Министерство  Общего и Профессионального Образования

Российской  Федерации.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический  факультет

Специализация медицинская физика 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

РАЗРАБОТКА  ПРОГРАМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ  СИСТЕМЫ ПИД ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                 

Работу выполнил:

Студент 3-его курса 633 гр.

Гафиятуллин Н. М.

Научный руководитель:

 

м.н.с. КФТИ КазНЦ РАН Биктимиров Э.Ф.

                                                                                        
 
 
 
 

Казань, 2006 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………………3

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР………………………………..……………..5

 ЗАКОНЫ  РЕГУЛИРОВАНИЯ.……………………………………………………..…5

   П- РЕГУЛЯТОРЫ……………………………………………………………………6

   ПИ- РЕГУЛЯТОРЫ………………………………………………………………….7

   ПИД- РЕГУЛЯТОРЫ………………………………………………………………...7

 ИНТЕРФЕЙС I2C(TWI)……………………………………………………………….9

   ФОРМАТ  ПОСЫЛКИ ПЕРЕДАВАЕМЫХ ДАННЫХ………………………………..10

     Условия СТАРТа и СТОПа……………………………………………………….10

     Формат  адресного пакета………………………………………………………...10

     Формат  пакета данных…………………………………………………………...11

 ФОРМИРОВАНИЕ  ШИМ СИГНАЛА……………………………………………….11

   РЕЖИМ БЫСТРОЙ ШИМ……………………………………………………...…..12

Г л а в а  I I.ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ………………………………...14

 АЛГОРИТМЫ ЦИФРОВОГО ПИД  РЕГУЛИРОВАНИЯ……………………………14

 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО  РЕГУЛИРОВАНИЯ……………………………14

 ПРОГРАМНОЕ  ОБЕСПЕЧЕНИЕ……………………………………………………15

 ОСНОВНЫЕ  РЕГИСТРЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА………………………………...15

   ОПИСАНИЕ  РЕГИСТРОВ TWI……………………………………………………..16

   ОПИСАНИЕ  РЕГИСТРОВ 8-РАЗРЯДНОГО ТАЙМЕРА- СЧЕТЧИКА 0……………...17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………….22

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………..28

ВВЕДЕНИЕ

 

    Магнитно-резонансная  томография за последние 10 лет стала  одним из ведущих методов неинвазивной диагностики. В мире в настоящее время установлено около 15000 магнитно- резонансных томографов. Миллионы пациентов прошли обследования на этих приборах и, в большинстве случаев, врачами были получены уникальные диагностические данные для установления точного диагноза. Метод МРТ продолжает интенсивно развиваться. Результаты получаемые на современных приборах значительно превосходят по качеству, то, что можно было получить раньше.

    При использовании томографов с высокой  и средней напряженности поля (0.5- 1.5 Тл) широко используются динамические программы для функционального исследования сердца и сосудов. Аппараты с большей напряженностью магнитного поля, начиная с 1.5 Тл, дополнительно к МРТ выполняют программы спектроскопии, что позволяет изучать химический состав тканей и процессы метаболизма.

    Если  на первых порах основное клиническое  применение ограничивалось клиникой неврологических  болезней, то в настоящее время  все больше исследований проводится пациентам с заболеваниями опорно- двигательного аппарата, сердца и  крупных сосудов, органов малого таза, молочных желез и ЛОР- органов. Достигнуты определенные успехи в изучении состояния органов брюшной полости и забрюшинного пространства.

    Ежегодно  обновляются и усовершенствуются  как аппаратные средства, так и  математическое обеспечение магнитно- резонансных томографов. Усовершенствуются методики получения и обработки изображения, разрабатываются парамагнитные контрастные вещества для МРТ.

    В КФТИ активно ведется развитие данного  направления и уже достигнуты определенные успехи. Лаборатория ЯМР томографии является основным поставщиком томографов для больниц Татарстана. Так же конечно идет постоянное улучшение и совершенствование различных технологий и устройств.

    Мне же было предложено заняться задачей  термостабилизации усилителя обратной связи томографа «МРТ-0.06-КФТИ». Если конкретней, то разработать программное обеспечение для системы ПИД- термостабилизации. Эту задачу я решил взять за основу своей курсовой работы.

    Цели  работы:

 

1. Провести  обзор по законам регулирования.
2. Освоить язык С и основы программирования микроконтроллера.
3. Освоить методику вычисления коэффициентов для закона ПИД- регулирования.
4. Написать программу для микроконтроллера Atmega16, контролирующую процесс термостабилизации.

Г л а в а  I

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

    ЗАКОНЫ  РЕГУЛИРОВАНИЯ

    В системах автоматического регулирования  поддержание заданного значения регулируемого параметра или  изменение его по определенному  закону обеспечивается аппаратурными  средствами, имеющие общее название – автоматические регуляторы.

    По  виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения, расхода, состава и т. п.

    По  характеру изменения регулирующего  воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными законами регулирования.

    Примером  регуляторов с нелинейным законом  регулирования могут служить  двухпозиционные регуляторы температуры  в холодильных машинах. В трехпозиционных  дискретных системах выходной сигнал может принимать три значения: –1, 0, +1, т.е. “меньше”, “норма”, больше”. Качество работы таких САР выше, хотя их надежность ниже.

    Регуляторы  с линейным законом регулирования  по математической зависимости между  входными и выходными сигналами  подразделяются на следующие основные виды:

• пропорциональные (П-регуляторы);
• пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы);
• пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-регуляторы).

   Для описания  систем  автоматического  регулирования обычно используется следующая структурная схема:

                 

   Обобщенная  структурная схема САР.  
U  -  уставка (программно задаваемая величина); X  -  контролируемая величина (состояние объекта); E  -  невязка; Y  -  управляющий сигнал; G  -  внешние возмущения; П  -  программный задатчик (в частном случае оператор). 

    В процессе работы САР сравнивает текущее значение измеряемой величины Х с заданием U (уставкой) и устраняет рассогласование Е =U-X (невязку). Возмущающие воздействия G также устраняются регулятором. Например, при регулировании температуры в печи, уставкой U является требуемая температура воздуха, контролируемой величиной X - текущая температура, невязкой E является их разница, управляющей величиной Y является напряжение на теплонагревательном элементе.

П- РЕГУЛЯТОРЫ

    На  рисунке 1 показана линейная статическая Y(U-X) характеристика пропорционального регулятора.

 
рис.1

        
Если входная  Е = U-X (невязка) и выходная  величина сигнала регулятора Y связаны простым соотношением Y=K·(U-X), такой регулятор называется пропорциональным. Естественно, что линейный участок статической характеристики не бесконечен (рис.1), он ограничен максимально возможным значением выходной величины: Ymax.  Например, при регулировании температуры воды в баке: Х - температура воды; U - заданное значение требуемой температуры;  Y - выходной сигнал регулятора (мощность нагревателя, Вт); Ymax, например, 750 Вт. Если при максимальной мощности величина Е = 75оС, то К = 0,1оС/Вт.

    При очень большом коэффициенте усиления К пропорциональный регулятор вырождается в позиционный с нулевой зоной нечувствительности. При меньшем значении К регулирование происходит без колебаний (см.рис.2).

 
Процесс регулирования  
 П-регулятором при скачкообразном изменении  
задания с 0 до U (разгонная кривая) 

    Отметим, что значение регулируемой величины Х никогда не достигнет задания U. Образуется, так называемая статическая ошибка: d (см.рис.2). Действительно, при приближении температуры воды Х к заданию U постепенно уменьшается подаваемая мощность Y, т.к.  Y=К·(U-X). Но теплота, рассеиваемая в окружающую среду, увеличивается, и равновесие наступит при Y = K·d и d не достигнет 0, т.к. если d будет равно 0, то и Y=0 и Х=0. Таким образом на выходе регулятора устанавливается некоторое значение Y=K·d , которое приводит регулируемую величину Х в состояние отличное от задания. Чем больше К, тем меньше d. Однако при достаточно большом К САР и объект могут перейти в автоколебания. Этот предельный коэффициент усиления определяется соотношением наклона  разгонной кривой R и транспортным запаздыванием to объекта: Kmax = 2/(R·to) (см. рис.4).

ПИ- РЕГУЛЯТОРЫ 

    В ряде случаев, при малом транспортном запаздывании, статическая ошибка находится  в необходимых пределах, поэтому    П-регуляторы находят некоторое применение.  Для устранения статической ошибки  d при формировании  выходной величины Y вводят  интегральную составляющую отклонения от задания: 

    Y= K∙(U - X) + ∫(U - X)/Ti∙dt ,

где Тi - постоянная интегрирования.      

 Таким  образом, чем больше время,  в течение которого величина  Х меньше задания, тем больше интегральная составляющая, тем больше выходной сигнал. Регулятор с таким законом формирования выходного сигнала называется пропорционально-интегральным  ПИ-регулятором.

    В установившемся режиме (d=0) в интеграле содержится величина, которая равна выходной мощности, требуемой для получения необходимой Х. Таким образом  интеграл как бы находит статический коэффициент передачи объекта. Для достижения установившегося режима требуется достаточно большее время. Поэтому ПИ-регулятор можно применять в случае, когда и внешние воздействия достаточно медленные.  
В случае резких изменений внешних и внутренних факторов (например, налили холодной воды в бак или резко изменили задание) ПИ-регулятору требуется время для компенсации этих изменений.