Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Idealne
Równanie
Równanie
y(t) = k �" x(t)
G(s) = k
G(s) = k
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
T  stała czasowa inercji
j
Charakterystyka skokowa Przykłady: wzmacniacz bezinercyjny
Charakterystyka skokowa Przykłady: wzmacniacz bezinercyjny
h(t)
k
t
Podstawy sterowania i regulacji (1)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Obiekty wzmacniające
Rzeczywiste
y
dy(t)
dy(t)
Równanie
Równanie T + y(t) = k �" x(t)
dt
k
k
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa G( )
Transmitancja operatorowa G(s) =
1+ sT
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
T  stała czasowa inercji
j
Charakterystyka skokowa Przykłady: wzmacniacz rzeczywisty,
Charakterystyka skokowa Przykłady: wzmacniacz rzeczywisty,
maszyny proste, zawór
maszyny proste, zawór
tó
tó
h(t)
k
t
T
T
Podstawy sterowania i regulacji (2)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty inercyjne II rzędu
Obiekty inercyjne II rzędu
Obiekty inercyjne II rzędu
Obiekty inercyjne II rzędu
2
d y(t) dy(t)
d y(t) dy(t)
T1T2 + (T1 + T2) + y(t) = k �" x(t)
Równanie
Równanie
dt2 dyt
k
G(s) =
G(s) =
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
(1+ sT1)(1+ sT2)
T1, T2  stałe czasowe inercji
T1, T2  stałe czasowe inercji
Charakterystyka skokowa Przykłady: maszyny proste i zawory
Charakterystyka skokowa Przykłady: maszyny proste i zawory
pr iel ja iskach niekorzystnych
pr iel ja iskach niekor stn ch
przy wielu zjawiskach niekorzystnych
przy wielu zjawiskach niekor stn ch
h(t)
k
t
T2
T2
T1
T1
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty oscylacyjne
Obiekty oscylacyjne
Obiekty oscylacyjne
Obiekty oscylacyjne
2
d y(t) dy(t)
d y(t) dy(t)
2
T + 2�T + y(t) = k �" x(t)
Równanie
Równanie
dt2 dyt
2
k�0
0
G( )
G(s) =
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
s2 + 2��0s + �2
�0 pulsacja drgań własnych
�0 pulsacja drgań własnych
� g ę y p y (0< � )
� g ę y p y ( �<1)
� - względny współczynnik tłumienia (0< �<1)
� - względny współczynnik tłumienia ( � )
Charakterystyka skokowa Przykłady: mechaniczne układy
Charakterystyka skokowa Przykłady: mechaniczne układy
drgające elektr c n obwód RLC,
drgające elektr c n ob ód RLC
drgające, elektryczny obwód RLC,
drgające, elektryczny ob ód RLC
h(t)
wahadło
wahadło
k
t
Podstawy sterowania i regulacji (4)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Idealne
dx(t)
dx(t)
y(t) = k �"
Równanie
Równanie
dt
G(s) ks
G(s) = ks
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
Układ nie spełnia warunku realizowalności fizycznej st. licznika>st. mianownika
Układ nie spełnia warunku realizowalności fizycznej st. licznika>st. mianownika
Układ nie spełnia warunku realizowalności fizycznej st. licznika st. mianownika
Układ nie spełnia warunku realizowalności fizycznej st. licznika st. mianownika
Charakterystyka skokowa Przykłady: nie istnieją
Charakterystyka skokowa Przykłady: nie istnieją
h(t) Układ nie spełnia warunku
Układ nie spełnia warunku
realizowalności fizycznej, ponieważ
realizowalności fizycznej, ponieważ
k
stopień licznika stopień mianownika.
stopień licznika stopień mianownika.
stopień licznika > stopień mianownika.
stopień licznika > stopień mianownika.
