Wykład nr 3 Budowa i działanie komputerowego systemu sterowania

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wykład nr 3 Budowa i działanie komputerowego systemu sterowania"

Barbara Żukowska
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wykład nr 3 Budowa i działanie komputerowego systemu sterowania Działanie komputerowego systemu sterowania Charakterystyka elementów komputerowego systemu sterowania Wyczerpujący przykład : sterowanie nagrzewnicą powietrza

2 UAR z wykorzystaniem systemu komputerowego y0 ( kt s ) e( kt s ) _ y( kt s ) REGULATOR KOMPUTEROWY SYSTEM STEROWANIA u( kt s ) T s DA u( t ) y( t) OBIEKT AD T s FILTR ANALOGOWY Programowa realizacja algorytmów regulacji łatwa i szybka modyfikacja MoŜliwość zastosowanie szerszej klasy algorytmów regulacji dead beat, adaptacyjne, predykcyjne, rozmyte (fuzzy logic), regulacja z wykorzystaniem sieci neuronowych MoŜliwość uzyskania duŝych dokładności statycznych Obsługa urządzeń peryferyjnych MoŜliwość bezpośredniego programowania dowolnych przebiegów sygnałów

3 Operacja przetwarzania analogowo-cyfrowego SYGNAŁ PRÓBKOWANIA ( k = 0,1,2,3, n) t = kts ANALOGOWY NAPIĘCIOWY SYGNAŁ WEJŚCIOWY T s SYGNAŁ KODOWANIE PRÓBKOWANIE DYSKRETNY I DOPASOWANIE CIĄG IMPULSÓW DO WEJŚCIA y (t) I KWANTOWANIE 1 y 1 (k) y 1 (k) MIKRO- KOMPUTERA y 1 (t) SZEREGOWY t t LUB RÓWNOLEGŁY CIĄG IMPULSÓW BINARNYCH Z OBIEKTU REGULACJI PRZETWORNIK A/C DO MIKROKOMPUTERA y (t) y URZĄDZENIE PRZETWORNIK 1 (t) y 1 (k) y URZĄDZENIE 1 (k) PRÓBKUJĄCE POMIAROWY KODUJĄCE I KWANTUJĄCE PRZETWORNIK A/C

4 Sposoby kwantowania U U 8 0 q ma min = = 1V n = Uma Umin 8 0 q = = = 1.14V n

5 Przetwarzanie i kodowanie sygnału analogowego

6 Operacja przetwarzania cyfrowego - analogowo CIĄG IMPULSÓW SYGNAŁ DYSKRETNY ANALOGOWY NAPIĘCIOWY SYGNAŁ WEJŚCIOWY u 1 (k) PRZEŁĄCZANIE I DEKODOWANIE u 1 (k) PODTRZYMYWANIE I DOPASOWANIE DO WEJŚĆ OBIEKTU u(t) SZEREGOWY LUB RÓWNOLEGŁY CIĄG IMPULSÓW BINARNYCH Z MIKRO- KOMPUTERA PRZETWORNIK C/A DO OBIEKTU REGULACJI u(k) URZĄDZENIE PRZEŁĄCZAJĄCE u 1 (k) URZĄDZENIE DEKODUJĄCE u 1 (k) ELEMENT PODTRZYMUJĄCY u(t) PRZETWORNIK C/A

7 Realizacja wejść cyfrowych OBIEKT Przesłanie informacji o stanach logicznych procesu np. czy są załączone styczniki Izolacja galwaniczna Realizowana na transoptorach LE Rejestr wejściowy /OE LE- wpisanie danych z obiektu do przerzutników wewnętrznych rejestru, /OE- przepisanie danych z przerzutników w rejestrze na magistrale danych. Często sygnał OE/( / oznacza aktywność wejścia układu, gdy jest podane na nie 0V) MAGISTRALA DANYCH jest podawany z dekodera adresów, a LE jest na stałe podpięty do +5 V

8 Realizacja wejść analogowych Izolacja galwaniczna Filtr antyaliasingowy Scalona struktura przetwornika START OBIEKT Multiplekser analogowy Sample & Hold AD /EOC /RD Izolacja galwaniczna Filtr antyaliasingowy Wybór kanału Magistrala danych Ustawienie wyboru kanału na multiplekserze analogowym Wyzwolenie przetwornika - sygnał START Oczekiwanie na koniec przetwarzania - odczyt sygnału /EOC (ang. End Of Convertion). Często sygnał jest podłączony do wejścia przerwania w mikroprocesorze w celu zwiększenia szybkości algorytmu (natychmiastowa reakcja układu). Odczyt wartości przetworzonej w AD - sygnał /RD (ang. Read) na magistralę danych, a z niej do mikroprocesora.

