Mikrokontrolery
Mikrokontrolery
Mikrokontrolery
Mikrokontrolery
i przet arzanie s gnałó
i przet arzanie s gnałó
i przetwarzanie sygnałów
i przetwarzanie sygnałów
II fki S j W d i ł
II fki S j W d i ł
Instytut Informatyki Stosowanej Wydziału
Instytut Informatyki Stosowanej Wydziału
Mechanicznego Politechniki Krakowskiej
Mechanicznego Politechniki Krakowskiej
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Gd i t
Gd i t
Geneza przedmiotu
Geneza przedmiotu
Automatyka Systemy komputerowe
Automatyka Systemy komputerowe
Komputerowe systemy sterowania
Programowalne sterowniki
Programowalne sterowniki
Mikrokontrolery
logiczne (PLC)
Systemy wbudowane
Podstawy sterowania i regulacji (2)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
C l i k d i t
C l i k d i t
Cel i zakres przedmiotu
Cel i zakres przedmiotu
Przedstawienie możliwości wykorzystania sterowników
Przedstawienie możliwości wykorzystania sterowników
PLC oraz mikrokontrolerów do sterowania obiektami i
PLC oraz mikrokontrolerów do sterowania obiektami i
procesami;
procesami;
Zapoznanie się z podstawowymi przetwornikami
Zapoznanie się z py p
p ę podstawowymi p
p ę py przetwornikami
sygnałów stosowanymi w układach sterowania;
sygnałów stosowanymi w układach sterowania;
Prezentacja sprzętowych i programowych środków do
Prezentacja sprzętowych i p g y
j p ę yprogramowych środków do
j p ę yp g y
realizacji systemów sterujących za pomocą ww.
realizacji systemów sterujących za pomocą ww.
urządzeń;
urządzeń;
Zapoznanie się z przykładowymi rozwiązaniami
Zapoznanie się z przykładowymi rozwiązaniami
Zyskanie umiejętności programowania sterowników i
Zyskanie umiejętności p g
yję programowania sterowników i
yję p g
mikrokontrolerów w zakresie zajęć laboratorium
mikrokontrolerów w zakresie zajęć laboratorium
Podstawy sterowania i regulacji (3)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Z k kł d
Z k kł d
Zakres wykładu
Zakres wykładu
Wykład 1. Podstawy sterowania i regulacji
Wykład 1. Podstawy sterowania i regulacji
Wkł d2 K j k di j
Wkł d2 K j k di j
Wykład 2. Komputer jako urządzenie sterujące
Wykład 2. Komputer jako urządzenie sterujące
Wykład 3. Kanały automatyki i przetwarzanie sygnałów
Wykład 3. Kanały automatyki i przetwarzanie sygnałów
y yy p yg
y yy p yg
Wykład 4. Oprogramowanie systemów sterowania
Wykład 4. Oprogramowanie systemów sterowania
Wkł d5 S iki PLC ki
Wkł d5 S iki PLC ki
Wykład 5. Sterowniki PLC - struktury, programowanie
Wykład 5. Sterowniki PLC - struktury, programowanie
Wykład 6. Mikrokontrolery - architektury, p g
Wykład 6. Mikrokontrolery - architektury, p g
y y y, programowanie
y y y, programowanie
Wykład 7. Protokoły w systemach automatyki
Wykład 7. Protokoły w systemach automatyki
Wykład 8. Czujniki pomiarowe stosowane w automatyce
Wykład 8. Czujniki pomiarowe stosowane w automatyce
kł d C iki i
kł d C iki i
Podstawy sterowania i regulacji (4)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Lit t
Lit t
Literatura
Literatura
Wiązania M., Programowanie mikrokontrolerów AVR w języku BASCOM,
Wiązania M., Programowanie mikrokontrolerów AVR w języku BASCOM,
Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2004, ISBN 83-921073-2-2
Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2004, ISBN 83-921073-2-2
Maczyński A Sterowniki programowalne PLC Budowa systemu i podstawy
Maczyński A Sterowniki programowalne PLC Budowa systemu i podstawy
