Budowa i działanie komputerowego systemu sterowania

Wykład nr 3
Budowa i działanie
komputerowego systemu
sterowania
Działanie komputerowego systemu
sterowania
Charakterystyka elementów komputerowego
systemu sterowania
Wyczerpujący przykład : sterowanie
nagrzewnicą powietrza
UAR z wykorzystaniem systemu komputerowego
KOMPUTEROWY SYSTEM STEROWANIA
u (kTs )
y0 ( kTs ) e (kTs )
_
REGULATOR
Ts
y ( kTs )
u( t )
DA
y( t)
OBIEKT
FILTR
ANALOGOWY
AD
Ts
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
Operacja przetwarzania analogowo-cyfrowego
SYGNAŁ
PRÓBKOWANIA
ANALOGOWY
NAPIĘCIOWY
SYGNAŁ
WEJŚCIOWY
(k = 0,1,2,3,…n)
t = kTs
Ts
PRÓBKOWANIE
I KWANTOWANIE
y 1( t )
KODOWANIE
I DOPASOWANIE
DO WEJŚCIA
MIKROKOMPUTERA
SYGNAŁ
DYSKRETNY
y′1(k )
y 1( t )
CIĄG IMPULSÓW
y1(k )
SZEREGOWY
t
LUB
t
RÓWNOLEGŁY
CIĄG
IMPULSÓW
BINARNYCH
Z OBIEKTU
REGULACJI
y(t)
PRZETWORNIK
POMIAROWY
PRZETWORNIK A/C
y1(t)
URZĄDZENIE
PRÓBKUJĄCE
I KWANTUJĄCE
PRZETWORNIK A/C
y′1(k)
URZĄDZENIE
KODUJĄCE
DO MIKROKOMPUTERA
y1(k)
Sposoby kwantowania
q=
Umax − Umin
2n
=
8−0
23
= 1V
q=
Umax − Umin
2n − 1
=
8−0
23 − 1
= 1.14V
Przetwarzanie i kodowanie sygnału analogowego
Operacja przetwarzania cyfrowego - analogowo
′
u1 (k)
ANALOGOWY
NAPIĘCIOWY
SYGNAŁ
WEJŚCIOWY
SYGNAŁ
DYSKRETNY
CIĄG IMPULSÓW
u1(k)
PRZEŁĄCZANIE I
DEKODOWANIE
PODTRZYMYWANIE I
DOPASOWANIE DO
WEJŚĆ OBIEKTU
u(t)
SZEREGOWY
x
x
x
LUB
x
x
x
x
x
x
x
RÓWNOLEGŁY
CIĄG
IMPULSÓW
BINARNYCH
Z MIKROKOMPUTERA
u(k)
URZĄDZENIE
PRZEŁĄCZAJĄCE
PRZETWORNIK C/A
DO OBIEKTU
REGULACJI
PRZETWORNIK C/A
u′1(k)
URZĄDZENIE
DEKODUJĄCE
u1(k)
ELEMENT
PODTRZYMUJĄCY
u(t)
Realizacja wejść cyfrowych
OBIEKT
Izolacja galwaniczna
LE
Przesłanie informacji o stanach
logicznych procesu np. czy są
załączone styczniki
Realizowana na transoptorach
/OE
Rejestr wejściowy
MAGISTRALA DANYCH
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)
jest podawany z dekodera adresów, a LE
jest na stałe podpięty do +5 V
Realizacja wejść analogowych
Scalona struktura przetwornika
Izolacja galwaniczna
Filtr antyaliasingowy
OBIEKT
Multiplekser
analogowy
START
Izolacja galwaniczna
AD
/EOC
/RD
Filtr antyaliasingowy
Wybór
kanału
Sample &
Hold
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.
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 65000 poziomów (8,10,12, 16 bitów)
POZIOMY NAPIĘĆ WEJŚCIOWYCH – typowe zakresy ±10, 5, 2.5, 1.25, 0.625, 0.3125 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
Widok sprzęgu procesowego (screw terminal)
Alternatywne rozwiązania -> USB/Ethernet (LabJack)
LabJack UE9
LabJack U12
Problemy projektowe w cyfrowych układach sterowania
PRZETWORNIK AC
MASZYNA CYFROWA
PRZETWORNIK CA
BŁĄD PODTRZYMANIA
BŁĄD KWANTYZACJI
y1(t)
OPÓŹNIENIE
ZWIĄZANE Z
KONWERSJĄ
WYBÓR CZASU PRÓBKOWANIA
DŁUGOŚĆ SŁOWA (ROZDZIELCZOŚĆ AC)
CZAS KONWERSJI (SZYBKOŚĆ AC)
BŁĄD KWANTYZACJI
CZAS OBLICZENIA
PRÓBKI SYGNAŁU
STERUJĄCEGO
BŁĄD KWANTYZACJI
OPÓŹNIENIE
ZWIĄZANE Z
KONWERSJĄ
WYBÓR CZASU PRÓBKOWANIA
DŁUGOŚĆ SŁOWA
DŁUGOŚĆ SŁOWA
PRĘDKOŚĆ OBLICZEŃ (CPU+KOD)
KONFIGURACJA ALGORYTMU
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 ?