t
Podstawy sterowania i regulacji (5)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Obiekty różniczkujące
Rzeczywiste
y
dy(t) dx(t)
dy(t) dx(t)
T + y(t) = k �"
Równanie
Równanie
dt dt
G(s) ks
G(s) =ks
G( )
G(s) = ks
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
1+ sT
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
T stała czasowa inercji
T stała czasowa inercji
T  stała czasowa inercji
T  stała czasowa inercji
Charakterystyka skokowa Przykłady: cewka indukcyjna, tłumik
Charakterystyka skokowa Przykłady: cewka indukcyjna, tłumik
h dra lic n tarcie
h dra lic n tarcie
hydrauliczny, tarcie
hydrauliczny, tarcie
h(t)
k/T
t
T
T
Podstawy sterowania i regulacji (6)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
t
Idealne
y(t) = k x(� )d�
Równanie +"
Równanie +"
0
k
G(s) =
G(s) =
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
s
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
Tii=1/k  stała całkowania
Tii=1/k  stała całkowania
Charakterystyka skokowa Przykłady: kondensator, sprężyna
Charakterystyka skokowa Przykłady: kondensator, sprężyna
h(t)
k
t
T
T
Ti
Ti
Podstawy sterowania i regulacji (7)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
Obiekty całkujące
t t
Rzeczywiste
y
dy(t)
dy(t)
y(t) = k x � )
T + y(t)
Równanie +"
Równanie +"=(k
+"
+"dx�(� )d�
dt
0
0
k
k
G(s) =
G(s) =
G(s) =
G(s) =
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
s(1+ sT )
s
k  współczynnik wzmocnienia
k  współczynnik wzmocnienia
Tii=1/k  stała całkowania
Tii=1/k  stała całkowania
T  stała czasowa inercji
T  stała czasowa inercji
Charakterystyka skokowa Przykłady: kondensator, sprężyna,
Charakterystyka skokowa Przykłady: kondensator, sprężyna,
zbiornik cieczy
zbiornik cieczy
biornik ciec
biornik ciec
h(t)
k
t
T Ti
T Ti
Podstawy sterowania i regulacji (8)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Obiekt opóz
niający
Obiekt opóz
niający
Obiekt opóz
niający
Obiekt opóz
niający
y(t) = x(t -T )
( ) ( )
Równanie
Równanie
G(s) e
G(s) = e-sT
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
T  opóz
nienie
T  opóz
nienie
Charakterystyka skokowa Przykłady: transporter taśmowy
Charakterystyka skokowa Przykłady: transporter taśmowy
h(t)
k
t
T
T
Podstawy sterowania i regulacji (9)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulatory i ich dobór
Regulatory i ich dobór
Regulatory i ich dobór
Regulatory i ich dobór
P ł d bó l t
P ł d bó l t
Pełny dobór regulatora wymaga:
Pełny dobór regulatora wymaga:
Wyboru rodzaju regulatora
Wyboru rodzaju regulatora
Wyboru typu regulatora
Wyboru typu regulatora
Wyboru typu regulatora
Wyboru typu regulatora
Doboru nastaw
Doboru nastaw
Wybór rodzaju regulatora (na podstawie stosunku T /T)
Wybór rodzaju regulatora (na podstawie stosunku T /T)
Wybór rodzaju regulatora (na podstawie stosunku T0/T)
Wybór rodzaju regulatora (na podstawie stosunku T0/T)
T0  opóz
nienie, T  stała czasowa inercji
T0  opóz
nienie, T  stała czasowa inercji
T0/T<0,2  regulator dwupołożeniowy lub trójpołożeniowy
T0/T<0,2  regulator dwupołożeniowy lub trójpołożeniowy
0,2< T0/T<1  regulator ciągły
0,2< T0/T<1  regulator ciągły
, g ąg y
, g ąg y
0
0
T0/T>1  regulator impulsowy
T0/T>1  regulator impulsowy
Podstawy sterowania i regulacji (10)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Rodzaje regulatorów ciągłych
Rodzaje regulatorów ciągłych
Rodzaje regulatorów ciągłych
Rodzaje regulatorów ciągłych
Regulator proporcjonalny  typu P
Regulator proporcjonalny  typu P
Regulator proporcjonalno-całkujący  typu PI
Regulator proporcjonalno-całkujący  typu PI
Regulator proporcjonalno-różniczkujący  typu PD
Regulator proporcjonalno-różniczkujący  typu PD
Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący  typu PID
Regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący  typu PID
Podstawy sterowania i regulacji (11)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulator proporcjonalny
Regulator proporcjonalny
Regulator proporcjonalny
Regulator proporcjonalny
S ł t j
S ł t j
Sygnał sterujący
Sygnał sterujący
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
u(t) = kpe(t)
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
kp
Gr (s) = kp
r p
G (s)
Gr (s) =
1+ sT
1
współczynnik
współczynnik
współczynnik
współczynnik
x 100%
xp = �"100%
proporcjonalności
proporcjonalności
kp
Podstawy sterowania i regulacji (12)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulator proporcjonalno całkujący
Regulator proporcjonalno całkujący
Regulator proporcjonalno-całkujący
Regulator proporcjonalno-całkujący
S ł t j
S ł t j
Sygnał sterujący
Sygnał sterujący
t
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
Ą# ń#
1
u(t) = kp ó#e(t) +
Tii  stała zdwojenia
Tii  stała zdwojenia
j
j
ó# Ą#
Ą#
p
+"
+"e(� )d�
T
T1 0
Ł# Ś#
Ł# Ś#
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
�# ś#
1 kp
�# ś#
1
ś# ź#
Gr (s) = kpś#1+
ś#
Gr (s) =
ź#
ś#1+ Tis ź#
ź#
Tis
Tis
1+ sT
1+ sT T s
�# #
�# #
�# #
�# #
Podstawy sterowania i regulacji (13)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulator proporcjonalno-różniczkujący
Regulator proporcjonalno różniczkujący
Regulator proporcjonalno-różniczkujący
Regulator proporcjonalno różniczkujący
S ł t j
S ł t j
Sygnał sterujący
Sygnał sterujący
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
kp  współczynnik wzmocnienia regulatora
de(t)
ń#
u(t) = kp Ą#e(t) + Td
Td  stała wyprzedzenia
Td  stała wyprzedzenia
yp
yp
p d
d
d
ó# Ą#
ó# Ą#
dt
dt
Ł# Ś#
Ł# Ś#
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
kp
Gr (s) = kp (1+Td s)
Gr (s) = (1+ Td s)
1+ sT
1+ sT
Podstawy sterowania i regulacji (14)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulator PID
Regulator PID
Regulator PID
Regulator PID
S ł t j
S ł t j
Sygnał sterujący
Sygnał sterujący
t
kp, Tii, Tg  jak wyżej
Ą#
1 de(t)ń# kp, T , Tg  jak wyżej
u(t) = kp ó#e(t) + ( )
( ) ( )
ó# Ą#
Ą#
p d
+"
+"e(� )d� +Td dt Ś#
T
Ti 0 d
Ł#
Ł# Ś#
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
Transmitancja operatorowa regulatora
idealnego rzeczywistego
idealnego rzeczywistego
kp
1 1
Gr (s) = kp (1+ + Td s) Gr (s) = (1+ + Td s)
T s 1+ sT T s
Tis 1+ sT Tis
Podstawy sterowania i regulacji (15)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Dobór nastaw regulatora
Dobór nastaw regulatora
Dobór nastaw regulatora
Dobór nastaw regulatora
Przykład: Metoda Zieglera-Nicholsa
Przykład: Metoda Zieglera-Nicholsa
Dla regulatora typu P
Dla regulatora typu P
kp=0,5 kkr (wzmocnienie krytyczne)
kp=0,5 kkr (wzmocnienie krytyczne)
Dla regulatora typu PI
Dla regulatora typu PI
kp=0,45 kkr, T =0,85 tkr (okres drgań krytycznych)
kp=0,45 kkr, Tii=0,85 tkr (okres drgań krytycznych)
Dla regulatora typu PID
Dla regulatora typu PID
kp=0,6 kkr, T =0,5 tkr, Td=0,12 tkr
kp=0,6 kkr, Tii=0,5 tkr, Td=0,12 tkr
wzmocnienie krytyczne to wzmocnienie regulatora
wzmocnienie krytyczne to wzmocnienie regulatora
proporcjonalnego, który połączony szeregowo z obiektem
proporcjonalnego, który połączony szeregowo z obiektem
spowoduje znalezienie się układu zamkniętego na granicy
spowoduje znalezienie się układu zamkniętego na granicy
stabilności (pojawiają się niegasnące drgania okresowe)
stabilności (pojawiają się niegasnące drgania okresowe)
stabilności (pojawiają się niegasnące drgania okresowe).
stabilności (pojawiają się niegasnące drgania okresowe).
