Schemat funkcjonalny układu automatycznej regulacji

Schemat funkcjonalny układu automatycznej regulacji
regulator
(controller)
zadajnik
(adjuster)
urządzenia
kontrolno-pomiarowe
rejestracja
elementy
pomiarowe
stacyjka
(a/m stadion)
przetwornik
pomiarowy
(converter)
czujnik
pomiarowy
(sensor)
zespół
wykonawczy
obiekt
(plant)
element
wykonawczy
(actuator)
element
nastawczy
(valve, …)
sterowanie
ręczne
(manual)
Standardy sygnałów
Typowe sygnały wyjściowe wybranych czujników:
• termoelement – 3÷50mV
• termometr oporowy - 10÷300Ω
• pirometr - 0.3÷15 mV
• analizator stęŜenia – 10µA÷1mA, 1÷20mV
Standardy:
• 0-5mA, 0-10mA, 0-20mA, 4-20mA, (0-50mA), (10-50mA)
• 0-10V
• sygnały częstotliwościowe
Podział funkcjonalny przetworników
• pomiarowe – sygnał z czujnika na standardowy
• sygnałowe – standard na standard
• separatory - oddzielenie galwanicznie, wzmocnienie=1
• A/C i C/A
„Przetworniki pomiarowe”
• klasyczne
A
C
czujnik p.
• inteligentne
p.pomiarowy
A
C
czujnik p.
p.separujący
µP
port komunikacyjny
A/C
Przetworniki pomiarowe
Wg wielkości wejściowej:
•
przetworniki siły, napięcia, rezystancji, ciśnienia
Wg zasady działania:
•
parametryczny, generacyjny
Ze względu na budowę (układ elektryczny)
w układzie otwartym (bez sprzęŜenia zwrotnego)
• w układzie zamkniętym (ze sprzęŜeniem zwrotnym)
•
Ze względu na rodzaj modulacji sygnału wyjściowego:
1) z modulacją poziomu prądu stałego
2) z modulacją częstotliwości sygnału wyjściowego
3) wyjściem dyskretnym o modulacji czasowoimpulsowej
1) Przetworniki pomiarowe
z modulacją poziomu prądu stałego
• ze sprzęŜeniem prądowym
I
Uwe
• ze sprzęŜeniem napięciowym
Ro
Rs
U Ro
Rs
Uwe
Usz
I
U1
Uwe
Ro
Usz Rsz R
s
Uwe +
U1
kw
Usz
Rsz
I
U1
Uwe
Usz
U
Rs
duŜe kw, U1≈0
U1 = Uwe – Usz = 0
Uwe = Usz
Uwe = RszI
I = Uwe / Rsz
Ro
1) Przetworniki pomiarowe
z modulacją poziomu prądu stałego
Przetwornik pomiarowy oporności
Uz
Rcz
Przetwornik pomiarowy małych napięć
Iwy
Uz
Ucz
Ro
Rr
Rs
Ro
Rr
Rs
2) Przetworniki pomiarowe
z modulacją częstotliwości sygnału wyj.
• pozycyjne
• generacyjne
• prądnica tachometryczna
• modulacyjne
• cyfrowy pomiar prędkości obrotowej
• oscylacyjne
• o drganiach wymuszonych
• o drganiach swobodnych
x PW
UO
Pwy
EW
y
przetwornik strunowy
F
A
l
1 F
f =
2 ml
3) Przetworniki pomiarowe
czasowo-impulsowe
UX
GL
UA
UGL
Uwy
OZ
T
UA
UGL
UX
U
UOZ
UWY
ti
Przetworniki A/C
Przetwarzanie „analog-cyfra”:
• próbkowanie
Ux
• kwantowanie
• kodowanie
Parametry przetwornika:
• zakres sygnału wejściowego
• rozdzielczość
• czas próbkowania
• całkowity czas przetwarzania
t
Przetworniki A/C
Rozdzielczość w bitach – błąd kwantowania:
10 bitów
= 210 = 1024 kwantów
= 0,1%
12 bitów
= 212 = 4096 kwantów
= 0,025%
Minimalna pulsacja próbkowania (Tw.Shannona-Kotielnikowa)
- teoretycznie:
ωs >= 2ωw
- praktycznie:
ωs >= 2 ωb, (ωb=10ωw)
ωw – widmo sygnału analogowego
ωb – przepustowość układu (wzmocnienie >= 0.7)
Optymalizacja okresu próbkowania Ts
- za duŜy – wymagania tw. Shannona-Kotielnikowa
- zbyt krótki – obciąŜenie obliczeniowe procesora
Przetworniki A/C
• Metoda integracyjna, np. zasada podwójnego całkowania
Ux
U1
Uw
U1
K
U2
U3 L
Nx = Nmax
Ux
T1
Uw
T2
T2
Nmax
Nx
U2
GW
US
T1
Ux
Uw
U3
Przetworniki A/C
• Metoda częstotliwościowa
fn
Formowanie
Bramka
Układ sterowania
Generator
Dzielnik
Licznik
Wyświetlacz
Kasowani
e
Formowanie
• Metoda komparacyjna
U
UX
UWY
ti
Przetworniki C/A
WE: liczba X= X020 + X121 + ... + Xi2i
jeśli Xi=1 to przełącznik w połoŜeniu 1
WY: sygnał Uwy
• wagowo-rezystorowy
21R
2iR
22R
Uwy
U
1
0
U
X0
1
0
X1
1
0
Xi
2iR
21R
2 2R
Uwy
Przetworniki C/A
• drabinkowo-napięciowy
2R
2R
2R
2R
Uwy
U
1
0
U
1
0
X0
X1
2R
2R
1
0
Xi
2R
2R
Uwy
Przetworniki separacyjne
Sygnały zakłócające
• napięcia szeregowe
• napięcia równoległe
czuj.
Przetw.
pomiar.
RA
UR
RB
CB
Przetworniki separacyjne
Zastosowanie oddzielenia galwanicznego
UP
UP
U
U
I
I
I
I
200
I1
2
200
I
sys
100
1
I2
6
I
200 3
200 5
Realizacja oddzielenia galwanicznego
GZ
xwe
∼
=
M
Iwe
xwy
∼
=
TO
D
4
Iwy
Przetworniki
• pomiarowe
• sygnałowe
• separatory
• A/C i C/A
A
C
czujnik p.
p.pomiarowy
A
C
czujnik p.
p.separujący
µP
port komunikacyjny
A/C
Dobór przetworników
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
odpowiednia ch-ka statyczna
duŜa stałość ch-ki
mały błąd przetwarzania (np. <1%)
brak histerezy
oddzielenie galwaniczne obwodów we i wy
łatwa zmiana zakresu przetwarzania
niski poziom szumów
małe oddziaływanie na źródło sygnału
mała wraŜliwość na zmiany obciąŜenia
dobre własności dynamiczne
warunki eksploatacji