Drogi dojścia do algorytmu regulatora cyfrowego
2
PROCES CIĄGŁY
(ANALOGOWY)
DANE DYSKRETNE
(CYFROWE)
DANE CIĄGŁE
(ANALOGOWE)
MODELOWANIE
MATEMATYCZNE
IDENTYFIKACJA
DOŚWIADCZALNA
TRANSMITANCJA
OPERATOROWA
G(s)
PROJEKTOWANIE
KLASYCZNE
W DZIEDZINIE "s"
MODELOWANIE
MATEMATYCZNE
DYSKRETYZACJA
1
IDENTYFIKACJA
DOŚWIADCZALNA
TRANSMITANCJA
OPERATOROWA
G(z)
DYSKRETYZACJA
3
TRANSMITANCJA
WIDMOWA
G(w')
PROJEKTOWANIE
Z WYKORZYSTANIEM
CHARAKTERYSTYK
BODE'GO
METODY
ZIEGLERA - NICHOLSA
REGULATOR
CIĄGŁY
D(s)
TRANSFORMACJA
z->w'
REGULATOR
DYSKRETNY
D(z)
METODY :
BEZPOŚREDNIA
RÓWNOLEGŁA
SZEREGOWA
IMPLEMENTACJA
W POSTACI
RÓWNANIA
RÓśNICOWEGO
TRANSFORMACJA
w'->z
4
PROTOTYP
REGULATORA W
DZIEDZINIE w'
D(w')
Organizacja oprogramowania czasu rzeczywistego
TS
t AC
t FI
t VI* t*UI
t AS
wyzwalanie przez sekwencje programu,
t CA
t
TS
t AC
t FI
t VI* t*UI
t AS
wyzwalanie wewnętrznym przerwaniem,
t CA t W
wyzwalanie zegarowe
t
z wewnętrznego zegara karty,
obsługa przetworników A/C (tAC) i C/A (tCA) ,
obróbka sygnałów wejściowych (tFI)
wizualizacja stanu procesu (tVI)
algorytmy sterowania i identyfikacji (tAS) ,
interfejs uŜytkownika (tUI)
komunikacja z oprogramowaniem off – line.
Struktura oprogramowania czasu rzeczywistego
u*(t)
y*(t)
Obsługa
przetworników
A/C
Komunikacja
z procesem
off-line
Interfejs
uŜytkownika
Obsługa
przetworników
C/A
PROGRAM
STERUJĄCY
on-line
Wizualizacja
stanu
procesu
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
Przykład obiektu : nagrzewnica powietrza
LEWO/PRAWO
OPOROWY
ELEMENT
GRZEWCZY
KANAŁ
ON/OFF
STRUMIEŃ POWIETRZA
CZUJNIK
TEMPERATURY
STEROWANIE
SILNIKIEM
OBWÓD
MOSTKA
POMIAROWEGO +
WZMACNIACZ
WZMACNIACZ
DMUCHAWA
WLOT
POWIETRZA
O ZMIENNYM
PRZEKROJU
B
ZASILANIE
POMIAR
TEMPERATURY
(0-10 V)
A
CAŁKOWICIE
OTWARTY
WLOT
POWIETRZA
POZYCJA
WLOTU
POWIETRZA
CAŁKOWICIE
ZAMKNIĘTY
WLOT
POWIETRZA
STEROWANIE
RĘCZNE
PANEL OPERATORSKI
STEROWANIE
AUTOMATYCZNE
AUTO
MAN
WLOT
POWIETRZA
ELEMENT
GRZEWCZY
Układ regulacji DDC temperatury powietrza
KOMPUTER
WEJŚCIA
CYFROWE
WYJŚCIA
CYFROWE
DAC
ADC
DO PANELU
OPERATORA
ON/OFF
WLOT
POWIETRZA
WLOT
POWIETRZA
OTWARTY
ZAMKNIĘTY
OBWÓD
MOSTKA
POZYCJA
WLOTU
POWIETRZA
OBWÓD
GRZAŁKI
STEROWANIE
SILNIKIEM
OPOROWY
ELEMENT
GRZEWCZY
TERMOELEMENT
PANEL
OPERATORA
KIERUNEK
OBROTÓW
STRUMIEŃ
POWIETRZA
DMUCHAWA
WLOT
POWIETRZA
SILNIK
STERUJĄCY
WLOTEM
POWIETRZA