Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга, что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Технические характеристики:

- диапазон измерения ускорения: до 35g;

- напряжение питания: 5 В;

- диапазон рабочих температур: -45…95°C.

3.3 Характеристика микроконтроллера

Микроконтроллеры серии ATMega16 фирмы Atmel.

Рисунок3.1 - ATmega328P в корпусе Рисунок 3.2 - ATmega328P без корпуса

В качестве базового контроллера используется микроконтроллер ATmega328P в DIP корпусе, установленном на панельку. Что позволяет применять в модуле другие варианты контроллеров AVR в подобном корпусе, просто заменив микроконтроллер. Подходят, например, ATMega8535 или ATMega32. Хотя никто не запрещает развести и изготовить модуль для этого контроллера по аналогии.

Схема модуля проста и состоит из контактов платы (стандартные для всех модулей) и контактов контроллера. Соединяя их джамперами или проволочными перемычками можно подключать микроконтроллер к любой периферии платы.

Схема контактной группы разъема модуля выглядит следующим образом:

Рисунок 3.3 - Схема контактной группы разъемов

POWER и объединить шины Main Power и CPU Power.

Цоколевка внешних выводов модуля следующая:

Левая сторона

§ GND - шина земли

§ ADJ - вывод ADJ LM317 для задачи напряжения

§ CPU_POWER - напряжение питания процессора

§ PS/2CLK2 - CLOCK 2 вывод разъема PS/2

§ PS/2CLK - CLOCK вывод разъема PS/2

§ PS/2DATA2 - DATA 2 вывод разъема PS/2

§ PS/2DATA - DATA вывод разъема PS/2

§ PWLED0 - вывод на светодиод и фильтр для сглаживания ШИМ сигнала. Канал 0

§ PWLED1 - вывод на светодиод и фильтр для сглаживания ШИМ сигнала. Канал 1

§ PWLED2 - вывод на светодиод и фильтр для сглаживания ШИМ сигнала. Канал 2

§ PWLED3 - вывод на светодиод и фильтр для сглаживания ШИМ сигнала. Канал 3

§ USB BUS PUP - подтяжка шины D на USB. Подача на этот вывод пяти вольт подтягивает шину D и обеспечивает обнаружение устройства на шине USB.

§ USB BUS PWR - пять вольт с шины USB пропущенные через резистор в 100кОм. Позволяют отследить наличие питание на шине USB.

§ USB DATA + -- Шина данных USB

§ USB DATA - -- Шина данных USB

§ TXA1 - Вывод TX канала А (соединяется с линией ТХ микроконтроллера! Перекрещивание RX и TX идет дальше, на колодке коммутатора)

§ RXA1 - Вывод RX канала А (соединяется с линией RХ микроконтроллера! Перекрещивание RX и TX идет дальше, на колодке коммутатора)

§ TXB1 - Вывод TX канала B (соединяется с линией ТХ микроконтроллера! Перекрещивание RX и TX идет дальше, на колодке коммутатора)

§ RXB1 - Вывод RX канала B (соединяется с линией RХ микроконтроллера! Перекрещивание RX и TX идет дальше, на колодке коммутатора)

§ GND - земля.

Правая сторона:

§ D3…D0 - вход ЦАП по схеме R2R

§ AO - от Analog Output - выход R2R ЦАП. Выход идет с операционного усилителя.

§ VFO - Voltage Filter Out - выход RC фильтра.

§ VFI - Voltage Filter In - вход RC фильтра.

§ AGND - Аналоговая земля.

§ SCL - строб линия шины i2c. Подтянута к CPU POWER.

§ SDA - линия данных шины i2c Подтянута к CPU POWER

§ GND - земля.

§ SS - выбор кристалла, шина SPI. Подключен также к SS выводу SD карты.

§ MOSI - Master Output Slave Input - линия данных шины SPI

§ SCK - строб линия шины SPI

§ MISO - Master Input Slave Output - линия данных шины SPI

§ SS2 - выбор кристалла, шина SPI. Уходит к модулю расширения, позволяя адресовать его по SPI

§ BTN3 - Может быть подключена к кнопке BTN3

§ BTN2 - Может быть подключена к кнопке BTN3

§ BTN1 - Может быть подключена к кнопке BTN3

§ BZR - Buzzer, этот вывод подключен к пищалке. Подавая на него колебания звуковой частоты можно что-нибудь пропищать.

Это что касается выводов модуля. Фактически они совпадают с аналогичными выводами базовой платы. Сам контроллер разведен независимо, объединены только земли, питание и то, без чего не обойтись. Что дает гибкость и возможность подключать выводы как угодно и куда угодно. Схема включения контроллера типовая:



Рисунок 3.4 - Схема включения контроллера

Только самое необходимое. Кварцы вынесены на панельки, что позволяет их менять или убирать если не нужны. Напряжение опоры АЦП связано с питающим через дроссель. Земли цифровая и аналоговая соединены, но это соединение в одной точке и только на модуле. Все остальные выводы выведены на штыри и расположены напротив выводов контроллера. Также некоторые из них продублированы возле UART, PWM или I2C выводов, чтобы можно было удобно подключать их джамперами.

Рис 3.5 - Схема выводов

Желтой подсветкой указаны выводы, которые можно подключать джамперами. Как видно, выведены ШИМ каналы OC0, OC1A, OC1B, OC2. Шина i2c с ее линиями SCL, SDA. SPI с линиями MOSI, MISO (MI на плате), SCK и SS. Причем SS от контроллера продублирована так, чтобы можно было джампером одевать ее на SS или на SS2. Также продублированы выводы UART, позволяя подключать их джамперами либо к каналу А, либо к каналу В.

Справа, напротив выводов OSC1 и OSC2 припаяна цанговая панелька, куда может быть вставлен часовой кварц (идет в комплекте).

