A következı oldalakon látható dokumentumok szerzıi jog védelme alatt állnak, mindenféle másolásuk, terjesztésük jogi következményeket von maga után!



Hasonló dokumentumok
5. PID szabályozás funkció 5.1, Bevezetés:

Szervomotor pozíciószabályozása

Proporcionális hmérsékletszabályozás

1. Holtids folyamatok szabályozása

Mechanizmusok vegyes dinamikájának elemzése

Irányítástechnika Elıadás. Programozható logikai vezérlık

AZ IONKONCENTRÁCIÓ POTENCIOMETRIÁS MEGHATÁROZÁSA IONSZELEKTÍV ELEKTRÓDOK ALKALMAZÁSÁVAL

ELEKTROKÉMIA GALVÁNCELLÁK ELEKTRÓDOK

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

Aktív lengéscsillapítás. Szabályozás állapottérben

Tóth Zsuzsanna * AZ ÁLTALÁNOS EGYENSÚLYELMÉLETEK ÉS A SZÁMSZERŐSÍTETT EGYENSÚLYI MODELLEK ÖSSZEHASONLÍTÓ ELEMZÉSE

Irányítástechnika Elıadás. PLC-k programozása

A szita formula és alkalmazásai. Gyakran találkozunk az alábbi kérdéssel, sokszor egy összetett feladat részfeladataként.

Hálózat gazdaságtan. Kiss Károly Miklós, Badics Judit, Nagy Dávid Krisztián. Pannon Egyetem Közgazdaságtan Tanszék jegyzet

Autópálya forgalom károsanyag kibocsátásának modellezése és szabályozása

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

A/D és D/A konverterek vezérlése számítógéppel

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

Programozható logikai vezérlő

Digitális Fourier-analizátorok (DFT - FFT)

PMU Kezdı lépések. 6-0 Csatlakozás LG GLOFA-GM és SAMSUNG PLC-hez. 6-1 Kommunikáció LG PMU és LG GLOFA-GM7 / GM6 / GM4 között

MIKROFYN GÉPVEZÉRLÉSEK. 2D megoldások:

Fuzzy rendszerek. A fuzzy halmaz és a fuzzy logika

25/1. Stacionárius és tranziens megoldás. Kezdeti és végérték tétel.

Digitál-analóg átalakítók (D/A konverterek)

A feladatok megoldása

Mielıtt használná termékünket Az eltérı környezeti körülmény elektromos áramütést, tüzet, hibás mőködést vagy. okozhat.

Drótos G.: Fejezetek az elméleti mechanikából 4. rész 1

Az egységugrás függvény a 0 időpillanatot követően 10 nagyságú jelet ad, valamint K=2. Vizsgáljuk meg a kimenetet:

Irányítástechnika Elıadás. PLC rendszerek konfigurálása

JELEK ÉS RENDSZEREK PÉLDATÁR

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

Vízóra minıségellenırzés H4

Tuzson Zoltán A Sturm-módszer és alkalmazása

Mérés és adatgyűjtés

Optikai elmozdulás érzékelő illesztése STMF4 mikrovezérlőhöz és robot helyzetérzékelése. Szakdolgozat

Új kompakt X20 vezérlő integrált I/O pontokkal

A JÓLÉTI ÁLLAM KÖZGAZDASÁGTANA

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 5. DC MOTOROK SZABÁLYOZÁS FORDULATSZÁM- SZABÁLYOZÁS

Elektronikai alapgyakorlatok

Hurokegyenlet alakja, ha az áram irányával megegyező feszültségeséseket tekintjük pozitívnak:

Irányítástechnika Elıadás. PLC-k programozása

a domború tükörrıl az optikai tengellyel párhuzamosan úgy verıdnek vissza, meghosszabbítása

II. Rákóczi Ferenc Kárpátaljai Magyar Fıiskola. Pataki Gábor. STATISZTIKA I. Jegyzet

Irányítástechnika alapvetı célja

PROGRAMOZHATÓ LOGIKAI VEZÉRLİK

SZÁLLÍTÓ REPÜLŐGÉPEK GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEI NYOMÁSVISZONYA NÖVELÉSÉNEK TERMIKUS PROBLÉMÁI

IT jelű DC/DC kapcsolóüzemű tápegységcsalád

Dr. Oniga István DIGITÁLIS TECHNIKA 8

Hegedős Csaba NUMERIKUS ANALÍZIS

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Elektronic Ah-Counter

5. Laborgyakorlat. Számláló funkciók, időzítő funkciók.

Mintavételes szabályozás mikrovezérlő segítségével

Egyenáramú szervomotor modellezése

Hely és elmozdulás - meghatározás távolságméréssel

Minősítéses mérőrendszerek képességvizsgálata

Irányítástechnika Elıadás. Relék. Relés alapkapcsolások

Kvantum-tömörítés II.

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

ORVOSI STATISZTIKA. Az orvosi statisztika helye. Egyéb példák. Példa: test hőmérséklet. Lehet kérdés? Statisztika. Élettan Anatómia Kémia. Kérdések!

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Középértékek és szóródási mutatók

TORLIFT II GARÁZSKAPU NYITÓ szerelési és üzemeltetési útmutató

Előadó: Nagy István (A65)

Hipotézis vizsgálatok. Egy példa. Hipotézisek. A megfigyelt változó eloszlása Kérdés: Hatásos a lázcsillapító gyógyszer?

A/D és D/A átalakítók gyakorlat

Gingl Zoltán, Szeged, :47 Elektronika - Műveleti erősítők

Kiegészítő részelőadás 2. Algebrai és transzcendens számok, nevezetes konstansok

<mérésvezető neve> 8 C s z. 7 U ki TL082 4 R. 1. Neminvertáló alapkapcsolás mérési feladatai

Linear Motion and Assembly Technologies Pneumatics Service

J1000 Frekvenciaváltó sorozat

2. rész PC alapú mérőrendszer esetén hogyan történhet az adatok kezelése? Írjon pár 2-2 jellemző is az egyes esetekhez.

s n s x A m és az átlag Standard hiba A m becslése Információ tartalom Átlag Konfidencia intervallum Pont becslés Intervallum becslés

A LOGSYS GUI. Fehér Béla Raikovich Tamás, Laczkó Péter BME MIT FPGA laboratórium

Dr. Tóth László, Kombinatorika (PTE TTK, 2007)

Holtsáv és kotyogás kompenzálása mechanikai irányítási rendszerekben

Szárítás során kialakuló hővezetés számítása Excel VBA makróval

Tizenegyedik gyakorlat: Parciális dierenciálegyenletek Dierenciálegyenletek, Földtudomány és Környezettan BSc

Az entrópia statisztikus értelmezése

Belsıégéső motorok teljesítmény növelése

30.B 30.B. Szekvenciális hálózatok (aszinkron és szinkron hálózatok)

ELKON S-304 autó villamossági mőszer áramköri leírása

Kálmán-szűrés. Korszerű matematikai módszerek a geodéziában

Békefi Zoltán. Közlekedési létesítmények élettartamra vonatkozó hatékonyság vizsgálati módszereinek fejlesztése. PhD Disszertáció

Számítógépi képelemzés

Programozható logikai vezérlõk

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

HA8EV Antennaforgató vezérlı 6.0e

NFA Teljesítményszabályozó mérőlánc

I. A PRIMITÍV FÜGGVÉNY ÉS A HATÁROZATLAN INTEGRÁL

MINTA Írásbeli Záróvizsga Mechatronikai mérnök MSc. Debrecen,

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

UNIPOLÁRIS TRANZISZTOR

D/A konverter statikus hibáinak mérése

The original laser distance meter. The original laser distance meter

VARIANCIAANALÍZIS (szóráselemzés, ANOVA)

elektronikus adattárolást memóriacím

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

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

Szervomotor sebességszabályozása

Átírás:

A övetezı oldalaon látható doumentumo szerzı jog védelme alatt állna, mndenféle másolásu, terjesztésü jog övetezményeet von maga után! Nylatozat Alulírott Cenzúrázva a Budapest Mősza és Gazdaságtudomány Egyetem hallgatója jelentem, hogy ezt a dplomatervet meg nem engedett segítség nélül, saját magam észítettem, és a dplomatervben csa a megadott forrásoat használtam fel. Mnden olyan részt, amelyet szó szernt vagy azonos értelemben, de átdolgozva más forrásból átvettem, egyértelmően a forrás megadásával megjelöltem.

