Systemy sterowania

w elektronice przemysłowej

Wykład 7

dr inż. Bartosz Pękosławski

Łódź, dn. 10.05.2012

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

Politechnika Łódzka

Plan wykładu

2

1. Metody sterowania
2. Realizacja układów sterowania
3. Systemy pomiarowe

Metody sterowania

3

Sterowanie – oddziaływanie na obiekt sterowania tak aby zachowywał się

on w pożądany sposób (aby sygnały wyjściowe osiągnęły

pożądaną wartość)

Oddziaływanie za pomocą odpowiednich sygnałów wejściowych

Sterowanie ręczne lub automatyczne (układ sterowania)

Obiekt sterowania – proces lub zjawisko podlegające sterowaniu (regulacji),

np. przepływ cieczy, przesuw taśmociągu

Teoria sterowania – dział cybernetyki, zastosowanie w automatyce, robotyce

Metody sterowania

4

Układy sterowania:
otwarte (sterowanie w układzie otwartej pętli)

Sterownik

Element

wykonawczy

Obiekt

sterowania

Element

pomiarowy

wielkość
zadana

zakłócenia

sygnał
wyjściowy

Nastawienie wielkości zadanej tak, aby sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość

Brak informacji w sterowniku o aktualnej wartości wielkości sterowanej

Potrzebna znajomość charakterystyki obiektu i przewidywania działania zakłóceń na obiekt

wielkość
sterowana

Zakłócenie – niepożądane lub nieplanowane działanie na obiekt sterowania

sygnał
sterujący

Metody sterowania

5

Układy sterowania:
zamknięte (sterowanie w układzie zamkniętej pętli)

Sterownik

Element

wykonawczy

Obiekt

sterowania

Element

pomiarowy

wielkość
zadana

zakłócenia

-

+

Korygowanie nastawu wielkości zadanej na bieżąco

Sterownik otrzymuje informację o aktualnej wartości wielkości wyjściowej poprzez
sprzężenie zwrotne

Ujemne sprzężenie zwrotne – prowadzi do zmniejszenia odchylenia od wartości zadanej
Dodatnie sprzężenie zwrotne – prowadzi do zwiększenia odchylenia (generatory)

sygnał
wyjściowy

uchyb
regulacji

Metody sterowania

6

Układy sterowania, inne klasyfikacje:
ze względu na sposób działania (stabilizacji, śledzące/nadążne,

programowalne, optymalne, przełączające sekwencyjne, przełączające

kombinacyjne)

ze względu na liniowość układu (liniowe, nieliniowe),
ze względu na charakter sygnałów (ciągłe, dyskretne),
ze względu na charakter układu (bezinercyjne, dynamiczne),
ze względu na liczbę wejść i wyjść (jednowymiarowe, wielowymiarowe),
ze względu na charakter zmienności parametrów i wymuszeń

(deterministyczne, stochastyczne),

ze względu na zdolność do samoczynnego nastrajania (adaptacyjne,

nieadaptacyjne),

ze względu na niezmienność struktury (o stałej i zmiennej strukturze),
inne

Metody sterowania

7

Rodzaj sterowania – sposób w jaki układ sterowania wyznacza sygnał

sterujący

Różne algorytmy, m.in. :
regulator dwustawny (dwupołożeniowy, dwie wartości w zależności od

sygnału wejściowego/nastawy, histereza),

regulator proporcjonalny P (sygnał sterujący proporcjonalny do uchybu),
regulator proporcjonalno-całkujący PI,
regulator proporcjonalno-róźniczkujący PD,
regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący PID.

Metody sterowania

8

Regulator dwustawny – przykład: zamykanie i otwieranie zaworu

wodnego w zależności od temperatury oleju

Regulator proporcjonalny – przykład: stopień otwarcia zaworu zależny

od poziomu wody (stabilizowanego)

Metody sterowania

9

Regulatory PID (ok. 90% stosowanych w przemyśle) – przykład:

bardzo dokładny termostat

K

P

– współczynnik wzmocnienia

T

I

– stała czasowa całkowania

T

D

– stała czasowa różniczkowania

P

I

D

Metody sterowania

10

Transmitancja regulatora

Odpowiedź skokowa układu

Cele (idealny przypadek):

szybki czas narastania,
brak „wyskoku” (przeregulowania),
brak uchybu regulacji w stanie ustalonym

Metody sterowania

11

Orientacyjna tabela wpływu nastaw regulatora PID na wskaźniki jakości

regulacji:

Przeregulowanie – określa jakość dynamiczną odpowiedzi skokowej

(stosunek pierwszego największego uchybu

przejściowego do drugiego największego uchybu

lub uchybu początkowego)

Nie zawsze potrzeba stosowania wszystkich trzech członów (P, I, D)
Należy stosować możliwie jak najprostszy regulator.