Maczyński A., Sterowniki programowalne PLC  Budowa systemu i podstawy
Maczyński A., Sterowniki programowalne PLC  Budowa systemu i podstawy
programowania, Wydawca: Astor Sp. z.o.o., ISBN 83-915620-6-9
programowania, Wydawca: Astor Sp. z.o.o., ISBN 83-915620-6-9
Król A., Moczko-Król J., S5/S7 Windows: programowanie i symulacja
Król A., Moczko-Król J., S5/S7 Windows: programowanie i symulacja
sterowników PLC firmy SIEMENS, WN Nakom, Poznań 2000, ISBN 83-
sterowników PLC firmy SIEMENS, WN N k P ń 2000 ISBN 83
ikó PLC fi SIEMENS WN Nakom, P ń 2000 ISBN 83
ikó PLC fi SIEMENS WN N k Poznań 2000, ISBN 83-
86969-54-7
86969-54-7
Niederliński A., Systemy komputerowe automatyki przemysłowej, WNT
Niederliński A., Systemy komputerowe automatyki przemysłowej, WNT
W 1985, I i II
W 1985 I i II
Warszawa 1985, tom I i II
Warszawa 1985 tom I i II
Orłowski H., Komputerowe układy automatyki, WNT Warszawa 1987
Orłowski H., Komputerowe układy automatyki, WNT Warszawa 1987
Dorf R.C., Bishop R.H., Modern control systems, Addison Wesley, 1995
Dorf R.C., Bishop R.H., Modern control systems, Addison Wesley, 1995
Dorf R.C., Bishop R.H., Modern control systems, Addison Wesley, 1995
Dorf R.C., Bishop R.H., Modern control systems, Addison Wesley, 1995
Urbaniak A., Podstawy automatyki, Wyd. PP, Poznań 2004
Urbaniak A., Podstawy automatyki, Wyd. PP, Poznań 2004
Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów, Wydawnictwo naukowe PWN,
Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów, Wydawnictwo naukowe PWN,
ISBN 830112072x
ISBN 830112072x
ISBN 830112072x
ISBN 830112072x
Rudy van de Plassche, Scalone przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-
Rudy van de Plassche, Scalone przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-
analogowe, WKA
, Warszawa, 2001, ISBN 83-206-1217-9
analogowe, WKA
, Warszawa, 2001, ISBN 83-206-1217-9
Podstawy sterowania i regulacji (5)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Problematyka sterowania i regulacji
P bl t k t i i l ji
P bl t k t i i l ji
Problematyka sterowania i regulacji
Pojęcia podstawowe
Pojęcia podstawowe
Układy logiczne
Układy logiczne
Układy logiczne
Układy logiczne
Układy automatycznej regulacji
Układy automatycznej regulacji
liniowe
liniowe
nieliniowe
nieliniowe
dyskretne
dyskretne
Elementy i urządzenia automatyki
Elementy i urządzenia automatyki
y ą y
y ą y
regulatory
regulatory
elementy pomiarowe
elementy pomiarowe
elementy pomiarowe
elementy pomiarowe
elementy wykonawcze
elementy wykonawcze
Podstawy sterowania i regulacji (6)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
P j id t
P j id t
Pojęcia podstawowe
Pojęcia podstawowe
STEROWANIE jest celowe oddziaływanie na przebieg
STEROWANIE jest celowe oddziaływanie na przebieg
procesów technologicznych biologicznych ekonomi
procesów technologicznych biologicznych ekonomi
procesów technologicznych, biologicznych, ekonomi-
procesów technologicznych, biologicznych, ekonomi-
cznych czy społecznych. Przez sterowanie automaty-
cznych czy społecznych. Przez sterowanie automaty-
czne będziemy rozumieli celowe oddziaływanie na
czne będziemy rozumieli celowe oddziaływanie na
b d i i li dd i ł i
b d i i li ll dd i ł i
przebieg procesów za pomocą wyspecjalizowanych
przebieg procesów za pomocą wyspecjalizowanych
urządzeń technicznych zwanych regulatorami.
urządzeń technicznych zwanych regulatorami.