artalomjegyzé Nylatozat... artalomjegyzé... 2 Mellélet tartalma... 2 artalm összefoglaló... 4. A PLC, mnt eszöz... 5.. A PLC funconáls felépítése... 5.2. Be- és menete... 6 2. Analóg-dgtál (A/D) és dgtál-analóg (D/A) átalaítás... 7 2.. A z-transzformácó... 7 2.2. Az analóg-dgtáls átalaítás lépése... 9 2.3. Az A/D átalaító tulajdonsága... 2 2.4. Az A/D átalaító hbá... 3 2.5. A/D átalaító típuso... 5 2.5.. öbbomparátoros... 6 2.5.2. Lépcsıs számláló... 7 2.5.3. Foozatos özelítéső... 8 2.5.4. Követı... 20 2.5.5. Feszültség-dı átalaításos... 2 2.5.6. Feszültség-frevenca átalaításos... 23 2.5.7. Delta-szgma átalaító... 24 2.6. DA átalaító... 25 3. Dgtáls PID szabályozás... 26 3.. A PID szabályozás alapja... 27 3.2. Dgtáls PID... 29 3.3. Dgtáls szabályzóör... 32 3.4. Problémá a PID algortmussal... 34 4. Az LG GM7 PLC... 4 2

4.. Általános leírás... 42 4.2. A PLC alapfuncó... 42 4.3. Specáls funcó... 43 4.3.. Kéz beállítású PID blo... 45 4.3.2. Automata hangolású PID blo... 47 4.4. A PLC bıvítımodulja... 48 4.4.. AD/DA modul... 48 4.4... Felépítés, jele beötése... 48 4.4..2. A modulhoz tartozó funcóbloo... 5 5. Alalmazás: Festo Lneárs hajtómő pozícószabályozása... 52 5.. A tesztrendszer eleme... 52 5.2. A program... 53 Összegzés... 56 Köszönetnylvánítás... 56 Irodalomjegyzé... 57 Mellélet... 58 A mellélet tartalma: Otatás segédanyag: LG GM7 PLC PID funcójána leírása db CD, tartalma: o Dplomaterv Mcrosoft Word doumentum formátumban o Otatás segédanyag Mcrosoft Word doumentum formátumban o Laboratórum foglalozásohoz észített Powerpont prezentácó o GMWIN-ben észült programo 3

artalm összefoglaló A feladatom a PLC-vel történı AD/DA átalaítás, PID szabályozás, ezen belül s az LG által gyártott GM7 sorozatú PLC-ne a megsmerése. Enne a megalapozására áttentettem az analóg-dgtál és dgtál-analóg átalaításo elméletét, típusat, az analóg és dgtáls PID szabályozás alapjat, problémát. Mndezerıl elmélet összefoglalást ado a munámban. Az elmélet alalmazásában megsmeredtem az LG GM7 PLC AD/DA moduljával, beépített PID szabályzójával, GMWIN programjával, amvel méréseet végeztem a tanszé laboratórumban. A fı mérés tesztrendszer egy FESO által gyártott lneárs hajtómő volt, ezzel pozícószabályozást végeztem. Summarzng the contents My tas was to become acquanted wth dgtal PID control, AD/DA converson wth PLC. Insde ths I have made myself famlar wth the LG GM7 PLC and ts ntegrated PID functon, AD/DA module and GMWIN software. o establsh the practce, I have summed up the theory and dfferent types of the analog-dgtal and dgtal-analog converson, the theory and problems of the analog and dgtal PID control. he testng system was a FESO pneumatc lnear drve, wth a dsplacement encoder as sensor. 4

. A PLC, mnt eszöz [3] A PLC vagy Programmable Logc Controller, azaz programozható loga vezérlı egy mroprocesszor alapú célszámítógép, amt par folyamato vezérléséhez fejlesztette, hogy válthassá az analóg relés, bütyös dızítıs megoldásoat. Az 970-es éveben való elterjedésü óta az par vezérléseben gyaorlatlag egyeduralodó szerepre tette szert. Nagy elınyü a megbízhatóságu, szerezet ellenállóságu a örnyezet ártalmaal, mechana hatásoal szemben és a tárolt program egyszerő módosíthatósága. A hagyományos számítógépetıl való fı ülönbség, hogy a PLC rendelez specáls be- és menet csatlaozósorral, amvel az eszöz apcsolód a szenzorohoz, lletve atuátorohoz. A PLC- ét csoportba sorolható vtelü alapján: ompat és modulárs. A ompat PLC- nem bıvíthetı, adott célra észülne, helygényü cs, vszonylag olcsó, ezért a nagy sorozatban gyártott berendezése (Pl.: mosogatógép) automatzálásánál, vagy egyed vezérlésehez használjá ıet. A modulárs felépítéső PLC- egyed feladatoat ellátó egységeel bıvíthetı. Eze a modulo s ellenálló toozást apna, és a özpont egységgel a buszon eresztül ommunálna. A modulárs felépítéső PLC-et özepes, ll. nagymérető rugalmas gyártórendszere vagy folyamato rányítására fejlesztetté. Ez a felépítés lehetıvé tesz a ülönbözı felhasználó gényehez való optmáls llesztést. A be- és menet egysége elhelyezhetıe özvetlenül az rányított folyamat özelében, megtaarítva a huzalozás öltségeet... A PLC funconáls felépítése[2]: Modulárs vagy ompat alaítás esetén s a övetezı fıbb egysége: özpont loga ll. feldolgozóegység (CPU): számításo végzése, utasításo végrehajtása. Futtatja a memórájában elratározott programot, és vezérl a több alotóelemet. programmemóra (ROM, EPROM, EEPROM), adatmemóra (RAM) 5

tápegység: ez a modul szolgáltatja a PLC moduljana az áramellátást. A RAM memórát tartalmazó CPU-hoz általában aumulátort s tartalmazó tápegységeet választana, hogy a program áramszünet esetén s megmaradjon. bemenet (nput) egysége (dgtáls, ll. analóg): eze az egysége sálázzá, alaítjá a bejövı jeleet a CPU számára feldolgozhatóvá menet (output) egysége (dgtáls, ll. analóg): a menı jeleet az par folyamatohoz alaítjá ommunácós egysége: más PLC-el, PC-el való ommunácót bztosítjá A özpont egység saját ezelıfelülettel nem rendelez, a programot gyár programozó egységen vagy PC-n ell megírn, és letölten a PLC saját memórájába (már a PLC processzorána gép ódjában), am általában nem-felejtı EEPROM (Electrcally- Erasable Programmable Read-Only Memory). Egyszerre több program s tárolódhat a memórában, melye özül a ívánt programot vagy ülsı jelre, vagy dızítve ndíthatju el. Kommunácós egység. ábra: A PLC- funconáls felépítése.2. Be- és menete A PLC- fontos jellemzıje, hogy bemenet és menet egységene feszültségszntje lleszed az parban használatos szntehez. Ez általában dgtáls be- és menete esetén 22-tıl 24V mnt sznt és 2V alatt 0 sznt. A PLC- egyes be- és menet pontja sznte mnden esetben galvanusan le vanna választva a belsı buszról, lletve a CPU egységtıl. A dgtáls menete ét csoportba osztható: relés és tranzsztoros menete. 6

A relés menete elınye, hogy nagy áramoat, így nagy teljesítményt apcsolhatun velü egészítı áramörö nélül. Hátránya, hogy vszonylag lassú. Kapcsolás frevencája sebb, mnt 0Hz, és reacódeje s nagy. A tranzsztoros menete a relés meneteel ellentétben gyorsa (>00 Hz), de nem terhelhetı aora áramoal. Hátrány lehet még, hogy a menet egy pontját mndg földeln ell. 2. Analóg-dgtál(A/D) és dgtál-analóg(da) átalaítás Olyan par folyamatoban, ahol nyomást, hımérséletet, súlyt, vagy pozícót ell érzéeln, szüség van analóg bemenetere s, mert e mennysége szenzora többnyre nem étállapotú jelet szolgáltatna. Ha szabályozn s ívánun lyen mennységeet egy rendszerben, aor szüség van analóg menetere s. Az analóg menete özött megülönböztetün áram, feszültség és frevenca menetet. A szoásos jelsznte 4-20mA (ún. élınullás), 0-20mA vagy 0-0V (unpolárs), ±0V (bpolárs). Az áram-bemenete evésbé érzéenye az eletromos zajora, mnt a feszültség bemente. Az adatoat a feldolgozáshoz dgtalzáln ell, ezért van szüség analóg-dgtál átalaításra. A dgtalzált jellel már többféle mőveletet végezhetün, vagy aár dgtáls szabályozáshoz s felhasználhatju. A dgtáls jelet dgtál-analóg átalaítással vezethetjü vssza az analóg vlágba. Az elsı PID algortmussal ellátott PLC-t 975-ben bocsátottá. Defnícó[3]: Analóg jel defnícója: dıben folytonos és ét szélsı érté özött bármlyen értéet felvehet. Ampltúdó-vantált: dıben folyamatos, de ampltúdójában csa meghatározott értéeet vehet fel. Idıben dszrét vagy mntavételezett jel: csa bzonyos dıpllanatoban értelmezett, de aor ét szélsı érté özött tetszıleges értéet vehet fel. Ampltúdó-vantált és dıben dszrét jel: dıben és ampltúdóban s csa meghatározott értéeet vehet fel. Ezt nevezzü dgtáls jelne. Egy fajtája a bnárs jel, am csa 0 vagy értéő lehet. 2.. A z-transzformácó [] Az analóg és a dgtáls vlág özött a z-transzformácó teremt apcsolatot. Idıbıl frevencatartományba a Fourer- és a Laplace-traszformácó segítségével juthatun. A 7

Fourer sorfejtés tétel alapján az állandó ampltúdójú perodus jel felbontható sznuszos és osznuszos jele összegére. A Fourer transzformácó éplete: jωt = f ( t e dt F( ω ) ) A Fourer transzformácóval apott függvény egy spetrumeloszlást mutat, jól láthatóa rajta az egyes frevenca-összetevı. A Laplace transzformácó éplete: F σt jωt ( σ jω ) t ( ω ) = f ( t) e e dt = f ( t) e dt 0 A ( σ jω) fejezésre az s jelölést vezetté be, a neve Laplace operátor. st Ezzel a Laplace transzformácó: F( s) = f ( t) e dt A ét éplet csa egy 0 0 e σt szorzóban tér el egymástól, amt azért ellett bevezetn, hogy a Drchlet feltételt nem teljesítı függvényeet s ntegrálhatóvá tegyü. Ilyen függvény például az egységugrás. A Drchlet feltétel: f ( t) dt N, ahol N< természetes szám. A függvényt e σt -vel megszorozva, a görbe alatt terület végessé vál. σ << ( t ) t ( t) e σt A Laplace transzformált függvény ábrázolása már csa omple térben lehetséges, nem szemléltet az egyes frevenca-összetevıet, vszont lehetıvé tesz egy absztrat térben tetszıleges bemenet függvényeel és az átvtel függvénnyel a menet meghatározását. Inverz transzformácóval dıtartományban s meghatározható a menı jel. Az analóg rendszerbıl dgtálsba való áttéréshez szüség van a mntavételezett rendszer matemata leírhatóságára s. A Laplace transzformácó átalaításával apju a z-transzformácót. Ehhez az ntegrál-fejezést összegépzésre vezetjü vssza: 8

ahol: f = f ( t ) f ( n ) n n = F ( z) = n= 0 f n e ns t n = n az n.- mntavételezés dıpont n a mntavételezés dılépés poztív egész szám A s e fejezésre vezetté be a z jelölést. Ezzel a z-transzformácó éplete: ahol: f ( n ) { } f n = = n F ( z) = Z f ( n ) z, n 0 f n = a függvény értée az n-ed mntavételezés dıpontban. Eltolás tétel: elızı mntavétel dıponto értéene számításához. Z { f } = z F( z) n 2.2. Az analóg-dgtáls átalaítás lépése [],[3],[2],[3] Az analóg jele dgtalzálása során a célun az, hogy egy analóg értéet a lehetısége szernt egyértelmően azonosítsun egy bnárs ódsorozattal. Analóg jel Mntavételezı CLK artó AD átalaító 2. ábra: Analóg-dgtáls átalaítás blodagramja Dgtáls jel Az átalaítás elsı lépése a mntavételezés. A mntavételezett jel mpulzuso sorozata, amely mpulzuso értée egyenlı az analóg jel abban a pllanatban mérhetı értéével. Ezt úgy 2π modellezhetjü, mntha egy ω0 = szögsebességgel forgó apcsolóval az analóg jelet csa n dıpllanatoban apcsolnán a bemenetre. A mntavételezés frevenca 2π f mv = =. ω 0 9

(t) * (n) t ω 0 t 3. ábra: Mntavételezés szemléltetése Mnél nagyobb a mntavétel sebesség, annál pontosabb az analóg bemenet letapogatása. A mnmáls mntavétel frevencára a Shannon törvény ad útmutatást: a mntavétel f mv frevenca legalább étszerese legyen az analóg jel legnagyobb sznuszos összetevıjénél: f mv 2 f ma A gyaorlatban a megfelelı eredményhez ennél sőrőbb, 0-es mntavételezést szoás alalmazn. Ha a mntavételezett jel tartalmaz nformácót nem hordozó, a mntavétel frevenca felénél (Nyqust frevenca) nagyobb omponenseet, eze a omponense beerülhetne a mntavételezett jelbe. Ezt a jelenséget nevezzü átlapolódásna (vagy alasng). Enne megszőntetésére szőrıet szota alalmazn aár mntavételezés elıtt s (ant-alasng flter). A mntavételezés matemata leírása: defnícó szernt, ha egy függvényt megszorozzu a Drac-mpulzussal, aor egy olyan mpulzust apun, amelyne értée egyenlı a függvény abban a pllanatban értelmezett értéével. A Drac-mpulzus: 0 helyen értelmezett, végtelen értéő mpulzus. δ(t) δ(t-n) t 4. ábra: A Drac-mpulzus n t A Drac-mpulzus Fourer transzformáltja defnícó szernt: δ jωt ( t) e dt = Az eltolás törvény alalmazásával: ehát az mpulzussorozat leírása a övetezı: jωt jωn ( t n e dt = e n δ ), t = 0

( t) = ( n ) δ ( n= 0 t n ) Laplace transzformálva: ( s) = n= 0 ( n ) e sn Z-transzformált ala: * ( z ) = n= 0 n z n Az A/D átalaító bementére ez az mpulzussorozat általában nem apcsolható rá özvetlenül. Mvel az átalaítóna dıre van szüsége az átalaításhoz, ezért nem bztos, hogy az adott mpulzus értéét fogja átalaítan, hanem a ét mpulzus özött valamely dıpontban fennállót. Az mpulzus értéét tartanun ell a övetezı mpulzusg, ezt a feladatot látja el a tartótag. * (n) t 0-ad rendő tartó t 5. ábra: A nulladrendő tartótag mőödése A nulladrendő tartó matemata leírása: ha egy drac-mpulzust ntegrálun, egységugrás függvényt apun. Négyszögjelet ét, egymáshoz épest eltolt egységugrásjelbıl vonással aphatun. Eze segítségével a nulladrendő tartó egyenlete: Blodagramon szemléltetve: e Y ( s) = s s

(t) δ(t t s t t s e s (t) t 6. ábra: A nulladrendő tartótag mőödése A gyaorlatban mntavevı és tartó áramör egy egységet épez. Megvalósítása: BE Vezérlés (mntavételezés) KI Követõ áramör (nem terhelt) 7. ábra: Mntavevı és tartó áramör Az elıálló lépcsıfüggvény mnden értééhez az A/D átalaító egy ódot rendel. A számítógépes feldolgozás és jeltovábbítás matt ez a ód célszerően bnárs. Ez a ódszám nem lehet végtelen hosszúságú, ezért ereítésre van szüség. Ezt a ereítést nevezzü vantálásna. A vantálás során az analóg jeltartományon belül vantálás sznteet jelölün, és az analóg mntá adott értéet mndg a legözelebb vantálás szntre ereítjü. Ezzel nformácót vesztün (vantálás zaj). Mnél több bttel írju le a jelet, azaz mnél több vantálás szntet jelölün, annál sebb ez a veszteség. A vantálás zaj jellemzésére a jel/zaj vszonyt (SNR = Sgnal to Nose Rato) használjá. A özelítı éplet: SNR=6n, ahol n a bte száma. Az eze után apott jel már ódolt dgtáls jel. 2.3. Az A/D átalaító tulajdonsága [7],[2] 2

Analóg jeltartomány: az átalaító csa az ebbe a tartományba esı jeleet alaítja át helyesen. Ez a jeltartomány lehet unpolárs vagy bpolárs. Az unpolárs átalaító vagy csa poztív vagy csa negatív értéő jeleet tudna onvertáln. A jeltartomány alsó határa általában nulla, a felsıt pedg méréshatárna nevez, jele FS (Full Scale). A teljes tartomány jele FSR (Full Scale Range). A bpolárs jeltartomány általában nullára szmmetrus, -FS-tıl FS-g terjed. A méréshatár legtöbbször az átalaítóban alalmazott referencafeszültség értéével egyez meg. A leggyaorbb bpolárs ódoláso: elıjel és abszolút érté, eltolt nullpontú, egyes omplemens, ettes omplemens. Felbontóépesség: az a legsebb megváltozása az analóg jelne, amt még megülönböztet az átalaító. Egy n btes átalaítónál ez elvleg számítható az analóg jeltartományból: felbontóépesség = FSR 2 n Mntavételezés frevenca: fontos, hogy az adott jel nformácót hordozó legmagasabb frevencájú omponense s átalaításra erüljön, ezért a mntavételezés frevencát enne tízszeresére szoás választan. Átalaítás sebesség/dı: az A/D átalaító a onverzót általában egy átalaítás ndítás (SC = Start U AD átalaító U D Converson) jelre ezd meg. Ha vége a mőveletne, azt egy ész (RDY = ReaDY) jel adásával adja tudtunra. SC RDY Az átalaítás dı az ndítójel és az eredmény megjelenése özött eltelt dı. Az átalaítás dı bzonyos átalaító-típusonál hosszabb s lehet, mnt a mntavételezés peródusdı, ez felépítéstıl függ (pl. flash átalaító). Pontosság: a vantálás zaj és az átalaító deálstól eltérı jelleggörbéje matt nem hbamentes a onverzó. LSB-ben (Least Sgnfcant Bt) vagy %-ban adjá meg, általában méréshatáron (tt a legsebb a hba a teljes értéhez vszonyítva). 3

