EGZAMIN DYPLOMOWY

EGZAMIN DYPLOMOWY
VII semestr
Automatyka i Systemy Sterowania
Gdańsk 2012

SPIS TREŚCI:
1. TRANSFORMATOR JAKO ELEMENT OBWODU - BUDOWA, ZASADA DZIAŁANIA, SCHEMAT ZASTĘPCZY. ................................................................................................................................................................ 3
2. REZONANS W OBWODZIE ELEKTRYCZNYM - RODZAJE, WŁASNOŚCI OBWODU, PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE ........................................................................................................ 5
3. POJĘCIE NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA ORAZ ICH RODZAJE ................................................................................................................................................................................................................................. 7
4. WARUNKI RÓWNOWAGI DLA ZBIEŻNYCH I DOWOLNYCH UKŁADÓW SIŁ ............................................................................................................................................................................................................... 9
5. CYFROWY POMIAR OKRESU I CZĘSTOTLIWOŚCI - ZASADA POMIARU, ŹRÓDŁA BŁĘDÓW ..................................................................................................................................................................................... 11
6. TRANZYSTOR BIPOLARNY - BUDOWA, ZASADA DZIAŁANIA, STANY PRACY, CHARAKTERYSTYKI, PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA ............................................................................................................................ 13
7. FILTRY CZĘSTOTLIWOŚCIOWE PASYWNE I AKTYWNE - PODSTAWOWE RODZAJE, PRZYKŁADOWE SCHEMATY FILTRÓW, ICH CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE ......................................................... 15
8. DEFINICJA I SENS POJĘCIA ENERGII I MOCY ŚREDNIEJ SYGNAŁU ........................................................................................................................................................................................................................... 17
9. MODULACJA AMPLITUDY SYGNAŁU CIĄGŁEGO .................................................................................................................................................................................................................................................... 19
10. CZUJNIKI, STOSOWANE DO ELEKTRYCZNYCH POMIARÓW TEMPERATURY I POZIOMU CIECZY .......................................................................................................................................................................... 21
11. CHARAKTERYSTYKI TURBINY WIATROWEJ. ZASADA STEROWANIA MPPT. ......................................................................................................................................................................................................... 23
12. GENERACJE I PRZYCZYNY ROZWOJU ROBOTÓW ................................................................................................................................................................................................................................................. 25
13. ZDALNY MONITORING POLA TEMPERATURY ...................................................................................................................................................................................................................................................... 27
14. PODSTAWOWE TECHNOLOGIE WYKONYWANIA PANELI DOTYKOWYCH ............................................................................................................................................................................................................ 29
15. PODSTAWOWE SCHEMATY KINEMATYCZNE ROBOTÓW STACJONARNYCH ........................................................................................................................................................................................................ 31
16. STABILIZACJA PIONOWEGO POŁOŻENIA ODWRÓCONEGO WAHADŁA: STRUKTURA SYSTEMU STABILIZACJI, ALGORYTMY STEROWANIA, OGRANICZENIA ALGORYTMU PD ................................................. 33
17. WŁAŚCIWOŚCI LINIOWOŚCI I STACJONARNOŚCI SYSTEMÓW. ............................................................................................................................................................................................................................ 35
18. TRANSMITANCJA WIDMOWA OBIEKTU DYNAMICZNEGO SISO: DEFINICJA, WYZNACZANIE ODPOWIEDZI NA WEJŚCIA SINUSOIDALNE, PROJEKTOWANIE FILTRÓW.............................................................. 37
19. STABILNOŚD LINIOWYCH OBIEKTÓW TYPU SISO: INTUICYJNE ROZUMIENIE, KRYTERIA ALGEBRAICZNE I CZĘSTOTLIWOŚCIOWE. ..................................................................................................................... 39
20. POJĘCIE OBSERWOWALNOŚCI, JEJ ZNACZENIE I MOŻLIWOŚCI BADANIA. .......................................................................................................................................................................................................... 41
21. INTERFEJSY SZEREGOWE W TECHNICE MIKROPROCESOROWEJ – KLASYFIKACJA I CHARAKTERYSTYKA NAJWAŻNIEJSZYCH STANDARDÓW ..................................................................................................... 43
22. WYMAGANIA STAWIANE URZĄDZENIOM AUTOMATYKI .................................................................................................................................................................................................................................... 45
23. PORÓWNANIE RODZAJÓW URZĄDZEO WYKONAWCZYCH STOSOWANYCH W URZĄDZENIACH AUTOMATYKI .................................................................................................................................................. 47
24. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA STEROWNIKA PROGRAMOWALNEGO. ............................................................................................................................................................................................................. 49
25. PODSTAWOWE RÓŻNICE MIĘDZY ZAGADNIENIAMI OPTYMALIZACJI STATYCZNEJ I DYNAMICZNEJ. PRZYKŁAD TAKICH ZAGADNIEO................................................................................................................ 51
26. SENS MNOŻNIKÓW LAGRANGE'A W ZAGADNIENIACH STATYCZNYCH Z OGRANICZENIAMI ............................................................................................................................................................................... 53
27. RODZAJE REGULATORÓW W INSTALACJACH PRZEMYSŁOWYCH. ....................................................................................................................................................................................................................... 55
28. ZINTEGROWANE SYSTEMY STEROWANIA PROCESAMI PRZEMYSŁOWYMI. ........................................................................................................................................................................................................ 57
29. WARSTWOWA STRUKTURA KOMPUTEROWEGO SYSTEMU STEROWANIA, ZADANIA POSZCZEGÓLNYCH WARSTW I ICH WZAJEMNE ZALEŻNOŚCI.......................................................................................... 59
30. RODZAJE NAPĘDÓW W ROBOTYCE I MECHATRONICE ........................................................................................................................................................................................................................................ 60
31. UKŁAD STEROWANIA TYPU SPRZĘŻENIE OD STANU-OBSERWATOR STANU: STRUKTURA, ZASADA SEPAROWALNOŚCI, PROJEKTOWANIE METODĄ ALOKACJI BIEGUNÓW I ZER .......................................... 62
32. UKŁAD STEROWANIA Z CAŁKOWYMI ZMIENNYMI STANU DLA OBIEKTÓW TYPU MIMO: METODA SYNTEZY, ODRZUCANIE ZAKŁÓCEO, STOSOWALNOŚD W RELACJI DO SZYBKOŚCI ZMIAN ZAKŁÓCEO....... 64
33. ZASADA I STRUKTURA UKŁADU STEROWANIA PRĘDKOŚCIĄ KĄTOWĄ SILNIKA PRĄDU STAŁEGO. ..................................................................................................................................................................... 66
34. CECHY WSPÓLNE I RÓŻNICE MODELOWANIA Z PRAW ZACHOWANIA I MODELOWANIA ROZMYTEGO ............................................................................................................................................................. 67
35. CECHY WSPÓLNE I RÓŻNICE IDENTYFIKACJI METODĄ NAJMNIEJSZYCH KWADRATÓW I MODELOWANIA NEURONOWEGO ............................................................................................................................. 68
36. OPIS, CHARAKTERYSTYKA I ZASTOSOWANIE LOGICZNYCH UKŁADÓW KOMBINACYJNYCH ................................................................................................................................................................................ 70
37. OPIS, CHARAKTERYSTYKA I ZASTOSOWANIE SEKWENCYJNYCH UKŁADÓW LOGICZNYCH .................................................................................................................................................................................. 72
38. CHARAKTERYSTYKA JĘZYKÓW PROGRAMOWANIA STEROWNIKÓW PROGRAMOWALNYCH ............................................................................................................................................................................. 74
39. DETERMINIZM CZASOWY W PRZEMYSŁOWYCH SIECIACH INFORMATYCZNYCH. SIECI SPEŁNIAJĄCE I NIE SPEŁNIAJĄCE TEN POSTULAT ........................................................................................................... 75
40. PODSTAWOWE RODZAJE OBCIĄŻEO I ICH WPŁYW NA PRACE UKŁADU NAPĘDOWEGO ..................................................................................................................................................................................... 77
41. PRZEKSZTAŁTNIKI NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO NA NAPIĘCIE STAŁE - TYPY, PRACA PROSTOWNIKA STEROWANEGO .......................................................................................................................................... 79
42. PRZEKSZTAŁTNIKI NAPIĘCIA STAŁEGO NA NAPIĘCIE PRZEMIENNE – TOPOLOGIA FALOWNIKA NAPIĘCIA, STEROWANIE PWM ........................................................................................................................ 81
43. PAMIĘCI PÓŁPRZEWODNIKOWE W TECHNICE MIKROPROCESOROWEJ - RODZAJE, CHARAKTERYSTYKA, ZASTOSOWANIA ............................................................................................................................... 83
44. DEFINICJA SYSTEMU CZASU RZECZYWISTEGO. KLASYFIKACJA TAKICH SYSTEMÓW W ZALEŻNOŚCI OD TYPU OGRANICZEO CZASOWYCH ........................................................................................................ 85
45. ALGORYTM RMS (RATE MONOTONIC SCHEDULING) SZEREGOWANIA ZADAO W SYSTEMIE OPERACYJNYM CZASU RZECZYWISTEGO .............................................................................................................. 87
46. METODA ŚCIEŻEK I CIĘD MINIMALNYCH W ANALIZIE PROBABILISTYCZNEJ SYSTEMÓW ..................................................................................................................................................................................... 89
47. OKREŚLANIE I WERYFIKACJA POZIOMÓW NIENARUSZALNOŚCI BEZPIECZEOSTWA FUNKCJI AUTOMATYKI ZABEZPIECZENIOWEJ .................................................................................................................... 91
48. OTWARTE STANDARDY SYSTEMÓW AUTOMATYKI BUDYNKU - PORÓWNANIE SYSTEMÓW KNX, LONWORKS I BACNET .................................................................................................................................. 93
49. OBIEKTY KOMUNIKACYJNE SYSTEMU KNX - TYPY, ZASADY ŁĄCZENIA I PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA ......................................................................................................................................................... 94
50. DLACZEGO ZNALEZIENIE DZIELNIKÓW MODUŁU M W ALGORYTMIE RSA POWODUJE ZŁAMANIE KLUCZA PRYWATNEGO? .............................................................................................................................. 96
2

1. Transformator jako element obwodu - budowa, zasada działania, schemat
zastępczy.
Sprzężenie magnetyczne może byd zastosowane do przeniesienia energii elektrycznej z jednego obwodu
elektrycznego do drugiego, jeśli te obwody obejmują wspólny strumieo magnetyczny. Na tym polega zasadnicza
koncepcja działania transformatora. Za jego prototyp można uważad dwie cewki nawinięte na wspólnym rdzeniu
ferromagnetycznym.
Jedną z cewek zasilamy ze źródła o napięciu przemiennym. Wówczas cewka ta wytwarza przemienne pole
magnetyczne, indukujące w drugiej cewce napięcie źródłowe, którym można zasilad jakiś odbiornik. W ten sposób
powstają dwa obwody odizolowane od siebie elektrycznie, lecz sprzężone magnetycznie. Obwód zasilany ze
źródła napięcia nazywamy obwodem pierwotnym, a w obwód z nim sprzężony obwodem wtórnym.
W elektroenergetyce transformatory są stosowane do przetwarzania energii elektrycznej z jednego poziomu
napięcia na inny, np. z niższego na wyższy, gdy wchodzi w grę przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości,
lub z wyższego na niższy w celu jej rozdziału między odbiorców.
A) Budowa
Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (uzwojeo), nawiniętych na wspólny rdzeo
ferromagnetyczny wykonany zwykle z blach stalowych. Oba obwody są odseparowane galwanicznie, co oznacza,
że nie ma połączenia elektrycznego między nimi, a energia przekazywana jest poprzez pole magnetyczne.
Rys. 1.1. Przykład transformatora z rdzeniem (bywają również bezrdzeniowe)
B) Zasada działania
Jedno z uzwojeo (pierwotne) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to przepływ prądu
przemiennego w tym uzwojeniu. Przemienny prąd płynący przez uzwojenie powoduje powstawanie
przemiennego pola magnetycznego. Wytworzone pole magnetyczne przewodzone jest przez rdzeo
transformatora powodując indukowanie się w uzwojeniu wtórnym siły elektromotorycznej.
3

C) Schemat zastępczy
Rys. 1.2. Uproszczony schemat transformatora (z pominięciem właściwości rdzenia)
Rys. 1.3. Pełny schemat zastępczy transformatora z rdzeniem ferromagnetycznym
Rys. 1.4. Schemat zastępczy transformatora nieobciążonego
Źródła:
R. Kurdziel: Podstawy Elektrotechniki
Wykłady Mizana
Opracowanie z forum
4

2. Rezonans w obwodzie elektrycznym - rodzaje, własności obwodu,
podstawowe charakterystyki częstotliwościowe
Rezonans - stan układu fizycznego, w którym pulsacja drgao wymuszonych jest równa pulsacji drgao swobodnych
rozpatrywanego układu.
W odniesieniu do obwodów elektrycznych powyższy warunek rezonansu implikuje następujące równoważne
warunki:
kąt przesunięcia fazowego między napięciem a prądem zasilania jest równy zeru,
reaktancja wypadkowa jest równa zeru,
susceptancja wypadkowa jest równa zeru.
Nie są to jednak warunki wystarczające. Obwód zawierający tylko rezystory zawsze spełnia te warunki, ale
rezonans w nim nie zachodzi. Rezonans może zajśd tylko wtedy, gdy w danym obwodzie istnieje możliwośd
wzbudzenia drgao swobodnych, a to jest możliwe tylko w obwodach zawierających co najmniej jedną cewkę i co
najmniej jeden kondensator.
Rezonans jest stanem obwodu, w którym do obwodu dostarczana jest ze źródła tylko taka ilośd energii, jaka jest
niezbędna do uzupełnienia strat rozproszeniowych (dyssypacyjnych). W obwodzie następuje cykliczna przemiana
energii pola magnetycznego (gromadzonej w elementach indukcyjnych) w energię pola elektrycznego
(gromadzoną w elementach pojemnościowych) i na odwrót, bez zwrotu tej energii do źródła.
Oprócz dwóch podstawowych rodzajów rezonansu (szeregowy i równoległy – a i b) wyróżniamy:
Rezonans w obwodzie dwugałęziowym
Rezonans w obwodach sprzężonych
a) Rezonans napięd (rezonans szeregowy):
Rys. 2.1. Szeregowy obwód RLC
Rys. 2.2. Wykres wskazowy szeregowego
obwodu RLC w stanie rezonansu
występuje w obwodzie szeregowym RLC;
charakteryzuje się równością bezwzględnej wartości reaktancji indukcyjnej X L i pojemnościowej X C :
, czyli:
suma napięd na cewce i na kondensatorze jest równa 0;
dobrod obwodu Q określa ile razy napięcie na części indukcyjnej lub napięcie na części pojemnościowej
jest większe od napięcia na zaciskach obwodu. Jeżeli R jest małe, dobrod Q jest duża, występują wtedy
przepięcia;
w stanie rezonansu napięd prąd w obwodzie może osiągad bardzo duże wartości, gdyż przy małej
rezystancji R źródło pracuje w stanie zwarcia.
5

U Cmax = U Lmax
U C0 = U L0
I max
I, U L , U C
U L
U C
I
C
0
L
Rys. 2.3. Charakterystyki częstotliwościowe szeregowej gałęzi RLC
b) Rezonans prądów (rezonans równoległy):
Rys. 2.4. Równoległy obwód RLC
Rys. 2.5. Wykres wskazowy w stanie rezonansu
występuje w obwodzie o równoległym połączeniu elementów RLC,
charakteryzuje się równością susceptancji indukcyjnej i pojemnościowej:
gdy wypadkowa susceptancja jest równa zeru, prąd całkowity ma bardzo małą wartośd, a przy bardzo
małej konduktancji G jest zbliżony do zera. Źródło pracuje w warunkach zbliżonych do stanu jałowego;
dobrod Q określa ile razy prąd w gałęzi z indukcyjnością lub pojemnością jest większy od prądu
dopływającego do obwodu rezonansowego.
U
U max
1
1
2
f
f 1
f 0 f 2
f
Rys. 2.6. Charakterystyki częstotliwościowe równoległej gałęzi RLC
Źródła:
Michał Tadeusiewicz: Teoria obwodów
Wykłady Mizana + opracowanie z forum
Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechniki: Badanie obwodu rezonansowego szeregowego i równoległego
6

3. Pojęcie naprężenia i odkształcenia oraz ich rodzaje
3.1. NAPRĘŻENIA
Naprężenie jednego paskala definiowane jest jako stosunek siły jednego niutona działającej na powierzchnię
jednego metra kwadratowego. Naprężenia w ciele zależą od wzajemnego położenia elementarnych cząsteczek
ciała poddanego działaniu sił zewnętrznych.
W ujęciu modelu fizycznego zachowania się obciążonej bryły, naprężenie jest definiowane jako iloraz siły będącej
reakcją na obciążenia zewnętrzne i powierzchni, na której ta siła działa:
ς – naprężenie główne
F – siła
S – pole przekroju
Kierunek wzdłuż osi walca nazywamy kierunkiem głównym, a naprężenie w tym kierunku naprężeniem głównym.
W płaszczyźnie nachylonej do kierunku głównego pod dowolnym kątem naprężenie rozkłada się na normalne ς N
i styczne τ (rys. 3.1.).
Rys. 3.1. Walec obciążony siłą osiową
A więc wyróżniamy naprężenia:
normalne - naprężenia mające kierunek prostopadły do rozpatrywanego przekroju, oznaczamy je grecką
literą (czyt. sigma)
styczne - naprężenia leżące w płaszczyźnie rozpatrywanego przekroju, oznaczamy je literą (czyt. tau).
3.2. ODKSZTAŁCENIA
Odkształceniem nazywamy chwilową lub trwałą zmianę wymiarów całego ciała lub jego części wywołaną
przyłożonym do niego obciążeniem.
Rys. 3.2. Odkształcenia: a) ciało przed odkształceniem, b) ciało po odkształceniu
Odkształcenia elementów konstrukcji powstają pod wpływem działania sił zewnętrznych, w różny sposób do nich
zaczepionych. Należy tu zaznaczyd, że ciężar własny ciała traktujemy również jako odpowiednio do niego
zaczepioną siłę zewnętrzną.
7

a) Odkształcenia czysto objętościowe
Warunkiem koniecznym i wystarczającym, aby odkształcenia miały charakter odkształceo czysto objętościowych
jest spełnienie zależności:
xy = yz = zx = 0
(3.1)
x = y = z =
Przy odkształceniu czysto objętościowym względna zmiana objętości jest równa:
b) Odkształcenia czysto postaciowe
Warunkiem koniecznym i wystarczającym, aby odkształcenia miały charakter czysto postaciowy jest spełnienie
zależności:
cos xy , cos yz , cos zx 1 czyli V = 0
(3.2)
x + y + z = 0
Należy zauważyd, że niespełnienie któregokolwiek z warunków (3.1) i (3.2) świadczy, że występuje odkształcenie
mieszane: objętościowo-postaciowe:
Rys. 3.3. Odkształcenia mieszane objętościowo-postaciowe.
Źródła:
WYTRZYMAŁOŚD MATERIAŁÓW – wykłady Krawczuka
Mechanika budowli, częśd 1. Mechanika teoretyczna i wytrzymałośd materiałów.
http://brasil.cel.agh.edu.pl/~10smgzyl/index.php?module=articles&action=show&name=podstawy-stannaprezenia#rodzaje
(* za chuj nie wiem, czemu w linku jest z AGH jest słowo brasil :P)
Trochę z forum
8

4. Warunki równowagi dla zbieżnych i dowolnych układów sił
Układem sił nazywamy zbiór sił przyłożonych w jednym lub w kilku punktach bryły. Wyróżniamy
następujące układy sił:
Zbieżny układ sił (płaski lub przestrzenny). Jest to układ, w którym proste działania sił przecinają się
w jednym punkcie. Taki układ sił można zastąpid jedną siłą wypadkową.
Dowolny układ sił (płaski lub przestrzenny). Jest to układ, w którym proste działania sił są dowolnie
położone względem siebie tzn. nie przecinają się w jednym punkcie. Taki układ sił można zastąpid
jedną siłą wypadkową i wypadkowym momentem siły.
4.1. Warunki równowagi zbieżnego układu sił
9

4.2. Warunki równowagi dowolnego układu sił
a) PŁASKI
b) PRZESTRZENNY
Źródła:
STATYKA – wykłady Krawczuka
Trochę z forum
10

5. Cyfrowy pomiar okresu i częstotliwości - zasada pomiaru, źródła błędów
Pomiar okresu (metodą cyfrową)
Rys. 5.1. Zasada pomiaru okresu metodą cyfrową: a) schemat blokowy; b) przebiegi napięd w poszczególnych
punktach układu
W układzie tym, badany przebieg przetwarzany jest na sygnał impulsowy, w którym czas każdego impulsu jest
równy okresowi T X przebiegu badanego. Impuls ten otwiera bramkę na czas pomiaru. W czasie, gdy bramka jest
otwarta, zliczane są impulsy z generatora wzorcowego o częstotliwości f W = 1 / T W .
W czasie pomiaru licznik zliczy N = T X / T W impulsów, a stąd wartośd zmierzonego okresu wynosi:
Pomiar częstotliwości (metodą cyfrową)
Rys. 5.2. Zasada pomiaru częstotliwości metodą cyfrową: a) schemat blokowy; b) przebiegi napięd w
poszczególnych punktach układu
W układzie tym, badany przebieg o częstotliwości f X przetwarzany jest w układzie formującym na przebieg
impulsowy o takiej samej częstotliwości. Generator wzorcowego odcinka czasu wytwarza impuls o czasie trwania
T N otwierający bramkę na czas pomiaru.
W czasie, gdy bramka jest otwarta, licznik zliczy N = T N / T X impulsów, a ponieważ f X = 1 / T X , zmierzona
częstotliwośd wynosi:
LEGENDA: (UF – układ formujący, B – układ bramkujący, GW – generator wzorcowego odcinka czasu,
L – licznik, W – wskaźnik cyfrowy)
11

Główne źródła błędów w cyfrowych pomiarach częstotliwości to:
a) BŁĄD ZLICZANIA (kwantowania) – występuje, gdy długośd impulsów bramkujących nie jest całkowitą
wielokrotnością zliczanych okresów. W takim wypadku liczba zliczonych impulsów uzależniona jest od
położenia impulsu bramkującego.
Rys. 5.3. Ilustracja błędu zliczania
Rys. 5.3. przedstawia zliczanie impulsów przebiegu U g bramkowanego impulsem U b ’ i U b ’’. Mimo, że długośd
impulsów bramkujących jest jednakowa, liczba zliczonych impulsów jest różna. Różnica stanowiąca błąd zliczania
jest nie większa niż 1. Względny błąd zliczania jest nie większy niż odwrotnośd liczby zliczonych impulsów 1/N.
b) BŁĄD CZĘSTOTLIWOŚCI GENERATORA WZORCOWEGO – częstotliwośd ta może odbiegad od częstotliwości
znamionowej, może również zmieniad się w czasie pracy, np. w wyniku wahao temperatury lub starzenia
elementów. Błąd ten zwykle nie przekracza wartości kilku dziesięciotysięcznych %.
c) BŁĄD BRAMKOWANIA – wynika z różnicy opóźnienia między zboczem narastającym i opadającym impulsu
bramkującego. Różnica ta powoduje różnicę w opóźnieniu chwili otwarcia i zamknięcia bramki. Błąd ten jest
spowodowany również zakłóceniami występującymi w badanym przebiegu. Zakłócenia te mogą byd przyczyną
wcześniejszego lub późniejszego otwarcia bramki (rys. 5.4.).
Rys. 5.4. Ilustracja błędu bramkowania
Zwykle błędy częstotliwości generatora wzorcowego i błędy bramkowania są pomijalnie małe w porównaniu z
błędem zliczania.
Błąd pomiaru częstotliwości metodą cyfrową można zmniejszyd przez wydłużenie czasu pomiaru, natomiast błąd
pomiaru okresu przez zwiększenie liczby okresów, w czasie którym zliczane są okresy sygnału z generatora
wzorcowego i wyznaczenie okresu średniego. Należy jednak pamiętad, że w wyniku pomiaru otrzymujemy
wartośd średnią, dlatego w przypadku, gdy badana częstotliwośd zmienia się w czasie pomiaru, przy długim czasie
pomiaru wynik może znacznie odbiegad od wartości chwilowej w chwili uzyskania wyniku.
Źródła:
MIERNICTWO ELEKTRYCZNE – Rysiu Roskosz (rozdział 9 – Pomiary częstotliwości – Świsulski)
12

6. Tranzystor bipolarny - budowa, zasada działania, stany pracy,
charakterystyki, przykład zastosowania
Tranzystory są urządzeniami półprzewodnikowymi umożliwiającymi sterowanie przepływem dużego prądu, za
pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania
informacji w postaci cyfrowej. Nazwa "tranzystor" pochodzi z połączenia słów transfer i rezystor.
Nazwa bipolarne dotyczy tranzystorów, w których transport ładunków odbywa się za pośrednictwem obu
rodzajów nośników jakie istnieją w półprzewodniku, tzn. elektronów i dziur. Półprzewodniki, w których na skutek
nieregularności sieci krystalicznej przeważają nośniki typu dziurowego nazywa się półprzewodnikami typu
p (niedomiarowymi), gdy przeważają nośniki elektronowe nazywa się je półprzewodnikami typu n
(nadmiarowymi).
6.1. BUDOWA
Tranzystor bipolarny powstaje zwykle w procesie dwukrotnej dyfuzji domieszek do półprzewodnika. Składa się z
trzech sąsiadujących warstw półprzewodnika domieszkowanych naprzemiennie akceptorowo i donorowo; może
byd typu npn lub pnp. Elektrody tranzystora są dołączone do trzech jego części i nazywają się:
emiter E, kolektor C i baza B.
6.2. ZASADA DZIAŁANIA
Rys. 6.1. Budowa tranzystora bipolarnego
Zasada działania tranzystora bipolarnego omówiona zostanie na podstawie tranzystora NPN:
Rys. 6.2. Przepływ prądu w tranzystorze npn
Przez złącze BE tranzystora npn przepływają nośniki większościowe ładunku, w tym przede wszystkim elektrony
swobodne z emitera (typ n) do bazy. Również dziury z obszaru bazy (typ p) przepływają przez złącze do emitera.
Prąd dziurowy jest znacznie mniejszy ze względu na mniejszą liczbę dziur, wynikającą z mniejszej objętości
emitera. Mniejsza częśd elektronów swobodnych po osiągnięciu obszaru bazy wypełnia istniejące tam dziury, czyli
podlega procesowi rekombinacji. Znacznie większa częśd elektronów swobodnych po znalezieniu się w obszarze
bazy jest przyciągana przez kolektor i przepływa przez złącze BC spolaryzowane zaporowo, tak jak własne nośniki
mniejszościowe bazy. Wypływające z emitera elektrony swobodne tworzą prąd emitera IE, który rozdziela się w
obszarze bazy na mały prąd bazy IB i duży prąd kolektora IC.
13

6.3. STANY PRACY
Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą byd spolaryzowane w kierunku zaporowym lub
przewodzenia. W związku z tym można wyróżnid cztery stany pracy tranzystora.
Najważniejszym z nich jest obszar pracy
aktywnej, gdyż to właśnie w tym obszarze
tranzystor wykazuje swoje właściwości
wzmacniające, które są wykorzystywane
praktycznie.
Rys. 6.3. Stany pracy tranzystora
Tranzystor pracujący w układach
analogowych musi byd w stanie aktywnym, a
w układach cyfrowych - w stanach zatkania
lub nasycenia.
6.4. CHARAKTERYSTKI
6.5. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA
Rys. 6.4. Charakterystyki tranzystora bipolarnego
Jako wzmacniacz – Tranzystor pracujący w stanie aktywnym może byd wykorzystany do budowy układu będącego
wzmacniaczem sygnałów elektrycznych. Małe zmiany prądu płynącego w obwodzie bazy powodują duże zmiany
prądu płynącego w obwodzie kolektora. W zależności od konstrukcji układu można uzyskad wzmocnienie prądu,
napięcia lub obu tych wielkości.
Jako przełącznik – Przy pracy tranzystora jako przełącznika wykorzystuje się przejście między stanem nasyconym
(tranzystor włączony) a zatkanym (tranzystor wyłączony). Taki tryb pracy tranzystora jest stosowany w niektórych
układach impulsowych oraz cyfrowych.
Źródła:
Wykłady Mizana
http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/bipolarne.html

7. Filtry częstotliwościowe pasywne i aktywne - podstawowe rodzaje,
przykładowe schematy filtrów, ich charakterystyki częstotliwościowe
Filtrem częstotliwości nazywamy układ o strukturze czwórnika (czwórnik to układ mający cztery zaciski - jedna z
par zacisków pełni rolę wejścia, zaś druga wyjścia), który przepuszcza bez tłumienia lub z małym tłumieniem
napięcia i prądy w określonym paśmie częstotliwości, a tłumi napięcia i prądy leżące poza tym pasmem. Filtry
częstotliwości mają głównie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych i energetycznych. Umieszczone
pomiędzy źródłem sygnału a odbiornikiem powodują, że do odbiornika dostaje się sygnał o pożądanym widmie
częstotliwości, co oznacza, że z sygnału dostarczanego przez źródło został wyeliminowany sygnał o częstotliwości
mieszczącej się w paśmie tłumienia. Pasmo częstotliwości, które filtr przepuszcza bez tłumienia (lub z małym
tłumieniem) nosi nazwę pasma przepustowego, zaś pasmo, w którym napięcia i prądy podlegają silnemu
tłumieniu nosi nazwę pasma tłumienia. Częstotliwośd, która stanowi granicę pomiędzy pasmem przepustowym a
pasmem tłumienia, nazywana jest częstotliwością graniczną.
6.6. PODSTAWOWE RODZAJE
Ze względu na przeznaczenie filtry można
podzielid na cztery podstawowe rodzaje:
o dolnoprzepustowe
o górnoprzepustowe
o środkowoprzepustowe
o środkowozaporowe
Ze względu na konstrukcję i rodzaj
działania filtry można podzielid na:
o pasywne – nie zawierają elementów
dostarczających energii do obwodu
drgającego, zawierają tylko elementy
RLC
• jednostopniowe
• wielostopniowe
o aktywne – zawierają zarówno
elementy RLC, jak również i elementy dostarczające energię do filtrowanego układu np. wzmacniacze,
układy nieliniowe.
Filtry można również podzielid na typy obwodów w jakich są używane:
o analogowe
o cyfrowe
6.7. PRZYKŁADOWE SCHEMATY FILTRÓW
Filtrami biernymi nazywa się filtry zbudowane z elementów biernych, takich jak rezystory, kondensatory, cewki
indukcyjne. Przykładem takiego filtru jest tzw. filtr drabinkowy, utworzony poprzez powielenie prostego
czwórnika RC o schemacie pokazanym na rys. 7.1.
Rys. 7.1. Filtr drabinkowy RC, dwuczłonowy
15

Filtry aktywne są to filtry liniowe, w których układzie
wewnętrznym są zastosowane elementy aktywne w
postaci sterowanych źródeł (często sterowanych źródeł
napięcia). Najczęściej do budowy filtru aktywnego
wykorzystuje się wzmacniacz napięciowy (operacyjny),
wprowadzając go odpowiednio w strukturę filtru.
Należy zaznaczyd, że zastosowanie wzmacniacza na
wejściu lub wyjściu filtru z elementów biernych nie
przekształca tego filtru w aktywny.
Rys. 7.2. Filtr aktywny w strukturze de Raucha
Celem budowy filtrów aktywnych jest uzyskanie właściwości i charakterystyk częstotliwościowych, niemożliwych
do otrzymania w filtrach biernych (jak uformowanie charakterystyki częstotliwościowej modułu, tak aby
jednocześnie wystąpiły: płaski odcinek w paśmie przewodzenia i duże wartości nachylenia w strefie przejściowej),
albo eliminacja elementów niedogodnych i trudnych w realizacji, jak cewki indukcyjne, przy zachowaniu cech filtru
zawierającego także takie cewki. Na rys. 7.2. pokazano przykład schematu filtru aktywnego z jednym wzmacniaczem
operacyjnym.
6.8. CHARAKTERYSTKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE
Rys. 7.3. Charakterystyki dwóch dolnoprzepustowych filtrów 3-go rzędu (1-go dla porównania dodany)
Rys. 7.4. Filtr dolnoprzepustowy 3-go rzędu PASYWNY
Rys. 7.5. Filtr dolnoprzepustowy 3-go rzędu AKTYWNY
Źródła:
ELEKTRONIKA DLA ELEKTRYKÓW Laboratorium – Andryś Opolski
Wykłady Mizana
16

8. Definicja i sens pojęcia energii i mocy średniej sygnału
Energia, moc średnia (krótko moc) i wartośd skuteczna, należą do najważniejszych parametrów sygnału.
Wielkości te są nazywane parametrami energetycznymi sygnałów. Ponieważ założyliśmy, że sygnały są
wielkościami bezwymiarowymi, ich energię określoną wzorem (1.6) wyrażamy w sekundach, moc zaś
określona wzorami (1.7) lub (1.8) oraz wartośd skuteczna są bezwymiarowe.
Na podstawie parametrów energetycznych dokonujemy jeszcze jednego ważnego podziału sygnałów na
dwie klasy:
klasę sygnałów o ograniczonej energii,
klasę sygnałów o ograniczonej mocy.
Zauważmy, że:
moc sygnałów o ograniczonej energii jest równa zeru,
energia sygnałów o ograniczonej mocy jest nieskooczona,
każdy sygnał impulsowy ograniczony w amplitudzie jest sygnałem o ograniczonej energii,
sygnały o nieskooczonym czasie trwania mogą byd sygnałami o ograniczonej energii bądź o
ograniczonej mocy,
sygnały o ograniczonej mocy i ograniczone w amplitudzie są sygnałami o nieskooczonym czasie
trwania,
szczególną podklasą tych ostatnich są sygnały okresowe.
Zwródmy uwagę, że moc sygnału określona wzorem (1.7) ma sens wielkości granicznej. Również jako
wielkości graniczne będą dalej definiowane inne wielkości charakteryzujące sygnały o ograniczonej mocy
(np. widmo, funkcja autokorelacji itd.).
17

Z FORUM (ale poprawione wzory):
Energia sygnału jest energią zawartą w sygnale x, może byd ona nieskooczona lub nieokreślona
dla pewnej klasy sygnałów.
Moc średnia definiowana dla różnych klas sygnałów:
E
x
t
- moc średnia sygnału o nieskooczonym czasie trwania:
P
lim
T
- moc średnia sygnału okresowego:
nE
P lim
n
nT
1
0
2 dt
T
x t
T
1
2
1 E
T
0
1
T
1
T
T0
2
0 T
0
2
x
t
2
2
dt
dt
Źródła:
http://osilek.mimuw.edu.pl/index.php?title=PS_Modu%C5%82_1
Wykład z uczelni jakiejś
Opracowanie z forum
18

9. Modulacja amplitudy sygnału ciągłego
Modulacja to proces polegający na zmienianiu jednego z parametrów fali nośnej zgodnie ze zmianami
sygnału informacyjnego. Sygnał informacyjny jest rozumiany jako różnowartościowa funkcja czasu
wytwarzana przez źródło informacji, którym może byd mowa ludzka, faks czy komputer. Ujmując rzecz
bardziej obrazowo, modulacja stanowi przeniesienie sygnału informacyjnego do zakresu częstotliwości o
kilka rzędów wielkości wyższego od tego sygnału i w związku z tym bardziej dogodnego do transmisji. W
wyniku modulacji powstaje sygnał zmodulowany, który zawiera w sobie pierwotny sygnał informacyjny,
lecz ma inne parametry fizyczne (w szczególnym przypadku - elektryczne).
Technicznie proces modulacji realizowany jest w urządzeniu zwanym modulatorem. Procesem
odwrotnym do modulacji, którego celem jest odtworzenie sygnału pierwotnego (modulującego) z
sygnału zmodulowanego, jest demodulacja, realizowana w urządzeniu zwanym demodulatorem. Ogólną
ideę procesu modulacji przedstawia rys. 9.1.
Rys. 9.1. Ogólny schemat procesu modulacji
MODULACJA AMPLITUDY
Modulacja amplitudy (ang. Amplitude Modulation) jest najstarszym i najprostszym sposobem modulacji.
Stosowana jest ona w systemach radiokomunikacji ruchomej i radiofonii pracujących w zakresie fal
długich (30 - 300 kHz), średnich (300 - 3000 kHz) i krótkich (3-30 MHz).
Modulacja amplitudy polega na nakładaniu sygnału modulującego f m (rys 9.1.b) na częstotliwośd nośną
f 0 (rys 9.2.) w ten sposób, że w takt zmian napięcia sygnału modulującego zmianie ulega wartośd
amplitudy sygnału modulowanego, przy czym f 0 >> f m . Sygnał modulujący można określid zależnością :
gdzie: A m - amplituda sygnału modulującego
f m - częstotliwośd sygnału modulującego
m(t) = A m cos(2 π f m t)
Reprezentację graficzną takiego przebiegu prezentuje rys. 9.2. (następna strona)
19

Rys. 9.2. Sygnał modulujący
Rys. 9.3. Modulacja amplitudy
Źródła:
PODSTAWOWE MODULACJE ANALOGOWE. MODULACJE AMPLITUDY (AM) – POLITECHNIKA
WARSZAWSKA
20

10. Czujniki, stosowane do elektrycznych pomiarów temperatury i poziomu
cieczy
(to co w nawiasie, to nie było tego w DWÓCH SKRYPTACH)
10.1. CZUJNIKI W POMIARACH TEMPERATURY
W pomiarach temperatury metodami elektrycznymi stosowane są dwa rodzaje czujników termoelektrycznych:
czujniki termoelektryczne PARAMETRYCZNE, w których temperatura wpływa na zmianę właściwości
fizycznych zastosowanych materiałów takich jak:
o rezystywnośd przewodników lub półprzewodników,
o przenikalnośd magnetyczną materiałów ferromagnetycznych,
o przenikalnośd dielektryków
o przewodzenie złącza półprzewodnikowego
Głównie: termorezystory i termistory.
czujniki termoelektryczne GENERACYJNE – termoelementy, które stanowią ogniwa termoelektryczne o
sile termoelektrycznej E zależnej od różnicy temperatur. Czujnik termoelektryczny z układem
pomiarowym stanowi termometr elektryczny.
TERMOREZYSTOR - stanowi uzwojenie wykonane z metalu (niklu, platyny ,miedzi) nawinięte na kształtkę z
materiału izolacyjnego. Działanie jego polega na zmianie rezystancji przewodnika pod wpływem zmiany
temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury.
Termorezystory znalazły ogromne zastosowanie w przemyśle dzięki wysokiej temperaturze topnienia oraz
ogromnym zakresie pomiarowym (-200°C do 3000°C).
TERMISTOR – jest elementem półprzewodnikowym w którym wykorzystano zależnośd zmiany rezystancji od
zmiany temperatury. Wykonane są z tlenków żelaza, niklu, litu, tytanu. Termistory w zależności od swego składu,
mogą wykazywad wzrost lub spadek przewodności przy rosnącej temperaturze. Termistory nadają się bardzo
dobrze do pomiaru temperatury oraz do sterowania jej zmianami w zakresie od -50°C do +300°C z błędem nie
przekraczającym 0,1 do 0,2°C.
TERMOELEMENT - połączone na jednym koocu dwa różne materiały: metale czyste, stopy metali lub niemetale,
tworzą termoelement. Miejsce łączenia nazywa się spoiną pomiarową zaś pozostałe kooce - koocami wolnymi.
Przewody termoelementu nazywają się termoelektrodami. Pomiar temperatury przy pomocy termoelementów
bazuje na własności, iż w miejscach połączeo pomiędzy termoelektrodami, powstaje napięcie termoelektryczne.
PIROMETR - stosuje się w metodzie bezdotykowego pomiaru temperatury. W metodach tych wykorzystuje się długośd fal od
0,4 µm do 20 µm co odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz podczerwieni. Jeśli na drodze promieniowania znajduje
się materiał to zachodzą w nim zjawiska: absorpcji, refleksji, przenikania.
DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA - w diodach półprzewodnikowych wykorzystuje się spadek napięcia na diodzie w funkcji
temperatury.
CZUJNIK KWARCOWY – zbudowany jest z kryształku kwarcu wbudowanego w obwód generatora, częstotliwośd drgao jest
proporcjonalna do temperatury.
ZŁĄCZE P-N – jest to złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n.
21

10.2. CZUJNIKI W POMIARACH POZIOMU CIECZY
Pomiar poziomu jest jednym z najpopularniejszych pomiarów w przemyśle. Pomiary poziomu można podzielid na:
• pomiary procesowe - są konieczne tam, gdzie informacja o poziomie medium w zbiorniku ma wpływ na
proces technologiczny. Ważna jest tu szybkośd pomiaru, mniej ważna -wysoka dokładnośd.
• pomiary rozliczeniowo-magazynowe - nie są bezpośrednio związane z produkcją, wymaga się tu raczej
wysokiej dokładności pomiaru, a nie szybkości.
W energetyce informacja o poziomie, względnie o różnicy poziomów wody otwartych zbiorników jest konieczna
dla prawidłowej gospodarki zasobami energetycznymi elektrowni wodnych i zbiorników przeciwpowodziowych.
Wymagania dokładności pomiarów są tutaj bardzo wysokie.
POMIAR CIŚNIENIOWY
Ciśnieniowe przetworniki poziomu stosowane są do pomiaru poziomu cieczy o niezmiennej gęstości w zbiornikach
otwartych i ciśnieniowych. Zasada działania opiera się na pomiarze ciśnienia hydrostatycznego (w przypadku
pomiaru w zbiornikach otwartych) lub różnicy ciśnieo (w przypadku zbiorników ciśnieniowych).
POMIAR RADAROWY I ULTRADŹWIĘKOWY
Pomiar radarowy i ultradźwiękowy ma zastosowanie do mediów stałych i ciekłych. Mogą one mied zróżnicowaną
gęstośd. Zasada działania obu pomiarów jest zbliżona, zostanie omówiona na przykładzie pomiaru radarowego.
Czas potrzebny sygnałowi radarowemu na przejście od nadajnika do powierzchni medium i z powrotem jest
proporcjonalny do odległości pomiędzy anteną i powierzchnią. Tak więc znając ten czas można określid poziom
medium w zbiorniku.
POMIAR NURNIKOWY
Nurnikowe przetworniki poziomu służą do pomiaru poziomu cieczy o niezmiennej gęstości w zbiornikach
otwartych i ciśnieniowych. Zasada działania nurnikowego przetwornika poziomu opiera się na pomiarze siły
wyporu (miarą poziomu jest siła F potrzebna do utrzymania nurnika na niezmiennej wysokości).
POMIAR PŁYWAKOWY
Zasada pomiaru: zmiana poziomu lustra wody (przesunięcie liniowe) za pośrednictwem nadajnika pływakowego,
sprzężonego mechanicznie z kołem napędowym, przetwarzana jest na przesunięcie kątowe mierzone
przetwornikiem elektrycznym. Koło jest sprzężone mechanicznie z przetwornikiem przetwarzającym kąt obrotu w
sygnał elektryczny. W zależności od producenta może to byd przetwornik analogowy: rezystancyjny, pojemnościowy,
magnetyczny, selsynowy lub też tarcza kodowa.
METODA POJEMNOŚCIOWA
Zmiana pojemności „kondensatora”, utworzonego pomiędzy izolowaną sondą a metalową ścianą zbiornika lub
rury osłonowej jest proporcjonalna do wysokości słupa cieczy – pojemnośd maleje przy opróżnianiu zbiornika i
rośnie przy jego napełnianiu.
METODA HYDROSTATYCZNA
Pomiar poziomu polega na wyznaczeniu ciśnienia hydrostatycznego, wywieranego przez słup cieczy o danej
wysokości, zgodnie z zależnością: P = h*g*ρ ,
gdzie: P – ciśnienie hydrostatyczne, h – poziom cieczy, g – stała grawitacji, ρ – gęstośd cieczy
METODA RADIOMETRYCZNA (izotopowa)
Zasada działania przyrządów radiometrycznych opiera się na pomiarze absorpcji promieniowania gamma,
przechodzącego przez mierzony produkt (przy pomiarze prawie całe promieniowanie ulega absorpcji przez
medium).
Źródła:
MIERNICTWO ELEKTRYCZNE Rysia Roskosza (czyt. DWA SKRYPTY xD)
P.P.H. ENERGO-SILESIA Sp. z o.o. – PDF w materiałach
PREZKA z http://www.konopczynski.com/stronazawodowa/egzamin/pomiarytemperatury.ppt
22

11. Charakterystyki turbiny wiatrowej. Zasada sterowania MPPT.
11.1. Charakterystyki turbiny wiatrowej
Na podstawie charakterystyk dla różnych prędkości wiatru jesteśmy wstanie wyznaczyd krzywą maksimum mocy.
Rys. 11.1. Na rysunku przedstawiono uzyskane charakterystyki turbiny wiatrowej, czyli wartośd mocy P w w funkcji
prędkości kątowej w dla różnych prędkości wiatru V w
Rys. 11.2. Krzywa mocy i jej 4 obszary
Rys. 11.3. Krzywa mocy i jej obszary
Krzywą mocy należy podzielid na 4 obszary (patrz rys. 11.2 oraz 11.3.). Gdzie (1) opisuje start turbiny, a (2) określa
moc optymalną i w tym zakresie należy utrzymywad pracę turbiny, pozostałe stany (3,4) są ograniczeniami
powyżej których może dojśd do uszkodzenia wirnika.
23

11.2. Zasada sterowania MPPT
MPPT (czyli Maximum Power Point Tracking) jest to elektroniczny system, który obsługuje moduły fotowoltaiczne
(PV) w taki sposób, aby produkowały maksymalną ilośd mocy. MPPT nie jest mechanicznym systemem śledzenia,
który „fizycznie porusza” moduły w stronę słooca. Jest to w pełni elektroniczny system, który zmienia punkt pracy
modułów tak, że są w stanie dostarczyd maksymalną dostępną moc.
Aby zrozumied, jak działa MPPT,
rozważmy najpierw działanie
konwencjonalnej regulacji ładowania.
Kiedy zwykły kontroler ładuje
rozładowany akumulator, podłącza
moduły bezpośrednio do akumulatora.
Zmusza to moduły do pracy na napięciu
baterii, które zazwyczaj nie jest
idealnym napięciem pracy, w którym
moduły są w stanie wygenerowad
maksymalną dostępną moc. Wykres na
rysunku 11.4. pokazuje tradycyjną
krzywą Prądu/Napięcia dla typowego
modułu 75W w standardowych
warunkach testu 25 °C temperatury
komórki i 1000W/m 2 nasłonecznienia.
Rys. 11.4. Wykres pokazujący działanie algorytmu MPPT
Na pokazanym przykładzie, konwencjonalny kontroler po prostu został podłączony do baterii i tym
samym zmusza moduł do pracy przy 12V. Przez zmuszanie modułu 75W do pracy przy 12V
konwencjonalny kontroler ustala limit produkcji energii elektrycznej do około 53W. Patrz rys. 11.4.
Jednym z często używanych algorytmów poszukiwania maksymalnego punktu pracy (MPP) jest
wykorzystywany przy poszukiwaniu optymalnego napięcia: algorytm Perturb and Observe (PO).
Algorytm ten polega na niewielkim okresowym podwyższaniu lub obniżania napięcia, a następnie
porównywaniu mocy oddawanej w danej chwili i mocy oddawanej przed zmianą napięcia. Na podstawie
porównania mocy wyznacza się kolejną wartośd przyrostu napięcia oraz jego znak. Do zalet tej metody
poszukiwania punktu maksymalnej mocy należy zaliczyd brak przerw w oddawaniu mocy oraz wysoką
skutecznośd przy dużych wartościach nasłonecznienia. Główne wady to ciągłe oscylacje wokół
optymalnego punktu pracy i brak możliwości odnalezienia wszystkich ekstremów lokalnych, gdy ogniwo
jest częściowo przesłonięte.
Sterowanie MPPT ma na celu optymalizację sterowania ogniwami słonecznymi.
Wymagania stawiane metodą MPPT:
stabilnośd
szybka odpowiedź dynamiczna
mały błąd w stanie ustalonym
odpornośd na zakłócenia
wysoka sprawnośd
niskie koszty sterowania
Źródła:
Blue Sky Energy - What is Maximum Power Point Tracking (MPPT) and How Does it Work? – artykuł ENG
Materiały z laborek (w materiałach)
24

12. Generacje i przyczyny rozwoju robotów
12.1. GENERACJE ROBOTÓW
Roboty generacji 1 (najbardziej rozpowszechnione), charakteryzujące się:
całkowitym brakiem sprzężeo zwrotnych od stanu manipulowanego przedmiotu. Manipulowanie jest więc
sterowane w torze otwartym;
koniecznością precyzyjnego zaprogramowania ruchów ramion manipulatora w odniesieniu do określonego
układu współrzędnych;
koniecznością ustabilizowania współrzędnych stanu początkowego manipulowanego przedmiotu.
Roboty generacji 1,5:
ruchy wykonywane przez ich manipulatory nie są całkowicie zdeterminowane na etapie programowania tych
robotów
operują na sprzężeniu zwrotnym (przetworniki sił, optyczne.)
wyznaczanie potrzebnych współrzędnych stanu obiektu jest realizowane prostymi środkami, bez uciekania się
do złożonych algorytmów rozpoznawania obrazów i analizy sytuacji.
Roboty generacji 2:
istotą robotów jest ograniczona możliwośd rozróżniania kształtów i położeo dzięki zastosowaniu złożonych
systemów rozpoznających (składających się z kamer telewizyjnych i/lub wielopunktowych przetworników
dotykowych w chwytaku manipulatora)
interpretacja nielicznych kształtów za pomocą komputerów o dużej mocy obliczeniowej
Roboty generacji 2,5 i 3:
są wyposażone w zdolności rozpoznania złożonych kształtów i klasyfikacji złożonych sytuacji, a ich system
sterowania ma za zadanie m.in. wyposażenie ich w umiejętnośd radzenia sobie w sytuacjach zawierających
elementy nieokreśloności i nowości.
25

12.2. PRZYCZYNY ROZWOJU ROBOTÓW
Czynniki które wpłynęły ma rozwój robotów można podzielid na trzy grupy:
1. Czynniki techniczne:
postęp w konstrukcji elementów automatyki sprawił, że produkcja robotów stała się technicznie
możliwa i ekonomicznie opłacalna,
wzrost zapotrzebowania w różnych gałęziach nowoczesnego przemysłu na manipulowanie
przedmiotów niemożliwych do manipulowania ręcznego,
dążenie do zapewnienia wysokiego i jednolitego standardu jakości wyrobów.
2. Czynniki ekonomiczne:
instalowanie drogich maszyn zmusza do maksymalnego ich wykorzystania przy pracy ciągłej
przez całą dobę, co jest możliwe praktycznie tylko przy wykorzystaniu robotów,
wzrost kosztów pracy ludzkiej sprawiający, że robot dla wielu prac staje się operatorem taoszym,
niż człowiek,
łatwośd zmiany profilu produkcji linii zrobotyzowanych,
roboty znajdują również zastosowanie przy produkcji masowej, projektowanie
wyspecjalizowanych maszyn dla przemysłu staje się mniej opłacalne niż wykorzystanie robotów,
które można przystosowad do danych potrzeb.
3. Czynniki społeczne:
mała liczba kandydatów do prac nudnych, nie dających satysfakcji emocjonalnej,
zwiększanie bezpieczeostwa pracy.
Źródła:
Wykłady GRONO
Opracowanie z forum
26

13. Zdalny monitoring pola temperatury
Wstęp
Jedną z najczęściej mierzonych wielkości w przemyśle jest temperatura. Stosowane są różne układy do jej
pomiaru. Niejednokrotnie ważny jest rozkład temperatury na określonej powierzchni. Wykorzystanie w tym celu
większej liczby czujników punktowych jest zwykle kosztowne i kłopotliwe.
Poza tym nie zawsze możliwy jest pomiar dotykowy temperatury. Ograniczeniem może byd np. wysokośd
mierzonej temperatury (poza zakresem czujników dotykowych) czy wysokie napięcie. W takich przypadkach
jedynym rozwiązaniem jest pomiar zdalny, bezkontaktowy.
Dwie grupy przyrządów, bazujące na pomiarze promieniowania podczerwonego emitowanego przez badany
obiekt, umożliwiają takie pomiary. Są to: pirometry i kamery termograficzne. Pomiar pirometrem jest punktowy,
podczas gdy kamery termograficzne pozwalają na rejestrację rozkładu temperatury badanego obiektu z określoną
rozdzielczością.
Termowizja jest metodą badawczą, opartą o kamery termograficzne, która umożliwia wizualizacje rozkładu
temperatury obiektów albo zróżnicowania termicznego poszczególnych obiektów. Może byd podstawą
diagnostyki bazującej na pomiarach mocy cieplnej, wydzielanej przez elementy badanych urządzeo.
Diagnostyka termowizyjna umożliwia bardzo szybką ocenę stanu obiektów: silników, urządzeo
elektroenergetycznych, rurociągów, stanu izolacji budynków itd.
Ten rodzaj diagnostyki jest metodą bezdotykowa, prowadzoną w trakcie normalnej pracy urządzeo. Istnieje
łatwośd obserwacji dużych obszarów (np. linie energetyczne badane ze śmigłowca). Interpretacja ilościowa
przyczyn zjawisk jest tu jednakże trudna i mało precyzyjna. Przyczyną jest w dużej mierze intensywnośd
oddziaływania energetycznego z otoczeniem. Wpływ mają także procesy konwekcyjnej wymiany ciepła i wymiana
ciepła przez promieniowanie i przewodzenie. Dlatego też kolejne termowizyjne badania tego samego obiektu
prowadzi się w miarę możliwości w podobnych warunkach atmosferycznych tak, aby wyeliminowad wpływ
nasłonecznienia czy dodatkowej konwekcji wymuszonej wiatrem i deszczem.
Kamery termowizyjne są złożonymi urządzeniami. Ich koszt ze względu na trudną technologię wykonywania
detektorów jest wysoki.
Techniki pomiarów termowizyjnych
Wprowadzenie
Kamera termowizyjna dokonuje pomiarów i zobrazowania promieniowania podczerwonego pochodzącego z
obiektu. Fakt, że wartośd promieniowania jest funkcją temperatury powierzchni obiektu, umożliwia kamerze
dokonanie obliczeo i zobrazowanie temperatur. Energia odbierana przez kamerę nie zależy jedynie od
temperatury obiektu, ale jest także funkcją emisyjności. Promieniowanie pochodzi także z otoczenia i jest ono
odbijane przez obiekt. Na promieniowanie obiektu i promieniowanie odbite ma także wpływ absorpcja atmosfery.
Aby dokonad dokładnego pomiaru temperatury, niezbędne jest skompensowanie wpływu różnych źródeł
promieniowania. Jest to dokonywane automatycznie przez kamerę, po wprowadzeniu do niej opisanych
parametrów obiektu:
• emisyjnośd obiektu,
• temperaturę otoczenia,
• odległośd między obiektem a kamerą,
• wilgotnośd względną.
27

Emisyjność i temperatura otoczenia
Najważniejszym parametrem, który należy poprawnie wprowadzid, jest emisyjnośd. Emisyjnośd jest mówiąc w
uproszczeniu, miarą stopnia w jakim emitowane jest promieniowanie z obiektu w stosunku do tego, które byłoby
z niego emitowane, gdyby obiekt ten był ciałem doskonale czarnym.
Materiały obiektów i ich obrobione powierzchnie charakteryzują się emisyjnością w zakresie od 0.1 do 0.95.
Dobrze wypolerowane (lustrzane) powierzchnie mają emisyjnośd poniżej 0.1. Powierzchnie oksydowane lub
pomalowane mają o wiele większe emisyjności. Farba olejna, niezależnie od jej koloru w świetle widzialnym, ma w
obszarze podczerwieni emisyjnośd ponad 0.9. Skóra ludzka wykazuje emisyjnośd bliską 1.
Nieoksydowane metale są skrajnym przypadkiem połączenia doskonałej nieprzezroczystości i wysokiego
współczynnika odbicia, który w niewielkim stopniu zależy od długości fali. Wskutek tego emisyjnośd metali jest
niewielka, a jej wartośd zwiększa się z temperaturą. W przypadku niemetali emisyjnośd jest na ogół wysoka, a jej
wartośd zmniejsza się z temperaturą.
Określanie emisyjności obiektu
A. Przy użyciu termopary
Należy wybrad punkt odniesienia i zmierzyd jego temperaturę przy wykorzystaniu termopary. Dalej należy zmienid
ustawienia emisyjności w kamerze tak, aby mierzona temperatura była zgodna z odczytem z termopary.
Ustawiona emisyjnośd będzie równa emisyjności obiektu. Trzeba jednak pamiętad, aby temperatura obiektu
odniesienia nie była zbytnio zbliżona do temperatury otoczenia.
B. Przy wykorzystaniu emisyjności odniesienia
Na obiekt należy nakleid taśmę lub pomalowad go farbą o znanej emisyjności. Zmierz kamerą temperaturę taśmy
lub farby, ustawiając prawidłową wartośd emisyjności. Zapamiętaj wartośd temperatury. Zmieo wartośd
emisyjności tak, by odczyt temperatury obszaru o nieznanej emisyjności sąsiadującego z taśmą lub farbą był taki
sam, jak zapamiętany. Odczytaj wartośd emisyjności. Również w tym przypadku temperatura obiektu odniesienia
nie może byd zbytnio zbliżona do temperatury otoczenia.
Temperatura otoczenia
Parametr ten jest używany do kompensacji wpływu promieniowania odbitego od obiektu i promieniowania
emitowanego przez atmosferę znajdującą się pomiędzy kamerą i obiektem. Jeśli emisyjnośd jest niska, odległośd
bardzo duża, a temperatura obiektu jest stosunkowo bliska temperatury otoczenia, ważne jest, by właściwie
skompensowad temperaturę otoczenia.
Źródła:
Laborka z MiSPD
28

14. Podstawowe technologie wykonywania paneli dotykowych
14.1. Rezystancyjna
w warstwach przewodzących płynie
prąd
nacisk wprowadza rezystancję,
poprzez pomiar różnicy napięd
oblicza się pozycję
technologia popularna, bo prosta
dobre do ekranów Multi-touch,
odporne na kurz, dobre do użytku
zewnętrznego
4-wire, 5-wire, 5wire + 1, 5-wire +
2, 8-wire – zwiększa dokładnośd
14.2. Pojemnościowa powierzchniowa
na całym ekranie jest pole elektryczne
dotknięcie powoduje zmianę pojemności (spadek
napięcia) i na tej podstawie obliczana jest pozycja
poprzez cztery sensory w rogach
dobre do ekranów multi-touch
14.3. Pojemnościowa odległościowa
ekran pokryty jest warstwą czujników
czujniki wykrywają zmianę pojemności i na jej
podstawie kontroler oblicza pozycję dotknięcia
dobre do ekranów multi-touch
14.4. Akustyczna
29

14.5. Ultradźwiękowa (Guided Acoustic Wave)
powierzchnia ekranu pokryta falami ultradźwiękowymi
dotknięcie powoduje że cześd fali odbija się z powrotem do źródła
kontroler na podstawie odbitych fal oblicza pozycję dotknięcia
można dotknąd czymkolwiek i ekran zadziała
14.6. Ultradźwiękowa (Surface Acoustic Wave):
inna częstotliwośd (5MHz),
fala powierzchniowa a nie wewnątrz szkła,
prekursor GAW,
można dotknąd czymkolwiek i ekran zadziała
wadą tego rozwiązania jest to że zabrudzenie ekranu powoduje jego złe działania
14.7. Optyczna
ekran pokryty jest siatką promieni świetlnych
dotknięcie powoduje że częśd promieni jest rozpraszana i nie dociera do czujników, na tej podstawie
obliczane są współrzędne dotknięcia
14.8. Tensometryczna
tensometry umieszczone w 4 rogach ekranu
najstarsza technologia
długi czas reakcji
Źródła:
wykład z Interfejsów i Multimediów w Technice
wykład anglojęzyczny College of Engineering University of Illinois
30

15. Podstawowe schematy kinematyczne robotów stacjonarnych
Manipulatory, czyli jednostki kinematyczne robotów, są
zbudowane jako układ członów połączonych ruchowo za
pomocą tzw. par kinematycznych.
Człony te mogą byd łączone:
‣ szeregowo, tworząc otwarty łaocuch kinematyczny,
‣ równolegle, tworząc zamknięty łaocuch kinematyczny.
Wśród tradycyjnych rozwiązao robotów stacjonarnych o
szeregowym układzie kinematycznym wyróżnia się grupy
typowych rozwiązao, charakteryzujących się podobnym
układem zespołów ruchu (strukturą kinematyczną),
definiowanym przez tzw. naturalny dla danej struktury układ
osi współrzędnych oraz formę przestrzeni roboczej. W tej
grupie robotów można wyróżnid następujące zasadnicze
rozwiązania konstrukcyjne:
1) Robot w układzie kartezjaoskim
(prostokątnym), - o prostokątnym układzie
osi współrzędnych, o trzech liniowych
zespołach ruchu regionalnego oraz
prostopadłościennych przestrzeniach ruchu -
rys. 2a. Konfiguracja ma prostokątny układ
osi współrzędnych oraz prostopadłościenną
przestrzeo ruchu. Nazywane są także
robotami bramowymi lub portalowymi.
Wśród robotów można wyróżnid konstrukcje
liniowe i powierzchniowe. Zastosowanie:
pakowania i paletyzacji, obsługi maszyn
technologicznych.
2) Robot w układzie cylindrycznym, - o
jednym obrotowym i dwóch liniowych
zespołach ruchu regionalnego, walcowym
układzie osi współrzędnych oraz
cylindrycznych przestrzeniach ruchu - rys. 2b.
Jak sugeruje nazwa, zmienne przegubowe są
zarazem współrzędnymi cylindrycznymi
koocówki roboczej względem podstawy.
Konfiguracja cylindryczna ma walcowy układ
osi współrzędnych oraz cylindryczne
przestrzenie ruchu.
3) Robot SCARA (ang. selectively compliant
assembly robot arm). Jak wynika z nazwy
angielskiej (tłum. selektywnie podatne ramię
robota montażowego), robot ten
zaprojektowano z myślą o zadaniach
montażowych, ma on trzy osie równoległe,
dwie o ruchu obrotowym, a jedną o
postępowym - rys. 2c. Konfiguracja SCARA
ma strukturę RRP, jednak różni się
zdecydowanie od konfiguracji sferycznej
31

zarówno wyglądem, jak i możliwościami zastosowania. Do nietypowych rozwiązao można zaliczyd roboty będące
skrzyżowaniem robota montażowego o kinematyce SCARA z podnośnikiem pionowym. Są one wykorzystywane
do: przenoszenia palet, obsługi obrabiarek i pras, montażu dużych części, transportu części.
4) Robot PUMA (ang. programmable universal manipulator for assembly) jest przeznaczony specjalnie do zadao
montażowych - rys. 2d. Robot o konfiguracji PUMA ma strukturę kinematyczną taką, jak robot przegubowy, ale
różni się od niego wyglądem i możliwymi zastosowaniami. Zazwyczaj ma mały udźwig, ale duże prędkości ruchu.
5) Robot o strukturze sferycznej, o jednym liniowym oraz dwóch obrotowych zespołach ruchu regionalnego, jest
przedstawiony na rys. 2e. Jest to konfiguracja o biegunowym układzie osi współrzędnych oraz sferycznych
przestrzeniach ruchu.
6) Robot o strukturze przegubowej (rys. 2f) nazywany również manipulatorem obrotowym lub manipulatorem
antropomorficznym ma wszystkie obrotowe osie zespołów ruchu regionalnego. Roboty przegubowe z
obrotowymi osiami przemieszczeo są na ogół wykonywane jako wolno stojące, lżejsze konstrukcyjnie, o
mniejszym udźwigu. Roboty przegubowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie.
7) Robot wielokorbowy, - rys. 2g. - istotą budowy robotów wielokorbowych jest zastosowanie mechanizmu z
równoległowodem ukośnym. Obudową mechanizmu jest lekka konstrukcja powłokowa w postaci ukośnej pustej
korby o kształcie wewnętrznym opisanym powierzchnią ekwidystalną względem możliwych trajektorii łączników,
dopasowaną do równoległowodów. Zapewnia ona lekkośd konstrukcji przy dużej sztywności na skręcanie i
zginanie.
W grupie robotów stacjonarnych o strukturach równoległych głównym wyróżnikiem podziału jest liczba ramion
(gałęzi) tworzących zamknięty łaocuch kinematyczny. Spotykane są rozwiązania z trzema ramionami - tripody i
sześcioma ramionami – hexapody.
Wady i zalety różnych rozwiązao
Źródła:
wykłady Grona – PRiM - W2.3, W3.1,W3.2,
skrypt: Teoria robotyki z AGH
32

16. Stabilizacja pionowego położenia odwróconego wahadła: struktura
systemu stabilizacji, algorytmy sterowania, ograniczenia algorytmu PD
Układ:
Zmienne:
Wejście regulatora:
gdzie: e(t) – uchyb,
r(t) – położenie pożądane
y(t) – położenie aktualne
Wyjście regulatora: siła przyłożona do
wózka
- zmiana uchybu
Struktura systemu stabilizacji:
Pożądane położenie: r(t) = 0 , czyli zależności:
Przykładowe funkcje przynależności rozmyte:
33

Przykładowa reguła (sytuacja obok):
Własności algorytmu PD:
Zalety :
szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji),
zmniejsza uchyb w stanie ustalonym
Ograniczenia:
nie niweluje uchybu w stanie ustalonym,
w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator generuje bardzo duży sygnał wyjściowy,
nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia technologiczne) !!!
Stabilizacja odwróconego wahadła to klasyczny problem w teorii sterowania obiektem nieliniowym. Jest to obiekt
silnie nieliniowy i strukturalnie niestabilny, co powoduje, że jest bardzo trudny w regulacji. Silne nieliniowości
uniemożliwiają zastosowanie regulatora liniowego, który potrafiłby stabilizowad wahadło w szerokim zakresie
odchyleo od położenia równowagi.
Algorytmy sterowania:
Algorytmy regulatorów PID są stosowane dla obiektów liniowych. W przypadku gdybyśmy chcieli zastosowad ich
algorytmy do sterowania wahadłem odwróconym należy najpierw zlinearyzowad wahadło wokół punktu pracy.
Jednak ze względu na silnie nieliniową charakterystykę wahadła ciężko jest uzyskad dobrą jakośd regulacji, a także
stabilnośd układu.
Regulator rozmyty – zaletą zastosowania regulatorów rozmytych jest wysoka jakośd regulacji nawet dla silnie
nieliniowych obiektów. Jednym z takich regulatorów jest wieloobszarowy regulator budowany w oparciu o logikę
rozmytą Takagi-Sugeno (T-S). Cechą charakterystyczną tego regulatora jest to, że jest on łatwy i intuicyjny w
projektowaniu i implementacji. Połączenie wiedzy deterministycznej i rozmytej umożliwia budowanie regulatorów
wieloobszarowych, które składają się z szeregu lokalnych regulatorów liniowych, z których każdy jest
projektowany dla innego punktu pracy. Sklejanie (przełączanie) tych regulatorów lokalnych jest zrealizowane z
wykorzystaniem logiki rozmytej T-S i w wyniku takiego działania otrzymuje się regulator globalny. Nieliniowe
działanie regulatora globalnego jest wynikiem właśnie miękkiego przełączania liniowych regulatorów lokalnych.
Logika T-S jest rozwinięciem klasycznej teorii systemów rozmytych i umożliwia ona wykorzystywanie obiektywnej,
jawnej wiedzy o danym obiekcie. Osiągnięte to zostało poprzez wprowadzenie alternatywnej do wnioskowania
Mamdaniego metody wnioskowania T-S. Wnioskowanie Mamdaniego, nazywane także lingwistycznym,
stosowane jest powszechnie w
systemach rozmytych.
Różnica pomiędzy wnioskowaniem
Mamdaniego a T-S jest taka, że w
logice T-S we wnioskach reguł
występują deterministyczne funkcje
zmiennych wejściowych, a nie tak
jak ma to miejsce w logice
Mamdaniego zbiory rozmyte.
Ograniczenia algorytmu PD:
Słabym punktem regulacji opartego
o regulator PD jest podatnośd na
zakłócenia. Powodem jest obecnośd
członu różniczkującego D, który
wzmacnia szybko zmieniające
szumy pomiarowe. W celu
likwidacji szumów można stosowad
filtry tłumiące.
Źródła: wykłady z KSS 12 i PID cz.II
34

17. Właściwości liniowości i stacjonarności systemów.
Liniowośd systemów:
Mówimy, że system jest liniowy jeżeli spełnia on zasadę superpozycji, to znaczy, że posiada on następujące
właściwości:
Jednorodnośd: Wyjście systemu pobudzanego pojedynczym wejściem u(t) wzmocnionym w stopniu a jest
wzmocnionym w takim samym stopniu wyjściem systemu odpowiadającym wejściu u(t).
Addytywnośd: Wyjście systemu pobudzanego przez sumę wejśd jest taką samą sumą jego wyjśd
obserwowanych dla każdego z tych wejśd oddzielnie.
Łącznie zasada superpozycji:
Jeśli wejście x 1 (t) daje wyjście y 1 (t) i wyjście x 2 (t) daje wyjście y 2 (t), to wejście a 1 x 1 (t)+a 2 x 2 (t) daje wyjście a 1 y 1 (t) +
a 2 y 2 (t)
Liniowośd badamy w warunkach początkowych
Układ liniowy musi byd taki dla dowolnych sygnałów wejściowych.
Na nieliniowośd wskazują:
jakiekolwiek niezerowe stałe w opisie systemu,
jakiekolwiek nieliniowe wyrażenia związane z sygnałami takie np. jak x 2 (t) , x(t)y(t) i pochodnymi
sygnałów ciągłych czasu w równaniu różniczkowym lub różnicowym
Inne właściwości liniowości:
system opisany jest tylko równaniami liniowymi
nie ma żadnych ograniczeo zmiennych
35

Stacjonarnośd systemów
Mówimy, że system jest stacjonarny, jeżeli dowolne przesunięcie czasu dla sygnału wejścia u(t+) powoduje
takie samo przesunięcie czasu dla sygnału wyjścia, to znaczy:
przy założeniu, że wyjście dla wejścia u(t) wynosi y(t) i warunki początkowe są identyczne.
Na niestacjonarnośd wskazują:
jakiekolwiek niejednostkowe stałe związane z argumentem czasu np. u(2t), u(-t), u[2n], u[-n]
jakiekolwiek współczynniki będące funkcjami czasu w równaniu różniczkowym lub różnicowym
Rys. 17.1. Po lewej ciągłe, po prawej stacjonarne
Rys. 17.2. Graficzna ilustracja warunku stacjonarności
Źródła:
wykład 3 i 4 z SD, materiały z dwiczeo z PA,
przykłady rozwiązywania takich zadao znajdują się w notatkach z dwiczeo z SD
36

18. Transmitancja widmowa obiektu dynamicznego SISO: definicja,
wyznaczanie odpowiedzi na wejścia sinusoidalne, projektowanie filtrów.
18.1. Transmitancja widmowa - definicja:
Transmitancja widmowa jest to stosunek sygnału wyjściowego układu Y(jω) do jego sygnału wejściowego U(jω),
przy zerowych warunkach początkowych. Transmitancję operatorową wyrażamy jako G(jω). Sygnał wejściowy
oraz wyjściowy wyrażone są w dziedzinie częstotliwości na płaszczyźnie liczb zespolonych. Transmitancję
widmową można wyznaczyd na podstawie transmitancji operatorowej korzystając z podstawienia s = jω.
Obliczanie:
Stosujemy transformatę Laplace'a do obu stron,
potem tak robimy żeby po jednej stronie była
składowe Y(s) a po drugiej U(s). potem liczymy
stosunek wyjścia do wejścia.
Własności G(s):
opisuje dynamikę obiektu w dziedzinie s
nie jest stałą, ale jest funkcją s
nie zależy od sygnału wejściowego, a więc jest charakterystyką obiektu
Transmitancja operatorowa układów I rzędu:
Transmitancja operatorowa układów II rzędu:
gdzie:
gdzie:
18.2. Odpowiedź obiektu liniowego na wejście sinusoidalne:
Bazujemy na transmitancji widmowej G(jω) która
odwzorowuje dziedzinę częstotliwości w płaszczyznę
zespoloną.
u(t) = Asin(ωt)
Odpowiedzi y(t) na wykresie po prawej.
Dla t>>t 0 odpowiedź ta jest sinusoidalna.
Zachodzi:
37

18.3. Projektowanie filtrów
Obiekt inercyjny jako filtr dolnoprzepustowy:
Wyznaczanie odpowiedzi w dziedzinie czasu:
Odpowiedź na wymuszenie skokowe:
Transmitancja
widmowa:
Moduł:
Kąt:
Częstotliwośd fazowa: Amplitudowa charakterystyka częstotliwościowa
filtru:
Przykładzik z wykładu Brdysława:
K = 1
T = 10 s
t = 0.1 rad/s
Amplitudowa charakterystyka
częstotliwościowa dobranego filtru
Wniosek:
Składowa wejścia 'poza' częstotliwością
filtru została odrzucona!
Źródła:
wykłady z PA: 078, 5a, 6a
38

19. Stabilność liniowych obiektów typu SISO: intuicyjne rozumienie, kryteria
algebraiczne i częstotliwościowe.
Jeżeli system liniowy stacjonarny jest stabilny, wówczas
żadne warunki początkowe, ani żadne ograniczone
wymuszenie nie spowoduje nieograniczonego wzrostu
wyjścia systemu.
Bardzo ważne: stabilnośd układu otwartego nie
jest równa stabilności układu zamkniętego!!!
System liniowy stacjonarny jest asymptotycznie
stabilny, jeżeli jego odpowiedź impulsowa zdąża
do zera przy czasie zdążającym do
nieskooczoności.
System liniowy stacjonarny jest krytycznie stabilny, jeżeli jego odpowiedź impulsowa ani nie zanika, ani
nie wzrasta, lecz pozostaje stała lub oscyluje ze stałą amplitudą przy czasie zdążającym do
nieskooczoności
System liniowy stacjonarny jest niestabilny, jeżeli jego odpowiedź impulsowa zdąża do nieskooczoności
przy czasie zdążającym do nieskooczoności
System jest stabilny:
Asymptotycznie, jeżeli powraca do uprzedniego stanu równowagi po ustaniu wymuszenia wywołującego
odchylenie od niego
Nieasymptotycznie, jeżeli ani nie powraca, ani nie oddala się od stanu równowagi po ustaniu wymuszenia
wywołującego odchylenie od niego.
19.2. Kryteria algebraiczne:
Dla:
dla mianownika:
1. Obliczenie biegunów układu – liczymy pierwiastki równania charakterystycznego
Stabilnośd asymptotyczna - wszystkie bieguny transmitancji systemu zamkniętego leżą w lewej
półpłaszczyźnie płaszczyzny zespolonej s.
Stabilnośd krytyczna - co najwyżej jeden pojedynczy pierwiastek równania leży w początku układu
współrzędnych płaszczyzny zmiennej zespolonej s i żaden wielokrotny pierwiastek nie leży na osi urojonej
Niestabilnośd - przynajmniej jeden pierwiastek leży w prawej półpłaszczyźnie płaszczyzny zespolonej s lub
przynajmniej jeden wielokrotny pierwiastek leży na osi urojonej.
2. Kryterium Hurwitz’a
a) Warunek konieczny (dla wszystkich kryteriów algebraicznych):
Jeżeli system liniowy stacjonarny jest stabilny asymptotycznie, to wszystkie współczynniki równania
charakterystycznego są niezerowe i dodatnie (inaczej: jednego znaku).
Zerowa wartośd wyrazu wolnego oznacza albo niestabilnośd albo
stabilnośd krytyczną
b) Warunek dostateczny:
wszystkie podwyznaczniki wyznacznika Hurwitz’a są większe od zera:
Po prawej wyznacznik i podwyznaczniki Hurvitza. Do stworzenia tego
39

wyznacznika używamy mianownika równania charakterystycznego.
3. Kryterium Routh'a
Warunek konieczny (analogiczny jak w kryterium Hurwitz’a): wszystkie współczynniki równania
charakterystycznego istnieją i są większe od zera,
Warunek dostateczny: polega na utworzeniu i zbadaniu tablicy Routh’a.
Układ jest stabilny, gdy wszystkie współczynniki lewej skrajnej kolumny tablicy Routh'a są dodatnie.
(Przykłady są dobrze opisane w materiale T11 i trochę na dwiczeniach(
19.3. Kryteria graficzne:
Problem stabilności – kryterium Nyquist’a:
1. Czy układ zamknięty posiada bieguny w
prawej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej
zespolonej s?
Bieguny transmitancji układu zamkniętego
Gz(s) są zerami M(s)=1+Go(s)
2. Czy M(s)=1+Go(s) posiada zera w prawej
półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej
zespolonej s?
Korzystając z zasady argumentu możemy
twierdzid, że liczba tych zer wynosi:
Z = P – N
3. Aby układ zamknięty był stabilny:
Z=0 lub P=N
Oznaczenia:
‣ Z – liczba zer M(s)=1+Go(s) w prawej
półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej
zespolonej s, równa liczbie biegunów
układu zamkniętego w prawej półpłaszczyźnie tejże płaszczyzny. Dla stabilnego układu zamkniętego Z musi
byd równe zero
‣ P – liczba biegunów M(s)=1+Go(s) w prawej półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej zespolonej s, równa liczbie
biegunów układu otwartego w prawej półpłaszczyźnie tejże płaszczyzny. P może byd określone wprost lub z
kryterium Routh’a
‣ N – liczba okrążeo charakterystyki Nyquista układu otwartego punktu (-1,j0). Okrążenia przeciwnie do
kierunku ruchu wskazówek zegara są dodatnie, zgodne w kierunkiem ruchu wskazówek zegara są ujemne
Aby układ zamknięty był stabilny, wykres Nyquist’a układu otwartego Go(s)=G(s)H(s) powinien okrążad punkt (-1,
j0) tyle razy ile biegunów układu otwartego leży w prawej półpłaszczyźnie zespolonej s; okrążenia wykresu
Nyquist’a punktu (-1,j0), jeżeli istnieją powinny byd w kierunku przeciwnym do kierunku konturu Nyquist’a
Kryterium Nyquista dla bardzo częstego przypadku kiedy P=0 - liczba biegunów układu otwartego w prawej
półpłaszczyźnie płaszczyzny zmiennej zespolonej wynosi zero, tzn. kiedy układ otwarty jest stabilny
Jeżeli układ otwarty jest stabilny, P=0, to aby układ zamknięty był stabilny, wykres Nyquist’a układu otwartego
Go(s)=G(s)H(s) nie powinien obejmowad punktu (-1, j0)
Źródła:
wykłady z PA – 9A, 12A_13A, notatki i materiały (T11)z dwiczeo z PA
40

20. Pojęcie obserwowalności, jej znaczenie i możliwości badania.
20.1. Definicja obserwowalności (wymuszenie = sterowania):
Układ jest obserwowalny, jeżeli przy dowolnym sterowaniu można
określid wartości wszystkich zmiennych stanu w chwili na
podstawie znajomości sterowania i odpowiedzi .
20.2. Znaczenie – co nam to daje?
Często nie wszystkie współrzędne stanu są dostępne pomiarowo. Można je wówczas estymowad na podstawie
modeli matematycznych wiążących wielkości estymowane i mierzone.
Estymator stanu dostarcza estymat, ^x(t) wielkości rzeczywistych, x(t).
Prawo sterowania:
zastępujemy:
OBSERWATORY STANU:
otwarty
z członem korekcyjnym od pomiaru
możliwośd kształtowania dynamiki wewnętrznej obserwatora przez wzmocnienia członu korekcyjnego
obserwowalnośd stanu Û istnienie wzmocnieo w lokujących bieguny obserwatora w dowolnie zadane
położenia
STATE FEEDBACK – OBSERVER CONTROLLER:
kaskadowa struktura state feedback controller – state observer dla systemów z niemierzalnym stanem
zasada separowalności
dobór dynamiki wewnętrznej obserwatora dla zaprojektowanego prawa sterowania ze sprzeeniem od
stanu
schemat:
41

