Лабораторный практикум по курсу «Управление в плазменных установка

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
А.М. Зимин, С.Е. Кривицкий, В.И. Тройнов 
 
Лабораторный практикум по курсу 
«Управление в плазменных установках» 
 Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по университетскому политехническому 
образованию в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки 16.04.02  
«Высокотехнологические плазменные и энергетические установки 
(уровень магистратуры)» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 533.9:004 
ББК 22.333 
 
З-62 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/101/book1335.html 
Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Плазменные энергетические установки» 
 
Рецензенты: 
 канд. техн. наук Ю.Н. Жигулевцев 
канд. техн. наук В.Б. Пясецкий 
 
Зимин, А. М. 
З-62  
Лабораторный практикум по курсу «Управление в плазменных установках» : учебное пособие / А. М. Зимин, 
С. Е. Кривицкий, В. И. Тройнов. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 91, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4277-5 
Настоящее учебное пособие является руководством к проведению лабораторного практикума по различным разделам дисциплины «Управление в плазменных установках». Приведены краткие 
теоретические положения, описание используемой аппаратуры и 
методические материалы, необходимые для выполнения лабораторных работ. 
Для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 
«Высокотехнологичные плазменные и энергетические установки». 
 
  УДК 533.9:004 
  ББК 22.333 
 
 
 
 
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4277-5 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
2 

Предисловие 
В учебном пособии изложены методические материалы для 
проведения лабораторных работ, связанных с регистрацией параметров плазмы, цифровой обработкой полученных сигналов, а 
также с организацией управляющих систем с обратными связями.  
Рассмотрены критерии оценки начального уровня подготовки 
студентов и уровня освоения учебного материала, изложенного в 
настоящем пособии (как теоретического, так и практического). По 
ряду лабораторных работ приведены вопросы для самоконтроля, а в 
цикле лабораторных работ с удаленным доступом к экспериментальному оборудованию описаны подсистемы обучения и контроля 
знаний, размещенные на круглосуточном сайте. При этом обязательной для выполнения является только одна лабораторная работа, 
а остальные — факультативные — имеют повышенный уровень 
сложности и могут быть не только выполнены в рамках расширенного практикума, но и включены в качестве раздела в курсовую 
научно-исследовательскую работу или дипломный проект.  
Учебное пособие содержит четыре раздела.  
Раздел 1 посвящен лабораторным работам, в ходе выполнения 
которых исследуются различные типы устройств сопряжения экспериментальной установки с ЭВМ. В разделе 2 представлена лабораторная работа по цифровой обработке сигналов. Раздел 3 посвящен лабораторным работам на автоматизированных диагностических спектральных комплексах с удаленным доступом. В разделе 4 
рассмотрены системы с обратными связями и, в частности, приводится описание лабораторной работы по системе управления динамическим вакуумом, важной для большинства плазменных 
установок. 
Авторы 
считают 
своим 
приятным 
долгом 
выразить 
благодарность доценту О.С. Козлову за неоценимую помощь в 
создании лабораторного практикума по цифровой обработке 
сигналов, а также по управлению динамическим вакуумом в 
камере плазменной установки с использованием программного 
комплекса «МВТУ». 
3 

Введение 
Плазменные устройства находят все более широкое применение как в научных исследованиях, так и в различных промышленных установках. Эти устройства имеют ряд особенностей, которые 
необходимо учитывать при создании систем автоматического регулирования или прецизионной стабилизации параметров в силу 
специфического поведения исследуемой высокотемпературной 
среды [1, 2].  
Плазма как четвертое состояние вещества имеет очень широкие 
диапазоны изменения параметров. Ее температура может составлять 
104…108 К, концентрация заряженных частиц 1016…1025 м–3 и более, 
степень ионизации 10–3…1. Такие значения очень сложно измерить 
(для этого необходим набор экспериментальных методов исследования параметров плазмы, рассчитанных на различные условия),  
а используемые способы диагностики, как правило, являются 
бесконтактными, чтобы исключить влияние на протекающие в 
плазме процессы. При измерении параметров плазмы для надежного регулирования процессов необходимо обеспечить высокую 
точность регистрации.  
Характерное время изменения процессов в плазме составляет 
от наносекунд до десятых долей секунды, поэтому для создания 
систем регулирования параметров плазменных устройств необходимы очень мощные исполнительные устройства, чтобы повлиять 
на изменение процессов в нужном направлении или обеспечить их 
стабилизацию.  
Дисциплину «Управление в плазменных установках» будущие специалисты и магистры изучают в заключительном семестре аудиторных занятий. К этому времени студенты должны быть 
хорошо знакомы как с теоретическими положениями в области 
физики плазмы, так и с методами конструирования плазменных 
систем различного назначения. В связи с этим перед проведением 
большинства лабораторных работ (за исключением автоматизи4 

