Automatyka Wykład 2 Podział układów regulacji. Cyfrowy układ regulacji. Sygnały w układach automatyki.

Podział układów regulacji. Zależnie od przyjętego kryterium klasyfikacji rozróżnia się następujące układy regulacji: Ze względu na liczbę regulowanych wielkości: jednowymiarowe (regulacja jednej zmiennej) wielowymiarowe (regulacja wielu zmiennych). Ze względu na sposób działania: ciągłe, cyfrowe i impulsowe (dyskretne), liniowe, nieliniowe. Ze względu na charakter sygnału zadanego w(t), układy regulacji mogą być układami: regulacji stałowartościowej, gdy sygnał w(t) = w0 = const. regulacji programowalnej, gdy przebieg sygnału jest zaprogramowany (przewidziany z góry), regulacji nadążnej, gdy sygnał w(t) ma charakter nie przewidziany, regulacji ekstremalnej, gdy celem regulacji jest utrzymanie sygnału wyjściowego lub sygnałów wyjściowych na poziomie wartości ekstremalnych (minimalnych lub maksymalnych). Ze względu na sposób realizacji sterowania: układy adaptacyjne, gdy dla zmieniających się w czasie pracy parametrów obiektu następuje dostosowanie, czyli adaptacja parametrów regulatora, układy optymalne, gdy osiąga się możliwie najlepsze wartości wskaźników jakości regulacji, niezależnie od struktury regulatora, układy suboptymalne, gdy przy określonym typie regulatora uzyskuje się najlepsze wskaźniki jakości regulacji.

Sterowanie adaptacyjne (ang Sterowanie adaptacyjne (ang. adaptive control) - polega na automatycznym dopasowaniu parametrów regulatora do zmieniających się właściwości obiektu regulacji i jego otoczenia, tak aby zapewnić większą odporność układu na zaistniałe zmiany, spowodowane: - oddziaływaniem różnego rodzaju zakłóceń, które z reguły są nieprzewidywalne, - zmianą właściwości lub parametrów samego obiektu. Sterowanie odporne (ang. robust control) – metoda sterowania, gwarantująca stabilność układu regulacji automatycznej nawet w przypadku, gdy rzeczywisty obiekt regulacji różni się od założonego modelu. Odporność oznacza tolerancję dla błędów podczas identyfikacji (niewłaściwa struktura modelu) lub dla zmian parametrów obiektu (współczynnik wzmocnienia, stałe czasowe, opóźnienie) w czasie. Nawet jeśli model matematyczny obiektu nie jest całkowicie prawidłowy, układ regulacji powinien być stabilny a jego regulacja bliska optymalnej.

Schemat blokowy cyfrowego układu regulacji z(t) Schemat blokowy cyfrowego układu regulacji y(t) Wejście operatora Komputer C/A A/C Regulator (sterownik) Obiekt sterowania u(t)

W układach regulacji cyfrowej regulator jest układem cyfrowym. Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych, w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boole'a i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o podstawowe bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boole’a: iloczyn logiczny (AND), sumę logiczną (OR), negację (NOT). Z bramek podstawowych zbudowane są jeszcze 3 następujące bramki: negacja iloczynu (NAND), negacja sumy (NOR) i różnica symetryczna (XOR). Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów wykonuje się je w postaci układów scalonych. Bramki logiczne są umieszczane w układach scalonych, które produkuje wiele różnych firm na całym świecie. Najpopularniejsze serie to obecnie TTL (bramki zbudowane z tzw. tranzystorów bipolarnych) oraz CMOS (bramki zbudowane z tranzystorów polowych).

