Разработка устройства организации телемеханического канала связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Задание на курсовой проект

2. Сформулировать выводы по работе

3. Описание шаблона модели

Учебно-методическое обеспечение



1. Задание на курсовой проект

1. Разработать устройства организации телемеханического канала связи между пунктом управления и объектом управления, осуществить их настройку и исследовать их характеристики. Для этого:

- синтезировать структурные схемы кодирующего и декодирующего устройства для передачи сообщений по телемеханическому каналу в заданном помехозащищенном коде;

- разработать модели канала связи с возможностью имитации ошибок при передаче данных, а также анализатора, для оценки достоверности передачи данных при наличии ошибок;

- рассчитать корректирующие способности заданного помехозащитного кода и оценить достоверность передачи данных при известной вероятности одиночных искажений символов.

2. Для объекта управления с заданными характеристиками разработать структурную схему системы автоматического регулирования замкнутого типа, осуществить её настройку и анализ качества регулирования. Для этого:

- по кривой разгона определить характеристики объекта управления;

- выбрать тип регулятора и настроить его параметры для обеспечения заданных показателей качества переходного процесса, снять и проанализировать характеристики процесса регулирования.

3. Синтезировать модель передачи уставок параметров технологического процесса по заданной программе и получить график процесса регулирования при отсутствии искажений в канале связи;

4. Сформировать перечень технических характеристик разработанной системы.

2. Сформулировать выводы по работе

Исходные данные для выполнения курсового проекта.

- количество передаваемых уставок по телемеханическому каналу связи - 16;

- в случае обнаружения ошибок в принимаемом сообщении должна использоваться уставка с десятичным номером «0»;

- используемый для передачи сообщений помехозащитный код - модифицированный код Бауэра, режим работы декодирующего устройства - обнаружение и исправление ошибок

- вероятности искажения одиночных символов в канале связи - 0,05;

- характеристики помехозащитных кодов: количество различных сообщений - 16, общее количество символов в сообщении - 8, минимальное кодовое расстояние - 4;

- время моделирования равно 12.8 сек, максимальный шаг моделирования равен 0.01 сек;

- программа изменения уставок заданного параметра технологического процесса - [5555533333222];

- тип регулятора - ПИ;

- типовой переходной процесс с минимумом средней квадратичной ошибки;

- кривая разгона объекта регулирования:

- закон изменения возмущения во времени - линейно возрастающий сигнал с коэффициентом наклона линии 1.



3. Описание шаблона модели

С целью упрощения процесса разработки модели системы автоматического регулирования с передачей уставок по телемеханическому каналу связи, студентам предлагается воспользоваться готовым шаблоном. В шаблоне уже разработана общая структура системы. Также в него уже включены модели отдельных общих для всех вариантов узлов, включая ряд вспомогательных, в состав системы автоматического регулирования не входящих, но необходимых для моделирования и автоматизированного сбора сведений о ее работе. Процесс разработки модели системы автоматического регулирования при использовании данного шаблона заключается в его изучении, анализе и корректном дополнении моделями отдельных не проработанных узлов.

Модель, представленная в шаблоне, является иерархической, построенной в соответствии с системным подходом. Результатом такого подхода является то, что реализация многих элементов модели подчиняется «принципу матрешки», когда элемент обозначен в схеме в общем виде на одном уровне описания, а его реализация раскрыта на других уровнях. Для удобства студента, элементы модели, которые требуется редактировать, а также основные индикаторы выделены цветом и падающей тенью. Для того, чтобы модель заработала необходимо изучить устройство существующих элементов и правильно реализовать структурную схему элементов выделенных цветом и падающей тенью. Общий вид системы автоматического регулирования с передачей уставок по телемеханическому каналу связи представлен на рисунке 1.



Рис. 1. Общий вид системы автоматического регулирования с передачей уставок по телемеханическому каналу связи.