рованного лабораторного практикума с удаленным доступом — 
ОСТ 9.2–98) входной контроль знаний студентов как отдельный 
элемент сценария не предусматривается.  
Ряд теоретических положений по необходимым разделам 
высшей математики, основам информационных технологий, общему курсу управления техническими системами был изложен на 
младших курсах без приложения к плазменной технике, а часть 
сведений, необходимых для системного проектирования плазменных энергетических установок (например, преобразование 
Фурье, цифровая обработка сигналов, сопряжение ЭВМ с экспериментальной установкой), практически отсутствовала в предыдущих курсах. Между тем в настоящее время ни одна плазменная 
установка промышленного назначения не может длительно и 
надежно функционировать без эффективных систем управления. 
Дисциплина «Управление в плазменных установках» в определенном смысле является обобщающей и содержит ряд специфичных разделов, изучение которых должно быть подкреплено объемным лабораторным практикумом. Следует также отметить, что 
в связи с созданием крупных уникальных плазменных мегаустановок и комплексов (большой адронный коллайдер, экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР и др.) и появлением соответствующих международных организаций для обеспечения их 
функционирования большую роль приобретают методы удаленного управления сложными техническими системами через глобальную сеть.  
Лабораторный практикум по одному из разделов дисциплины 
«Управление в плазменных установках» целиком основан на технологии удаленного проведения экспериментов и использовании 
не только систем сбора информации, но и каналов управления диагностической аппаратурой. Очень важно, что студенты могут заранее ознакомиться с электронным методическим пособием, содержащим достаточное для выполнения практикума описание основ теории, используемой аппаратуры и методик измерений. Эти 
материалы опубликованы на круглосуточном сайте автоматизированных лабораторных практикумов МГТУ им. Н.Э. Баумана 
(http://lud.bmstu.ru), где содержатся также демоверсии соответствующих лабораторных работ. Сценарии их выполнения включают обязательный входной контроль знаний, просмотр преподавателем протокола выполнения учебных экспериментов и сделан5 

ных студентом выводов о работе, проставление итоговой оценки. 
Эти действия полностью автоматизированы, а условия выполнения опытов, их результаты, итоги входного и выходного контроля 
сохраняются в базе данных и доступны преподавателю и студенту 
в течение рабочего времени на любой неделе семестра. 
Цель настоящего издания — подготовить студентов к выполнению лабораторного практикума и получению необходимых 
практических навыков. Для этого обучающимся предоставляются 
краткие теоретические сведения по специфичным разделам дисциплины «Управление в плазменных установках», приводится описание аппаратуры, методик эксперимента, этапов проведения работ, что является основой для последующего самостоятельного 
создания и отработки подсистем управления на современной элементной и компьютерной базе с использованием новейших технологий.  
6 

1. ПРАКТИКУМ ПО УСТРОЙСТВАМ СОПРЯЖЕНИЯ  
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ЭВМ  
Общие положения 
Чтобы автоматизировать плазменную установку, необходимы 
специальные технические средства — управляющая ЭВМ, связанная со стендом посредством устройства сопряжения с объектом, 
различные датчики и исполнительные механизмы, модули преобразования и согласования сигналов и т. п. (рис. О1) [3–7].  
 
Рис. О1. Функциональная схема организации связей экспериментальной 
установки с ЭВМ: 
АПОС — аппаратура предварительной обработки сигналов; АЦП — аналогоцифровой преобразователь; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; УСО — 
устройство сопряжения с объектом 
 
Состояние подсистем стенда, как правило, характеризуется аналоговыми сигналами с датчиков, которые поступают на аппаратуру 
предварительной обработки сигналов, обеспечивающую предварительное усиление, фильтрацию и при необходимости гальваническое отделение каналов дальнейшей обработки от входных цепей. 
Следующими элементами линии передачи сигналов являются нор7 