AUTOMATYZACJA jest to proces wprowadzania
AUTOMATYZACJA jest to proces wprowadzania
AUTOMATYZACJA jest to proces wprowadzania
AUTOMATYZACJA jest to proces wprowadzania
zasad i metod automatyki i sterowania do określonej
zasad i metod automatyki i sterowania do określonej
dziedzin działalności czło ieka
dziedzin działalności czło ieka
dziedziny działalności człowieka
dziedziny działalności człowieka
Podstawy sterowania i regulacji (7)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ukł d t i
Ukł d t i
Układy sterowania
Układy sterowania
Układ otwarty
Wielkości
Wielkości
sterowane
sterujące
Obiekt (Proces)
(wyjściowe)
(wyjściowe)
(wejściowe)
(wejściowe)
Podstawy sterowania i regulacji (8)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ukł d t i
Ukł d t i
Układy sterowania
Układy sterowania
Układ zamknięty
Wielkości
Wielkości
sterowane
sterujące
Obiekt (Proces)
(wyjściowe)
(wyjściowe)
(wejściowe)
(wejściowe)
R ł
Reguła
Oddziaływanie Pomiary
sterowania
Podstawy sterowania i regulacji (9)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Id t fik j bi któ
Id t fik j bi któ
Identyfikacja obiektów
Identyfikacja obiektów
Odpowiedz

Wymuszenie
(obserwowana)
(znane)
Obiekt (Proces)
(nieznany)
y(t)
x(t)
n m
(1)
=
" "
"a dkdy(t) "b didx(t)
k i
k i
k i
d tk d ti
k =0 i=0
Podstawy sterowania i regulacji (10)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Tf t L l 
Tf t L l 
Transformata Laplace a
Transformata Laplace a
1. Funkcja liniowa
1. Funkcja liniowa
Ł{af (t)}= aF(s), gdzie a - stala
2. Całka w dziedzinie rzeczywistej
t 0-
�#
1 1
Ł�# +" f (t)dtŹ# = F(s) + f (t)dt
Łż# +" f (t)dtŹ# = F(s) + f (t)dt
�#
+"
+"
s s
�#-" �# -"
3. Różniczka w dziedzinie rzeczywistej
3. Różniczka w dziedzinie rzeczywistej
k
k -1
n-k -1 (k )
Łż#d f (t)�# = sk F(s) - f (0)
�# Ź#
"s
d t
d tk �#
n=0
�#
�# �#
Podstawy sterowania i regulacji (11)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Tit j t
Tit j t
Transmitancja operatorowa
Transmitancja operatorowa
k i
n m
(1)
=
"a dkdy(t) "b didx(t)
k i
d tk d ti
t t
k 0 i 0
k =0 i=0
n m
�#
(2)
(2)
ś#
ś# ś#
"a s #Y (s) = ś#"b s #X (s)
"a sk ś#Y (s) = �#"b si ś#X (s)
k i
�# k =0 �# i=0
m
�#
�# ś#
ś# ź#
"b si ś#
i
Y (s)
�# #
�# i=0 #
(3)
(3)
G(s)
G(s) = =
n
X (s) �#
ś# ź#
"a sk ś#
k
�# k 0 #
�# k =0 #
Definicja 1. Transmitancją operatorową nazywa się stosunek transformaty
Laplace a odpowiedzi obiektu do transformaty Laplace a wymuszenia przy
zerowych warunkach początkowych.
Podstawy sterowania i regulacji (12)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ch kt t ki
Ch kt t ki
Charakterystyki czasowe
Charakterystyki czasowe
Definicja 2. Charakterystyką czasową będziemy nazywali przebieg czasowy
wielkości wyjściowej wywołany danym wymuszeniem.
Definicja 3. Charakterystyką (odpowiedzią) impulsową g(t) układu nazywamy
odpowiedz
tego układu na wymuszenie w p p ( ) przy
p g y postaci impulsu Diraca �(t) p y
zerowych warunkach początkowych.
�(t)
" dla t = 0
ż#
ż#
�(t) =
(2)
�#
t
�#0 dla t `" 0
�#0 dla t `" 0
Podstawy sterowania i regulacji (13)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ch kt t k k k
Ch kt t k k k
Charakterystyka skokowa
Charakterystyka skokowa
Definicja 4. Charakterystyką (odpowiedzią) skokową h(t) układu nazywamy
odpowiedz
tego układu na wymuszenie w postaci skoku jednostkowego 1(t) przy
zerowych warunkach początkowych
zerowych warunkach początkowych.
1( )
1(t)
0 dla t < 0
ż#
ż#
1
1(t) =
t
(5)
�#
�#1 dla t e" 0
�#1 dla t e" 0
Podstawy sterowania i regulacji (14)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ch kt t ki t tli ś i
Ch kt t ki t tli ś i
Charakterystyki częstotliwościowe
Charakterystyki częstotliwościowe
Charakterystyka amplitudowa - pokazuje jak układ wzmacnia lub tłumi określone
składowe widmowe sygnałuwzależności od ich częstotliwości.
Ch kt t k f k j j k kł d i i f ól h
Charakterystyka fazowa - pokazuje jak układ zmienia fazę poszczególnych
składowych widmowych sygnałuwzależności od ich częstotliwości.