На рисунке следует выделить следующие управляющие элементы и элементы индикации:

- Управляющие элементы:

Programm_Vz - задатчик, в котором должна быть записана программа изменения уставок во времени;

Peredacha - модель передающей стороны системы телемеханики (поста управления);

Line - модель канала связи;

Priyem - модель приемной стороны системы телемеханики (линейного пункта);

Local_SAR - модель локальной системы автоматического регулирования технологического параметра;

Vnesh_vozm - модель внешних возмущений на объект регулирования;

С - генератор тактовых имульсов для автоматического формирования различных ошибок в канале связи;

Kratnost - элемент настройки кратности автоматически подсчитываемых ошибок в канале связи;

- Элементы индикации:

Code_out - индикатор отправляемого передающей стороной в канал связи сообщения в заданном помехозащитном коде;

Code_in - индикатор принятого приемной стороной сообщения в заданном помехозащитном коде;

Result - индикатор подсчитанного количества ошибок заданной элементом Kreatnost кратности в двоичном коде.

OU - осциллограф для отображения процесса регулирования технологического параметра объекта регулирования локальной системой автоматического регулирования.

Примечание: элементы Peredacha, Priyem, Line, Local_SAR являются блоками, внутренняя реализация которых рассматривается далее. Блоки моделируются элементом Subsystem из панели обозревателя элементов САР среды Simulink.

Взаимодействие элементов модели на данном уровне рассмотрения заключается в следующем. В различные моменты времени находящийся на посту управления программный задатчик Programm_Vz формирует соответствующие требуемые значения регулируемого технологического параметра Vz. Также размещенный на посту управления блок Peredacha из требуемого значения технологического параметра формирует сообщение в заданном помехозащитном коде для передачи удаленному объекту управления по линии связи, в которой возможны случайные искажения отдельных символов. Моделируемая блоком Line Линия связи в рамках учебной задачи имеет топологию «точка-точка», то есть подразумевает постоянное монопольное использование её постом управления и одним удаленным пунктом, где размещен объект управления. Кроме того, для удобства моделирования данные передаются параллельным кодом. В процессе передачи сообщения по каналу связи в нем с некоторыми вероятностями могут исказиться отдельные группы символов (разрядов) от одного, до всех, либо с другой вероятностью сообщение может быть доставлено на удаленный пункт неискаженным. Для удобства изучения влияния искажений на передаваемые сообщения модель линии связи предоставляет возможность детерминированного формирования и перебора всех возможных искажений, которые осуществляются над передаваемым сообщением по сигналам тактового генератора С с периодом 0.1 сек, что позволяет за время моделирования 12.8 сек перечислить все возможные искажения 8-разрядного двоичного числа.

Блок Priyem - представляет собой телемеханическое оборудование, размещенное на удаленном объекте, предназначенное для приема и анализа сообщений из линии связи. Используя в качестве входных сигналов поступающие из канала связи сообщения в заданном помехозащитном коде, блок Priyem должен выполнить обратное преобразование по отношению к тому, что выполняет блок Peredacha, то есть декодировать сообщение и определить сопоставленную ему уставку. Вычисленное значение уставки подается на один из входов локальной системы автоматического регулирования Local_SAR на другой вход которой подаются внешние возмущения Vnesh_vozm, моделирующие влияние окружающей среды на объект регулирования. Результаты работы локальной системы автоматического регулирования в условиях влияния окружающей среды и изменения величин уставок, передаваемых по линии связи отображаются на индикаторе ОU.

Кроме того, в модели присутствует дополнительный индикатор Result, который служит для отображения в виде эпюр процесса подсчета необнаруженных трансформаций уставок вследствие искажений различной кратности передаваемых по линии связи сообщений. Кратность подсчитываемых и отображаемых индикатором Result ошибок, приведших к необнаруженным трансформациям передаваемых по линии связи сообщений, задается блоком Kratnost.

Далее приведем описание блока Peredacha. Модель блока представлена на рисунке:



Рис. 2. Модель блока Peredacha.

Блок Peredacha представляет собой модель поста телеуправления.

Состав блока:

Commands (1 of N) - дешифратор команд. Входным сигналом дешифратора является десятичное число в диапазоне от 1 до 15. Выходной сигнал элемента представлен в коде 1 из N, где N - шестнадцатеричный номер команды. Дешифратор команд позволяет определить текущую команду, формируемую задатчиком, за счет того, что он осуществляет перевод десятичного числа на входе в диапазоне от 0 до 15 в код «1 из N» (распределяет разные входные сигналы по различным выходам). Код «1 из N» означает, что только на одном выходе дешифратора, шестнадцатеричный эквивалент которого соответствует текущему значению входного сигнала, присутствует логическая единица, а на остальных выходах присутствует ноль. Таким образом, при подаче на вход дешифратора числа 1, логическая единица появится на выходе 1, при подаче на вход числа 15 - на F.