Dobór nastaw za pomocą metody Zieglera-Nicholsa lub metodami iteracyjnymi

Metody sterowania

12

Regul

ator

Uchyb

ustalony

Zastosowanie

Cechy

P

niezerowy

proste układy o średniej wartości

inercji, niedużym opóźnieniu

i stałym obciążeniu

możliwość

powstania oscylacji

przy dużych K

P

I

zerowy

obiekty statyczne z powolnymi

zmianami obciążenia

niestabilny przy

obiektach

astatycznych

PI

zerowy

regulacja nadążna - przy szybkich

zmianach wartości zadanej

skłonność

do oscylacji

PD

niezerowy

przy szybkich zmianach sygnałów

zakłócających

odporny na

powstanie dużej

amplitudy oscylacji

PID

zerowy lub

niezerowy

obiekty poddawane wpływom zakłóceń

o dużych i gwałtownych zmianach,

stała wartość wielkości zadanej

większa odporność

na oscylacje niż PI

Realizacja układów sterowania

13

Etapy projektowania układu sterowania:
analiza obiektu sterowania – ustalenie celu sterowania, wybór wielkości

charakteryzujących obiekt, ustalenie części składowych i powiązań

(obiekty złożone),

identyfikacja obiektu – ustalenie modelu matematycznego (zmiana celu

sterowania przy niepełnej wiedzy o obiekcie),

opracowanie algorytmu sterowania – algorytm dostosowany do celu

sterowania, wiedzy o obiekcie i zakłóceniach,

opracowanie systemu realizującego algorytm sterowania.

Realizacja układów sterowania

14

Realizacja analogowa (wzmacniacze operacyjne)

Wada: podatność na zakłócenia, starzenie się elementów, itd.

Realizacja cyfrowa (analogowo-cyfrowa):

Zaleta: prosta możliwość modyfikacji algorytmu sterowania

sprzętowo-programowa (system komputerowy/mikroprocesorowy)

- dostępność, niska cena, mały pobór mocy

sprzętowa

(cyfrowy

układ

reprogramowalny

–

FPGA)

- duża szybkość działania algorytmu

Regulator PID – realizacja analogowa

15

K

p

=

R

2

R

1



C

1

C

2

K

i

=

1

R

1

⋅

C

2

K

d

=

R

2

⋅

C

1

Regulator PID – realizacja analogowa

16

Realizacja analogowo-cyfrowa

układów sterowania

17

Dodatkowo: interfejsy do komunikacji z innymi urządzeniami

i z użytkownikiem

Mikrokontrolery

w zastosowaniach przemysłowych

18

Rozszerzony zakres temperatur pracy układu np. -40

o

C do +85

o

C

Zabezpieczenia ESD i EMC na płytce drukowanej
Zastosowanie układów watchdog
Walidacja danych (ECC, CRC)
Właściwie napisany kod programu (np. unikanie zapisu do pamięci podczas

obsługi przycisków – zakłócenia EMC generowane przez drgające styki)

Dane konfiguracyjne zapisane w pamięci nieulotnej (EEPROM)

Najczęściej gotowe sterowniki programowalne z wbudowanym mikroprocesorami
i układami peryferyjnymi – PLC (ang. Programmable Logic Controller)

Układy reprogramowalne FPGA

19

Układy programowalne PLD (ang. Programmable Logic Devices):
SPLD (ang. Simple Logic Devices)
CPLD (ang. Complex Programmable Logic Devices)
FPGA (ang. Field Programmable Gate Array)

Możliwość implementacji rdzeni mikroprocesorowych (tzw. IP core)

CLB – Configurable Logic Block

I/O block

Regulator PID – równanie dyskretne

20

Algorytm przyrostowy

Algorytm podstawowy

Regulator PID – realizacja

cyfrowo-analogowa (mikokontroler)

21

Regulator PID – realizacja

cyfrowo-analogowa (FPGA)

22

System pomiarowo-sterujący

23

1. Układ sterowania
2. Czujniki + układy kondycjonowania sygnału
3. Elementy wykonawcze + drivery
4. Bufor danych pomiarowych
5. Układy transmisji danych pomiarowych
6. Układy przetwarzania danych pomiarowych
7. Panel operatorski
8. Układy zasilania
9. ...

Liczne możliwe elementy składowe:

Systemy pomiarowe

24

Podział systemów pomiarowych
1. ze względu na rozmiar/przenośność:

a) przenośne
b) stanowiskowe
c) stacjonarne

2. ze względu na organizację akwizycji danych pomiarowych:

a) scentralizowane (akwizycja w jednostce centralnej)
b) rozproszone (akwizycja w modułach pomiarowych)

3. ze względu na medium transmisji sygnałów/danych pomiarowych:

a) przewodowe
b) bezprzewodowe

Systemy pomiarowe

25

Przykład: rozproszony system do pomiaru drgań dużej maszyny wirnikowej

Systemy pomiarowe

26

Kondycjonowanie sygnału z czujników:
1. Ograniczenie amplitudy sygnału wejściowego – np. diody Zenera
2. Wzmocnienie sygnału wejściowego
3. Kalibracja toru pomiarowego

– klucz analogowy/przekaźnik

4. Filtracja dolnoprzepustowa (antyaliasing)

– filtr pasywny/aktywny

5. Dodanie/przesunięcie składowej stałej

– sumator

6. Ograniczenie amplitudy sygnału wyjściowego

Dziękuję za uwagę.