С северного торца, под платой, расположена кнопка RESET. А с Южного, также под платой, расположен угловой разъем JTAG'a с которого можно шлейфом вытащить интерфейс на отладчик.

Схемотехника и распиловка модулей осталась без изменений, но была исправлена ошибка, в результате которой SDA и SCL выводы поменялись местами.

Раньше для наброса на шину i2c AVR модуля нужно было подключать так:

Рисунок 3.6 - Шина AVR модуля

Теперь все несколько упростилось:

Рисунок 3.6 - Шина AVR модуля (упрощенная)

ATmega328P - микроконтроллер семейства AVR, как и все остальные имеет 8-битный процессор и позволяет выполнять большинство команд за один такт.

Память:

? 32 kB Flash (память программ, имеющая возможность самопрограммирования)

? 2 kB ОЗУ

? 1 kB EEPROM (постоянная память данных)

Периферийные устройства:

? Два 8-битных таймера счетчика с модулям сравнения и делителями частоты

? 16-битный таймер/счетчик с модулем сравнения и делителем частоты, а также с режимом записи

? Счетчик реального времени с отдельным генератором

? Шесть каналов PWM (аналог ЦАП)

? 6-канальный ЦАП со встроенным датчиком температуры

? Программируемый последовательный порт USART

? Последовательный интерфейс SPI

? Интерфейс I2C

? Программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором

? Внутренняя схема сравнения напряжений

? Блок обработки прерываний и пробуждения при изменении напряжений на выводах микроконтроллера

Специальные функции микроконтроллера:

? Сброс при включении питания и программное распознавание снижения напряжения питания

? Внутренний калибруемый генератор тактовых импульсов

? Обработка внутренних и внешних прерываний

? 6 режимов сна (пониженное энергопотребление и снижение шумов для более точного преобразования АЦП)

Напряжения питания и скорость процессора:

? 1.8 - 5.5 В при частоте до 4 МГц

? 2.7 - 5.5.В при частоте до 10 МГц

? 4.5 - 5.5 В при частоте до 20 МГ

3.4 Другие элементы системы управления

Индикаторная лампа. В качестве индикатора состояния подводного робота и наличия препятствий на траектории движения робота в проектируемой системе управления используется специальная индикаторная лампа, показанная на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 - Индикаторная лампа

Это светодиодная лампа в патроне из черного пластика, со встроенным резистором. Для подключения используются выводы для пайки. Её основные технические характеристики:

- Напряжение: 12 В

- Максимальный ток:30 мА

- Яркость:красный: 25 мк,

желтый: 12 мкд,

зеленый: 20 мкд

- Диаметр светодиода: 10 мм

LCD дисплей Sharp LQ035Q3DW02. Новые дисплеи со светодиодной подсветкой сочетают высокую нагрузочную способность, которая требуется для промышленных устройств, с преимуществами светодиодной подсветки. Сюда относятся, в том числе, быстрота реакции светодиодов даже при очень низких температурах и хорошая регулируемость яркости светодиодов во всем диапазоне.

Еще одним важным преимуществом светодиодной подсветки является низкое рабочее напряжение. Благодаря этому становится ненужным использование высоковольтного инвертора, который требуется для питания ламп холодного свечения. Это делает возможным применение новых дисплеев Sharp там, где высокое напряжение нежелательно, например, во взрывоопасных зонах. Высокое качество изображения новых промышленных ЖК-дисплеев Sharp обеспечивается, в том числе, и с помощью высокой яркости светодиодной подсветки до 550 кд/м2.

Для того чтобы обеспечить работу дисплеев при тех рабочих температурах, которые требуются для многих промышленных устройств, Sharp разработала корпус новых ЖК-дисплеев с эффективным теплоотводом специально для светодиодной подсветки. Теплопроводы отводят тепло светодиодов и их схем управления к задней наружной стенке панели, откуда оно легко выводится в окружающую среду.

Новые промышленные ЖК-дисплеи прошли испытания, и как все дисплеи серии Strong2, соответствуют требованиям промышленной спецификации с рабочей температурой в пределах от -30°C до 80°C при сроке службы до 50.000 часов. При переводе обычных ЖК-дисплеев на светодиодную подсветку часто просто заменяют блок люминесцентных ламп на модуль со светодиодами, который плохо отводит тепло в окружающую среду. Поэтому ЖК-дисплеи с подсветкой на светодиодах в такой упрощенной конструкции чаще всего рассчитаны на работу только при невысоких рабочих температурах и имеют сокращенный срок службы.

Технические характеристики дисплея:

- Размер экрана дисплея 3,5дюйма

- Разрешение 320хRGBх24

- Размеры (ШxВxГ) 76.9х63.9х3.5мм

- Яркость 450 кд/мІ

- Контрастность 500:1

- Цвета 262.144 цветов

- Температурный диапазон -10…70°C

- Питание 3.3В DC

3.5 Работа системы управления

Алгоритм работы микропроцессора при компьютерной реализации регулятора (2.7), (2.8) приведен на рис. 3.7.



Рисунок 3.7 Алгоритм цифровой реализации устройства управление

Алгоритм, приведенный на рис. 3.7, содержит ряд стандартных для цифровой реализации устройств управления операций (блоков). Это операции ввода значений постоянных данных, считывание текущих значений переменных, преобразование их в дискретную форму и сглаживание, выдача найденных значений управления на исполнение и т.п. Вычисленные значения подаются через ЦАП и соответствующие приводы на исполнительные устройства объекта управления. При разработке рассматриваемого алгоритма предполагалось, что период опроса датчиков меньше периода .

3.6 Ввод и обработка информации

Информация начинает поступать на микроконтроллер после активирования системы. В первую очередь поступают данные с систем определения глубины. Следующие сигналы поступают после начала движения робота с датчиков скорости.