мализаторы — усилители с переменным коэффициентом передачи, 
которые позволяют согласовать динамический диапазон аналоговых 
сигналов с входными характеристиками аналого-цифровых преобразователей (АЦП), осуществляющих кодирование величины сигнала в цифровой форме. Перечисленные элементы образуют каналы 
измерения автоматизированного стенда. 
Данные от стенда ЭВМ получает через устройство сопряжения 
с объектом (УСО) и через него же может вырабатывать управляющие воздействия, например: изменяющиеся напряжения на 
управляющих элементах, последовательности импульсов для 
управления шаговыми двигателями, запускающие импульсы для 
различных подсистем стенда и т. п. 
Аналогичные элементы (только в обратном порядке) расположены в цепи управления исполнительными механизмами стенда. 
Она включает в себя цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 
преобразующий цифровой сигнал в аналоговый; модули управления шаговыми двигателями, перемещающими подвижные элементы систем стенда; программируемые таймеры, запускающие различные дополнительные системы установки, и т. п. Такие элементы образуют каналы управления. 
При автоматизации могут использоваться как платы сопряжения, встраиваемые в измерительные приборы или в ЭВМ (приборный интерфейс GPIB, измерительно-управляющие платы PluginCard), так и отдельные устройства в виде программируемых логических контроллеров, магистрально-модульных систем, комбинированных многоуровневых иерархических систем, внешних 
устройств и т. п. Различные типы УСО выполняют функции согласования быстродействующих ЭВМ, имеющих относительно небольшое число входных и выходных сигнальных линий, и измерительно-управляющих устройств с большим числом каналов и относительно невысокой производительностью.  
Цели приведенных в этом разделе лабораторных работ № 1.1 и 
1.2: а) ознакомление с различными способами обмена данными 
между внешним устройством и ЭВМ и их особенностями; б) получение практических навыков измерения сигналов разной формы и 
длительности, аналогового и цифрового управления с помощью 
различных устройств; в) сравнительный анализ характеристик 
УСО (точность, временнóе разрешение, уровень сигналов); г) анализ целесообразности и ограничений использования тех или иных 
УСО для автоматизации плазменных установок. 
8 

Лабораторная работа № 1.1 
Магистрально-модульная система сопряжения  
экспериментальной установки с ЭВМ 
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 
Одним из важнейших принципов, используемых при построении измерительно-управляющих систем, является магистральномодульный принцип организации. Под магистралью понимают 
официально зарегистрированный международный или национальный стандарт на логические, механические и электрические параметры, обеспечивающий совместимость модулей, выполненных в 
соответствии с данным стандартом. Модульность системы позволяет объединить модули с различными характеристиками, чтобы 
обеспечить необходимое количество и качество входных и выходных каналов.  
В полной мере указанный принцип организации реализован в 
магистрально-модульных системах (ММС) [3, 4]. В них используются средства сопряжения, не зависящие от платформы и представляющие совокупность специальных модулей с магистральным 
принципом организации. Обмен информацией между модулями 
происходит по правилам, определяемым конкретной системой и не 
зависящим от типа ЭВМ. Связь между системой и ЭВМ осуществляется с помощью специального интерфейса или контроллера, 
структура которого определяется типом ЭВМ.  
Достоинства такого подхода:  
• создание гибких измерительных комплексов, которые можно 
легко наращивать и модернизировать; 
• создание банков совместимых элементов системы — модулей, приборных интерфейсов, контроллеров, разрабатываемых в 
различных организациях и странах; 
• независимость структуры комплекса от типа ЭВМ (ее смена 
приводит к необходимости замены только одного элемента системы — контроллера). 
В лабораторной работе используется ММС КАМАК (в англоязычной версии — САМАС — Computer Applications for Measuring 
Аnd Control). Структура измерительно-вычислительного (или 
управляющего вычислительного) комплекса, выполненного в 
стандарте КАМАК, приведена на рис. 1.1.1.  
Основное достоинство системы КАМАК — стандартизация на 
трех уровнях: механическом, электрическом и логическом. Меха9 

 
Рис. 1.1.1. Структура измерительно-вычислительного (или управляющего 
вычислительного) комплекса на базе ММС: 
УВ — устройство ввода-вывода; ОЗУ — оперативное запоминающее устройство; 
ЦП — центральный процессор; ФМ — функциональный модуль; КК — контроллер крейта 
ническую основу ММС составляет крейт (или корзина, каркас), 
который имеет ряд станций — позиций, снабженных разъемами 
для установки в них функциональных модулей: блоков ЦАП–
АЦП, счетчиков импульсов, блоков управления шаговыми двигателями и т. п.  
Контакты разъемов всех станций соединены системой проводников — линий или шин, образующих многопроводный канал связи — магистраль крейта. Две последние станции занимает специальный модуль — контроллер крейта (КК), который управляет работой функциональных модулей (ФМ) через магистраль крейта и 
организует обмен информацией между модулями и компьютером 
по командам ЭВМ. Управление функциональными модулями, а 
также обмен информацией между ними и КК осуществляется с 
помощью специальных команд, которые генерируются КК и передаются через магистраль для исполнения. 
В логическом стандарте КАМАК существует два типа операций на магистрали: адресные (командные) и безадресные (общего 
управления). 
Адресные операции. Во время командной операции КК выставляет на магистрали команду, для обозначения которой принята 
10