9 Widok karty przetwornikowej AC/CA Przetwornik AC Przetwornik CA Ustawianie zakresu przetwarzania Ustawianie przerwania IRQ TYP MAGISTRALI przewidywana szybkość i ilość przetwarzanych danych ILOŚĆ KANAŁÓW I/O od 8 do 16 wejść analogowych, od 2 do 4 wyjść analogowych, od 8 do 24 kanałów cyfrowych DOKŁADNOŚĆ POMIARU typowe rozdzielczości od 256 do poziomów (8,10,12, 16 bitów) POZIOMY NAPIĘĆ WEJŚCIOWYCH typowe zakresy ±10, 5, 2.5, 1.25, 0.625, V SZYBKOŚĆ PRZETWARZANIA naleŝy uzaleŝnić od dynamiki procesu czas próbkowania WYPOSAśENIE DODATKOWE optoizolacja sygnałów cyfrowych, izolacja galwaniczna sygnałów analogowych, układy przetwarzające sygnały prądowe na napięciowe, dzielniki napięcia

10 Widok sprzęgu procesowego (screw terminal)

11 Alternatywne rozwiązania -> USB/Ethernet (LabJack) LabJack UE9 LabJack U12

12 Problemy projektowe w cyfrowych układach sterowania PRZETWORNIK AC MASZYNA CYFROWA PRZETWORNIK CA BŁĄD PODTRZYMANIA BŁĄD KWANTYZACJI BŁĄD KWANTYZACJI BŁĄD KWANTYZACJI y 1(t) OPÓŹNIENIE ZWIĄZANE Z KONWERSJĄ CZAS OBLICZENIA PRÓBKI SYGNAŁU STERUJĄCEGO OPÓŹNIENIE ZWIĄZANE Z KONWERSJĄ WYBÓR CZASU PRÓBKOWANIA DŁUGOŚĆ SŁOWA (ROZDZIELCZOŚĆ AC) CZAS KONWERSJI (SZYBKOŚĆ AC) DŁUGOŚĆ SŁOWA PRĘDKOŚĆ OBLICZEŃ (CPU+KOD) KONFIGURACJA ALGORYTMU WYBÓR CZASU PRÓBKOWANIA DŁUGOŚĆ SŁOWA Jakiego typu narzędzia matematyczne naleŝy wykorzystać do zaprojektowania tego układu, tak aby jego zachowanie było zgodne z wymaganiami jakościowymi? Algorytmy cyfrowe będą generowane na podstawie algorytmów analogowych w wyniku dyskretyzacji lub będą opracowane ab initio w wersji cyfrowej. W pierwszej wersji, jak będzie dyskretyzowany algorytm analogowy? W drugiej, jakie techniki są dostępne? Wysoka jakość sterowania wymaga krótkiego czasu próbkowania. Zbyt wysoka częstotliwość próbkowania to z kolei duŝy nakład mocy obliczeniowej. Jak określa się czas próbkowania w odniesieniu do właściwości systemu? Urządzenia cyfrowe wprowadzają opóźnienia i szum związany z kwantyzacją. Efekty tego typu moŝna zminimalizować stosując droŝszy sprzęt. Jaki wpływ mają te dwa efekty na jakość sterowania?

13 Drogi dojścia do algorytmu regulatora cyfrowego PROCES CIĄGŁY (ANALOGOWY) 2 DANE CIĄGŁE (ANALOGOWE) DANE DYSKRETNE (CYFROWE) MODELOWANIE MATEMATYCZNE IDENTYFIKACJA DOŚWIADCZALNA MODELOWANIE MATEMATYCZNE IDENTYFIKACJA DOŚWIADCZALNA TRANSMITANCJA OPERATOROWA G(s) DYSKRETYZACJA 1 TRANSMITANCJA OPERATOROWA G(z) TRANSFORMACJA z->w' TRANSMITANCJA WIDMOWA G(w') PROJEKTOWANIE KLASYCZNE W DZIEDZINIE "s" METODY ZIEGLERA - NICHOLSA PROJEKTOWANIE Z WYKORZYSTANIEM CHARAKTERYSTYK BODE'GO 4 REGULATOR CIĄGŁY D(s) DYSKRETYZACJA 3 REGULATOR DYSKRETNY D(z) TRANSFORMACJA w'->z PROTOTYP REGULATORA W DZIEDZINIE w' D(w') METODY : BEZPOŚREDNIA RÓWNOLEGŁA SZEREGOWA IMPLEMENTACJA W POSTACI RÓWNANIA RÓśNICOWEGO