2.4. Az A/D átalaító hbá [4],[7],[2] Az átalaítóna status és dnamus hbá s lehetne. A status hbá a lassan változó vagy DC bemenı jel esetén fellépı hbá, melye az átalaítás aratersztána az deálstól való eltérésével jellemezhetı. A dnamus hbáat az átalaító frevencafüggésével és a mntavétel dızítéséne hbával szoás jellemezn. Az átalaítás araterszta hbá: Nullpont, vagy ofszet hba: a nullpont eltolódása. Küszöbölhetı. Dgtáls valós deáls ofszet Erısítés hba: a araterszta meredeségéne deálstól való eltérése. Általában az átalaító valamely erısítıje oozza. Küszöbölhetı. Lneartás hba: a araterszta lneárstól való eltérése. Általában csöenthetı, de nem szőntethetı meg. Követeztethetün belıle az átalaító mnıségére. Analóg Dgtáls valós deáls Analóg Dgtáls valós deáls Analóg Az átalaítás frevencafüggése: A mntavétel frevenca felénél (Nyqust frevenca) nagyobb frevencá az átlapolódás (alasng) matt hbát oozna. 4

Az A/D átalaító analóg funconáls részene frevencafüggése matt az átalaítás tényezı ll. az FS érté változ a frevenca függvényében. Ha a bemenı jel nem sznuszos, hanem összetett jel, aor a menı jelala eltérhet ettıl, a ülönbözı frevencájú omponense eltérı átvtele matt. A mntavétel dıpontjána bzonytalansága a jelmeredeség növeedésével egyre nagyobb hbát ooz. A mntavétel dıpont bzonytalansága által oozott hbát apertúra-hbána szoás nevezn. A mntavétel dıpontjána bzonytalanságát több tényezı oozhatja. Például ngadozhat a mntavételt ndító vezérlıjel peródusdeje, vagy a mntavétel éshet az ndítójelhez épest (apertúra-ésés). A bemenı jel frevencájána növeléseor megnıne az átalaító lneartás hbá és zaja. Az átalaítás jellemzı függhetne még a örnyezet hatásotól s, elsısorban a hımérsélettıl és a tápfeszültség ngadozásától. Az adatlapoon a szobahımérséleten értendı értée vanna feltüntetve. ovábbá a örnyezet eletromágneses zavarása s hbát oozhat (EMI, EletroMágneses Interferenca), am rendszernt az átalaító saját zajána jelentıs megnöveedéseént jelentez. 2.5. A/D átalaító típuso [],[3],[4],[7],[9] Közvetlen: öbbomparátoros (Flash ADC (Analog to Dgtal Converter)) Számlálót alalmazó megoldáso: Lépcsıs számláló (Ramp ADC) Foozatos özelítéső (Successve Appromaton ADC) Követı (racng ADC) Közvetett: Feszültség-frevenca átalaításos Feszültség-dı átalaításos (ntegráló, ettıs meredeségő ntegráló) 5

Delta-szgma ( Σ) átalaító Közvetlen átalaító: 2.5.. öbbomparátoros: a leggyorsabb (nnen a neve: flash converter), de egyben a legdrágább típus. Az átalaítás egy órajel alatt, párhuzamosan történ, ehhez 2 n számú omparátorra van szüség, ahol n a bte száma. A épen látható hárombtes változatnál ez még csa 8 darabot jelent, de egy 2 btes átalaításnál már 4096-ot. A flash onvertere tpus mőödés frevencája 00-200 MHz, az ehhez tartozó ntegrálás dı 5-0 ns értéőe. Dgtáls, tárolós oszclloszópoban használjá. U U r U 8-ból 3-at prortás enóder U D 8. ábra: öbbomparátoros AD átalaító (3 btes) A mérés elve: a mérendı jelet egy dıben több omparátorral hasonlítju össze, melyene ülönbözı bemenet feszültséget állít elı az ellenálláslétra. A omparátoro aor adna menı jelet, ha a poztív bemenetre apcsolt U feszültség nagyobb, mnt a negatív bemenetre apcsolt leosztott referenca 6

feszültség, vagy azzal egyenlı. A referenca feszültség egy stablzált tápegységtıl apott precíz, állandó érté. Az átalaító, mőödés elve matt egy polartású. U U U D t 9. ábra: öbbomparátoros AD átalaító mőödése 2.5.2. Lépcsıs számláló Egyszerő felépítéső átalaító, melyne azonban számos hátránya van. U U U U U D 0. ábra: Lépcsıs számláló AD átalaító Mőödése: egy szabadon futó bnárs számláló (CR) menetét egy DA átalaítóra ötjü, a apott analóg jelet pedg egy omparátorral összehasonlítju a bemenı jellel. Amor a felfelé számláló elér az analóg jelet, a omparátor menete 0-ra vált, mert a negatív bemenetére nagyobb értéő feszültség erül. Ez 7

a 0 jel ét helyen s változást ooz: a felfelé számlálót nullázza, és a shft-regszter (SRG) adja a bementén abban a pllanatban lévı bnárs számot. A számláló mndg nulláról ndul újra, ezért a mérés deje az analóg jel nagyságától függıen más-más hosszúságú lehet. Ez az átalaító egy hátránya, a más, am szntén ebbıl övetez, hogy lassú. Konverzós deje rendszernt ms és s özé es. Elınye, hogy olcsó, evés alatrészbıl felépíthetı, és zajvédettsége s jó. Bpolárs mőödéső. U U Számláló U D t t 2 t t > t 2. ábra: Lépcsıs számláló AD átalaító mőödése 2.5.3. Foozatos özelítéső vagy szucesszív appromácós (successve appromaton) Nevez még étoldal özelítésesne s. Az egy legelterjedtebb átalaító a számítógépes mérésadatgyőjtı berendezéseben. A lépcsıs számláló hátrányana üszöbölése érdeében a számláló áramör helyett egy specáls SAR regsztert (successve appromaton regster) alalmazna. Ez az áramör a legmagasabb helyértéő bttel (MSB Most Sgnfcant Bt) ezdve véggpróbálja a bnárs szám egyes jegyene lehetséges értéet. Azaz elıször a legmagasabb helyértéő btre értéet állít be, az enne megfelelı feszültséget a omparátor összehasonlítja a bemenettel, és ha ez sebb, aor a övetezı btet s -re állítja, megsmételve az eljárást. Ha nagyobb lett a beállított szám, aor vsszaállítja 0-ra, és a övetezı btet váltja egyre. Ez egészen a legsebb helyértég (LSB Least Sgnfcant Bt) folytatód. Fontos, hogy az átalaítás alatt a jel állandó legyen (tartó!). Ha a jel nem állandó, aor az átalaítás dıtartam valamely pllanatában fennálló értéet szolgáltatja az átódoló. 8

U U U U U D 2. ábra: Foozatos özelítéső AD átalaító U U SAR regster U D 00 000 000 00 t 3. ábra: Foozatos özelítéső AD átalaító mőödése Az dagramon látható, hogy az átalaítás mndg ugyanny deg tart, a mntavételezés dı állandó. Nagyobb ugrásoal, hatéonyabban özelít meg az analóg jelet, mnt a lépcsıs számláló. Az ábrán természetesen az elızı ábrához épest nagyított a lépté, a jobb láthatóság edvéért és a mntavételezés s sőrőbb a valóságban. Az átalaító pontos, de hátránya, hogy pllanatértéet mér, és ebbıl folyólag zajérzéeny. Mőödése bpolárs. 9

2.5.4. Követı A/D átalaító Ez a harmad, számlálót alalmazó megoldás. A lépcsıs megoldásban alalmazott felfelé számláló helyett tt egy föl-le számlálót használna. U U U U D 4. ábra: Követı AD átalaító U U Számláló/U D t 5. ábra: Követı AD átalaító mőödése Mőödése: a föl-le számlálást váltó bemenetre a omparátor menetét öt, így a számláló mndg a megfelelı rányba fogja változtatn az értéét. Ha a bemenı analóg jel nem változ túl gyorsan, a menı dgtáls jel jól övet azt. A meneten nncsen szüség shft-regszterre, mert a számláló menete mnden órajelre övet a bemenı jelet. Ezzel az átalaítás sebessége s jobb, mnt az elızı eseteben. Beapcsolásnál természetesen dıre van szüsége, amíg a 20

számláló elér a jelet, de utána nem távolod el tıle. Hátránya, hogy a menı jel ugrál az órajel ütemében és ampltúdójával, ezt so alalmazás nem tőr. Közvetett átalaító: Az elıbbehez hasonlóan a övetezı ét megoldás s alalmaz számláló áramört, de az már egy özvetett mennységet számol, nem a bemenı jelet mér. 2.5.5. Feszültség-dı átalaításos A feszültség dı átalaítást ntegrálással érjü el. Létez egyszeresen és étszeresen ntegráló átalaító. Az egyszeresen ntegráló átalaító mőödése nagyon hasonlít a lépcsıs számláló megoldásra. A bemenı jelet egy ntegrátor menetével hasonlítju össze. Amor a lneársan emeledı ntegrátor menet elér a bemenı jelszntet, az ntegrátorral párhuzamosan futó számláló menetét egy shft-regszterrel a menetre juttatju, az ntegrálás pedg újra ezdıd. U U U U D U r 6. ábra: Integrátoros AD átalaító Ez a módszer ugyanolyan hátrányoal rendelez, mnt a lépcsıs számláló, ráadásul még a számlálót s sznronzáln ell az ntegrátorral. Egyetlen elınye, hogy nem ell DA átalaítót alalmazn, így valamvel egyszerőbb az áramör. A 70-es éve vége óta nem gyártana lyet. A helyét a ettıs meredeségő ntegráló vette át, ahol a bemenı analóg jelet egy rögzített deg ntegrálju, majd egy ellenezı elıjelő állandó értéő egyenfeszültség beapcsolásával a ondenzátort sütjü. A sülés deje arányos a bemenı jel nagyságával. 2

VAN POLARIÁS! C Indítás Állapot jel U -U r R - Uh - Vezérlı áramör Számláló és menet regszter Dgtáls menet jel Órajel generátor 7. ábra: Kettıs meredeségő AD átalaító U Bemenı jel ntegrálása Zavarjel Referenca feszültség ntegrálása U > U 2 t F számú mpulzus Bemenı jellel arányos számú mpulzus 8. ábra: Kettıs meredeségő AD átalaító mőödése Az átalaító fontos tulajdonsága, hogy az ntegrálás dı ( ) megválasztásával / frevencájú zavarjel szőrhetı. Mvel az átalaító nem pllanatértébıl mér, hanem egy tartomány átlagából számol, ezért például ha egy sznuszos zavarjelne ebbe a tartományba egy peródusa fér bele, úgy anna ntegrálja 0 lesz. Magyarországon ez az dıállandó a hálózat 50 Hz hatásána megszőntetéséhez 20ms-ra választandó. Az átalaító ezért és mőödésébıl folyólag nem tartoz a leggyorsabba özé (mamum 40ms mérés dı), mégs elterjedten alalmazzá, edvezı ára és zajtőrése matt. Az átalaítás pontossága nem függ az R, C eleme és az órajel pontosságától, mvel a töltéshez és a sütéshez ugyanazoat az elemeet használjá. Dgtáls multmétereben használjá többe özt. 22

2.5.6. Feszültség-frevenca átalaításos A feszültség-frevenca onvertereet általában egyszerőbb, s gényő rendszereben alalmazzá. Mőödés elve: a bemenı jelet ntegrálju, amíg el nem érün egy omparálás szntet, utána az átalaító egy ellenezı elıjelő feszültséget apcsol deg az ntegrátorra, amely azt részben süt, majd újra a bemenı jelet ntegrálja a omparálás szntg. Így egy főrészjelet apun, melyne frevencája arányos a bemenı jel nagyságával. mérés feszültség U R R - U t C Uh - NINCS POLARIÁS! mpulzus generátor f Vezérlı és apu áramör Számláló és menet regszter dgtáls menet jel -U r referenca feszültség galvanus elválasztás opta leválasztóval Órajel generátor 9. ábra: Feszültség-frevenca átalaításos AD átalaító U U t t 20. ábra: Feszültség-frevenca átalaításos AD átalaító mőödése 23

Ez az átalaító valamvel gyorsabb, mnt a ettıs meredeségő ntegráló A/D (~25ms átalaítás dı). A zajelnyomás tulajdonsága olyan jó, hogy par perférában gyaran alalmazzá. 2.5.7. Delta-szgma átalaító [8],[] Az utóbb éveben válta elterjedtté a vantálás zaj-formáláson alapuló btes delta-szgma vagy szgma-delta átalaító. Elınyü, hogy gyors, nagy pontosságú, s teljesítménygényő és olcsó megoldást ínálna. Két részbıl tevıd össze: egy egyszerő analóg és egy ompleebb dgtálsból. Az analóg fele az átalaítóna egy btes A/D átalaító, amvel túlmntavételezzü (oversamplng) a bemenetet. Ez azt jelent, hogy a szüséges mntavételezés frevenca többszörösét (aár 64-esét) alalmazzu. Az A/D átalaítóból jövı túlmntavételezett btsorozatot a dgtáls modul szőr, és átalaítja megfelelı frevencában érezı bnárs szavara. Analóg modulátor U Integrátor bt Dgtáls szőrı N bt U D -bt DAC 2. ábra: Szgma-delta AD átalaító vázlatos felépítése Az analóg modulátorban található btes DA onverter áramör tulajdonéppen egy egyszerő apcsoló, am a poztív és negatív referencafeszültséget váltja. Az a feladata, hogy az ntegrátor menetét a omparátor referencaszntje özelében tartsa. Fıént audó és teleommunácós eszözöben, lletve frevenca analzátoroban alalmazzá. 24

Az átalaító összehasonlítása sebesség és felbontás tentetében: Sebesség Flash Foozatos özelítéső Követı Számláló Delta-szgma U-f Kettıs meredeségő 22. ábra: AD átalaító összehasonlítása Felbontás 2.6. DA átalaító [],[3],[7] A dgtál-analóg átalaító özött nncs annyféle módszer, mnt az A/D átalaító örében. A leggyarabban alalmazott megoldás az ellenálláslétrás leosztás. Ez az áramör alapvetıen egy specálsan beállított és vezérelt analóg összegzı áramör. MSB U r R R Dgtáls jel LSB 2R 2 n- R U A Analóg jel 23. ábra: n-btes R/2 n- R ellenálláslétrás DA átalaító A vezérlést a dgtáls jel végz a apcsolósor segítségével. Ha az adott bt értée 0, a apcsoló nyt, ha a bt, a apcsoló zár, apcsolva U r referencafeszültséget, am az analóg jeltartomány mamáls feszültség értééne a fele. 25

Az ún. R/2 2- R ellenálláslétrás DA átalaító hátránya, hogy pontos, széles átfogású ellenállásora van szüség. Ezért helyette R/2R létrahálózatot használna. R MSB U r 2R Dgtáls jel 2R R R U A Analóg jel LSB 2R R 24. ábra: R/2R létrahálózatos DA átalaító A valós áramöröben a mechanus apcsoló helyett FE tranzsztoro vanna. Az átalaító beállás deje µs nagyságrendő. A bpolárs technában feszültségleosztás helyett súlyozott áramgenerátoro áramat s összegezhet egy ellenállás segítségével. Létezne még delta-szgma átalaító s, eze hasonló alaításúa, mnt az A/D átalaítónál leírt változat. A ülönbség anny, hogy tt analóg helyett dgtáls modulátor van és dgtáls helyett analóg szőrı. Ezeel nagy felbontású dgtáls jeleet lehet jó mnıségben átonvertáln. A DA átalaító után szőrıt ell beépíten, hogy a nemívánatos, vantálásból adódó frevencaomponenseet leválasszá. 3. Dgtáls PID szabályozás 3.. A PID szabályozás alapja A több mnt 60 éve használt PID a legelterjedtebb vsszacsatolásos szabályzóalgortmus az par folyamatrányításban. Köszönhet ezt anna, hogy a robusztus, önnyen megérthetı algortmusa váló szabályzás teljesítménnyel rendelez, a szabályozott folyamato ülönbözı dnamus paramétere esetén s. Más, egyszerőbb algortmusohoz épest a PID gyorsabb és pontosabb beállást bztosít. 26

z a r Szabályzó b Szabályozott s (PID) szaasz Érzéelı, átalaító Jelmagyarázat: a = alapjel r = rendelezı vagy hbajel b = beavatozó jel s = szabályozott jellemzı e = ellenırzı jel z = zavarjel 25. ábra: Általános (analóg) szabályozóör Ahogy a nevébıl s látsz, a PID három részbıl tevıd össze: P, proporconáls, azaz arányos tag I, ntegráló tag D, dfferencáló tag Eze a tago párhuzamosan, egymás hatását erısítve, vagy gyengítve mőödne. Az rányított folyamat típusától függıen használhatju csa a P, vagy PI részét a PID-ne. Lomha, nagy dıállandós folyamatonál, vagy ahol nem számít a gyorsaság, ott elég a PI szabályzó. Az arányos algortmus (P tag) A jele atuáls értéébıl számol. Egy onstanssal szorozza meg a rendelezı jelet. Ha a rendelezı jel zérus, a P tag s nullát ad a menetén. Képlete: b = K, ahol K c az arányosság tényezı c r Az arányosság tényezı növelésével a szabályzó gyorsabban, arányosan nagyobb beavatozó jellel reagál a hbajel változására, így hamarabb beáll a rendszer. Bzonyos határon túl való növelésével a rendszer nstabllá vál, lengen ezd. Integráló tag Az ntegráló tag felelıs a pontosságért. Az arányos tag nem tudja a szabályozás végén maradó hbát ezeln, erre vezetté be az ntegráló tagot, am a hbajel ntegrálásával folyamatosan növel, vagy csöent a beavatozó jelet. e 27

Így eltüntet a legsebb hbát s. Ezért nem lehet hagyn az I tagot a PID szabályozóból, ezért nem alalmazna PD szabályzót. Képlete: b ( t) = r t dt ( ), frevencatartományban: X b ( s) = r ( s), s ahol az ntegrálás dıállandó. Az ntegrálás dıállandó értééne növelésével a beállás dı s nı, míg csöentésével gyorsíthatju a folyamatot. úlzott csöentésével azonban a rendszer lengés hajlama s megnı. Ez a lengés lehet csllapodó, állandó és növevı ampltúdójú s, az dıállandótól függıen. Dfferencáló tag Ez a tag a gyors változáso övetésében, a szabályozás sebességéne növelésében játsz szerepet. Ellensúlyozza az ntegráló tag lassító hatását. A dfferencáló tag a rendelezı jel változásána mértée alapján növel, vagy csöent a beavatozó jelet. Képlete (elmélet): ( t) = b D dr ( t) dt Frevencatartományban: b ( s) = sd r ( s), ahol D a dfferencálás dıállandó. A dfferencálás dıállandó növelésével gyorsíthatju a beállás folyamatot, túlzott növelésével lengése eletezhetne. Párhuzamos és soros PID Általában étféle változatát ülönböztetjü meg a P, I és D tago használatban lévı elrendezésene. A párhuzamos elrendezéseben az egyes tago állandót ülön-ülön módosíthatju, nncsene egymásra hatással. K b = K c r r s sk D A soros elrendezésben, ha módosítju az erısítést (K), am egy emelt onstans, mndhárom tag mőödését befolyásolju. Ez a lasszusabb megoldás, de nehezebben, sznte csa megérzésen alapulva hangolható. b = K( sd ) s r D r 28

Eze természetesen elmélet PID algortmuso, az analóg valóságban ülönbözı problémá matt nem valósíthatóa a fent éplete szernt. A szabályzó hangolása [4] A szabályzó algortmusban szereplı onstansoat (K,, D ) több módszer alapján s meghatározhatju. Ha a valós rendszer matemata modellje a rendelezésünre áll, aor abból egyértelmően meghatározható eze az értée. Ha a rendszer túl bonyolult ahhoz, hogy modellezzü, vagy a modellezés nem ad pontos eredményt, aor tapasztalat hangolás módszerehez folyamodhatun. Ezen módszere özül a legelterjedtebb a Zegler-Nchols. Zegler-Nchols módszer. A szabályozóör nytott és zárt állapotára s létez megoldás ezzel az algortmussal. Én a zárt ör hangolását részletezem. A méréshez szüség van a folyamatváltozó dıbel változásána regsztrálására. A legalalmasabb erre egy dgtáls oszclloszóp. A szabályzóban elıször csa a P tagot apcsolju be, ezdetben s K értéel. Az alapjel legyen egy átlagos érté. Majd ezdjü el növeln K értéét. A rendszer egyre több lengéssel fog beálln, míg végül be sem áll, csa leng, elıször állandó, majd növevı ampltúdóval. Addg növeljü K értéét, amíg onstans ampltúdójú lengéseet apun. Ez az érté a rtus erısítés, K H. Mérjü meg a lengés peródusdejét (t P ). Ebbıl a ét értébıl számolható K, és D. K D P 0,5K H - - PI 0,45K H t P /,2 - PID 0,6K H t P /2 t P /8 3.2. Dgtáls PID [4] A dgtáls PID algortmusána létrehozásához szüség van az egyes tago dgtáls, reurzív alajára. A tago z-transzformált alajából z-tartománybel átvtel függvényt aphatun. Az arányos tag esetén a dgtáls algortmus nem ülönböz soban az analógtól: ( ) K ( ) b = C r egyszerősített jelölés: ezzel: = b ( ) y, és r ( ) = y = K C 29

A z-átvtel függvény: y ( K C, z P z) = = ahol y z =Z{y } és z =Z{ } a bemenı és a menı jele z-transzformáltja. Integráló tag: Dszrét formája: -es típus: y = = z 2-es típus: y = = Reurzív formula: -es típus: y = = 2 y = y 2-es típus: y = = y = y Mndét változat téglányntegrálás, annyban térne el egymástól, hogy az elsı a menet és a bemenet elızı állapotából számol, míg a másod a menet elızı és a bemenet atuáls értéét vesz fgyelembe. 4 3 2 0 r (t), ( t) A harmad típusú algortmus a trapéz-özelítést alalmazza. ) r r, 2( t 4 4 3 3 2 2 0 0 0 2 3 4 2 3 4 t/ 0 2 3 4 t/ 0 t/ 26. ábra: -es és 2-es típusú ntegráló algortmus Képlete: y = = ( 2 ) = ( ) 2 = (-)-ed mntavételezés dıpontban: y = 2 = Reurzív formula: y = y ( ) 2 ( ) 30

r (t) ( ) r, tr t 4 3 2 0 0 2 3 4 t/ 4 3 2 0 0 2 3 4 t/ 27. ábra: rapéz-özelítéső ntegráló algortmus Z-transzformált ala (-es típus): z-átvtel függvényhez: y z z = y z z z y ( z ) z = z z y z z I ( z) = = = ( z ) ( z ) Dfferencáló tag: Hasonlóan az ntegráló taghoz, tt s létez étféle típus: az elsı a -ad és a --ed rendelezı jelbıl számol, a másod a -ed és -adból. Mvel a - ed adat még nem áll rendelezésünre, ez a típus úgymond jövıbe látást feltételez, am még dgtáls vlágban sem megvalósítható, ezért csa az -es típussal foglalozom. Dszrét formája: y = D ( ) = t D z Ez egyben reurzív ala s. D D Z-transzformált ala: y z = ( z z z ) = z ( z ) Z átvtel függvénye: D( z) = y z z = D ( z D ( z ) = z ) A dgtáls PID átvtel függvény a három tag z-átvtel függvényéne összege: PID ( z) = P( z) I( z) D( z) P( z) = K z D ( z ) ( z ) z Dgtáls vlágban nncsene olyan áramör-megvalósítás, techna problémá, mnt analóg esetben, de mvel a valós rendszere eltérne az elméletben leírt vagy leírható modelletıl, ezért szüség lehet egyéb s módosításora a PID algortmusában. 3

A gyártó a végleges megoldásoat nem szotá özzétenn, de so problémára vanna általános megoldáso. 3.3. Dgtáls szabályzóör A dgtáls formájú alapjelbıl egy ülönbségépzı áramör vonja az A/D átalaító után szntén dgtáls ellenırzı jelet, ez erül a dgtáls PID bemenetére. A folyamatra a beavatozó jel egy DA átalaító után, már analóg formában erül. A folyamatváltozó állapotát a szenzor menı jele mutatja, ezt dgtalzálnun ell. a dgtáls alapjel Különbségépzı r Dgtáls PID D/A b Szabályozott folyamat s e A/D Szenzor 28. ábra: Dgtáls szabályzóör Az alapjel bevezetése történhet analóg formában s, eor vagy ettı A/D átalaítóra van szüség, vagy egy étcsatornásra. A dgtáls szabályzóör hangolása [4] A dgtáls szabályozóörnél a mntavétel frevenca s befolyásolja a rendszer lengés tulajdonságat, ezért a Zegler-Nchols módszer aahash által módosított változatát használhatju. Ez a metódus a szabályozott szaasz átmenet függvényébıl, azaz egységugrásra való válaszából számolja az optmáls PID paramétereet. e ( t) y 0 K S nf Ábramagyarázat: K S szabályozott szaasz erısítése l lappangás dı f felfutás dı l f t 29. ábra: Az ugrásfüggvény értéelése a Zegler-Nchols hangolás módszerhez A aahash féle hangolás módszer használatána feltétele: 2l 32

33 aahash a hangolás módszerében trapéz-özelítéső ntegráló tagot használ. Ezzel a PID algortmus: ( ) = = 2,,, 2,,,,,, 2 2 2 2 2 r D r D r D r r r D r r r K y K y y Ebben az egyenletben már szerepel a mntavétel dı, a több együtthatót táblázatból számolhatju : A táblázatban a PID mellett P és PI szabályzóhoz s útmutatást apun. Összefoglalva a P, PI és PID szabályzó algortmusát, a övetezı, egyszerőbb alaú, együtthatós egyenletet írhatju fel: 2, 2,, 0 = r r r b b b y a y, ahol a jelölése az eddgeel egyezıe: y : beavatozó jel a -ad mntavételezés dıpontban r, : rendelezı jel a -ad mntavételezés dıpontban Az együttható P, PI és PID szabályzó esetére vsszahelyettesíthetı a táblázatból: K D P ( ) K l f - - PI ) 2 ( 0,9 K l f 2 3,33 l - PID ) (,2 K l f l l 2 2 2 ) (,5 0 u a b 0 b b 2 P 0 K 0 0 PI K 2 K 2 0 PID K D 2 K D 2 2 K D

A ma modern par örnyezetben gyaran alalmazna automata hangolás módszereet. Ezeben egy szoftver segítségével, matemata módszereel találjá meg az optmáls szabályzó-paramétereet. Eze azon alapulna, hogy a rendszerbe egy mpulzust vezetne, és regsztráljá, majd elemz a válasz frevenca-összetevıt. Néhány dgtáls szabályzó önhangolásra s épes, eze s alapjel-változtatáso mellett optmalzáljá a szabályzót. 3.4. Problémá a PID algortmussal [2] Dgtáls tüse: a dgtáls vlágban a jele hrtelen ugrásoal s változhatna, például ha az alapjelet nem potméterrel, hanem apcsolóval változtatju meg, aor a szabályzón D tagja hrtelen nagy értéet, tüsét ad a menetre. Enne megaadályozására azt a módszert alalmazzá, hogy az alapjelet nem vezet rá a derváló tagra. Így a rendszer lassabban reagál az alapjel megváltozásara, de áros túllövése nélül. Probléma lehet a túl agresszív alapjel-övetés. Ezt az arányos tag oozza. Egy módszer enne javítására, hogy az arányos taghoz sem vezet az alapjelet. Így csa az ntegráló tag felelıs az alapjel-övetésért. Ez gyaran túl lassú mőödéshez vezet. Jobb megoldás egy súlyozó tényezı bevezetése, amvel az alapjelet szorozzu meg az arányos tag elıtt. Integrátor túltöltıdés (ntegral wndup). [5],[6] A wndup, magyarul talán túltöltıdés, az ntegrátor matt övetezhet be olyan rendszerben, ahol jelorlátozás van érvényben. A gyaorlat rendszereben az atuátoro, fza határanál fogva nem épese bármeora nagyságú beavatozó jel végrehajtására, például egy szelepet nem lehet jobban nytn, ha már egészen nytva van, vagy egy motorna s van fordulatszámhatára. Ez nemlneartást ooz a szabályozás örben, mvel míg az atuátor arányosan vseled a beavatozó jel meghatározott tartományában, a orlátoon ívül nem épes növeln értéét, szaturál, telítıd. Ezt a övetezı ábrával szemléltethetjü: 34

Atuátor menet ma Valós Modell Beavatozó jel mn 30. ábra: Korlátozott atuátor araterszta A valós görbe három lneárs egyenessel özelíthetı. Ha az atuátor elérte például a mamum határt, és a beavatozó jel tovább növesz, az atuátor menete nem változ, tartja a megszabott orlátot. Ebben az esetben a szabályozás ör látszólag megszaad, mert ebben a tartományban a beavatozó jel már nem befolyásolja a menetet.. ovábbá, mvel a szabályozás eltérés negatív marad, az ntegrátor növel értéét, túltöltıd, ezt nevezzü ntegrator wndup-na. Amor a szabályozott jellemzı elér az alapjelet, a szabályozóna bzonyos dıre van szüsége, amíg vsszanyer az rányítást, a nagy ntegrátor érténe le ell csöenne. A szabályozott jellemzı eözben túllendül az alapjelen. Az ntegrátor túltöltıdéséne a megaadályozására ant-wndup áramöröet vezette be. P r D b b s t 3. ábra: PID párhuzamos ant-wndup áramörrel 35

b b s 32. ábra: Soros ant-wndup áramör Az LG GM7-es PLC-ben a 3. ábra szernt párhuzamos megoldást valósítottá meg. Ez az áramör az atuátor jelorlátozó menete ( b ) és bemenete ( b ) özött ülönbséget csatolja vssza az ntegrátorhoz. Amor a rendszer telítıd, a vsszacsatolt negatív jel csöent az ntegrátor bemenetére erülı értéet. A csöentés mértéét, azaz a vsszacsatolt jel súlyozását a t övetés dıonstanssal (tracng tme constant) állíthatju be. Enne az áramörne természetesen megszőn a hatása, ha az atuátor vsszaerül a lneárs tartományába, mert lyenor 0 a vsszacsatolt jel. Mvel az atuátor jelorlátozott menete nem mnden esetben elérhetı, hogy vsszacsatolhassu, ezért gyaran alalmazna a szabályozóba beépített orlátozót (saturaton). Enne határa megegyezne az atuátor határaval, és ebbıl folyólag vsszacsatolhatju a orlátozott beavatozó jelet. Az áramör mőödését a Smapp nevő szmulácós programmal ellenırztem. Az ebben összeállított áramör: b b s e S 33. ábra: Jelorlátozott P2 tag PID szabályozása, párhuzamos ant-wndup áramörrel 36

A szabályozott rendszer egy arányos éttárolós tag, az alapjel onstans 9,5. Az egyszerőség edvéért a legtöbb paramétert -re állítottam, csa az ntegrálás dıt csöentettem 0,7-es értére, hogy láthatóvá váljé a vsszacsatolás ezt látszólag növelı hatása. A jelorlátozás 0-es érténél lép mőödésbe, valamnt --nél negatív tartományban. Az /t-vel szorzást tt egy onstanssal való szorzás helyettesít, azaz /t=constant. Az elsı esetben a onstans értéét 0-ra választottam, ez gyaorlatlag az ant-wndup áramör nélül esetet valósítja meg. Constant=0 b b s e S 34. ábra: A rendszer válasza ant-wndup nélül Ezen jól látsz, hogy a szabályzó növelné a beavatozó jel értéét, de a szaturácó leorlátozza 0-nél. Persze a szabályozás eltérés eor beáll egy értére, így az ntegrátor töltıd, amíg a szabályozott jellemzı meg nem özelít az alapjelet. Eor elezd süln, de ez so dı vesz génybe, így a szabályzó menete s túllendül. Mndaddg, amíg a jel orlátozva van, azaz 0-es értéen van, a szabályzó gyaorlatlag vsszacsatolás nélül mőöd, am nem a legszerencsésebb, stabltás ooból. A vsszacsatolás feléledéseor vsszaapju az rányítást, de eor bzonytalan, hogy a szabályzó hogyan reagál, aár lengése s létrejöhetne. 37

A másod esetben a onstans értéét 3-na választva már mőödésbe lép az Ant-wndup áramör. Az ntegrátor túltöltıdése jelentısen lecsöent, és a szaturált tartomány s jóval rövdebb, ezáltal bztonságosabb a mőödés. Látható, hogy az ntegrátor bemenetéhez vsszacsatolt jel (e S ) hogyan változ az dı függvényében. Csa a túlvezérelt állapotban van értée, és aor s csa negatív. b Constant=3 b s e S 35. ábra: A rendszer válasza ant-wnduppal 38

A túl rövdre választott ntegrálás dıállandó a övetezı problémát oozza: b b s e S 36. ábra: A rendszer válasza ant-wndup nélül, s esetén A 36. ábrán látható módon a rendszer elıször az atuátor felsı orlátjához áll be, az ntegrátor túlzott feltöltıdése matt, majd mután az ntegrátor vsszatért a mőödés tartományba, lengen ezd a rendszer, de végül beáll az alapjelhez. A vsszacsatoló áramör beapcsolásával sem lehet javítan a rendszer lengés hajlamán, csa ordában lehet tartan az ntegrátort (37.ábra). b b s e S 37. ábra: A rendszer válasza ant-wnduppal, s esetén 39

-nél nagyobb arányos tagnál szntén jól látható az Ant-wndup áramör hatása: b b s e S 38-39. ábra: A rendszer válasza ant-wndup nélül és ant wnduppal K=2 esetén Összefoglalva az Ant-wndup vsszacsatoló áramör hatását; a rendszer nem fog gyorsabban beálln, de az ntegrátor oozta ezdet túllendülés mnden esetben lecsöent. Egy más programmal (20-sm 3.6 Vewer) végzett szmulácó eredménye, mely jól szemléltet a t változtatás hatását: 20-sm 3.6 Vewer (c) CLP 2006 Controller wthout Ant-Wndup.4 Plant output (MV) Setpont (SP) Controller Output.2 t csöentés 0.8 0.6 0.4 s 0.2 b 0 0 0 20 30 40 50 tme {s} 40

4. Az LG GM7 PLC [2] 4.. Általános leírás Az LG PLC- az IEC63-3 (Internatonal Electrotechncal Commsson Nemzetöz Eletrotechna Bzottmány) nemzetöz szabvány elıírásana megfelelı programozás nyelvet alalmazna. Könnyen programozhatóa az ngyenes GMWIN PC-s szoftver segítségével. Ebben a szoftverben három féle programnyelvet használhatun. Eze, a szabványban s szereplı:. Utasításlsta (IL Instucton Lst) 2. Létradagram (LD Ladder Dagram) 3. Sorrend folyamatábra (SFC - Sequental Functon Chart). Átláthatósága, gyorsasága és egyszerő utólagos módosíthatósága matt a létradagramot használtam a programo elészítéséhez. A sorrend folyamatábra lefutó vezérlésehez ajánlott. A létradagram úgynevezett áramutas grafus programnyelv, a bemeneteet és a meneteet jelépezı reléérntezıet és jelfogóteercseet huzalozással apcsolhatju össze, a mőveleteet, függvényeet bloo formájában vhetjü fel. A PC-rıl PLC-be történı letöltés folyamatban a programunat a szoftver lefordítja gép ódra, így erül a PLC memórájába. A GMWIN programban lehetıség van szmulált futtatásra s, eor még nem a PLC-n fut a program, csa a PC-n. M változtathatju tetszılegesen a bemenete értéet, így a programhbáat önnyen felderíthetjü, melıtt a valós berendezéseben azo esetleg ároat ooznána. A program rendelez továbbá onlne futtatás és szeresztés móddal s. Onlne módban a PC épernyıjén s láthatju az egyes változó, - és bemente atuáls állapotát, fgyelemmel ísérhetjü a változásoat, lletve adott esetben módosíthatun bzonyos értéeet. 4

4.2. A PLC alapfuncó Clus mőödéső, am azt jelent, hogy a PLC feldolgozza a programot sorrendben az elsıtıl az utolsó lépésg, ezt scan-na nevez. A PLC clus üzemmódja mndaddg fennáll ameddg egy megszaítás (nterrupt) mővelet be nem övetez. A megszaítás lehet dı, vagy feltétel alapú. Az dı alapú megszaítás meghatározott dıszaonént hajtód végre, amt a özpont egységben állíthatun be. Ez állandó dıszaonént feladato végrehajtására használható. A feltétel alapú megszaítás egy megadott esemény beövetezése esetén azonnal megszaítja a clus programfutását. A megszaítás történhet ülsı, vagy belsı jelre s. A PLC programjában alalmazhatun orlátlan számban dızítıet, számlálóat. A - és bemenete számát tentve ötféle méret létez a GM7-es termécsaládban: 0, 20, 30, 40, 60. A számo a - és bemenet sorapcso összeadott számát jelent. Az adato ezeen eresztül ötegelten özleedne, am azt jelent, hogy a özpont egység az összes bemenetet egyszerre olvassa be, és a menete s egyszerre apna értéet. Ezzel elerülhetı a hazárdjelensége. A belsı áramörö védelmét a csatlaozás ponto opta csatolóval történı leválasztása bztosítja. A MOM tanszé laboratórumban a 30 csatlaozós, GM7 GLOFA DR30A modell áll rendelezésre. Ebben 8 DC bemenet és 2 relés menet található. A jelsznte a 24V-os szabványhoz gazodna. Bemenete Power LED Run LED Be- és menete állapotjelzı LEDje Bıvítımodulo csatlaozás helye Error LED Kmenete 40. ábra: LG GLOFA GM7 PLC alapegység (DR30A) 42

4.3. Specáls funcó Bemenet szőrés: épes a bemenete szőrésére 0-5ms változtatható peródusdıvel. A beállított dıtartamnál rövdebb mpulzusoat a PLC fgyelmen ívül hagyja. Gyorsszámláló (HSC Hgh Speed Counter): ez a funcó blo olyan nagy frevencájú jele számlálását végz, melyeet hagyományos számláló funcó használatával már nem tudun megszámoln. Útmérı vagy egyéb mpulzusgenerátor elven mőödı eszöz jelet épes a HSC feldolgozn. Impulzus elapás: Az elsı 8 bemenet 0,2 ms mnmáls mpulzusszélességő jelet épes feldolgozn, ellentétben hagyományos dgtáls bemeneteel. Impulzus menet: Ez a GM7 PLC által vezérelt pozconáló rendszerenél léptetımotor vagy szervo motor hajtás vezérlésére használható. db, 2Hz-es, tranzsztoros menet esetén. Hálózat (CNE I/F): A GM7 sorozatú PLC beépített Cnet ommunácós funcóval rendelez, és így lehetséges számtalan ülsı egységgel való ommunálás etra Cnet csatoló modul nélül. Lehetséges protoollo: Modbus protooll LG Industral Systems (LGIS) által alaított protooll Felhasználó protooll A felhasználó által létrehozott protooll öveteztében a GM7 PLC számos eszöz egyed protoolljához tud lleszedn. Csatorná száma: 2db beépített RS-232C PID szabályzó: a özpont egység rendelez beépített, dgtáls PID egységgel. A PID7CAL funcóbloon számtalan paramétert beállíthatun. A PID7A segítségével önhangolásra s épes az eszöz. A szabályzó mőödése:. Konstanso épzése Integrátor onstans: K = K Dfferencáló onstans (A): K D, A 2 = 2 D D N N (B): K D, B 2KD N = 2 N (N nagyfrevencás zajelnyomás tényezı) D 43

Ant-wndup onstans: K = t t 2. Alap- és ellenırzı jel beolvasása: a,, e, 3. Arányos tag számítása: P = K b ( a, e, 4. Dfferencáló tag atualzálása (ezdet érté D 0 =0) D = K D, A D K D, B e, e, ) ( ) 5. Beavatozó jel számítása (Integráló tag ezdet értée I 0 =0) = P I D b, 6. elítıdés ellenırzése 7. Beavatozó jel írása a menetre (DA modulra) 8. Integrátor tag frssítése I = I K ( a, e, ) K t ( b, b, 9. Ellenırzı jel atualzálása e, = e, ') 44

A szoftverben látható PID funcóbloo: 4.3.. Kéz beállítású PID blo (PID7CAL) Bemenet oldal: EN: a funcóblo engedélyezı bemenete MAN: manuáls beavatozó jel engedélyezése (0-auto, -manuáls) D/R: mőödés rány (0-növevı, -csöenı) ( * ) SV: alapjel bemenet (Set Value) (0~4000) PV: vsszacsatolt jel (Present Value)(0~4000) BIAS: zavarompenzácós eltolás érté (0~4000) EN_P: arányos (proporconáls) tag engedélyezés EN_I: ntegráló tag engedélyezés EN_D: dfferencáló tag engedélyezés P_GAIN: arányos tag onstans (0.0~00, beállításaor 00-os értéet ell beírn, azaz ~0000) ( * 2) I_IME: ntegrálás dı beállítás (0~2000, 0-esen beírva 0~20000) D_IME: dfferencálás dı beállítás (0~2000, 0-esen 0~20000) REF: referenca érté (0.~, 0-esen beírva ~0) ( * 3) : övetés dı onstans (racng me constant)(0.0~0, szntén 00-os szorzó megadásaor, azaz ~000) ( * 4) N: nagyfrevencás zavarelnyomás tényezı (0~0) ( * 5) MV_MAX: mamáls beavatozó jel (0~4000) MV_MIN: mnmáls beavatozó jel (0~4000) MVMAN: manuáls (ényszerített) beavatozó jel bemenet (0~4000) S_IME: (samplng tme) adatbeolvasás dıöz (0.~0s, 0-esen ~00) Kmenet oldal: DONE: befejezést jelzı flag:, ha ész MV: beavatozó jel (0~4000) SA: hbaód menet Q_MAX:, ha a beavatozó jel mamáls értéen Q_MIN:, ha a beavatozó jel mnmáls értéen 45

(*) a PLC beépített PID szabályozója étféle mőödés ránnyal s rendelez. Azaz tulajdonéppen főtésre és hőtésre s beállíthatju. Főtésor, ha a vsszacsatolt jel sebb, mnt az alapjel (poztív értéő rendelezı jel), aor a beavatozó jel nı, míg hőtésnél ebben az esetben csöen (sebb teljesítménnyel ell hőtenün). s a a s t Növelı mőödés (főtés) Csöentı mőödés (hőtés) 39-40. ábra: A PID-blo étféle mőödés módja t (*2) a funcóblo bemenete vagy boole, vagy nteger (egész) típusúa, így az -nél sebb értée beállíthatósága érdeében szorzótényezıt vezette be. A beállított onstans egy emelt érté, az arányos tag váz soros apcsolatban van a más ettıvel, tehát mndhárom tag mőödését befolyásolja (K). (*3) a referenca érté egy, az arányos tag súlyozására használható tényezı. A rendelezı jelet tagonént más módon épz a PID blo: a P tag: b P rp = b a e I I tag: r = a e D D tag: rd = e e 4. ábra: A beépített PID rendelezıjel-épzése A referencaérté az a bzonyos b-szorzótényezı, am 0 és özött változtatható. Ezzel úgy csöenthetjü az arányos tag hatását, hogy a más ét tag hatását nem befolyásolju. Erre aor van szüség, ha a szabályzón túl agresszíven reagál az alapjel változásara. (*4) a övetés dı onstanssal a beépített ant-wndup áramör hatását befolyásolhatju. 46