Charakterystyka wzmacniacza
Charakterystyka wzmacniacza
dB 20 log|Gj(j�)|
"k
10 100 1000 10000
1
� [Hz]
log �
12345
0
Podstawy sterowania i regulacji (15)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Kl fik j kł dó t i
Kl fik j kł dó t i
Klasyfikacja układów sterowania
Klasyfikacja układów sterowania
Schemat blokowy otwartego układu sterowania
Schemat blokowy otwartego układu sterowania
Schemat blokowy zamkniętego układu sterowania
Schemat blokowy zamkniętego układu sterowania
(układu regulacji)
y
x e u
Urządzenie Obiekt (proces)
sterujące sterowania
ją
-
x wielkość zadana
x  wielkość zadana
u  wielkość sterująca
y  wielkość sterowana
e uchyb regulacji
e  uchyb regulacji
Podstawy sterowania i regulacji (16)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Kl fik j kł dó t i
Kl fik j kł dó t i
Klasyfikacja układów sterowania
Klasyfikacja układów sterowania
Kryteria klasyfikacji
Kryteria klasyfikacji
1. Liniowość (liniowe, nieliniowe)
1. Liniowość (liniowe, nieliniowe)
Li i ść (li i i li i )
Li i ść (li i i li i )
2. sposób przekazywania informacji w układzie
2. sposób p y j
pprzekazywania informacji w układzie
pp y j
(ciągłe, dyskretne)
(ciągłe, dyskretne)
3 liczba wielkości regulowanych
3 liczba wielkości regulowanych
3. liczba wielkości regulowanych
3. liczba wielkości regulowanych
4. sposób wyrażania zadania sterowania (sygnał
4. sposób wyrażania zadania sterowania (sygnał
zadany: stały, f(t), f(jakieś zdarzenie)
zadany: stały, f(t), f(jakieś zdarzenie)
d ł f( ) f(j ki ś di )
d ł f( ) f(j ki ś di )
5. rodzaj aparatury sterującej (mechaniczna,
5. rodzaj aparatury sterującej ( ,
j p y ją j (mechaniczna,
j p y ją j ( ,
elektryczna, hydrauliczna, pneumatyczna)
elektryczna, hydrauliczna, pneumatyczna)
Podstawy sterowania i regulacji (17)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Sposób wyrażania zadania
Sposób wyrażania zadania
py
py
sterowania
sterowania
Gdy zadanie sterowania jest określone za pomocą
Gdy zadanie sterowania jest określone za pomocą
pewnych wymagań strukturalnych odnośnie do
pewnych wymagań strukturalnych odnośnie do
h ń klh d ś i d
h ń klh d ś i d
układu sterowania, możemy wyróżnić układy
układu sterowania, możemy wyróżnić układy
, y y y
, y y y
sterowania:
sterowania:
 ekstremalnego,
 ekstremalnego,
kl
kl
 optymalnego
 optymalnego
 optymalnego,
 optymalnego,
 adaptacyjnego.
 adaptacyjnego.
p yj g
p yj g
Podstawy sterowania i regulacji (18)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Ukł dl ji t t j
Ukł dl ji t t j
Układ regulacji automatycznej
Układ regulacji automatycznej
z
y
x e u
Gr(s) Gob(s)
-
y1
2
2
1
1
H(s)
Podstawy sterowania i regulacji (19)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
St bil ść kł dó l ji
St bil ść kł dó l ji
Stabilność układów regulacji
Stabilność układów regulacji
Stabilność układów regulacji jest niezbędnym warunkiem pracy układu
automatycznej regulacji mówiący o tym, że układ po wyprowadzeniu go ze stanu
równowagi sam powraca do tego stanu
równowagi sam powraca do tego stanu.
Definicja stabilności wg Laplace'a mówi, że układ liniowy j stabilny, j jego
j g p , y jest y, jeżeli j g
odpowiedz
na wymuszenie (zakłócenie) o ograniczonej wartości jest
ograniczona.
Podstawy sterowania i regulacji (20)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
J k ść kł dó l ji
J k ść kł dó l ji
Jakość układów regulacji
Jakość układów regulacji
Jakość w stanie ustalonym:
uchyb regulacji (dokładność regulacji)
eu = limew(t) = lime(t)
( ) ( )
u w
t" t"
y
eu
x
x
t
t
Podstawy sterowania i regulacji (21)
Mikrokontrolery i przetwarzanie sygnałów
Rl j i ł i d k t
Rl j i ł i d k t
Regulacja ciągła i dyskretna
Regulacja ciągła i dyskretna
Sygnał regulowany
Sygnał regulujący
Obiekt
y
y
El t El t
Element Element
wykonawczy pomiarowy
y
y1
Sygnał pomiarowy
Sygnał pomiarowy
u
u
e x
e x
Regulator
Zadajnik
Uchyb
Podstawy sterowania i regulacji (22)