14 Organizacja oprogramowania czasu rzeczywistego T S * * t AC t FI t VI t UI t AS t CA wyzwalanie przez sekwencje programu, t T S * * t AC t FI t VI t UI t AS t CA t W t wyzwalanie wewnętrznym przerwaniem, wyzwalanie zegarowe z wewnętrznego zegara karty, obsługa przetworników A/C (t AC ) i C/A (t CA ), obróbka sygnałów wejściowych (t FI ) wizualizacja stanu procesu (t VI ) algorytmy sterowania i identyfikacji (t AS ), interfejs uŝytkownika (t UI ) komunikacja z oprogramowaniem off line.

15 Struktura oprogramowania czasu rzeczywistego y*(t) Obsługa przetworników A/C Komunikacja z procesem off-line Interfejs uŝytkownika PROGRAM STERUJĄCY on-line Wizualizacja stanu procesu u*(t) Obsługa przetworników C/A Obróbka sygnałów we/wy Algorytmy identyfikacji i sterowania Praca w czasie rzeczywistym: Tryb pracy systemu komputerowego, w którym programy przetwarzające dane z otoczenia systemu są w stanie stałej gotowości w taki sposób, aby wyniki przetwarzania były dostępne w określonych z góry przedziałach czasu. Napływ danych moŝe być przypadkowy lub zdeterminowany a priori. wstępna obróbka sygnałów mierzonych (filtracja, skalowanie) dwukierunkowe sprzęŝenie komputera z procesem sterowanym przez układy we/wy. realizacja algorytmów sterowania i kształtowanie sygnałów sterujących interfejs operatora systemu realizacja algorytmów identyfikacji wizualizacja i rejestracja stanów procesu

16 Przykład obiektu : nagrzewnica powietrza ON/OFF LEWO/PRAWO OPOROWY ELEMENT GRZEWCZY KANAŁ STRUMIEŃ CZUJNIK TEMPERATURY STEROWANIE SILNIKIEM DMUCHAWA WZMACNIACZ OBWÓD MOSTKA POMIAROWEGO + WZMACNIACZ WLOT O ZMIENNYM PRZEKROJU ZASILANIE A B POMIAR TEMPERATURY (0-10 V) CAŁKOWICIE OTWARTY WLOT POZYCJA WLOTU CAŁKOWICIE ZAMKNIĘTY WLOT STEROWANIE RĘCZNE STEROWANIE AUTOMATYCZNE PANEL OPERATORSKI AUTO MAN WLOT ELEMENT GRZEWCZY

17 Układ regulacji DDC temperatury powietrza KOMPUTER WEJŚCIA CYFROWE ADC DAC WYJŚCIA CYFROWE DO PANELU OPERATORA WLOT OTWARTY WLOT ZAMKNIĘTY OBWÓD MOSTKA POZYCJA WLOTU OBWÓD GRZAŁKI ON/OFF STEROWANIE SILNIKIEM KIERUNEK OBROTÓW TERMOELEMENT OPOROWY ELEMENT GRZEWCZY PANEL OPERATORA STRUMIEŃ DMUCHAWA WLOT SILNIK STERUJĄCY WLOTEM

Podobne dokumenty

Komputerowe systemy pomiarowe. Podstawowe elementy sprzętowe elektronicznych układów pomiarowych

Komputerowe systemy pomiarowe. Podstawowe elementy sprzętowe elektronicznych układów pomiarowych Komputerowe systemy pomiarowe Dr Zbigniew Kozioł - wykład Mgr Mariusz Woźny laboratorium Wykład III Podstawowe elementy sprzętowe elektronicznych układów pomiarowych 1 - Linearyzatory, wzmacniacze, wzmacniacze