Budowa i działanie komputerowego systemu sterowania
Transkrypt
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