Na wejścia bramki podajemy napięcia elektryczne, które mogą przyjmować dwa poziomy logiczne (dla układów TTL - Transistor-Transistor-Logic): poziom 0, L - napięcie w przedziale 0...0,8V poziom 1, H - napięcie w przedziale 2...5V

1 Bramka logiczna AND a b a ^ b a b a ^ b Symbol:                                  Tablica działania (1 oznacza zdanie prawdziwe 0 zaś zdanie fałszywe): a b a ^ b                 1 a b a ^ b

1 Bramka logiczna OR a b a b ^ b a a b ^ Symbol: Tablica działania (0 - oznacza zdanie fałszywe, 1 - zdanie prawdziwe): b 1 a a b ^

Bramka logiczna NOT (Inwerter) a a 1

Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróżnia się dwie główne klasy układów logicznych: układy kombinacyjne – układy „bez pamięci”, w których sygnały wyjściowe są zawsze takie same dla określonych sygnałów wejściowych; układy sekwencyjne – układy „z pamięcią”, w których stan wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść, ale również od stanów poprzednich. Zalety układów cyfrowych: Możliwość bezstratnego przesyłania informacji – jest to coś, czego w układach analogowych operujących na nieskończonej liczbie poziomów napięć nie sposób zrealizować. Zapis i przechowywanie informacji cyfrowej jest prostsze. Mniejsza wrażliwość na zakłócenia elektryczne. Możliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (mikroprocesor). FPGA (ang. Field Programmable Gate Array) - bezpośrednio programowalna macierz bramek to rodzaj programowalnego układu logicznego.

Struktura komputera pamięć główna jednostka centralna CPU komputer połączenia systemowe wejście-wyjście

Struktura komputera Wejście-wyjście – przenoszą dane pomiędzy komputerem a jego otoczeniem Połączenia systemowe – zapewniają łączność pomiędzy procesorem, pamięcią główną a układami wejście-wyjście Jednostka centralna (CPU) –steruje działaniem komputera i realizuje funkcje przetwarzania danych Pamięć główna – przechowuje dane wejściowe obliczeń i wyniki obliczeń

Struktura jednostki centralnej Jednostka sterująca ALU CPU Połączenia wewnętrzne Rejestry

Struktura jednostki centralnej Jednostka sterująca – steruje działaniem procesora i całym komputerem Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) – realizuje funkcje przetwarzania danych przez komputer Rejestry – służą do przechowywania danych w procesorze Połaczenia wewnętrzne – zapewniają łączność pomiędzy jednostką sterującą, ALU i rejestrami

Struktura jednostki sterującej Rejestry i dekodery jednostki sterującej Układy logiczne Jednostka sterująca Pamięć sterująca

Struktura magistralowa komputera Sterownik konsoli Moduł We-wy Pamięć Moduł We-wy CPU Magistrala Poraz pierwszy zastosowano w komputerach PDP-8 firmy DEC. Magistrala Omnibus składała się 96 oddzielnych ścieżek używanych do przenoszenia sygnałów sterowania, adresu i danych. Wykorzystywanie tej wspólnej magistrali było sterowane przez procesor.

Generacje komputerów Generacja Lata Technologia Liczba operacji na sekundę 1 1946-1957 Lampa próżniowa 40 000 2 1958-1964 Tranzystor 200 000 3 1965-1971 Mała i średnia skala integracji 1 000 000 4 1972-1977 Wielka skala integracji 10 000 000 5 1977- Bardzo wielka skala integracji 100 000 000

Modele matematyczne sygnałów.

Sygnały okresowe 1. Sygnały sinusoidalne Sygnały zdeterminowane to takie przebiegi czasowe, które dają się opisać za pomocą określonych zależności matematycznych. Sygnały okresowe 1. Sygnały sinusoidalne  F1 1 Amplituda

2. Sygnały okresowe - niesinusoidalne Amplituda 1 2 3 4 5 

Sygnały nieokresowe t f(t)

Sygnały stochastyczne x1 x2 xn t t1 t2 t3 Sygnały stochastyczne są realizacjami procesu stochastycznego. Reprezentacją procesu stochastycznego jest zbiór jego realizacji. Reprezentacją procesu stochastycznego w określonej chwili jest zmienna losowa. Proces stochastyczny jest nieskończenie wymiarową zmienną losową.

F(x) 1 x

Inna klasyfikacja sygnałów Sygnały ciągłe Sygnały dyskretne t f(t) Sygnały impulsowe Sygnały cyfrowe t f(t) f(t) t f(t) t

Sygnał cyfrowy e(t) Tp 2Tp 3Tp 4Tp 5Tp 6Tp Poziomy kwantowania t