Именно после получения информации с обоих видов датчиков, контроллер начинает производить расчеты. При этом осуществляется обработка данных, поступающих от датчиков. Эта обработка заключается в выполнении следующих операций.

Проверка на достоверность. Благодаря выполнению этого алгоритма, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу.

В зависимости от того, меняется ли технологическая переменная во времени или остается постоянной, требования по проверке будут отличаться. Если переменная по ходу технологического процесса изменяется и известна допустимая скорость этого изменения, то проверку на достоверность осуществляют по условию:

, (3.4)

где i - номер датчика;

k - номер отсчета;

V_Di - допустимая скорость изменения технологической переменной x_i;

T_vi - временной интервал проверки на достоверность по скорости изменения, связанный со временем опроса датчиков соотношением:

. (3.5)

Величина j не должна быть меньше 3-х, поскольку заключение о недостоверности сигнала принимается после 3-х кратного нарушения условия (3.4).

В случае постоянства технологической переменной должны быть известны верхняя и нижняя допустимые границы её отклонений, определяемые, обычно, из технологических инструкций и по условиям эксплуатации. Следовательно, выход единичного измерения или серии измерений за указанные границы должен рассматриваться как нарушение. Чтобы его обнаружить, необходимо выполнить проверку следующего неравенства:

(3.6)

Проверка сигналов на достоверность заключается в следующем: если условия (3.4) или (3.6) не выполняются, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика. Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд не выполняется неравенство 3.4) или (3.6), то по знаку разностей или ( - та граница, по которой не выполняется условие (13)) принимается решение об обрыве в i-м канале или неисправности датчика этого канала. Фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал или резервный датчик.

Сглаживание. Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания.

Алгоритм скользящего среднего имеет вид, представленный на рис. 3.8.

Алгоритм экспоненциального сглаживания представлен на рис. 3.9.

Рисунок 3.8 - Алгоритм скользящего среднего

Рисунок 3.10 - Алгоритм экспоненциального сглаживания

В данной системе, исходя из полученных данных, целесообразно использовать МК модели ADAM-5511.

Конструкция АДАМ-5511.

3.7 Алгоритм вычисления управляющих воздействий

Устройство управления обычно выполняет серию шагов необходимых для максимально эффективной работы САУ и построена таким образом, чтобы обеспечить высокое быстродействие.

В данной работе необходимо найти алгоритмы работы микроконтроллера для систем управления скоростью и глубиной погружения подводного робота. Найдем сначала алгоритм цифровой реализации устройства управления для системы управления глубиной погружения, которое описывается уравнениями (3.3), (3.4). При этом воспользуемся соотношениями (3.2) и (3.3). Так как в уравнении выхода (3.4) входные величины отсутствуют, то относительный порядок этого регулятора не меньше единицы, т.е. условие (3.4) выполняется.

Корни указанных в выражении (3.2) многочленов, в соответствии с уравнением (3.5) регулятора и (3.8) системы, имеют значения:

,

,

;

,

,

.

Максимальная частота задающего воздействия составляет порядка 0,625 рад/сек. В данном случае возмущения отсутствуют, поэтому частота .

Подставляя указанные значения в формулу (3.81), будем иметь

рад/сек.

Тогда по формуле (3.80) получим

, с. (3.2)

С целью обеспечения некоторого запаса, примем при реализации устройства управление период дискретизации с.

После определения периода дискретизации на основе непрерывных уравнений устройства управление, в рассматриваемом случае это выражения (3.2), (4.3), находятся соотношения для вычисления дискретных значений управления. Проще всего эти соотношения находятся по формулам Эйлера. При этом в случае уравнений вида (2.4), (2.5) проводятся следующие замены:

, , ,

, , . (3.4)

Применяя эти соотношения к уравнениям (3.3), (3.4) с учетом выбранного периода дискретизации с, получим

(3.5)

(3.6)

+0.2()

+0.2()3.7)

Как видно, эти рекуррентные выражения позволяют на основе предыдущих значений переменных состояния , , ошибки системы и управляемой переменной найти значения управления , соответствующие моменту времени , .

Начальные значения переменных состояния , , а также других переменных устройства управление обычно принимаются равными нулю. Значения входных переменных, в данном случае и , при , поступают от датчиков через АЦП, период работы которых равен Т или меньше. Значения переменных состояния , , , как и значения всех коэффициентов в выражениях (3.5), (3.6) или (3.7) берутся из памяти микропроцессора.

Алгоритм для вычисления скорости вычисляется аналогичным способом.

(3.7)

(3.8)

()



4. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СИСТЕМЫ

4.1 Анализ причин возникновения опасных и вредных факторов при проектировании

Под опасностью при проектировании систем следует понимать явления, процессы, объекты, способные в определенных условиях наносить ущерб здоровью человека непосредственно или косвенно, т.е. вызывать нежелательные последствия для его здоровья или самочувствия.

В данном разделе рассматриваются возможные опасные факторы во время проектирования системы и вырабатываются меры по их предупреждению. Известно, что наличие опасности не означает, что несчастье обязательно случится. Для того, что бы оно произошло, необходим ряд условий, среди которых может быть процесс старения материалов, внезапный выход из строя какого-либо элемента или нарушение техники безопасности работы с оборудованием. Таким образом, человек в той или иной мере подвергается риску во время всей своей деятельности.

Отношение числа тех или иных неблагоприятных последствий к их возможному числу за определенный период называется уровнем риска. Значение уровня риска позволяет сделать определенное заключение о целесообразности (или нецелесообразности) дальнейших усилий для повышения безопасности того или иного рода деятельности с учетом экономических, технических и гуманистических соображений. Чтобы повысить безопасность необходимо иметь информацию о процессах, действиях, факторах и т.д. которые могут привести к возникновению опасной ситуации.