Podstawy sterowania i regulacji (16)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Regulacja dyskretna
Regulacja dyskretna
Regulacja dyskretna
Regulacja dyskretna
P Sh ł i ł być i i i d
P Sh ł i ł b ć i i i d
Prawo Shannona - sygnał ciągły może być ponownie wiernie odtworzony z
Prawo Shannona - sygnał ciągły może b ć ponownie wiernie odtworzony z
sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej
sygnału dyskretnego, jeśli był próbkowany z częstotliwością co najmniej
dwa razy większą od granicznej częstotliwości swego widma.
dwa razy większą od granicznej częstotliwości swego widma.
2Ą
�p = e" 2�g
T  czas próbkowania
T
T
1,5
1
0,5
Sygnał rzeczyw.
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sygnał pomierz.
-0,5
-1
-1,5
Podstawy sterowania i regulacji (17)
Mikrokontrolery i sterowniki
Zadania sterowania
Zadania sterowania
Zadania sterowania
Zadania sterowania
Optymalizacja
Komunikacja z
operatorem
Obiekt (Proces)
Regulacja
Ob ł
Obsługa
alarmów
Sterowanie
sekwencyjne
Sygnały binarne
Sygnały alarmowe
Sygnały pomiarowe ciągłe
Komputer jako urządzenie sterujące (18)
Mikrokontrolery i sterowniki
Struktura sprzętowa KSS
Struktura sprzętowa KSS
Struktura sprzętowa KSS
Struktura sprzętowa KSS
Pamięci
zewnętrzne
zewnętrzne
PROCES
Kanały we/wy
STEROWANY
Procesor
Pamięć
Pamięć
Urządzenie
operacyjna
sterujące
Jednostka
Jednostka
ALU
centralna
Procesowe
Procesowe
Kanały we/wy
urządzenia
peryferyjne
U d i t d d i
Urządzenie zewnętrzne do wprowadzania
i wyprowadzania informacji
Komputer jako urządzenie sterujące (19)
KANAA

A
AUTOM
MATYKI
Mikrokontrolery i sterowniki
Struktura funkcjonalna
Struktura funkcjonalna
Struktura funkcjonalna
Struktura funkcjonalna
W t d i
Warstwa zarządzania
Warstwa sterowania operatywnego
p y g
Systemy ster. zmiennych
Systemy ster. zmiennych
procesowych ciągłych
procesowych binarnych
Warstwa sterowania
nadrzędnego
Warstwa sterowania grup
System sygnalizacji,
maszyn i urządzeń
kontroli i
Warstwa regulacji
dokumentacji
bezpośredniej
bezpośredniej
W t t i
Warstwa sterowania
przebiegu procesu
napędów
Urządzenia wykonawcze
ciągłe
Urządzenia wykonawcze
dwupołożeniowe
System akwizycji
zmiennych
zmiennych
Proces przemysłowy
Proces przemysłowy
procesowych
Komputer jako urządzenie sterujące (20)
Mikrokontrolery i sterowniki
Klasyfikacja KSS
Klasyfikacja KSS
Klasyfikacja KSS
Klasyfikacja KSS
Ze względu na powiązania z procesem
Zl d
Systemy monitorowania - tylko zbieranie danych w
celu wspomagania działania operatora procesu (MS -
Monitoring Systems)
Systemy sterowania automatycznego
Systemy sterowania bezpośredniego (DDC  Direct
Di i l C l)
Digital Control)
Systemy sterowania nadrzędnego (SPC  SuPervisory
Control)
Control)
Systemy wbudowane (ES  Embedded Systems)
Komputer jako urządzenie sterujące (21)
Mikrokontrolery i sterowniki
System sterowania bezpośredniego
System sterowania bezpośredniego
DDC
DDC
Komputer jako urządzenie sterujące (22)
Mikrokontrolery i sterowniki
System sterowania nadrzędnego SPC
System sterowania nadrzędnego SPC
System sterowania nadrzędnego SPC
System sterowania nadrzędnego SPC
