ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ИНЕРЦИОННОГО ОБЪЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА MATLAB SIMULINK
Черных А.А.
Студент; НИ Томский политехнический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВА ИНЕРЦИОННОГО ОБЪЕКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА MATLAB SIMULINK
Аннотация
В данной работе будут проводиться лабораторные испытания по нагреву и охлаждению датчика резистором с выводом информации на ПК в виде графиков с использованием пакета matlab simulink для последующего регулирования его температуры.
Ключевые слова: микроконтроллер, терморезистор, simulink, matlab, АЦП, UART интерфейс, ШИМ.
Chernykh A.A.
Student; Tomsk Polytechnic University
THE INERTIAL OBJECT HEATING RESEARCH WITH MATLAB SIMULINK PACKAGE
Abstract
This article contains the laboratory experiments description aimed to control the sensor temperature while its heating and cooling with the help of resistor. Matlab Simulink package is used to get plots on PC.
Keywords: microcontroller, thermistor, simulink, matlab, ADC, UART interface, PWM.
Реализация аппаратной и программной части макета стенда
Для сборки лабораторного стенда была выбрана следующая элементная база: плата с микроконтроллером Atmega 16, датчик температуры LM35, макетная плата, резистор 5 Ком, резистор 220 Ом, транзистор, соединительные провода, переходник USB – UART.
Собранный стенд (схема) представлен на рисунке 1. Нагрев маломощного резистора осуществляется через транзистор, управляемый МК с порта PD0. Датчик был прикреплен к резистору и место контакта было обработано термопастой. К порту PA0 подключен вывод датчика Lm35 для измерения температуры.
Рис. 1 – Монтаж схемы для отладки ПИД регулятора
Данный сенсор представляют собой интегральный параллельный стабилизатор напряжения с линейной зависимостью напряжения стабилизации от температуры. Описанное свойство позволяет строить схемы, основанные на том, что напряжение пропорционально температуре (1 градус = 10мВ).
Принцип работы стенда
Терморезистор Lm35 принудительно будем нагревать сопротивлением с номиналом 100 Ом и мощностью 0,25 Вт, подавая на него различное напряжение через транзистор, управляемый с порта МК посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Через АЦП микроконтроллера будет считываться сигнал температуры с датчика lm35 и выводиться в терминал на ПК. Для передачи данных в ПК используется интерфейс UART. Передача между ПК и МК осуществляется через переходник USB-UART.
Программное обеспечение для стенда
В моей предыдущей статье “ОРГАНИЗАЦИЯ СОПРЯЖЕНИЯ ДАТЧИКОВ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ С ПК И ДЕМОНСТРАЦИЕЙ В MATLAB” описано сопряжение МК и ПК для проведения лабораторных испытаний[3].
Для вывода информации в ПК с микроконтроллера используется ПО Terminal 1.9b и Matlab 2010. Есть возможность просматривать принимаемые данные с МК в виде графика в реальном времени.
Лабораторные испытания
В результате эксперимента было выявлено, что результаты теории и практики (испытания на макете стенда) существенно отличаются как скоростью нагрева, так и временем выхода в установившийся процесс.
Для построения графиков был применен matlab. Использовались команды:
Также для имитации стенда была построена схема для моделирования нагрева датчика стенда в simulink.
Рис. 2 – Схема регулятора в simulink
Причина таких различий заключается в том, что интервал линейного охлаждения/нагрева очень мал и составил не более 10ти градусов. При незначительных изменениях внешней среде результаты эксперимента могут существенно меняться при прочих равных.
Эксперимент настройки регулятора на основе апериодического звена первого порядка
Апериодическое звено было реализовано формулой с выводом графика и наложением его на график из значений, снятых с эксперимента.
>> step(tf(40.28, [4069 1])+27.4400)
>>
Рис. 3 – Соответствие графиков, построенных по экспериментальным данным и по формуле
Из графика (рис.3) видно, что нагрев происходит по графику апериодического звену первого порядка и совпадает с небольшим отклонением с графиком, построенным по формуле апериодического звена.
Полный процесс нагрева/охлаждения проведенный на лабораторном стенде со скользящим среднем показан на рисунке 4.
Рис. 4 – нагрев и охлаждение термодатчика с выводом на ПК
Литература
- Datasheet на микроконтроллер ATmega16.
- Datasheet на термодатчик Lm3
- Сайт: MathWorks – Центр компетенций [Электронный ресурс]. URL: http://matlab.exponenta.ru/ Режим доступа: свободный (дата обращения: 30.12.2014).
- Черных А.А. “Организация сопряжения датчиков с аналоговым выходом с ПК и демонстрацией в Matlab” международный научно-исследовательский журнал ISSN 2303-9868 №1 (32) 2015 Часть 1.
References
- Datasheet na mikrokontroller ATmega16.
- Datasheet na termodatchik Lm35.
- Sajt: MathWorks – Centr kompetencij [Jelektronnyj resurs]. URL: http://matlab.exponenta.ru/ Rezhim dostupa: svobodnyj (data obrashhenija: 30.12.2014).
- Chernyh A.A. “Organizacija soprjazhenija datchikov s analogovym vyhodom s PK i demonstraciej v Matlab” mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal ISSN 2303-9868 №1 (32) 2015 Chast' 1.