При проектировании системы автоматического управления применение ПЭВМ значительно повышает уровень организации труда, упрощает сложные инженерные расчеты, информация о ходе различных технологических процессов становится более наглядной и т.д. Однако, работая непосредственно с ПЭВМ, на человека воздействует масса вредных факторов, ведущих к различным заболеваниям. К таким факторам можно отнести: ультрафиолетовое излучение, электромагнитное излучение; электростатическое поле (ЭСП), возникающее в результате облучения экрана потоком заряженных частиц электронной трубки мягкое рентгеновское излучение; неудовлетворительное освещение и микроклимат.

Известно, что у работающих с компьютером от 2 до 6 часов в сутки функциональные нарушения центральной нервной системы происходят в среднем в 4,6 раза чаще, болезни сердечно-сосудистой системы - в 2 раза чаще, болезни верхних дыхательных путей - в 1,9 раза чаще, болезни опорно-двигательного аппарата - в 3,1 раза чаще. С увеличением продолжительности работы на компьютере соотношения здоровых и больных среди пользователей резко возрастает. Исследования так же показали, что даже при кратковременной работе (45 минут) в организме пользователя под влиянием электромагнитного излучения монитора происходят значительные изменения гормонального состояния и специфические изменения биотоков мозга. Особенно ярко и устойчиво эти эффекты проявляются у женщин.

Уже через два часа после начала работы перед экраном у оператора появляются и быстро усиливаются болезненные симптомы: головная боль; боль в мускулах лица и шеи, позвоночнике; боль в глазах. Эти симптомы, а также подавленность, вялость, депрессия, являются признаками синдрома стресса оператора.

Труд операторов ПЭВМ можно отнести к психофизическим формам труда, так как необходимо воспринимать изображение на экране, постоянно следить за его динамикой, различать тексты рукописных и печатных материалов и многое другое.

Так как работа с компьютером связана с приемом и переработкой информации, то это позволяет причислить работу оператора к разряду работ, требующих преимущественного напряжения сенсорного аппарата, внимания, памяти; активизации процессов мышления. Данный вид труда характеризуется значительным снижением двигательной активности, что приводит к формированию сердечно-сосудистой патологии. Длительная умственная нагрузка угнетает психику, ухудшаются функции внимания, снижается восприятие (появляется большое количество ошибок). Основным показателем умственного труда является его напряженность. Напряженность труда отражает преимущественную нагрузку на центральную нервную систему (ЦНС).

Оператор ПЭВМ проявляет достаточно малую физическую активность, что позволяет рассматривать этот вид работы как статический. Статическая работа связана с фиксацией орудий труда в неподвижном состоянии, а также с приданием человеку вынужденной рабочей позы.

В зависимости от характера деятельности мускулатуры можно выделить два вида статических работ:

1) статическая работа по удержанию орудий труда;

2) статическая работа, направленная на поддержание позы. В данном случае имеет место второй вид.

Следует отметить, что статическая работа утомительнее и однообразнее динамической.

В связи с тем, что длительное поддержание вынужденных и неудобных рабочих поз способствует развитию перенапряжения и патологических состояний опорно-двигательного аппарата, сосудистой системы ног и нижней части корпуса, меры профилактики должны быть комплексными. Они должны включать мероприятия по рационализации рабочих мест и самих рабочих поз, внутрисменных режимов труда и отдыха, занятия различными видами спорта.

К факторам, влияющим на устойчивость человека к монотонии, относятся: характер и условия работы, профессиональная и физическая подготовленность, функциональное состояние человека.

Установлено, что монотонный труд вызывает, прежде всего, изменения функционального состояния ЦНС. Монотонная профессиональная деятельность развивает состояние фрустрации, т.е. неудовлетворенности потребности человека в разнообразной, интересной деятельности. Отрицательные последствия фрустрации: увеличение числа несчастных случаев и профессиональных заболеваний: рост неврозов, снижение производительности труда и его качества.

Существует ряд вредных факторов, которые способствуют развитию, как монотонии, так и различных болезненных ощущений. К этим факторам относятся: освещение, шум, неблагоприятный микроклимат, вредные излучения.

Рассмотрим воздействие различных видов излучений.

Воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения необходимо для нормальной жизнедеятельности человеческого организма и количественно оценивается эритемным действием, т.е. покраснением кожи. Наиболее подвержен действию УФ излучения зрительный анализатор. Но острые и хронические профессиональные поражения могут быть вызваны лишь УФ излучением от производственных источников. На оператора ПЭВМ помимо, УФ действует электромагнитное излучение. Опасность биологического воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на человека зависит от интенсивности поля, длины волны, времени воздействия и исходного, функционального состояния организма. Наиболее чувствительной к воздействию ЭМП является ЦНС, причем чувствительность возрастает с ростом интенсивности ноля. Влияние на кару больших полушарий головного мозга приводит к нарушению ее регулирующих действий и, как следствие, к изменению уровня кровяного давления.

Основными мерами защиты от ЭМП являются: защита временем, защита расстоянием, экранирование источников излучения, уменьшение излучения, экранирование рабочих мест, средства индивидуальной защиты.

Другим вредным воздействием является воздействие ЭСП, характеризуемого напряженностью (Е). Исследования показали, что наиболее чувствительными к ЭСП являются нервная, сердечнососудистая, нейрогуморальная системы организма. Люди жалуются на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др.



4.2 Меры по устранению причин опасных и вредных факторов при проектировании систем

Идеальное положение, в котором можно пребывать и работать в течение всего дня вряд ли существует. Для большинства людей комфортабельным рабочим местом должно быть такое, которое можно приспособить не менее чем для двух позиций, при этом положение кресла монитора и клавиатуры должны каждый раз соответствовать выполняемой работе и привычкам.

