Systemy wbudowane Wykład nr 3: Komputerowe systemy pomiarowo-sterujące

Prezentacja na temat: "Systemy wbudowane Wykład nr 3: Komputerowe systemy pomiarowo-sterujące"— Zapis prezentacji:

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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 Idea oprogramowania dla systemów wbudowanych
+ GPOS + RTOS

7 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

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

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

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

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

12 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

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

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

15 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

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

17 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 +

18 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

19 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:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

31 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)

32 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

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

34 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