от неё
SPEEDNEXT	Скорость следующей команды
GOS	Движение по прямой с максимальной точностью
CLOSE	Включить излучатель
DELAY	Задержка излучателя
OPEN	Отключение излучателя
GO	Движение по прямой
END	Конец программы

2. Бесколлекторные двигатели постоянного тока

С появлением новых электронных элементов, новых магнитных материалов удалось создать бесколлекторный двигатель постоянного тока. Одну из его конструкций, широко применяемую в ЭВМ для привода вентиляторов и дисков, можно представить следующим образом по рис. 49. Для создания магнитного поля статора по рис. 47 используются постоянные магниты, а статор затем превращают в ротор, тогда к нему не нужно подводить ток. Соответственно якорь становится статором, к нему подводится ток без всяких скользящих контактов. Возможно, поэтому удобно использовать для таких двигателей термин “якорь”, а не “ротор”, как далее в электромашинах переменного тока. Переключение рамок обмотки якоря выполняют посредством полупроводниковых ключей, которые связаны с ротором через магнитное поле. Постоянные магниты ротора приводят в действие эти специальные полупроводниковые ключи посредством эффекта Холла, то есть они переключают цепь, используя магнитные сигналы. В другом варианте двигателя используют э.д.с., наводимую ротором в обмотках статора. Для упрощения конструкции применяют минимальное число рамок обмотки якоря – две. Внешний вид статора такого двигателя приведен на рис. 49 [1]. Можно представить, что снаружи на статор одет стакан ротора с постоянными магнитами, все это находится внутри крыльчатки вентилятора и вращается на валике, вставленном центр статора. Такие двигатели создают очень малые электромагнитные помехи. + Билет 2

Билет 12 1. Охлаждение ЭВМ Рассмотренные задачи терморегулирования относились к нагреванию объектов. Однако к терморегулированию относятся не менее распространенные задачи охлаждения многочисленных машин, в том числе и ЭВМ. Задачи охлаждения машин решались задолго до создания ЭВМ, например, охлаждение моторов, охлаждение электрических машин: генераторов, трансформаторов, двигателей, охлаждение электронных устройств и т.д. Здесь снова ставится задача обеспечить текущую температуру T(t) машины Тмин≤ T(t) ≤Тмак, либо ограничение только сверху T(t) ≤Тмак. Причина такого требования состоит в том, что машина работает наиболее эффективно при заданной температуре, либо может выйти из строя при более высокой температуре Как правило, машина нуждается в охлаждении только во включенном состоянии. После включения в рабочее состояние в ней начинает выделяться тепловая энергия, которая переходит в окружающую среду. Температура машины T(t) растет до тех пор, пока количество тепла, выделяемого в ней Wвх, не сравняется с количеством тепла, уходящего во вне Wвых = Wвх (тепловое равновесие). На рис.32 слева показан случай, когда тепловое равновесие достигается при температуре, меньшей максимально допустимого значения Тмак.

Рисунок 32. Воздушное охлаждение электронных элементов

Такая картина существовала в более ранних моделях центральных процессоров, когда было достаточно естественного охлаждения окружающим воздухом без вентиляторов. Однако количество тепла на единицу площади охлаждающей поверхности по мере роста производительности ЭВМ быстро увеличивалось. В настоящее время для охлаждения микросхемы процессора 1 обычно используется кулер (cooler), состоящий из радиатора 3 (heat sink) и вентилятора 4 (fan) на рис.32. Движущийся воздух 5 повышает интенсивность теплообмена, а у радиатора поверхность специально увеличена, например с помощью выступающих иголок, ребер или зубцов. Для улучшения теплового контакта между микросхемой 1 и радиатором 3 используется специальная теплопроводная паста 2 (обычно белого цвета, но более плотная, чем зубная паста). Если не используется специальное управление вентилятором, то температура изменяется в случае вентилятора так же, как на графике слева. Как правило, имеется некоторый запас по возможности охлаждения. Однако этот запас со временем может исчезнуть из-за ухудшения условий охлаждения, например, из-за осаждения пыли на радиаторе, которая изолирует его от окружающего воздуха, этот случай показан на рис.33. После этого ЦП перегревается и может временно отказать, либо вовсе выйти из строя. Для предотвращения таких событий предусматривается тепловая защита микросхемы процессора – датчик температуры, встроенный в микросхему, и контроллер определяют наступление условия T(t) >Тмак и прекращают работу микросхемы. Для надежности эта защита реализуется не программно, а аппаратно. Техническое обслуживание ЭВМ требует регулярной очистки радиаторов от пыли. Например, на практике был случай, когда радиатор ЦП Pentium 4 неплотно к нему прилегал, но это не было сначала известно. ПК нормально работал с программами Microsoft Office, с программой Solid Works, однако зависал после примерно минуты работы в Cosmos Works при анализе прочности конструкции, полученной в Solid Works. Можно заключить, что ПК нормально работал при малой нагрузке ЦП обычно в программах диалогового режима, когда большая часть времени тратится на чтение человеком-оператором информации с экрана и вводе информации с клавиатуры или мышью. При выполнении расчетов большого объема и непрерывной работе программы Cosmos Works ЦП максимально загружался и его температура быстро достигала Тмак, что приводило к его отключению тепловой защитой. После осмотра кулера ЦП он был плотно прижат к микросхеме ЦП с помощью зажима, ПК перестал зависать на всех программах. Самый мощный кулер ПК имеется на блоке питания, который обычно расположен в верхнем дальнем углу корпуса ПК. Охлаждающий воздух заходит в корпус спереди и вытягивается вентилятором блока питания с тыла вверху. Для улучшения доступа охлаждающего внешнего воздуха к микросхемам системной платы в корпусе устраиваются боковые окна. Отказ от плоских ленточных кабелей интерфейса АТА между дисками и системной платой в пользу круглых кабелей SATA также улучшил циркуляцию охлаждающего воздуха внутри корпуса ПК.

2.Управление движениями (motion control) Существует очень большое число технических устройств, где используются движения различных элементов, например транспортные устройства, станки и т.д. Область физики, рассматривающая эти вопросы – механика. В самой ЭВМ, несмотря на преобладание электроники, используются вращающиеся вентиляторы и диски, перемещаются головки дисков, в принтерах перемещается бумага и печатающая головка, в сканере перемещается сканирующая головка. Многими из этих движений нужно управлять по различным параметрам: координатам положения, скорости, ускорению. В настоящее время для управления применяют ЭВМ. Поскольку она хорошо выполняет вычисления, то используется аналитическая геометрия, которая предполагает изначально применение системы координат. Широко используется прямоугольная система координат и несколько меньше полярная система координат. С точки зрения теоретической механики прямоугольная система координат предполагает прямолинейные поступательные движения вдоль координатных осей. Полярная система предполагает прямолинейное поступательное движение вдоль радиуса-вектора и поворот радиуса-вектора вокруг начала координат. Согласно теории механизмов и машин прямолинейное поступательное движение выполняется с помощью поступательной кинематической пары, а поворот с помощью вращательной кинематической пары. Последняя имеет определенные преимущества по технической реализации: