Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechnika A
ódzka
Systemy sterowania
w elektronice przemysłowej
Wykład 7
dr inż. Bartosz Pękosławski
A
ódz
, dn. 10.05.2012
Plan wykładu
1. Metody sterowania
2. Realizacja układów sterowania
3. Systemy pomiarowe
2
Metody sterowania
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
3
Metody sterowania
Układy sterowania:
otwarte (sterowanie w układzie otwartej pętli)
sygnał wielkość
sygnał
sterujący sterowana
wyjściowy
wielkość
Obiekt Element
Element
zadana
Sterownik
sterowania pomiarowy
wykonawczy
zakłócenia
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
Zakłócenie  niepożądane lub nieplanowane działanie na obiekt sterowania
4
Metody sterowania
Układy sterowania:
zamknięte (sterowanie w układzie zamkniętej pętli)
uchyb
wielkość
Obiekt
Element
regulacji
zadana
Sterownik
sterowania
wykonawczy
+
-
zakłócenia
sygnał
wyjściowy
Element
pomiarowy
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)
5
Metody sterowania
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
6
Metody sterowania
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-róz
niczkujący PD,
regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący PID.
7
Metody sterowania
Regulator dwustawny  przykład: zamykanie i otwieranie zaworu
wodnego w zależności od temperatury oleju
Regulator proporcjonalny  przykład: stopień otwarcia zaworu zależny
od poziomu wody (stabilizowanego)
8
Metody sterowania
Regulatory PID (ok. 90% stosowanych w przemyśle)  przykład:
bardzo dokładny termostat
P
KP  współczynnik wzmocnienia
I
TI  stała czasowa całkowania
TD  stała czasowa różniczkowania
D
9
Metody sterowania
Odpowiedz
skokowa układu
Transmitancja regulatora
Cele (idealny przypadek):
szybki czas narastania,
brak  wyskoku (przeregulowania),
brak uchybu regulacji w stanie ustalonym
10
Metody sterowania
Orientacyjna tabela wpływu nastaw regulatora PID na wskaz
niki 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
11
Metody sterowania
Regul Uchyb Zastosowanie Cechy
ator ustalony
P niezerowy proste układy o średniej wartości możliwość
inercji, niedużym opóz
nieniu powstania oscylacji
i stałym obciążeniu przy dużych KP
I zerowy obiekty statyczne z powolnymi niestabilny przy
zmianami obciążenia obiektach
astatycznych
PI zerowy regulacja nadążna - przy szybkich skłonność
zmianach wartości zadanej do oscylacji
PD niezerowy przy szybkich zmianach sygnałów odporny na
zakłócających powstanie dużej
amplitudy oscylacji
PID zerowy lub obiekty poddawane wpływom zakłóceń większa odporność
niezerowy o dużych i gwałtownych zmianach, na oscylacje niż PI
stała wartość wielkości zadanej
12
Realizacja układów sterowania
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.
13
Realizacja układów sterowania
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
14
Regulator PID  realizacja analogowa
R2 C1
K = �ą
p
R1 C
2
1
Ki=
R1�"C
2
K =R2�"C1
d
15
Regulator PID  realizacja analogowa
16
Realizacja analogowo-cyfrowa
układów sterowania
Dodatkowo: interfejsy do komunikacji z innymi urządzeniami
i z użytkownikiem
17
Mikrokontrolery
w zastosowaniach przemysłowych
Rozszerzony zakres temperatur pracy układu np. -40 oC do +85 oC
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)
18
Układy reprogramowalne FPGA
Układy programowalne PLD (ang. Programmable Logic Devices):
SPLD (ang. Simple Logic Devices)
CPLD (ang. Complex Programmable Logic Devices)
FPGA (ang. Field Programmable Gate Array)
CLB  Configurable Logic Block
I/O block
19
Możliwość implementacji rdzeni mikroprocesorowych (tzw. IP core)
Regulator PID  równanie dyskretne
Algorytm podstawowy
Algorytm przyrostowy
20
Regulator PID  realizacja
cyfrowo-analogowa (mikokontroler)
21
Regulator PID  realizacja
cyfrowo-analogowa (FPGA)
22
System pomiarowo-sterujący
Liczne możliwe elementy składowe:
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. ...
23
Systemy pomiarowe
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
24
Systemy pomiarowe
Przykład: rozproszony system do pomiaru drgań dużej maszyny wirnikowej
25
Systemy pomiarowe
Kondycjonowanie sygnału z czujników:
1. Ograniczenie amplitudy sygnału wejściowego  np. diody Zenera
2. Wzmocnienie sygnału wejściowego
3. Kalibracja toru pomiarowego  klucz analogowy/przekaz
nik
4. Filtracja dolnoprzepustowa (antyaliasing)  filtr pasywny/aktywny
5. Dodanie/przesunięcie składowej stałej  sumator
6. Ograniczenie amplitudy sygnału wyjściowego
26
Dziękuję za uwagę.