Coder 2^n - кодер обыкновенного двоичного кода. Преобразует код «1 из N» в код «2^n» (обыкновенный двоичный код). Данный кодер формирует информационную часть разделимого кода, которая, по сути, представляет двоичный код номера передаваемой команды. Например, если логическая единица подается на вход под номером 1, то выходной двоичный сигнал кодера будет иметь вид k3k2k1k0=0001, если логическая единица подается на вход 9, то - 1001 и т.д.

Coder_izb_code - кодер контрольной части разделимого кода. Кодер контрольной части доопределяет по заданному правилу значения контрольных разрядов, исходя из текущих значений информационных на выходе кодера обыкновенного двоичного кода.

Кроме управляющих элементов на схеме приведены индикаторы, для контроля правильности работы управляющих элементов. Индикаторы применять необязательно.

Работа модели происходит следующим образом. Сигнал из задатчика в виде десятичного числа поступает на вход Programm_Vz, а оттуда в дешифратор команд. Дешифратор команд формирует на одном из выходов логическую единицу, сохраняя на остальных значение логического нуля. При разных значениях сигнала на входе логическая единица будет формироваться на разных выходах. Всего выходов 15, поэтому дешифратор команд может сформировать 15 различных команд. Выходные сигналы дешифратора команд поступают на входы кодера обыкновенного двоичного кода, который переводит номер своего входа с логической единицей в четырехразрядный двоичный эквивалент, формируя, таким образом, информационную часть сообщения для передачи её по линии связи. Помимо линии связи выходные сигналы декодера обыкновенного кода поступают на соответствующие входы кодера избыточного кода с целью вычисления последним значений контрольных разрядов. Совокупность сформированных кодером обыкновенного кода информационных разрядов и кодером избыточного кода контрольных отправляется в линию связи в соответствии с форматом сообщения (позицией каждого контрольного и информационного разряда в сообщении).

Студент в данной модели должен разработать структуру блока Coder_izb_code в соответствии с вариантом избыточного кода, используемого для передачи сообщений, остальные элементы модели включены в шаблон. Прежде чем разрабатывать модель блока Coder_izb_code следует изучить устройство остальных элементов модели.

На рисунке 3 представлена модель дешифратора команд.



На рисунке 4 приведена реализация кодера обыкновенного кода 2^n.

Рис. 3. Модель дешифратора, Реализация кодера обыкновенного команд. кода.

Все используемые элементы представляют собой устройства сравнения с различными константами. Константы характеризуют значения уставок при которых на соответствующем выходе формируется логическая единица. Элемент сравнения формирует логическую единицу только при совпадении входного сигнала со значением записанной в него константы.

В соответствии с указанной формулой для 8-миразрядного кода запишем выражения для определения значения разрядов его контрольной части, аналитические выражения для определения значений синдрома декодирующим устройством для данного кода имеют вид:



Рис. 5 Модель кодера инверсного кода.

В случае правильного приема кодовой комбинации значения разрядов синдрома должны иметь нулевые значения: i0=i1=i2=i3=0. Наличие единичных значений синдрома свидетельствует о наличии ошибок: единичное значение только в одном из синдромов - ошибка в соответствующем контрольном разряде, который присутствует в уравнении разряда синдрома с единичным значением; три единичных значения - ошибка в соответствующим информационном разряде, который не присутствует в уравнении разряда синдрома с нулевым значением; два или четыре единичных значений в синдроме - ошибка в двух и более разрядах.

Рис. 6 Модель линии связи с искажениями.

CD - двоичный восьмиразрядный счетчик для моделирования искажений различной кратности;

Элементы XOR - каждый элемент в зависимости от управляющего сигнала, поступающего с соответствующего выхода счетчика инвертирует, либо повторяет входной сигнал на своем выходе. Таким образом, элементы XOR позволяют вносить различные искажения в передаваемые по линии связи сообщения. Кратность искажения определяется количеством логических единиц на выходах счетчика CD.