Komputer jako urządzenie sterujące (23)
Mikrokontrolery i sterowniki
System wbudowany
System wbudowany
System wbudowany
System wbudowany
Cechy:
układ mikroprocesorowy sprzężony konstrukcyjne,
py p yyj
dedykowany programowo do określonego urządzenia
b g y s w cj ,
bogaty zestaw funkcji,
nie istnieje możliwość jego sprzętowego wydzielenia,
ki i k i i d ś i
wysokie wymagania w zakresie niezawodnościowym,
niska cena w porównaniu do układu macierzystego
Komputer jako urządzenie sterujące (24)
Mikrokontrolery i sterowniki
Klasyfikacja logiczna
Klasyfikacja logiczna
Klasyfikacja logiczna
Klasyfikacja logiczna
Ze względu na strukturę logiczną
System prosty simplex
System prosty  simplex
System prosty z procesorem wejścia/wyjścia
System MASTER  SLAVE
System z pełną redundancją
System z pełną redundancją
Systemy sieciowe
Komputer jako urządzenie sterujące (25)
Mikrokontrolery i sterowniki
System prosty simplex
System prosty simplex
System prosty  simplex
System prosty  simplex
Urządzenia
zewnętrzne
t
Jednostka
Pamięć
Pamięć
C t l
Centralna
zewnętrzna
(Sterująca)
OBIEKT
Komputer jako urządzenie sterujące (26)
Mikrokontrolery i sterowniki
System prosty z procesorem we/wy
System prosty z procesorem we/wy
System prosty z procesorem we/wy
System prosty z procesorem we/wy
Urządzenia
zewnętrzne
t
Jednostka
Pamięć
Pamięć
Procesor
Procesor
C t l
Centralna
zewnętrzna
we/wy
(Sterująca)
OBIEKT
Komputer jako urządzenie sterujące (27)
Mikrokontrolery i sterowniki
System master slave
System master slave
System master-slave
System master-slave
Urządzenia
zewnętrzne
t
JC
JC
JC
JC
SLAVE
MASTER
OBIEKT
Pamięć
zewnętrzna
Komputer jako urządzenie sterujące (28)
Mikrokontrolery i sterowniki
System podwójny
System podwójny
System podwójny
System podwójny
Urządzenia
JC 1
JC 1
Pamięć
Pamięć
Procesor
Procesor
zewnętrzne
t
(Sterująca) zewnętrzna
we/wy
Przełącznik
JC 2
JC 2
Pamięć
Procesor
(Sterująca) zewnętrzna
we/wy
OBIEKT
Komputer jako urządzenie sterujące (29)
Mikrokontrolery i sterowniki
Struktury sieciowe
Struktury sieciowe
Struktury sieciowe
Struktury sieciowe
Stacja centralna
j
UT  urządzenie transmisyjne
�K
UT
Stacja obiektowa
&
UT
PLC
Sieć miejscowa np. Modbus,
I/O
CAN, HART, Profibus, EIB
I/O
Komputer jako urządzenie sterujące (30)
Mikrokontrolery i sterowniki
Wymagania sprzętowe przerwania
Wymagania sprzętowe przerwania
Wymagania sprzętowe - przerwania
Wymagania sprzętowe - przerwania
System przerwań priorytetowych
S ń ih
Przerwanie jest to sygnał, który powoduje zawieszenie
aktualnie wykonywanego zadania i zapamiętanie jego
aktualnie wykonywanego zadania i zapamiętanie jego
stanu oraz przejście do wykonywania programu obsługi
przerwania
p
Stan programu definiuje minimalna liczba informacji,
która jest konieczna do wznowienia przerwanego
zadania niezależnie od zadań wykonywanych w czasie
d i i l ż i d d ń kh i
jego zawieszenia
Przerwania służą do zasygnalizowania procesorowi zda
Przerwania służą do zasygnalizowania procesorowi zda-
rzeń, które zachodzą w niemożliwym do przewidzenia
momencie
Komputer jako urządzenie sterujące (31)