Положение тела должно соответствовать направлению взгляда; дисплеи, расположенные слишком низко, являются основными причинами появления сутулости. Расстояние от дисплея до глаз должно быть 60 - 70 см, но не меньше 50 см.

Форма спинки кресла должна повторять форму спины. Необходимо установить кресло на такой высоте, чтобы не чувствовалось давление на копчик или на бедра. Угол между бедрами и позвоночником должен составлять 90^о, однако большинство людей предпочитают сидеть несколько откинувшись. Удобная высота стола особенно важна в том случае, когда на нем располагается клавиатура. Если стол слишком высок, то необходимо поднять повыше кресло.

Быстрая утомляемость глаз, стала одной из наиболее частых жалоб пользователей компьютеров. Для того чтобы защитить свои глаза, необходимо помнить о следующем:

· прежде чем начинать работать на компьютере, необходимо пройти всестороннее обследование у окулиста и регулярно, не менее одного раза в год, посещать врача в последующем;

· терминал не должен быть обращен экраном в сторону окна, если все-таки приходиться сидеть возле окна, то необходимо расположиться под прямым углом к нему;

· специалисты рекомендуют пользователям компьютеров поддерживать освещенность на уровне, составляющем 2/3 от нормальной освещенности служебных помещений;

· стена или какая-либо поверхность позади компьютера должна быть освещена примерно как экран;

· желательно пользоваться специальными фильтрами для экрана.

Рабочие места с ПЭВМ по отношению к световым проемам располагаются так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.

Оконные проемы в помещениях использования ПЭВМ оборудуются регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Требования к мониторам ПЭВМ. Конструкция монитора должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах и в вертикальной плоскости в пределах с фиксацией в заданном положении. Должно также предусматриваться наличие ручек регулировки яркости и контраста, обеспечивающие возможность регулировки этих параметров от минимальных до максимальных значений.

Требования к мониторам четко регламентируются. Наибольшее распространение в мире получили такие стандарты как MPR II , NCO'92, ТСО' 95. У нас в стране действует российский стандарт ГОСТ 27954-88

Основные показатели, которые регламентируют данные стандарты:

· частота кадров;

· уровни шумов в диапазоне сверхнизких и низких частот;

· уровни электромагнитных полей и качество изображения;

Если монитор работает с низком частотой регенерации (частотой кадров ниже 70 Гц), то становится заметным мерцание экрана. Это в лучшем случае вызывает неудобства, я в худшем - приводит к головным болям и переутомлению зрения. Таким обрядом чтобы монитор не утомлял глаз, он должен обеспечивать частоту регенерации не менее 80 Гц при разрешении 1024x768 точек.

Уровни электромагнитных полей, требуемые стандартами
MPR II и ТСО'95 приведены в таблице 4.1, а характеристики мониторов, требуемые по ГОСТ 27954-88, приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.1 Требования, предъявляемые к мониторам европейских стандартов

Диапазон Частот	Требования MPR II (расстояние 0,5 м)	Требования ТСО'95 (расстояние 0,5 м)
Сверхнизкие (5 Гц - 2кГц) Низкие (2 кГц - 400кГц)	Электрическое поле	Электрическое поле
	25 В/м 2,5 В/м	10 В/м 2 В/м
Сверхнизкие (5 Гц - 2кГц) Низкие (2 кГц - 400кГц)	Магнитное поле	Магнитное поле
	250 нТ 25 нТ	200 нТ 25 нТ

Кроме того, данным стандартом не допускается применение взрывоопасных ЭЛТ, регламентируется степень детализации технической документации на мониторы, а так же устанавливаются требования стандартизации и унификации, технологичности, эргономики и технической эстетики, экологической безопасности, технического ремонта и обслуживания, а также надежности.

Кроме того, стандартом допускается лишь определенное расположение мониторов компьютеров по отношению к окнам помещения.



Таблица 4.2Требования, предъявляемые к мониторам российским стандартом

Характеристики монитора	Требования ГОСТ 27954-88
Частота кадров при работе с позитивным контрастом	Не менее 60 Гц
Частота кадров в режиме обработки текста	Не менее 72 Гц
Дрожание элементов изображения	Не более 0,1 мм
Антибликовое покрытие	Обязательно
Допустимый уровень шума	Не более 50 дБ
Мощность дозы рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от экрана при 41-часовой рабочей недели	Не более 0,03 мкР/с

Требования к микроклимату и вентиляции. Микроклимат характеризуется температурой воздуха; относительной влажностью воздуха; скоростью движения воздуха и интенсивностью теплового излучения.

В лаборатории должны существовать оптимальные микроклиматические условия, воздействующие на человека и обеспечивающие сохранение нормального функционального и теплового состояния организма.

Избытки явного тепла характеризуют остаточное количество тепла, поступающего в помещение, когда тепловыделение больше теплопотерь.

В помещениях, в которых ведется работа с мониторами и ПЭВМ обеспечивается оптимальные параметры микроклимата. Для повышения влажности воздуха в помещениях с мониторами ПЭВМ применяются увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой.

Системы отопления и системы кондиционирования следует устанавливать так, чтобы ни теплый, ни холодный воздух не направлялся на людей. Рекомендуется создавать динамический климат с определенными перепадами показателей. Температура воздуха у поверхности пола и на уровне головы не должна отличаться более, чем на 5 градусов. Эффективным средством нормализации воздуха в помещении является вентиляция. В частности, применение кондиционеров, которые автоматически обрабатывают воздух, обеспечивают оптимальные параметры по температуре, влажности и другим БЗФ.

Естественная вентиляция осуществляется через оконные и дверные проемы. Помимо естественной вентиляции предусматривают приточно-вытяжную вентиляцию.

Химический состав воздуха помещений зависит от длительности пребывания в них людей, работы технологического оборудования. Поэтому для обеспечения нужных гигиенических качеств воздуха во всех производственных помещениях предусматривают вентиляцию.