Error_counter - счетчик с выходным сигналом в виде десятичного числа, показывающего кратность внесенной в передаваемое сообщение ошибки.

Рис. 7 Модель счетчика кратности ошибок Error_counter.

Int8 - элемент, преобразующий двоичные единицу и ноль в десятичные.

Рис. 8 Модель счетчика CD.

D Flip-flop - D-триггеры. В счетчике D-триггеры включены по схеме счетных триггеров для подсчета в двоичном коде количества поступающих на вход счетчика импульсов от генератора ошибок С (рис.1)



Рис. 9 Модель блока Priyem.

Decoder_izb_code - декодер избыточного кода.

Ключ rezhim - переключатель режимов работы декодера обнаружение/исправление ошибок.

Correction_block - схема коррекции информационных разрядов принятого сообщения в заданном помехозащитном коде.

Keys - схема распознавания одиночных и двойных ошибок.

Analyzer - автоматический двоичный счетчик ошибок заданной кратности. кодирующий телемеханический помехозащищенный связь

DC- дешифратор принятых команд.

Рис. 10 Модель блока Decoder_inverse_code.



Рис. 11 Модель блока коррекции одиночных ошибок в информационных разрядах сообщения

Элемент OR - формирует сигнал уведомления о срабатывании схемы коррекции (далее сигнал не используется, поэтому элемент использовать необязательно).

Рис. 12 Модель блока Keys.

Рис. 13. Модель дешифратора принятых команд.

Дешифратор преобразует принятый двоичный код в десятичное число.



Рис. 14 Модель блока счетчика ошибок различной кратности Analyzer.

Анализатор осуществляет поразрядное сравнение передаваемых информационных разрядов и принятых (контрольные не учитываются) и подсчитывает в двоичном коде количество необнаруженных трансформаций заданной элементом Kratnost (рис. 1) кратности. Двоичный код отображается на индикаторе.

Рис. 15 Модель блока Local_SAR.

Regulator - модель регулятора.

Object_upravleniya - модель объекта регулирования.

По кривой разгона определяем характеристики объекта управления.

Хст = 1
Yст = 2
К= 2

Для регулятора типа ПИ с минимумом средней квадратичной ошибки:

K_p =

T_up = T_o,

где K_p - статический коэффициент передачи регулятора;

T_up- время изодрома регулятора;

K_o, T_o, ф_o - статический коэффициент передачи, замедление отклика и постоянная времени объекта регулирования соответственно.

K_p = = 0,75

T_up = 0,12

Пусть q - вероятность искажения одного разряда (одного элемента кода), а P, Q - вероятности правильного и не правильного приема кодового слова, тогда:

P = = = 0,663

Q = 1 - P = 1 - 0,663 = 0,337

Q = n • q = 8 • 0,05 = 0,4

Вывод: Вероятность возникновения ошибки при передачи сообщения обыкновенным кодом линейно возрастает с увеличением длины кода. Таким образом, чем больше информации необходимо передать, тем менее надежно она передается.

Рис. 16 Модель регулятора regulator.

В качестве примера приведена модель ПИ-регулятора.

Рис. 17 Модель объекта регулирования.

Отобразим на осцилограмах основные шаги в получении кодовой комбинации на выходе:

1) Показания осциллографа Code_Out .

2) Показания осциллографа Code_In .

3) Показания осциллографа OU при включенном ключе rezhim .

4) Показания осциллографа OU при выключенном ключе rezhim .

Показания осциллографа Code_Out:

Показания осциллографа Code_In :

Показания осциллографа OU при включенном ключе rezhim :



Показания осциллографа OU при выключенном ключе rezhim :



Учебно-методическое обеспечение

1. Шалягин Д.В., Цыбуля Н.А., Косенко С.С. и др. Устройства автоматики, телемеханики и связи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп.; в 2 ч. - М.: Маршрут, 2006

2. Шалягин Д.В., Цыбуля Н.А., Боровков Ю.Г. Автоматика, телемеханика и связь: Уч. пос. Ч.1. Автоматика и телемеханика. - М.:РГОТУПС, 2003.

3. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теория дискретных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 2001.

4. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1995

5. Инструкция: Типы регуляторов. Методика настройки регуляторов. КП Микрол - Ивано-Франковск: 2011.

Размещено на Allbest.ru