AUTOMATYKA- dyscyplina naukowa i techniczna zajmująca się teorią i praktyczną realizacją urządzeń sterujących obiektami technicznymi bez udziału człowieka lub z ograniczonym jego udziałem. Jest podstawą teoretyczna konstruowania automatów oraz podstawa automatyzacji.

Wybrane zagadnienia z inżynierii systemów automatycznego sterowania:

SYSTEM- to zbiór elementów w określony sposób ze sobą połączonych, stanowiących całość o określonym przeznaczeniu i scharakteryzowany pewną liczbą wartości zwanych zmiennymi systemu.

OTOCZENIE SYSTEMU- zbiór elementów spełniających określone warunki:

- zmiany zmiennych charakteryzujących te elementy oddziałują na zmienne systemu,

- zmiany zmiennych systemu oddziałują na zmienne elementów tworzących otoczenie.

AUTOMATYZACJA- wprowadzenie do produkcji, transportu, pracy biurowej i innych dziedzin- urządzeń automatycznych w celu samoczynnego sterowania, regulowania obiektów technicznych, oraz kontrolowania przebiegu różnych procesów.

AUTOMATYCZNY:

-wykonujący cykle pracy bez udziału człowieka,

- z wykorzystaniem automatu.

Sprzężenia istniejące pomiędzy systemem a otoczeniem dzieli się na:

- zmienne wejściowe systemu,

- zmienne wyjściowe systemu.

ZMIENNYMI WEJŚCIOWYMI SYSTEMU-nazywamy zmienne przedstawiające oddziaływanie otoczenia na system.

ZMIENNYMI WYJŚCIOWYMI (wyjścia) - nazywamy zmienne przedstawiające oddziaływanie systemu na otoczenie.

STAN SYSTEMU- zbiór wszystkich tych zmiennych systemu, których znajomość w danym momencie czasu wraz ze znajomością przyszłych przebiegów czasowych, zmiennych wejściowych, umożliwia określenie przyszłych przebiegów czasowych, zmiennych wyjściowych.

Zmienne systemu tworzące stan systemu nazywamy współrzędnymi stanu.

Sterowanie w torze otwartym i sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym:

Przy tym sterowaniu system sterujący określa przebieg czasowy wejść sterujących obiektu w sposób niezależny od współrzędnych stanu obiektu.

System sterowania ze sprzężeniem zwrotnym:

Przy tym sterowaniu system sterujący określa przebieg czasowy wejść sterujących obiektu w zależności od niektórych lub wszystkich współrzędnych stanu obiektu. Realizacja sterowania ze sprzężeniem zwrotnym wymaga pomiaru niektórych lub wszystkich współrzędnych stanu obiektu.

Dla obydwu sposobów sterowania przebieg wejść sterujących obiektu może być dodatkowo uzależniony od zakłóceń oddziałujących na obiekt. W tym celu należy zmierzyć zakłócenia a wynik pomiaru przetworzyć w systemie sterującym na taki przebieg wejść sterujących by skompensować wpływ tych zakłóceń na obiekt sterowania.

Współpraca układu automatyki z obiektem:

Zasada współpracy układu automatyki z obiektem automatyzowanym w najbardziej ogólny sposób można przedstawić schematem obiegu informacji.

Podstawowe bloki układu automatyki:

Element automatyki: x₁...x₂, y₁...y₂

Jest to urządzenie lub część urządzenia, występującego w układzie automatycznej regulacji (UAR) w którym można wyodrębnić sygnał wejściowy x i sygnał wyjściowy y, lub sygnał wejściowy x₁...x_n i sygnał wyjściowy y₁...y_n

KLASYFIKACJA UKŁADÓW AUTOMATYKI:

a) podział ze względu na liniowość elementów układu:

- układy liniowe- działanie ich można opisać z wystarczającą dokładnością za pomocą liniowego modelu matematycznego,

- układy nieliniowe- działanie ich nie można opisać dostatecznie dokładnie za pomocą liniowego modelu matematycznego (w układzie występuje przynajmniej jeden element nie liniowy)

b) podział ze względu na zadania układu:

- układy stabilizujące tzw. układy regulacji stałowartościowej, w których algorytm działania realizuje utrzymywanie wielkości sterowanej na stałej wielkości (wartość zadana wielkości regulowanej jest stała, ω= const)

- układy programowe- algorytm ich działania realizuje zmianę wielkości sterowanej wg. zadanego programu (ω-zadane jest programem)

- układy nadążne- algorytm ich działania realizuje pewien przebieg wielkości sterowanej, przy czym przebieg ten nie jest z góry znany (wielkość regulowana nadąża za zakłóceniem)

- układy ekstremalne- utrzymuje się w nich automatycznie optymalny punkt pracy, zapewniający ekstremum(max lub min) na charakterystyce przedstawiającej zależność wskaźnika jakości od wielkości sterujących lub parametrów układu sterującego.

- układy adaptacyjne- układy zawierające urządzenia, które w przypadku zmian własności obiektu lub oddziaływań zewnętrznych wywołują zmiany algorytmu sterowania zapewniające realizację pożądanego działania całego układu.

c) podział ze względu na sposób działania:

- układy o działaniu ciągłym- wielkości wyjściowe wszystkich istotnych części są wielkościami analogowymi, zależnymi w sposób ciągły od wartości wielkości wejściowych.

- układy przekaźnikowe(nie ciągłe)- wielkość wyjściowa przynajmniej jednego z istniejących elementów urządzenia sterującego morze przetwarzać wielkości wejściowe tylko w określonych momentach czasu, przy czym wielkości wejściowe tych elementów są sygnałami próbkowanymi lub dyskretnymi.

d) podział ze względu na sposób przedstawiania wyników pomiaru wielkości regulowanej:

- układy analogowe- wielkość regulowana jest mierzona i przetwarzana na inną wielkość fizyczna o przebiegu w czasie analogicznym jak przebieg wielkości regulowanej.

- układy cyfrowe- wynik pomiaru wielkości regulowanej jest przetwarzany na sygnał cyfrowy i wyrażony w postaci liczby.

e) podział ze względu na liczbę obwodów regulacji:

- układy 1-obwodowe- posiadają jedno główne sprzężenia zwrotne i nie posiadają sprzężeń wewnętrznych.

- układy wielo-obwodowe- posiadają więcej niż jedno sprzężenie główne lub pomocnicze.

Spośród układów wielo-obwodowych wyróżnia się obwody kaskadowe, w których wielkości wyjściowe z urządzeń sterujących jednego obwodu regulacji są wielkościami zadanymi innych obwodów regulacji.

f) podział ze względu na liczbę wielkości regulowanych:

- układy 1-parametrowe- 1 wielkość regulowana,

- układy wieloparametrowe- wiele wielkości regulowanych.

g) ze względu na rodzaj aparatury regulacyjnej:

-układy mechaniczne,

-układy hydrauliczne,

-układy pneumatyczne,

-układy elektryczne,

-układy mieszane.

Wybrane zagadnienia z techniki cyfrowej.

Zalety sygnałów dyskretnych:

- dokładność przetwarzania może być dowolnie duża i zależy wyłącznie od dokładności informacji wejściowych.

- znacznie większa jest odporność na zakłócenia i ogólna niezawodność urządzeń.

- informacja może być stosunkowo łatwo zapamiętana i magazynowana przez dowolnie długi czas,

- istnieje możliwość dokładnego, cyfrowego przedstawiania informacji wyjściowych za pomocą wskaźników cyfrowych i urządzeń drukujących,

- koszt układów realizujących złożone i dokładne przetwarzanie jest względnie niski.

INFORMACJĄ CYFROWĄ- nazywamy informację przedstawioną za pomocą ciągu wektorów, których elementy (zespoły) mogą przyjmować tylko 2 różne wartości oznaczone symbolami 0 i 1 np.wektory 4-elementowe to: 1101 lub 1010.

W typowym układzie elektronicznym logicznemu 0 odpowiada napięcie w zakresie (0-0,3) wartości napięcia zasilania. Zatem jeśli napięcie zasilania jest równe 5V to ten zakres będzie (0-1,5)wolta.

Logicznej 1 odpowiada napięcie 0,7 pełnej wartości napięcia zasilania, stad, jeżeli napięcie zasilania jest równe 5V to zakres będzie wynosił (3,5-5)V.

Z wektorem informacji cyfrowej związane jest pojęcie słowa maszynowego. Zatem słowo- to wektor o max. długości dający się wpisać do pamięci mikroprocesora mikrokomputera w trakcie 1 operacji pisania lub odczytać z pamięci operacyjnej w trakcie 1 operacji pisania.

Najczęściej spotykane słowa to: 4,8,16,32,64mikroprocesora. Duże zbiory informacji cyfrowej przedstawia się zwykle za pomocą matryc, których wierszami są omawiane wektory informacji cyfrowej. Wielkość tych zbiorów określa się za pomocą kilo,mega,giga jednostek.

Wektor informacji cyfrowej - przykład:

Wektory informacji cyfrowej mogą mieć reprezentację:

- bitowo równoległa w czasie, przy której wszystkie bity wektora są dostępne równocześnie, np. na równoległych liniach magistrali lub rejestrze. Reprezentacja taka umożliwia równoczesne przesłanie całego wektora i ze względu na związane z tym duże szybkości przesłania jest najczęściej stosowaną w mikroprocesorach reprezentacją wektorów informacji cyfrowej. Bywa ona również stosowana przy przesyłaniu wektorów informacji cyfrowej na niewielkie odległości poza mikrokomputerami.

- bitowo szeregową w czasie, przy której poszczególne bity wektora pojawiają się (najczęściej poczynając od bitu najmniej znaczącego) na tej samej linii lub w tym samym przerzutniku, w kolejnych przyporządkowanych im „okienkach czasu”, wyznaczonych przez impulsy generatora faktu. Reprezentacja taka umożliwia szczególnie ekonomiczne przesyłanie wektorów informacji cyfrowej na większe odległości.

Rejestr 8-bitowy - zwykły-bitowo równoległy.

Sygnał generatora faktu - bitowo-szeregowy:

Posługiwanie się informacją cyfrową zakłada istnienie konwencji określającej znaczenia (liczbowe) literowe lub inne każdego wektora. Konwencje takie nazywamy kodami. A zatem kodem danego zbioru symboli (cyfr, liter, znaków pisarskich, logicznych, arytmetycznych) nazywamy przyporządkowanie każdemu symbolowi tego zbioru jednego i tylko jednego wektora informacji cyfrowej.

W rejestrach i komórkach pamięci są przechowywane ciągi zer i jedynek. Ciągi te nazywane są słowami a poszczególne ich elementy bitami. Słowa te mogą reprezentować rozkazy lub dane przetwarzane przez mikrokomputer. Podstawowym typem danych występujących w mikrokomputerze SA dwójkowe liczby całkowite bez znaku lub ze znakiem. Liczby całkowite bez znaku są kodowane naturalnym kodem dwójkowym NB.

Słowo n-bitowe x = x_n-1...x_i...x_ix₀ reprezentuje w tym kodzie liczbę z przedziału ( 0-2^n-1) o wartości równej KNB(x) =

Symbol K(x) oznacza tu informację (liczbę) reprezentowana przez słowo dwójkowe x np. x=1101 reprezentuje liczbę o wartości 13.

MIKROPROCESOR- jest to element elektroniczny w wielkiej skali integracji przeznaczony do realizacji operacji arytmetyczno-logicznych na wektorach informacji cyfrowej zwanych danymi wprowadzanych z jego otoczenia, które stanowi pamięć i rejestry układów wejścia-wyjścia.

Rodzaj wykonywanej operacji jest określony poprzez inne wektory informacji cyfrowej zwane rozkazami, które mikroprocesor pobiera z pamięci. Wyniki wykonanych operacji mikroprocesor przekazuje do pamięci lub rejestrów układów wejścia-wyjścia.

Mikroprocesor składa się z 2 elementów funkcjonalnych, którymi są:

- układ arytmetyczno-logiczny- realizujący operacje arytmetyczno-logiczne na wektorach informacji cyfrowej wprowadzane na jego wejścia i wyprowadzające wynik tych informacji do określonego rejestru. Rodzaj wykonanej operacji zależy od sygnałów sterujących pochodzących z układów sterowania.

- układ sterowania przetwarzający wektor informacji cyfrowej będący rozkazem na serie impulsów skierowanych w różne miejsca mikroprocesora i określający chwile i rodzaj mikrooperacji składających się na wykonywana operację.

Schemat funkcjonalny mikroprocesora:

Podstawowe parametry mikroprocesora:

- długość słowa - liczba bitów jednostek przetwarzanej informacji (w większości przypadków długość słowa jest równa liczbie bitów rejestrów roboczych i magistrali danych).

- szybkość działania - czas trwania cyklu rozkazowego

- maksymalna pojemność pamięci - pamięć jaką można dołączyć do mikroprocesora

- lista rozkazów

- tryby (sposoby) adresowania pamięci

MIKROKOMPUTER W UKŁADACH STEROWANIA:

Podstawowym elementem tego systemu jest jednostka procesora centralnego CPU.W ramach CPU wyróżniamy 2 podzespoły funkcjonalne. Pierwszy z nich ustala taktowanie sygnału i steruje sekwencjami działań. Drugi wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne o danych.

Kolejny element to bloki pamięci połączone z CPU, które wykorzystywane SA do przechowywania listy rozkazów (programów) oraz przetwarzanie danych. Komunikacja z otoczeniem systemu jest utrzymywana za pośrednictwem pewnej liczby urządzeń - portów WE-WY.

Otoczenie systemu stanowią urządzenia zewnętrzne, które umożliwiają wprowadzenie danych z otoczenia do systemu i wyprowadzenie wyników z systemu do otoczenia.

Elementy wchodzące w skład systemu mikrokomputera są połączone wspólną magistralą. Transmisja danych pomiędzy elementami systemu μk odbywa się w ramach magistrali poprzez szyny. Szyną danych przesyłane są sygnały reprezentujące dane lub rozkazy programu pomiędzy CPU a pamięcią lub portami WE/WY.

SZYNA ADRESOWA- przekazuje sygnał adresowania pamięci, który dokonuje wyboru komórki dołączanej w danym momencie do szyny danych. Jest także używana do wybierania kanałów wejściowych lub wyjściowych.

SZYNA STERUJĄCA (sterowania)- przesyła zbiory sygnałów sterujących od J do CPU.

Pamięci półprzewodnikowe:

a) typu tablicowego: RAM (statyczne, dynamiczne), ROM (MROM, MROM, EPROM, EEPROM)

b) typu funkcyjnego - PLD: PLA, PAL, PPAL, EPPAL, EEPPAL, LCA).

PAMIĘĆ jest charakteryzowana przez 2 parametry:

- pojemność pamięci- jest funkcją liczby linii adresowanych i wielkości komórki,

- czas dostępu - czyli czas jaki upłynie od momentu zaadresowania komórki pamięci do uzyskania zapisanej w tej komórce informacji.

SYSTEMY- zbudowane na bazie μP występują w 4 formach:

- komputery

-μk jedno układowe (mikrokontrolery)

- μP ogólnego przeznaczenia

-układy segmentowe

Optymalny wybór systemu μP do sterowania obejmuje:

1.Szczegółowe określenie zadań systemu,

2.Podjęcie decyzji o konstrukcji systemu w oparciu o: μP ogólnego zastosowania, μkontroler, układ segmentowy.

3.Określenie odpowiedniej długości słowa,

4.Sformułowanie wymagań sprzętowych, tj. szybkość działania, pobór mocy i inne,

5.Określenie możliwości wykorzystania własnych i istniejących na rynku standardowych podzespołów elektronicznych.

6.Analiza projektu oprogramowania

7.Analiza czynników ekonomicznych.

MIKROKOMPUTER JEDNOUKŁADOWY- jest to kompletny μk umieszczony w jednym układzie scalonym.

Typowy μk zawiera: jednostkę centralną CPU z zegarem, pamięć programu ROM o pojemności rzędu kilku tyś. słów, pamięć danych RAM o pojemności od kilkudziesięciu do kilkuset słów, kilka bram wejściowo-wyjściowych służących do równoległego przesyłania informacji między CPU a urządzeniami zewnętrznymi, jeden lub kilka liczników-układów czasowych, układ szeregowy we/wy, lista rozkazów μk jest ukierunkowana na zadania sterowania prostymi obiektami, μk tego typu posiadają specjalizowane we i wy, np. wejście analogowe zaopatrzone w układ wykrywający przejście sygnału sinusoidalnego (np. sieciowego)przez 0, wejście analogowe z przetwornikiem analogowo-cyfrowym- AC, wyjścia o dużej obciążalności prądowej, wyjścia przystosowane do dynamicznego sterowania wskaźników segmentowych.

EMULATOR UKŁADOWY- jest to urządzenie dla eksploatatorów μP. Jest ono stosowane na etapie uruchamiania sprzętu, naprawiania, testowania. Jest to system zawierający: μP emulujący oraz związane z nim układy umożliwiające połączenie z uruchamianym układem prototypowym i z μk nadrzędnym.

Podstawowymi elementami emulatora są:

- moduł μP zastępującego procesor systemu prototypowego,

- układ sterujący zapewniający możliwość połączenia z μk nadrzędnym i sterowania pracy μP emulującego,

- analizator stanów logicznych śledzący przebieg wykonania programu i współpracujący z układem sterującym przy realizacji pułapek sprzętowych (zatrzymanie procesora w określonej chwili np. po dojściu do zadanego miejsca programu lub chwili sięgnięcia do określonego obszaru pamięci).

Podstawowe funkcje wykonywane przez emulator:

- ładowanie programu aplikacyjnego do pamięci operacyjnej systemu......

-odczytywanie i modyfikowanie zawartości rejestrów procesora emulującego, komórek pamięci i rejestrów urządzeń we/wy w systemie prototypowym,

-rozpoczęcie wykonania programu aplikacyjnego

-śledzenie przebiegu wykonania programu,

- ustawianie pułapek i krokowe wykonanie programu,

-przerwanie wykonania programu aplikacyjnego i przejecie sterowania przez program monitora.

W procesie uruchamiania systemu prototypowego emulator może być zastosowany na etapie: uruchamiania sprzętu, uruchamiania programu, integracji sprzętu i oprogramowania.

Schemat blokowy μP systemu pomiarowego:

- przetwornik analogowo-amplitudowy- przetwarzający zmienną mierzoną na ciągły sygnał elektryczny, prądowy lub napięciowy.

- dolno-przepustowy filtr analogowy, eliminujący wielocząsteczkowe szumy zawarte w sygnale wyjściowym przetwornika analogowo-amplitudowego,

-przetwornik analogowo-cyfrowy,

- pamięć o dostępie swobodnym RAM- przeznaczoną do przechowywania wyników pomiarów i wyników przetwarzania,

-pamięć stałą ROM- przeznaczoną do przechowywania programów przetwarzania pomiarów,

- μP przetwarzający pomiary,

-układ szeregowego wyjścia- przeznaczony do przeprowadzania wyników przetwarzania,

-generator interwałów czasowych- pracujący jako zegar wytwarzający impulsy determinujące częstotliwość próbkowania sygnału wyjściowego przetwornika analogowo-amplitudowego.

Mikroprocesorowe generatory sygnałów- do celów testowania układów elektronicznych, generujące określone sekwencje sygnałów elektrycznych (trójkątne, prostokątne, trapezowe, sinusoidalne)lub sygnały losowe o określonych właściwościach.

Mikroprocesorowe syntezatory mocy- generujące sygnały elektryczne, które po wzmocnieniu i wprowadzeniu na głośnik przekształcają się w sygnały akustyczne imitujące wyrazy lub zdania,

Mikroprocesorowe syntezatory muzyki- generujące sygnały elektryczne, które po wzmocnieniu i wprowadzeniu na głośnik przekształcają się w sygnały akustyczne imitujące muzykę.

- mikroprocesor - wprowadzający do pamięci RAM wzór generowanego sygnału i dokonujący odczytu tego wzoru zgodnie z częstotliwością wyznaczona przez generator interwałów czasowych.

- pamięć RAM- przeznaczoną do przechowywania wzorów sygnałów,

-pamięć ROM, zawierającą programy umożliwiające „redagowanie” różnych wzorów sygnałów

-przetwornik cyfrowo-analogowy,

-filtr dolnoprzepustowy, wygładzający sygnał wyjściowy przetwornika cyfrowo-analogowego.

PRZETWORNIKI SYGNAŁÓW:

1.Przetwornik cyfrowo-analogowy (c/a) składa się z sieci drabinek i rezystorów

Przetwornik ten składa się z zespołu kluczy, drabinki oporowej i dokładnego wzorca napięcia. Każdy stopień napięcia dostarcza napięcia Vt/2 różniącego się 2-krotnie od sąsiedniego. Prąd wyjściowy z każdego węzła jest kierowany albo do wzmacniacza, albo do uziemienia., zależnie od stanu kluczy S1-S4 sterowanych wejściowym sygnałem cyfrowym.

Klucz S1 powoduje zależnie od stanu, napięcie na wyjściu wzmacniacza Vt/2 albo 0v. Klucze S2, S3, S4 powodują dołączenie napięcia odpowiednio Vt/4, Vt/8, Vt/16. W rezultacie sygnał wyjściowy jest napięciem analogowym proporcjonalnym do wartości liczby binarnej podanej na klucze.

Wzorcowe napięcia odniesienia przetwornika dostarczają: wbudowana do układu dioda Zenera, lub zewnętrzne źródło napięcia odniesienia.

Stosowane klucze przetwornika stanowią tranzystory sterowane danymi z szyny systemu. Rozdzielczość wyjścia analogowego zależy od liczby bitów danych sterujących przetwornik, np. podając 8 bitowe dane otrzymujemy 256 dyskretnych wartości napięcia wyjściowego i rozdzielczość nieco większa niż 0,4 % całego zakresu. W wielu systemach przemysłowych stosuje się dane 12-bitowe, co daje 4096 wartości i rozdzielczość równą 0,025 % pełnego zakresu.

Parametry przetworników:

-maksymalna szybkość narastania napięcia- tj. szybkość z którą napięcie wyjściowe może się zmieniać,

-czas ustalania- czas, w którym napięcie wyjściowe osiąga wartość 1 bitu wartości końcowej.

2.PRZETWORNIK ANALOGOWO-CYFROWY (a/c)

Jest to przetwornik z podwójnym całkowaniem. Na początku przetwarzania wejście układu całkującego jest na poziomie zera. Przyłożenie napięcia na wejście powoduje wolne narastanie napięcia na wyjściu z szybkością zależną od wartości sygnału wejściowego. Całkowanie odbywa się w czasie określonym zliczaniem stałych impulsów zegarowych. Czas ten wybiera się tak, aby umożliwić pełny zakres pomiaru. Na końcu czasu zliczania zostaje odłączone napięcie wejściowe i przyłożone stałe napięcie wzorcowe o polaryzacji powodującej opadanie napięcia wyjściowego układu całkującego. Napięcie to zmniejsza się ze stałą szybkością określoną wartością napięcia wzorcowego. W tym czasie licznik zlicza impulsy zegarowe startując od 0 i w momencie, gdy wyjście integratora osiągnie 0, zliczanie zostaje zatrzymane. Wartość zapisana w liczniku jest stosunkiem napięcia mierzonego do napięcia wzorcowego. Odczyt licznika jest wyjściowym sygnałem cyfrowym. Czas przetwarzania tego układu zależy od pojemności licznika częstotliwości impulsów zegarowych. Zwykle wybiera się czas równy lub wielokrotny 20 mili sek., tj. równym okresom napięcia zasilającego 50 Hz ze względu na eliminacje zakłóceń powodowanych przez zasilanie sieci energetycznej.

STEROWNIKI MIKROPROCESOROWE

Sterownik- to elektroniczny system cyfrowy do stosowania w środowisku przemysłowym z programowalną pamięcią do przechowywania zorientowanych dla użytkownika (informacji) instrukcji w celu sterowania przez cyfrowe lub analogowe wejścia i wyjścia szeroką gamą maszyn i procesów. ALGORYTM PRACY STEROWNIKA:

Ogólna struktura systemu sterowania (automatyki)

Zestyki kontrolne: zestyki i potencjometry układów sterowania, układy sterowania i pomiary elektroniczne.

Programatory: pomiary analogowe, wskaźniki i rejestratory analogowe.

Siłowniki,

Układy elektroniczne sterowania,

Wyświetlacze cyfrowe,

Układy przekaźnikowe sterowania,

Impulsatory.

Przykłady zastosowania systemów mikroprocesorowych:

-komputerowy system zarządzania i kierowania stadem,

-elektroniczny przerywacz doju,

- system sterowania zespołem myjącym z przeglądem kolejnych procedur,

-elektroniczne pulsatory,

- elektroniczne urządzenie do pomiaru ilości mleka.

---