Освещенность. Рациональное освещение рабочего места является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность трудовой деятельности человека, предупреждающих травматизм и профессиональные заболевания. Правильно организованное освещение создает благоприятные условия труда, повышает работоспособность и производительность труда. Освещение на рабочем месте должно быть таким, чтобы работник мог без напряжения зрения выполнять свою работу. Утомляемость органов зрения зависит от ряда причин:

· недостаточность освещенности;

· чрезмерная освещенность;

· неправильное направление света.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям. Используются три вида освещения: естественное (источником является солнце), искусственное, совмещенное (одновременное сочетание естественного и искусственного освещения).

Естественное освещение колеблется по временам года и по часам суток. Непостоянство освещения во времени вызвало необходимость введения отвлеченной единицы измерения естественной освещенности, которая называется коэффициентом естественной освещенности (КЕО).

Искусственное освещение промышленных предприятий осуществляется лампами накаливания и газоразрядными. С помощью соответствующего размещения светильников в объеме рабочего помещения создается система освещения.

Применение только местного освещения не допускается. Общее освещение может быть равномерным или локализованным. Местное освещение предназначено только для освещения рабочей поверхности и может быть стационарным и переносным, для него чаще всего применяются лампы накаливания, так как люминесцентные лампы могут вызвать стробоскопический эффект (своеобразное ощущение раздвоения движущихся и вращающихся предметов вследствие пульсации светового потока).

Для защиты глаз от блеклости светящейся поверхности ламп служит защитный угол светильника - угол, образованный горизонталью от поверхности лампы (края светящейся нити) и линией, проходящей через край арматуры. Эффективность осветительных установок в процессе эксплуатации может снизиться, поэтому необходимы систематический надзор за их состоянием, своевременная очистка арматуры, ламп от пыли, копоти, окраска оборудования, стен, потолка.

4.3 Пожарная безопасность

Одной из наиболее вероятных причин чрезвычайной ситуации при проектировании является пожар. Пожар - неконтролируемое горение вне специально оборудованного очага, наносящее материальный ущерб и создающее опасность для жизни и здоровья людей.

Независимо от причин возникновения возгорания пожарная опасность характеризуется рядом опасных факторов пожара (ОФП). Согласно
ГОСТ 12.1.004-91 установлены следующие ОФП: повышенная температура окружающей среды; пониженная концентрация кислорода; открытое пламя и искры; токсичные продукты горения.

Легко воспламеняемым объектом могут служить строительные материалы для эстетической отделки помещения, вещества и материалы, применяемые в технологическом процессе изготовления системы, изоляция кабелей и монтажных проводов, а также электронные элементы и детали системы. Основной наиболее возможной причиной воспламенения или пожара в помещении является неисправность в электропроводке. Короткое замыкание может возникнуть при неправильной работе или эксплуатации электроустановок, износе или повреждении изоляции. В некоторых сетях токи вызывают искрение и разогревание токоведущих частей до высокой температуры, что может повлечь за собой воспламенение изоляции проводов и находящихся рядом легко возгораемых конструкций и материалов.

Помещение лаборатории, где проводилась работа над проектом, относится к категории "без повышенной опасности". По ГОСТ 12.1.013-81 в таких помещениях для питания электрооборудования и приборов допускается напряжение не выше 220 В. В лаборатории имеется электрощит, защитное заземление. Защита сети от короткого замыкания обеспечивается плавкими предохранителями электроприборов и устройством автоматического отключения. Предусмотрены выключатели для отключения питания всех приборов в лаборатории. В качестве средств пожаротушения используются пожарные краны, находящиеся в коридоре, а также переносной углекислотный огнетушитель типа ОУ-2А, который предназначен для тушения небольших очагов пожара.



4.4 Дерево отказов

Тщательному анализу причин отказов и выработке мероприятий, наиболее эффективных для их устранения, способствует построение дерева отказов и неработоспособных состояний. Такой анализ проводят для каждого периода функционирования, каждой части или системы в целом.

Дерево отказов (аварий, происшествий, последствий, нежелательных событий, несчастных случаев и пр.) лежит в основе логико-вероятностной модели причинно-следственных связей отказов системы с отказами ее элементов и другими событиями (воздействиями); при анализе возникновения отказа состоит из последовательностей и комбинаций нарушений и неисправностей, и таким образом оно представляет собой многоуровневую графологическую структуру причинных взаимосвязей, полученных в результате прослеживания опасных ситуаций в обратном порядке, для того чтобы отыскать возможные причины их возникновения (рис.1).

Ценность дерева отказов заключается в следующем:

-анализ ориентируется на нахождение отказов;

-позволяет показать в явном виде ненадежные места;

- обеспечивается графикой и представляет наглядный материал для той части работников, которые принимают участие в обслуживании системы;

- дает возможность выполнять качественный или количественный анализ надежности системы;

- метод позволяет специалистам поочередно сосредотачиваться на отдельных конкретных отказах системы;

- обеспечивает глубокое представление о поведении системы и проникновение в процесс ее работы;

- являются средством общения специалистов, поскольку они представлены в четкой наглядной форме;

Рисунок 4.1 - Граф дерева отказов

- помогает дедуктивно выявлять отказы;- дает конструкторам, пользователям и руководителям возможность наглядного обоснования конструктивных изменений или установления степени соответствия конструкции системы заданным требованиям и анализа компромиссных решений;- облегчает анализ надежности сложных систем. Главное преимущество дерева отказов (по сравнению с другими методами) заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов системы и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы или аварии.

Недостатки дерева отказов состоят в следующем:

- реализация метода требует значительных затрат средств и времени;

- дерево отказов представляет собой схему булевой логики, на которой показывают только два состояния: рабочее и отказавшее;

- трудно учесть состояние частичного отказа элементов, поскольку при использовании метода, как правило, считают, что система находится либо в исправном состоянии, либо в состоянии отказа;

- трудности в общем случае аналитического решения для деревьев, содержащие резервные узлы и восстанавливаемые узлы с приоритетами, не говоря уже о тех значительных усилиях, которые требуются для охвата всех видов множественных отказов;- требует от специалистов по надежности глубокого понимания системы и конкретного рассмотрения каждый раз только одного определенного отказа;- дерево отказов описывает систему в определенный момент времени (обычно в установившемся режиме), и последовательности событий могут быть показаны с большим трудом, иногда это оказывается невозможным. Это справедливо для систем, имеющих сложные контуры регулирования чтобы отыскать и наглядно представить причинную взаимосвязь с помощью дерева отказов, необходимы элементарные блоки, подразделяющие и связывающие большое число событий. Имеется два типа блоков: логические символы (знаки) и символы событий.

Логические символы. Логические символы (знаки) связывают события в соответствии с их причинными взаимосвязями. Обозначения логических знаков приведены в табл.1. Логический символ (знак) может иметь один или несколько входов, но только один выход, или выходное событие.

Логический знак "И" (схема совпадения). Выходное событие логического знака "И" наступает в том случае, если все входные события появляются одновременно.

Правило формулирования событий. События, входные по отношению к операции "И", должны формулироваться так, чтобы второе было условным по отношению к первому, третье условным по отношению к первому и второму, а последнее - условным ко всем предыдущим. Кроме того, по крайней мере, одно из событий должно быть связано с появлением выходного события. Талица для построения дерева отказов имеет вид:



Таблица 4.3 Логические символы

Ниже описываются некоторые эвристические правила, используемые для построения дерева отказов согласно которым следует:

1. Заменять абстрактные события менее абстрактными, например событие "электродвигатель работает слишком долго" на событие "ток через электродвигатель протекает слишком долго

2. Разделять события на более элементарные, например событие "взрыв бака" заменять на событие "взрыв за счет переполнения" или "взрыв в результате реакции, вышедшей из-под контроля".

3. Точно определять причины событий, например событие "вышедшее из-под контроля" заменять на событие "избыточная подача" или "прекращение охлаждения".

4. Связывать инициирующие события с событием типа "отсутствие защитных действий", например событие "перегрев" заменять на событие "отсутствие охлаждения" в сочетании с событием "нет выключения системы".

5. Отыскивать совместно действующие причины событий, например событие "пожар" заменять на два события "утечка горючей жидкости" и "искрение реле".

6. Точно указывать место отказа элемента, например событие "нет напряжения на электродвигателе" заменять на событие "нет тока в кабеле"; другой пример: событие "нет охлаждающей жидкости" заменять на событие "главный клапан закрыт" в сочетании с событием "нет открытия отводного клапана".

7. Детально разрабатывать отказы элементов в соответствии со схемой, приведенной на рис.11. Прослеживая события в обратном направлении в поисках более элементарных событий, обычно можно обнаружить отказы отдельных элементов. Эти события, в свою очередь, могут быть разработаны по схеме, показанной на рис.11.

Если событие, заключенное в прямоугольнике, может быть детально разработано по схеме, показанной на рис.11, то его называют "состояние элемента". В противном случае событие называют "состояние системы". Для события "состояние системы" нельзя выделить определенный элемент, который является единственной причиной данного события. Сразу несколько элементов или даже отдельные подсистемы определяют это событие. Такие события следует разрабатывать, руководствуясь первыми шестью правилами, до тех пор, пока не выявятся события "состояние элемента".

8. Упрощать дерево отказов как в процессе его построения, так и после того, как оно построено путем упрощения ветвей, имеющих нулевую или очень высокую вероятность появления событий



Рисунок 4.2 - Дерево отказов

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ

5.1 Маркетинговое исследование рыночных перспектив разработки

Исследование спроса. В данной работе разработан регулятор, который обеспечивает устойчивость подводного робота. С учётом научно-технического прогресса (НТП) и проистекающего из НТП постоянного обновления технической базы, возникает потребность применения все более эффективных регуляторов. Это позволяет обеспечить высокую надежность оборудования и длительный срок службы систем управления. Требования, предъявляемые к проектируемой системе, формулируются с помощью некоторых показателей качества, таких как: быстродействие, надежность, а также устойчивость, стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации системы.

До начала производства продукта необходимо знать, существует ли спрос на продукты подобного вида. Если спрос отсутствует, то бессмысленно ориентировать этот продукт на этот рынок, следует заняться более перспективными разработками.

Удовлетворить потребности потребителей - непростая задача. Прежде всего, следует хорошо изучить рынок, т.е. ответить на следующие вопросы применительно к конкретному продукту: кто покупает такого рода изделия, в каком количестве, по какой цене, с какой целью, для удовлетворения каких потребностей, каково географическое распределение спроса. Для ответов на все эти вопросы обычно проводят маркетинговые исследования. Изучить потребности всех покупателей продукта не представляется возможным. Целесообразно найти тот сегмент потребителей, который обеспечит основной сбыт. Для этого используют сегментирование потребителей (также называемое сегментированием рынка). Суть сегментирования состоит в том, что необходимо поделить потребителей на отдельные группы (сегменты), обладающие одинаковой реакцией на действия маркетингового характера. Сегментирование может проводиться по целому ряду различных признаков. В данном случае будем использовать географический принцип сегментирования рынка.

