Systemy wbudowane Wykład nr 3: Komputerowe systemy pomiarowo-sterujące Elementy i urządzenia automatyki Piotr Bilski

Wymagania wobec sterowania obiektami i procesami Dokładna identyfikacja obiektu lub procesu Pełna kontrola stanu obiektu lub procesu Duża szybkość przetwarzania znacznej ilości informacji (z czujników pomiarowych) Uwzględnienie niekorzystnych efektów rzeczywistych (np. addytywnego szumu) Uwzględnienie w sterowaniu wszystkich zależności między wielkościami procesu

Struktura komputerowego systemu pomiarowo-sterującego (KSPS) Jest to system cyfrowy połączony ze środowiskiem zewnętrznym przy pomocy modułów wejścia/wyjścia Sprzęt obejmuje zestaw mikroprocesorowy pełniący rolę układu przetwarzającego dane Oprogramowanie to całokształt środków programowych związanych z typem systemu cyfrowego

Struktura sprzętu KSPS Pamięci zewnętrzne PROCES STEROWANY Kanały wejścia/wyjścia Kanał auto-maty-ki Urządzenie sterujące Pamięć operacyjna JEDNOSTKA CENTRALNA ALU Kanały wejścia/wyjścia Urządzenia zewnętrzne

Elementy KSPS Kanał automatyki – wyspecjalizowane urządzenia zewnętrzne, pośredniczące miedzy systemem cyfrowym a procesem sterowanym Oprogramowanie dla sprzętu System operacyjny (opcjonalny) System programowania (języki symboliczne i graficzne) Oprogramowanie użytkowe

Idea oprogramowania dla systemów wbudowanych + GPOS + RTOS

Klasyfikacja KSPS Występowanie podsystemów: Zbierania i przetwarzania zmiennych stanu procesu Sygnalizacji, kontroli i dokumentacji procesu Sterowania zmiennych procesowych binarnych Sterowania zmiennych procesowych ciągłych Sterowanie operatywne Zarządzanie

Klasyfikacja KSPS (c.d.) Powiązanie systemu sterowania z procesem sterowanym System nadzorujący System sterowania automatycznego System sterowania bezpośredniego System sterowania nadrzędnego

Rozproszona natura KSPS użytkownik nadzorca Element pomiarowo- wykonawczy medium transmisyjne monitorowany obiekt

System sterowania bezpośredniego (DCC) zlecenia operatora meldunki SYSTEM CYFROWY SYGNAŁY STERUJĄCE WIELKOŚCI MIERZONE PROCES

System sterowania nadrzędnego (SPC) zlecenia operatora meldunki SYSTEM CYFROWY SYGNAŁY STERUJĄCE R R R PROCES WIELKOŚCI MIERZONE

Oprogramowanie systemu SPC Program kontrolny i stałe z nim związane Polecenia użytkowników Wartości wielkości regulowanych w procesie Informacja o stanie elementów wykonawczych Dane historyczne na temat wielkości regulowanych i wykonawczych

Obliczenia wykonywane przez SPC Wnioskowanie o aktualnych wartościach zmiennych badanego obiektu Procedury obliczeniowe dotyczące sterowania Predykcja stanów obiektu Raportowanie i dokumentacja obiektu

Sterowanie binarne Sterowanie dotyczy zmiennych o charakterze dwustanowym: Przełączników i przekaźników Zaworów odcinających Dozowników Problemem jest duża liczba zmiennych Implementacja modułowa algorytmów

Sterowanie zmiennych ciągłych Problem konwersji danych ciągłych na dyskretne i odwrotnie Konieczność zastosowania filtracji cyfrowej Problem całkowania Kontrola przekroczenia wartości granicznych Konieczność linearyzacji i korekcji charakterystyk statycznych

Operacja odszumiania Parametry filtrów: częstotliwości graniczne, dobroć, zafalowania (ripple) Rodzaje filtrów: dolno-, górno-, pasmowoprzepustowe, pasmowozaporowe

Schemat układu regulacji Sygnał regulujący u1(t) Sygnał regulowany Obiekt y(t) Element wykonawczy Element pomiarowy y1(t) Sygnał pomiarowy Sygnał sterujący u(t) x(t) e(t) - Regulator Zadajnik +

Rodzaje regulatorów ciągłych Regulator proporcjonalny typu P Regulator całkujący typu I Regulator różniczkujący typu D Regulator proporcjonalno-całkujący typu PI Regulator proporcjonalno-różniczkujący typu PD Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący typu PID

Regulator proporcjonalny (typu P) Sygnał sterujący regulatora: u(t)=k·e(t) gdzie k – współczynnik wzmocnienia regulatora: Δu/Δe Zakres proporcjonalności: x = (1/k)·100% Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator proporcjonalny (typu P) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu P idealnego oraz z inercją

Regulator całkujący (typu I) Sygnał sterujący regulatora: gdzie Ti – stała całkowania Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator całkujący (typu I) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu I idealnego oraz z inercją

Regulator różniczkujący (typu D) Sygnał sterujący regulatora: gdzie Td – stała różniczkowania Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator różniczkujący (typu D) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu D idealnego oraz z inercją

Regulator proporcjonalno-całkujący (typu PI) Sygnał sterujący regulatora: Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator proporcjonalno-całkujący (typu PI) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu PI idealnego oraz z inercją

Regulator proporcjonalno-różniczkujący (typu PD) Sygnał sterujący regulatora: Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator proporcjonalno-różniczkujący (typu PD) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu PD idealnego oraz z inercją

Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (typu PID) Sygnał sterujący regulatora: Transmitancja idealnego regulatora: Transmitancja regulatora z inercją:

Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący (typu PID) (c.d.) Charakterystyka skokowa regulatora typu PID idealnego oraz z inercją

Dobór regulatorów Parametry dla regulatora: Etapy doboru regulatora: Charakterystyki obiektu regulacji (wyznaczenie T0 i T) Wymagania odnośnie jakości regulacji Etapy doboru regulatora: Wybór rodzaju regulatora (np. ciągły lub impulsowy), w zależności od T0/T Wybór typu regulatora (P, PD, PI, PID) Dobór nastaw (wzmocnienie krytyczne, okres drgań krytycznych)

Dobór elementów pomiarowych Przetworniki pomiarowe Oporowo-stykowe Tensometryczne Magnetyczne Pojemnościowe fotoelektryczne Czujniki pomiarowe Ciśnienia Natężenia przepływu Tensometry oporowe Tensometry termoelektryczne Termometry optyczne Wilgotności Zapylenia Gęstości płynów

Przetwornik pomiarowy Charakterystyka przetwornika: Struktura przetwornika: y czujnik wzmacniacz zasilanie x

Przykład: tensometr oporowy Czujnik mierzący naprężenie Stosowany do pomiaru ciśnienia lub masy Wykorzystuje zjawisko zmiany oporności w wyniku zmiany długości elementu: gdzie: L – długość, A – pole przekroju poprzecznego