Automatyka

1. Automatyka Wykład 2 Podział układów regulacji. Cyfrowy układ regulacji. Sygnały w układach automatyki.

2. Podział układów regulacji. • Zależnie od przyjętego kryterium klasyfikacji rozróżnia się następujące układy regulacji: • Ze względu na liczbę regulowanych wielkości: • jednowymiarowe (regulacja jednej zmiennej) • wielowymiarowe (regulacja wielu zmiennych). • Ze względu na sposób działania: • ciągłe, • cyfrowe i impulsowe (dyskretne), • liniowe, • nieliniowe. • Ze względu na charakter sygnału zadanego w(t), układy regulacji mogą być układami: • regulacji stałowartościowej, gdy sygnał w(t) = w0 = const. • regulacji programowalnej, gdy przebieg sygnału jest zaprogramowany (przewidziany z góry), • regulacji nadążnej, gdy sygnał w(t) ma charakter nie przewidziany, • regulacji ekstremalnej, gdy celem regulacji jest utrzymanie sygnału wyjściowego lub sygnałów wyjściowych na poziomie wartości ekstremalnych (minimalnych lub maksymalnych). • Ze względu na sposób realizacji sterowania: • układy adaptacyjne, gdy dla zmieniających się w czasie pracy parametrów obiektu następuje dostosowanie, czyli adaptacja parametrów regulatora, • układy optymalne, gdy osiąga się możliwie najlepsze wartości wskaźników jakości regulacji, niezależnie od struktury regulatora, • układy suboptymalne, gdy przy określonym typie regulatora uzyskuje się najlepsze wskaźniki jakości regulacji.

3. Sterowanie adaptacyjne (ang. adaptive control)- polega na automatycznym dopasowaniu parametrów regulatora do zmieniających się właściwości obiektu regulacji i jego otoczenia, tak aby zapewnić większą odporność układu na zaistniałe zmiany, spowodowane: - oddziaływaniem różnego rodzaju zakłóceń, które z reguły są nieprzewidywalne, - zmianą właściwości lub parametrów samego obiektu. Sterowanie odporne (ang. robust control) – metoda sterowania, gwarantująca stabilność układu regulacji automatycznej nawet w przypadku, gdy rzeczywisty obiekt regulacji różni się od założonego modelu. Odporność oznacza tolerancję dla błędów podczas identyfikacji (niewłaściwa struktura modelu) lub dla zmian parametrów obiektu (współczynnik wzmocnienia, stałe czasowe, opóźnienie) w czasie. Nawet jeśli model matematyczny obiektu nie jest całkowicie prawidłowy, układ regulacji powinien być stabilny a jego regulacja bliska optymalnej.

4. Schemat blokowy cyfrowego układu regulacji z(t) y(t) Obiekt sterowania u(t) C/A A/C Komputer Regulator (sterownik) Wejście operatora

5. W układach regulacji cyfrowej regulator jest układem cyfrowym. Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych, w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boole'a i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o podstawowe bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boole’a: iloczyn logiczny (AND), sumę logiczną (OR), negację (NOT). Z bramek podstawowych zbudowane są jeszcze 3 następujące bramki: negacja iloczynu (NAND), negacja sumy (NOR) i różnica symetryczna (XOR). Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów wykonuje się je w postaci układów scalonych. Bramki logiczne są umieszczane w układach scalonych, które produkuje wiele różnych firm na całym świecie. Najpopularniejsze serie to obecnie TTL (bramki zbudowane z tzw. tranzystorów bipolarnych) oraz CMOS (bramki zbudowane z tranzystorów polowych).

6. Na wejścia bramki podajemy napięcia elektryczne, które mogą przyjmować dwa poziomy logiczne (dla układów TTL - Transistor-Transistor-Logic):

7. a a^b b Bramka logiczna AND Symbol: Tablica działania (1 oznacza zdanie prawdziwe 0 zaś zdanie fałszywe): a b a^b

8. a ^ ab b Bramka logiczna OR Symbol: Tablica działania (0 - oznacza zdanie fałszywe, 1 - zdanie prawdziwe): a b ^ a

9. Bramka logiczna NOT (Inwerter) a

10. Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróżnia się dwie główne klasy układów logicznych: układy kombinacyjne – układy „bez pamięci”, w których sygnały wyjściowe są zawsze takie same dla określonych sygnałów wejściowych; układy sekwencyjne – układy „z pamięcią”, w których stan wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść, ale również od stanów poprzednich. • Zalety układów cyfrowych: • Możliwość bezstratnego przesyłania informacji – jest to coś, czego w układach analogowych operujących na nieskończonej liczbie poziomów napięć nie sposób zrealizować. • Zapis i przechowywanie informacji cyfrowej jest prostsze. • Mniejsza wrażliwość na zakłócenia elektryczne. • Możliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (mikroprocesor). • FPGA(ang. Field Programmable Gate Array) - bezpośrednio programowalna macierz bramek to rodzaj programowalnego układu logicznego.

11. Struktura komputera pamięć główna jednostka centralna CPU komputer połączenia systemowe wejście-wyjście

12. Struktura komputera Wejście-wyjście – przenoszą dane pomiędzy komputerem a jego otoczeniem Połączenia systemowe – zapewniają łączność pomiędzy procesorem, pamięcią główną a układami wejście-wyjście Jednostka centralna (CPU) –steruje działaniem komputera i realizuje funkcje przetwarzania danych Pamięć główna – przechowuje dane wejściowe obliczeń i wyniki obliczeń

13. Struktura jednostki centralnej Jednostka sterująca ALU CPU Połączenia wewnętrzne Rejestry

14. Struktura jednostki centralnej Jednostka sterująca – steruje działaniem procesora i całym komputerem Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) – realizuje funkcje przetwarzania danych przez komputer Rejestry – służą do przechowywania danych w procesorze Połaczenia wewnętrzne – zapewniają łączność pomiędzy jednostką sterującą, ALU i rejestrami

15. Struktura jednostki sterującej Rejestry i dekodery jednostki sterującej Układy logiczne Jednostka sterująca Pamięć sterująca

16. Struktura magistralowa komputera Sterownik konsoli Moduł We-wy Pamięć Moduł We-wy CPU Magistrala Poraz pierwszy zastosowano w komputerach PDP-8 firmy DEC. Magistrala Omnibus składała się 96 oddzielnych ścieżek używanych do przenoszenia sygnałów sterowania, adresu i danych. Wykorzystywanie tej wspólnej magistrali było sterowane przez procesor.

17. Generacje komputerów

18. Modele matematyczne sygnałów.

19. Amplituda F1  1 Sygnały zdeterminowane to takie przebiegi czasowe, które dają się opisać za pomocą określonych zależności matematycznych. Sygnały okresowe 1. Sygnały sinusoidalne

20. 2. Sygnały okresowe - niesinusoidalne Amplituda 0 1 4 5 2  3

21. f(t) 0 t f(t) 0 t Sygnały nieokresowe

22. x1 t x2 t xn t t3 t1 t2 Sygnały stochastyczne Sygnały stochastyczne są realizacjami procesu stochastycznego. Reprezentacją procesu stochastycznego jest zbiór jego realizacji. Reprezentacją procesu stochastycznego w określonej chwili jest zmienna losowa. Proces stochastyczny jest nieskończenie wymiarową zmienną losową.

24. F(x) 1 0 x

25. f(t) 0 t f(t) f(t) t t f(t) t Inna klasyfikacja sygnałów Sygnały ciągłe Sygnały dyskretne Sygnały impulsowe Sygnały cyfrowe

26. e(t) Poziomy kwantowania Tp 2Tp 3Tp 4Tp5Tp6Tp t Sygnał cyfrowy