Оценка конкурентоспособности. Успех в конкурентной борьбе в большей степени определяется тем, насколько удачно выбран тип конкурентного поведения организации и насколько умело он реализуется на практике. Конкурентоспособность изделия - это его способность демонстрировать результаты, сравнимые с результатами изделий, выполняющих аналогичные функции. При этом конкуренцию составляют не только изделия той же технологически-конструктивной группы, но и любой товар, выполняющий аналогичные функции. Конкурентоспособность определяется многими факторами. Одни факторы определяют характеристики самого продукта, другие зависят от темпов технического развития товарной группы, к которой относится изделие, третьи - от рыночной конъюнктуры. Следует учесть, что промышленные предприятия могут быть не только потенциальными покупателями, но и потенциальными конкурентами. Обозначим примерное количество конкурентов символом М.

Подход к ценообразованию. Цена остается важным показателем, несмотря на повышение роли неценовых факторов в процессе современного маркетинга. Цена, если она правильно определена, окажет решающее воздействие на процесс покупки товара.

Основными факторами, влияющими на назначение цены, являются: а) уровень издержек производства; б) степень конкуренции на рынке; в) вид товара (штучный, массовый и т.д.); г) соотношение спроса и предложения на рынке. В задачи ценообразования входит обеспечение необходимого объема реализации, достаточного для выполнения основных целей компании. Существуют три основные вида ценообразования для определения "базового" уровня цен на продукцию компании: а) с учетом издержек производства (постоянные и переменные издержки плюс наценка); б) на основе цен конкурентов (на уровне цен конкурентов, ниже, выше их цен); в) на основе платежеспособного спроса потребителей. На практике широко используется также сочетание указанных видов ценообразования.

Подводный робот - продукт, представляющий собой продукцию единичного потребления. Исходя из этого, определяется стратегия ценообразования - ценообразование по эффективности товара (фирма устанавливает цены с учетом достижения этой цели, а также из технических показателей.

5.2 Выбор аналога

В качестве аналога может быть выбрано любое устройство, работающее аналогично представленному. В данном проекте в качестве такого устройства выбран аналогичный регулятор, но не робастный, а на основе типовых законов управления. Проведём сравнение разработанного регулятора и регулятора, являющегося базой сравнения:

-точность: у разработанной системы точность ниже;

-требуемые ресурсы: примерно одинаковые;

-быстродействие: в разработанной системе длительность переходного процесса больше

-надежность: у разработанной системы универсальность значительно выше.

Расчет интегрального технического показателя качества. Составим таблицу критериев качества и найдем интегральный показатель качества методом экспертных оценок.



Таблица 5.1 Оценка критериев качества

Параметры	Весовой коэффициент важности,	Новая разработка,	База сравнения,
		Число баллов,	Значи- мость,	Число баллов,	Значи- мость,
Быстродействие	0.2	1	0.2	0.6	0.12
Точность	0.55	1	0.55	0.6	0.33
Надежность	0.13	1	0.13	1	0.13
Кол-во регулируемых параметров	0.08	1	0.08	0.9	0.072
Наименьший вес	0.04	1	0.04	0.7	0.028
			1=1		2= 0.68

Таким образом, исходя из значений параметров, приведенных в таблице, можно рассчитать величину интегрального показателя качества.

Интегральный показатель качества:

,

.

Можно заключить, что новая разработка в 1.43 раза лучше выбранной базы сравнения.

5.3 Расчет затрат на этапе проектирования

Под проектированием будем понимать совокупность работ, которые необходимо выполнить, чтобы разработать систему, решив поставленную задачу. Для расчета затрат на этапе проектирования необходимо определить продолжительность каждой работы (начиная с составления технического задания (ТЗ) и до оформления документации включительно). Продолжительность работ определяется либо по нормативам (при этом пользуются специальными справочниками), либо рассчитывают их по экспертным оценкам по формуле

, (5.1)

где - ожидаемая длительность работы;

и - наименьшая и наибольшая длительности работ, соответственно. Расчеты длительностей работ на этапе проектирования по формуле (5.1) сведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2 Длительность работ на этапе проектирования

№	Наименование работы	Длительность работы, дн.
i
1	Разработка ТЗ	1	2	1
2	Анализ ТЗ и работа с источниками	14	21	17
3	Составление плана работ	1	1	1
4	Построение математических моделей	7	10	9
5	Разработка алгоритмов	20	28	24
6	Синтез регулятора	10	14	12
7	Моделирование системы	10	14	12
8	Оформление пояснительной записки	12	18	15

Длительность всего этапа проектирования составляет ровно 14 недель, отведенных на этап проектирования, т. е. длительность этапа проектирования (день).



Рисунок. 5.1 - Линейный график работ по проектированию системы

Капитальные затраты на этапе проектирования рассчитываются по формуле:

где

- затраты времени на разработку алгоритма работником i-ой категории, чел./дн;

- средняя дневная заработная плата работника i-ой категории, руб./дн, руб/день (11000 руб/месяц);

- количество работников i-ой категории, ;

- коэффициент дополнительной заработной платы, ;

- коэффициент, учитывающий начисления на заработную плату, ;

- коэффициент затрат на накладные расходы, ;

- коэффициент рентабельности, учитывающий прибыль предприятия;

- машинное время, необходимое для тестирования алгоритма;

- эксплуатационные расходы, приходящиеся на один час машинного времени, руб/ч.

Таким образом, капитальные затраты на этапе проектирования составят

руб.

Определение показателей эффективности. Применение разработанного регулятора позволяет автоматизировать процесс управления подводным роботом. Дополнительные капитальные вложения (руб/потребителя), связанные с внедрением разработанного продукта, определяются по формуле

, (5.2)

где

- капитальные вложения в ЭВМ, руб.;

- полезный годовой фонд времени ЭВМ (за вычетом простоев в ремонте), = 1960 ч/год;

- машинное время, используемое потребителем для тех задач, которые он решает с помощью разработанного алгоритма,

машино-ч/год (25% общего машинного времени);

По формуле (5.2) находим

руб.

Расчет и сопоставление эксплуатационных расходов. Расходы, связанные с функционированием регулятора, определяются по формуле: