ON-OFF (kétállású) hmérsékletszabályozás



Hasonló dokumentumok
1. Folyamatszabályozási alapok

Ipari mintavételes PID szabályozóstruktúra megvalósítása

Grafikus folyamatmonitorizálás

Ipari kemencék PID irányítása

Proporcionális hmérsékletszabályozás

Két- és háromállású szabályozók. A szabályozási rendszer válasza és tulajdonságai. Popov stabilitási kritérium

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

Szervomotor pozíciószabályozása

A/D és D/A konverterek vezérlése számítógéppel

Iványi László ARM programozás. Szabó Béla 6. Óra ADC és DAC elmélete és használata

Mérés és adatgyűjtés

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Digitális jelfeldolgozás

Yottacontrol I/O modulok beállítási segédlet

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW előadás

Mérés és adatgyűjtés

Szinkronizmusból való kiesés elleni védelmi funkció

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

A/D és D/A átalakítók gyakorlat

Mérési jegyzőkönyv a 5. mérés A/D és D/A átalakító vizsgálata című laboratóriumi gyakorlatról

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

1. Metrológiai alapfogalmak. 2. Egységrendszerek. 2.0 verzió

Tartalom. Soros kompenzátor tervezése 1. Tervezési célok 2. Tervezés felnyitott hurokban 3. Elemzés zárt hurokban 4. Demonstrációs példák

8. Laboratóriumi gyakorlat INKREMENTÁLIS ADÓ

Multi-20 modul. Felhasználói dokumentáció 1.1. Készítette: Parrag László. Jóváhagyta: Rubin Informatikai Zrt.

Feszültségérzékelők a méréstechnikában

IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI ALAPOK. Erdei István Grundfos South East Europe Kft.

Mikrokontrollerek és alkalmazásaik Beadandó feladat

Egyszabadságfokú mechanikai rendszer irányítása nyílt hurkú vezérlés

Elektromechanikai rendszerek szimulációja

2. Elméleti összefoglaló

PCS-1000I Szigetelt kimenetű nagy pontosságú áram sönt mérő

Digitális hangszintmérő

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 7.

Elektronika Előadás. Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók

Mechatronika alapjai órai jegyzet

1. Az automatizálás célja, és irányított berendezés, technológia blokkvázlata.

MINTA Írásbeli Záróvizsga Mechatronikai mérnök MSc. Debrecen,

Értékelés Összesen: 100 pont 100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 15%.

Minden mérésre vonatkozó minimumkérdések

Mintavételezés és AD átalakítók

MSP430 programozás Energia környezetben. Analóg jelek mérése

Mérés és adatgyűjtés

I. C8051Fxxx mikrovezérlők hardverfelépítése, működése. II. C8051Fxxx mikrovezérlők programozása. III. Digitális perifériák

D/A konverter statikus hibáinak mérése

A digitális analóg és az analóg digitális átalakító áramkör

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

Analóg digitális átalakítók ELEKTRONIKA_2

Orvosi Fizika és Statisztika

9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK

EGYENÁRAMÚ TÁPEGYSÉGEK

Mérési hibák

Kaméleon K860. IAS Automatika Kft

KÍSÉRLET, MÉRÉS, MŰSZERES MÉRÉS

Számítógépes Grafika SZIE YMÉK

Mintavételezés tanulmányozása. AD - konverzió. Soros kommunikáció

2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

Magspektroszkópiai gyakorlatok

TxBlock-USB Érzékelőfejbe építhető hőmérséklet távadó

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 0. TANTÁRGY ISMERTETŐ

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

PWM elve, mikroszervó motor vezérlése MiniRISC processzoron

Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

Mintavétel: szorzás az idő tartományban

SYS700-A Digitális szabályozó és vezérlõ modul DDC rendszerelemek, DIALOG-III család. Terméktámogatás:

Mérés és adatgyűjtés

Akusztikus MEMS szenzor vizsgálata. Sós Bence JB2BP7

11. Analóg/digitális (ADC) és Digital/analóg (DAC) átalakítók

Univerzális szekrénybe szerelhet eszközök

Mérés 3 - Ellenörzö mérés - 5. Alakítsunk A-t meg D-t oda-vissza (A/D, D/A átlakító)

RPS-1 ph/rx. Felhasználói leírás

Félvezetk vizsgálata

Digitális hőmérő Modell DM-300

SYS700-PLM Power Line Monitor modul DDC rendszerelemek, DIALOG-III család

RAB11. 2-csöves fan coil készülékekhez. Tipikus felhasználások: Közületi épületek Lakóépületek Kisebb ipari létesítmények

Az irányítástechnika alapfogalmai Irányítástechnika MI BSc 1

Önhangoló PID irányítás

Mechatronika és mikroszámítógépek. 2016/2017 I. félév. Analóg-digitális átalakítás ADC, DAC

Jelfeldolgozás a közlekedésben. 2017/2018 II. félév. Analóg-digitális átalakítás ADC, DAC

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Fázisátalakulások vizsgálata

TxRail-USB Hőmérséklet távadó

MSP430 programozás Energia környezetben. Szervó motorok vezérlése

USB I/O kártya. 12 relés kimeneti csatornával, 8 digitális bemenettel (TTL) és 8 választható bemenettel, mely analóg illetve TTL módban használható.

Gingl Zoltán, Szeged, :47 Elektronika - Műveleti erősítők

Jel, adat, információ

A digitális jelek időben és értékben elkülönülő, diszkrét mintákból állnak. Ezek a jelek diszkrét értékűek és idejűek.

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 8.

Ellenállásmérés Ohm törvénye alapján

MÉRÉSTECHNIKA. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Fazekas Miklós (1) márc. 1

Híradástechikai jelfeldolgozás

Elektronika Előadás. Analóg és kapcsolt kapacitású szűrők

MAL és VM javítási útmutató

Jelkondicionálás. Elvezetés. a bioelektromos jelek kis amplitúdójúak. extracelluláris spike: néhányszor 10 uv. EEG hajas fejbőrről: max 50 uv

A biztonsággal kapcsolatos információk. Model AX-C850. Használati útmutató

A típusú tápegység felhasználható minden olyan esetben, ahol 0-30V egyenfeszültségre van szükség maximálisan 2,5 A terhelıáram mellett.

AUTOMATIKAI ÉS ELEKTRONIKAI ISMERETEK KÖZÉPSZINTŰ ÍRÁSBELI VIZSGA JAVÍTÁSI-ÉRTÉKELÉSI ÚTMUTATÓ A MINTAFELADATOKHOZ

Fuji Digitális Panelmér. Univerzális FD5000 típus sorozat

Átírás:

ON-O (kétállású) hmérsékletszabályozás 1. A gyakorlat célja A hmérsékletszabályozási hurok elemeinek megismerése, a folyamat számítógép interfész megvalósítása. Kapcsoló üzemmódú (ON-O) szabályozó megvalósítása és tanulmányozása. 2. Elméleti bevezet 2.1. A szabályozási hurok A szabályozási hurok a folyamatból és az annak az irányítását biztosító technikai eszközökbl álló zárt rendszer (lásd 1. Ábra). 1. Ábra: A szabályozási hurok felépítése A hurokban megjelen jelek elnevezései: u p a folyamat bemenete plant input (módosított jellemz) y a folyamat kimenete plant output (szabályozott jellemz) y m mért kimenet measured output (ellenrz jel) r elírt érték reference signal (alapjel) e szabályozási hiba control error (rendelkez jel) u beavatkozó jel control signal d zavaró jel disturbance A szabályozási hurok elemeinek fbb jellemzi az irányítási algoritmus szempontjából: Az irányított folyamat: Bemenete tipikusan nagyenergiájú jel, amelyet a szabályozási hurkon belül úgy kell meghatározni, hogy a folyamat kimenete kövesse az elírt értéket. Érzékel: a folyamat kimenetét alakítja az irányítási algoritmus által feldolgozható értékre. A bemeneteük lehet nem-elektromos jel (például hmérséklet, fordulatszám), a kimenete tipikusan elektromos jel. Célszer, ha az érzékel kimenete egyezményesített,

szabványos tartományú jel. Ilyen tartományok például a 0-5 V, 0-10 V, 0-20 ma, 4-20 ma. ermészetesen nem minden jelet lehet vagy érdemes egyezményesített tartományba átalakítani. Beavatkozó: A beavatkozó szerepe, hogy bemenetén megjelen kisenergiájú jelet (amit a szabályozó határoz meg) a folyamat bemenetének megfelel szintre átalakítsa, tehát tipikusan kisenergiájú jelbl nagyenergiájú jelet kell, hogy létrehozzon. Jellemz a beavatkozóra, hogy ezen az elemen keresztül áramlik be az energia a szabályozási körbe. Hasznos, ha a bemenete egyezményesített jel. Elvárható, hogy kisebb idállandókkal rendelkezzen, mint az irányított folyamat. Az irányítási algoritmus feladata, hogy az érzékel által mért kimenet és az elírt érték függvényében meghatározza a beavatkozó bemenetét úgy, hogy a folyamat kimenete kövesse az alapjelet. Az esetek többségében elször képezzük az elírt érték és a mért kimenet különbségét, vagyis meghatározzuk a szabályozási hibát: e = r y m (1) A szabályozó bemenetét így a szabályozási hiba képezi. A szabályozónak mind a bemenete mind a kimenete kisenergiájú jel. 2.2. intavételes szabályozások megvalósítása A mintavételes kialakítás felvet néhány speciális problémát: az analóg-digitális, digitálisanalóg átalakítás miatti kerekítési hibák, a mért jelek digitális szrése, kalibrációja, a mintavételi periódus meghatározása. Analóg-digitális, digitális analóg átalakítás: Az analóg digitális átalakítás miatt kvantálási hibára számíthatunk a mért jel beolvasásánál, a mérés pontossága az átalakító felbontásától függ. Ha az átalakító felbontása N, a mért jel y IN, y AX tartományban van, akkor az elérhet mérési pontosság (y IN - y AX )/2 N, ha a mérés lineáris. Ezért az analógdigitális átalakítót úgy kell megválasztani, hogy nagyobb pontossággal tudjunk mérni, mint az elvárt szabályozási pontosság. A digitális-analóg átalakító (a beavatkozó jel kiküldése) felbontásának meghatározásánál ugyancsak szabályozási pontosságot kell figyelembe venni. Ha nagy felbontással tudjuk csak módosítani a beavatkozó jelet, a folyamat kimenete is nagy felbontással fog változni. A napjainkban ipari alkalmazásokra elterjedt analóg-digitális, digitális-analóg konverterek felbontása tipikusan 10-16 bit között van, de ennél nagyobb felbontású átalakítók is kaphatóak elérhet áron. érések kalibrálása: Az analóg-digitális átalakítóról beolvasott érték egy egész szám 0 2 N tartományban, ahol N az átalakító pontossága. A beolvasott jelet mindig át kell alakítani az irányítási algoritmus által feldolgozható, valamint a kezelszemélyzet által értelmezhet értékre. Kalibrálás alatt az analóg-digitális átalakítóról beolvasott érték transzformálását értjük szabványos (pl. SI) mértékegységekkel jellemezhet tartományba. Amennyiben a mérési tartományban az érték lineárisan változik, a kalibráció y =a y AD +b lineáris transzformációt jelent. Ha a mérés tartománya y IN y AX és az átalakító pontossága N (y IN bemenetre 0-t, y AX bemenetre 2 N -et olvasunk be), akkor:

y a b = a = y = y y AX IN AD 2 y N + b IN (2) Amennyiben a mérés nem változik lineárisan a mérési tartományban, a kalibrációhoz nem elsfokú, hanem magasabb fokú polinomot alkalmazhatunk. A kalibráció eltt a beolvasott érték még egész eljel nélküli szám, a kalibráció után már célszer lebegpontos ábrázolást alkalmazni. A jelek szrése: Az ipari mérések esetén mindig kell számolni mérési zajokkal. A mérési zajok miatt az irányítási algoritmus bemenetén torzítva jelenik meg a folyamat kimenete, ezért az irányítás minsége romolhat. A mérési zajok általában nagy frekvencián jelentkeznek, ezért az alkalmazott szr alulátereszt szr kell, hogy legyen. A szr megválasztásnál becslésünk kell legyen arról, hogy a mérési zajok milyen frekvenciatartományban jelentkeznek. Irányítástechnikai feladatokban általában elégséges egyszer struktúrájú, kis fokszámú szrket alkalmazni. Lassú irányítások (például hmérsékletszabályozás) esetében szóba jöhetnek véges impulzusválaszú (IR inite Impulse Response) átlagoló szrk. Ebben az esetben a szr kimenete az utolsó N mérés átlaga: N 1 i= 0 yk i y k = (3) N y k a szr kimenete, y k a mért érték a k-ik mintavételben. Az N értékével állíthatjuk be. inél alacsonyabb frekvencián jelentkeznek a zajok, annál nagyobb N-t szükséges választani. Gyors irányításoknál (például pozíciószabályozásnál az inkrementális adóról beolvasott frekvenciaérték szrése) alkalmazhatunk rekurzív szrket. Sok esetben elégséges egy elsfokú rendszer mintavételes megvalósítása. Közismert, hogy a stabil elsfokú rendszer alulátereszt szr. H Y ( s) ( s) = = Y ( s) 1 s + 1 (4) a rendszer idállandója. A szr ersítése egységnyinek választható. inél alacsonyabb frekvencián jelentkeznek a mérési zajok, annál nagyobbra kell választani értékét. A szr mintavételes megvalósításánál kiindulhatunk az t leíró differenciálegyenlet alakjából, amire a hátratartó differenciák közelítést alkalmazzuk, lásd (5). a mintavételi periódust jelöli. A szr kimenete az elz mintavételbeli szrt értéktl is függ.

y k dy + y dt = y yk yk 1 + yk = yk (5) = yk 1 + yk + + 2.3 Kétállású (ON-O) szabályozó Számos irányítástechnikai alkalmazásnál célszer kapcsoló üzemmódú szabályozót alkalmazni, vagy a szabályozót kibvíteni nemfolytonos elemekkel. A kétállású szabályozó a hiba függvényében két fix értéket képes kiadni (u=+1;u=-1 vagy u=+1; u=0), ennek megfelelen a beavatkozó szerv is két üzemmódban mködhet a kiadott beavatkozó jel függvényében. A túl gyors kapcsolás elkerülésére a szabályozót (h szélesség) hiszterézissel módosíthatjuk. (lásd 10.24. Ábra) 2. Ábra: Szabályozási rendszer kétállású szabályozóval Vizsgáljuk meg azt az esetet is, amikor az irányított folyamat elsfokú átviteli függvénnyel modellezhet és a rendszer tartalmaz holtidt. H K f sτ f ( s) = e (6) f s + 1 τ a holtidt jelöli. Az irányított folyamat válasza hasonló lesz az elz esethez, de a holtid miatt a lengések periódusa megn és a maximális eltérés az elírt értéktl ugyancsak nagyobb lesz (lásd 3 Ábra). Az irányítási rendszer válaszának tulajdonságait a hiszterézis szélessége valamint a rendszer idállandói nagymértékben meghatározzák. A hiszterézis szélessége a legnagyobb eltérésre és a lengések tartományára is hatással van. A hiszterézis szélességének csökkentése nagyobb kapcsolási frekvenciát von maga után.

3 Ábra: Kétállású szabályozóval irányított holtids rendszer válasza 3. A mérés menete Az irányítás célja egy fémlapka hmérsékletének konstans értékre szabályozása. ehát az irányított folyamat bemenete a fémlapkának leadott hmennyiség, kimenete a fémlapka hmérséklete. A fémlapka hmérsékletét egy L135 típusú kalibrált félvezet alapú hmérsékletszenzorral mérjük (érzékel). Az érzékel -40 +135 Celsius fokos hmérséklettartományban alkalmazható és kisebb mint 1 Celsius fok a mérési pontossága. A mködésének feltétele, hogy a rajta átfolyó áram 0.5 5 milliamper tartományban legyen. Ezt úgy oldhatjuk meg, hogy az egyenfeszültséggel történ betápláláskor az érzékelvel párhozamosan egy ellenállást helyezünk el. Ha a tápfeszültség U és az érzékeln es feszültség U E =0.5 mv, akkor az ellenállás értékét R=(U -U E )/I alapján kell megválasztani, ahol I az érzékeln átfolyó (elvárt) áram. Az érzékel Kelvinben van kalibrálva. 0 Kelvin foknak 0 V felel, meg és ha a hmérséklet 1 fokot változik, akkor az érzékeln mért feszültség 10 millivoltot változik. Így ha a hmérséklet 0 Celsius fok, az érzékeln 2,73 Voltot mérünk. A fémlapnak a ht egy kapcsolóüzem teljesítménytranzisztorral adjuk le. Ugyanakkor a fémlap htésére egy ventillátort alkalmazunk. ehát a beavatkozó a tranzisztorból és a ventillátorból álló együttes. A számítógéphez a rendszert egy OEGA DAS 08-as adatbegyjt kártya segítségével csatoljuk. Az érzékel által adott feszültséget az adatbegyjt kártya egyik analóg bemenetére csatoljuk. A tranzisztort és a ventillátort a kártya egy-egy digitális kimenetére csatoljuk. Elvégzend programozási feladatok: I. A kártya meghajtójának illesztése a programunkhoz:

A kártya funkcióit C++ könyvtárfüggvényeken keresztül érhetjük el. Azt a empcontrollab tervhez (a program interfészét lásd a 4 Ábrán) az Add iles to Project menüpontban illeszthetjük. Ahhoz, hogy a emperaturecontrol.cpp állományban a kártyafüggvényeket alkalmazni tudjuk, az állományba be kell illeszteni a cbw.h interfészt. II. Hmérséklet beolvasása: ReadADConversionResult függvényben. A visszatérített érték a beolvasott AD konverzió eredménye. Ehhez az alábbi függvényt alkalmazzuk: cbain(board_nu, ANALOG_CHANNEL, ADRANGE, &ADConversionResult) BOARD_NU az adatbegyjt kártyához a meghajtó által hozzárendel szám (jelen esetben 1) ANALOG_CHANNEL az analóg csatorna száma, amire a beolvasott értéket kötöttük (jelen esteben 0) ADRANGE a mérési tartomány, amelyben beolvassuk a jeleket (jelen esetben +/- 5V, az ennek megfelel konstans BIP5VOLS) ADConversionResult unsigned short típusú változó amibe az konverzió eredménye kerül. III. A hmérséklet kalibrálása és szrése: Calibrateemperature függvényben. A visszatérített érték a szrt hmérsékletérték. A hmérséklet kalibrálásához elször átalakítjuk a beolvasott értéket voltba. A kártyán az AD konverzió 12 bites, tehát a beolvasott értékek tartománya 0... 4096. A mérési tartomány -5V +5V, tehát a feszültséget az alábbi módon számíthatjuk: U= (5-(-5))/4096)* (ADConversionResult-2048) A második értékben a kiszámított feszültséget átalakítjuk hmérsékletté (Celsius fokba). ivel 0 fok Celsiusra a feszültség 2.73 V és 1 fok hmérsékletváltozásra a feszültség 10 mv-ot változik: =100*U-273 A harmadik lépésben a kapott hmérsékletértéket szrjük. Ehhez a (3) összefüggést alkalmazzuk N=3 ra. A k-1, k-2 értékeket statikus változóként kell elmenteni. És értékeket a szrt hmérséklet számolása után frissíteni kell: k-2 = k-1 k-1 = k III. A szabályozási hiba számolása: CalculateControlError függvényben. A visszatérített érték a szabályozási hiba, amit az (1) összefüggés alapján számolunk. Hogy számolni tudjuk a függvényben meg kell hívni a GetControlReference és a Calibrateemperature függvényeket. IV. A beavatkozó jel számolása és kiküldése: CalculateControlSignal függvényben. Az ON-O szabályozás elve alapján, ha a szabályozási hiba eljele pozitív, akkor a beavatkozó jel értéke -1 (O, vagyis a ventilátor van bekacsolva), máskülönben a beavatkozó jel értéke +1 (ON, vagyis a ft tranzisztor van bekapcsolva). A digitális beavatkozó jelek kiküldéséhez alkalmazzuk az alábbi függvényt:

cbdout(board_nu, POR,value) BOARD_NU az adatbegyjt kártyához a meghajtó által hozzárendel szám (jelen esetben 1) POR a digitális port, ahova a jeleket szeretném kiküldeni (jelen esetben a port neve AUXPOR). value a digitális portra kiküldend érték ivel a ft tranzisztor a nulladik bitjére, a htést biztosító ventilátor a port els bitjére van kötve, ezért ON esetén 0X01-et, O esetén 0X02-t kell kiküldeni a portra. A szabályozási rendszer jeleinek numerikus kiíratása automatikusan történik. A grafikus kiíratáshoz alkalmazzuk a GenerateemperatureList függvényt, módosítva a hmérsékletkiíratásnak megfelelen. 4. Ábra. A program interfésze

4. Kérdések és feladatok 1. A grafikusan és numerikusan kijelzett hmérséklet alapján állapítsuk meg, hogy mennyi a rendszer holtideje. 2. A grafikusan és numerikusan kijelzett mérések alapján állapítsuk meg, hogy mennyi a hmérséklet jel lengések amplitúdója. 3. ódosítsuk a szabályozást úgy, hogy a szabályozóban helyezzünk el hiszterézis elemet is. A hiszterézis szélessége legyen 2 fok. Vizsgáljuk meg, hogyan módosul a szabályozási rendszer hmérsékletválasza.