21.3. Badanie obserwowalności (warunki):
Przykład:
sprawdzamy obserwowalnośd:
Obserwator ze sprzężeniem zwrotnym:
Schemat obserwatora:
Równanie obserwatora:
gdzie:
K – wzmocnienie obserwatora własności
dynamika błędu estymacji:
Manipulując K można lokowad bieguny CLO tak aby był on szybszy od obiektu!!!
Najwolniejszy biegun obserwatora powinien byd zatem a razy szybszy od najszybszego bieguna układu
zamkniętego ze sprzężeniem od stanu. (a > 1). czyli bardziej na lewo w lewej półpłaszczyźnie
Źródło:
wykłady i notatki z SPC oraz Kaczorka „Podstawy Teorii Sterowania”
42

21. Interfejsy szeregowe w technice mikroprocesorowej – klasyfikacja i
charakterystyka najważniejszych standardów
RS232C – prosty, wiekowy, standardowy interfejs szeregowy, służący do komunikacji pomiędzy urządzeniem
nadrzędnym, a peryferyjnym. Standard określa zestaw i charakterystyki sygnałów oraz rodzaje złączy. Wyróżniamy
wersje 9 i 25 pinowe.
Umożliwia transmisję asynchoniczną i synchroniczną. Niesymetryczne przesyłanie danych –ogranicza szybkośd
przesyłania danych i odległośd, pozbawione jest zabezpieczenia przed zakłóceniami. Dozwolona liczba urządzeo to
1 nadajnik 1 odbiornik Odległośd transmisji to około 15metrów
W celu powiększenia odległości transmisji dla RS232C stosuje się tzw. pętlę prądową 20mA. Jest to ekspander
RS232 zapewnia przekodowanie sygnałów RXD, TXD na inny poziom/charakter sygnałów np. optyczne.
RS422A - W celu zapewnienia szybkiej transmisji na duże odległości stosuje się symetryzację łącza, czyli
zastosowanie tylko dwóch przewodów, które to przewody mają taką samą impedancję do ziemi jak do innych
przewodów rezystorów wyrównujących (terminatory) oraz różnicowych nadajników i odbiorników.
Typowym zastosowaniem RS422A jest nadawanie z jednego nadajnika do wielu odbiorców (stacji podrzędnych)
RS485 - Wprowadzony w 1983r jako rozwinięcie RS422A.
Łącze jest również symetryczne i zrównoważone przy czym dopuszcza się stosowanie wielu odbiorników i wielu
nadajników. Nadajniki muszą byd trójstanowe ponieważ w jednej chwili może nadawad tylko jeden z nich a reszta
musi byd wyłączona (w stanie wysokiej impedancji)
Porównanie:
RS232C RS422A RS422A RS485
Rodzaj transmisji niesymetryczna niesymetryczna różnicowa różnicowa
Liczba nadajników i
odbiorników
1 odbiornik
1 nadajnik
10 odbiorników
1 nadajnik
10 odbiorników
1 nadajnik
32 odbiorniki
32 nadajniki
Max. długośd kabla *m+ 15 1200 1200 1200
Prędkośd transmisji *bity/s+ 20 000 100 000 10M 10M
USB - Universal Serial Bus –uniwersalna magistrala szeregowa
Zaawansowany interfejs szeregowy, opracowany głównie z myślą o wykorzystaniu w komputerach klasy PC,
realizujący koncepcję plug & play w odniesieniu do sieci urządzeo zewnętrznych. Może obsługiwad maksymalnie
do 127 urządzeo peryferyjnych
Cechy USB:
„Gorące” podłączanie urządzeo
Jeden typ złącza dla różnych urządzeo
Duża liczba przyłączanych urządzeo
Możliwośd zasilania urządzenia z portu USB
Praca z dużymi prędkościami:
USB 1.1: 1.5 lub 12 Mbit/s
USB 2.0: 1.5, 12 lub 480 Mbit/s
USB 3.0 do 4.8 Gbit/s
I 2 C – interfejs będący poprzednikiem innych współczesnych interfejsów szeregowych w tym CAN. Pozwala na
szybka komunikację (do 100kB/s).
43

SPI – interfejs o możliwościach i właściwościach podobnych do I 2 C, o większej szybkości transmisji danych
sięgającej kilka MB/s. Stworzony przez Motorolę, obecnie jest dośd często wykorzystywany przez innych
producentów. Interfejs ten został standardowo wbudowany w wiele mikrokontrolerów.
D 2 BUS – Interfejs Digital Data Bus opracowany przez firmę Philips, stworzony z myślą o łączeniu niewielkiej
liczby urządzeo na małym obszarze, umożliwiający transmisję danych z szybkością 100kbit/s pomiędzy
urządzeniami oddalonymi od siebie o 150m. Pozwala zaadresowad 4096 jednostek. Jako medium transmisyjne
najczęściej używa się pary skręconych przewodów, lub kabla koncentrycznego.
Do głównych cech magistrali D2 BUS, które zresztą upodobniają ten interfejs do CAN należą:
Możliwośd przejścia i utrzymania kontroli przez którekolwiek z urządzeo wyposażonych w taką możliwośd,
Odłączenie urządzenia, lub podłączenie do magistrali nowego, nie wpływa na komunikację pomiędzy
pozostałymi urządzeniami w sieci,
Zakłócenia na magistrali nie powodują błędów w transmisji,
Transmisja przez D2 C odbywa się przy wykorzystaniu urządzeo typu master i slave oraz procedury
arbitrażu.
IEEE1394 – interfejs czteroprzewodowy, oferujcy system plug and play, możliwośd odłączania i dołączania
nowych urządzeo „na gorąco”, szybko przesyłu 400MB/s, bezpieczny protokół, oraz możliwośd gwarantowanej
szybkości transferu i opóźnieo, możliwośd podłączenia 63 urządzeo bezpośrednio do jednej linii (z możliwością
rozszerzenia jej samej do 1024 linii), duża, 256 bajtowa, przestrzeo adresowa, regulowane parametry i niski koszt
okablowania.
HART – System otwarty, umożliwiający jednoczesną komunikację cyfrową i analogową. Sygnał cyfrowy, będący
złożeniem dwóch częstotliwości został nałożony na analogowy sygnał prądowy (4 – 20mA). Dwie częstotliwości
sygnału cyfrowego, o wartociach 1200Hz i 2200Hz, reprezentuj niski i wysoki poziom sygnału.
LONWORK – sied składająca się z inteligentnych, pojedynczych węzłów, komunikujących się przez dowolne
medium transmisyjne (światłowód, kabel koncentryczny, skrętka, fale radiowe, sied energetyczna). Konstruktorzy
protokołu położyli główny nacisk na unikanie przeładowania oraz na zminimalizowanie prawdopodobieostwa
wystąpienia kolizji. Do największych zalet interfejsu LONWORK należy wspieranie występowania wielu kanałów
komunikacyjnych jednej sieci oraz zgodnośd protokołu z modelem ISO/OSI, co czyni system otwartym dla pocze2 z
innymi systemami i aplikacjami.
CAN - Sied przemysłowa zaprojektowana na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego, obecnie popularna również w
zastosowaniach przemysłowych,
Cechy:
Transmisja danych jest zgodna ze strukturą modelu ISO/OSI na poziomie warstwy fizycznej i łącza danych,
Popularne rozszerzenia sieci CAN to CANOpeniDeviceNet,
Sied o topologii szyny lub gwiazdy,
Szybkośd przesyłania danych od 5kb/s do 1Mb/s,
Maksymalna długośd magistrali –od 40 metrów do 5000 metrów (z repeaterami),
Maksymalna liczna węzłów –64 (DeviceNet), 99 (CANOpen),
Dwie podstawowe normy dotyczące sieci CAN –ISO 11898 (prędkości transmisji do 1Mb/s) oraz ISO 11519
(prędkości transmisji do 125kb/s),
Brak adresowania węzłów –komunikaty opatrzone identyfikatorami,
Możliwe dołączanie urządzeo do sieci bez wyłączania zasilania,
Wykrywanie błędów i automatyczna retransmisja błędnych komunikatów.
Źródło:
wykłady z PSI
dwa inne wykłady o interfejsach szeregowych w elektronice
44

22. Wymagania stawiane urządzeniom automatyki
Funkcja przejścia
Niezawodnośd
Warunki pracy
Inne wymagania
Ad. 1. Funkcja przejścia (inaczej transmitancja)
Przy projektowaniu urządzeo automatyki ze względu na funkcje przejścia istotna jest tylko transmitancja obiektu.
Do ilościowego jej określenia jest potrzebny model matematyczny.
Ustalenie modelu matematycznego obiektu sprawia w wielu przypadkach trudności, gdyż wymaga dużego wysiłku
przy przeprowadzaniu pomiarów i opracowywaniu ich wyników bądź przy opisie matematycznym i odpowiednim
ujęciu zjawisk fizycznych (teoretyczna identyfikacja systemu). W ostatnim wypadku niezbędne są dodatkowe
informacje o zmiennych stanu procesu i o parametrach.
Kolejną grupą czynników, którą należy uwzględnid przy projektowaniu ze względu na funkcję przejścia stanowią
właściwości sygnałów działających na system, a przede wszystkim zakłóceo. Oprócz amplitudy i przebiegu w
czasie, istotne są zwłaszcza miejsca wprowadzania zakłóceo do systemu.
Ad. 2. Niezawodnośd
Z oczywistych względów dąży się do tego aby system automatyki wypełniał przypisane mu zadania w sposób
możliwie niezawodny. Duża liczba i różnorodnośd przyczyn zakłóceo uniemożliwia dokładne określenie chwil, w
których nastąpią uszkodzenia systemu. Trzeba zatem traktowad uszkodzenia jako zjawiska losowe, a więc dane
dotyczące niezawodności mogą byd podawane jedynie z określonym prawdopodobieostwem.
Przez niezawodnośd elementu rozumie się jego zdolnośd do wykonywania określonego zadania, do którego
element ten jest przeznaczony.
W celu porównania niezawodności elementu rzeczywistego z elementem idealnym, a także w celu porównywania
niezawodności elementów rzeczywistych, korzysta się z odpowiednich miar niezawodności. Najczęściej stosowaną
miarą niezawodności rozpatrywanego elementu przy danym jego zadaniu jest prawdopodobieostwo zdarzenia
polegającego na wykonaniu tego zadania.
Trwałośd zwiększa się przez:
obciążanie elementów znacznie poniżej wartości znamionowych,
odpowiednie chłodzenie,
ochronę przed zanieczyszczeniem.
Źródła uszkodzeo:
ukryte wady materiałowe i wady wykonania,
zużycie wskutek tarcia, wibracji, drgao, wstrząsów, uderzeo,
działanie temperatury,
wpływy chemiczne,
wadliwy montaż,
niedbała, nieostrożna i niewłaściwa obsługa.
Niezawodnośd pracy osiąga się przez:
wybór właściwej koncepcji rozwiązania (mało elementów składowych, elementy o najwyższej
niezawodności, uwzględnienie funkcjonalnej roli elementu),
odpowiednią konstrukcję (ale rozwiązanie chod trochę lepsze nieraz jest kilkaset razy droższe),
właściwą instalację (rezerwowanie itp.).
45

Ad. 3. Warunki pracy
Aby zautomatyzowany system był użyteczny, nie wystarczy, aby realizował środkami technicznymi dostatecznie
dokładnie i z wystarczającą niezawodnością wymaganą funkcję. Ponadto muszą spełnid warunki stawiane przez
praktyczne zastosowanie systemu.
Warunki te można podzielid na:
warunki przyłączenia,
warunki materiałowe,
warunki środowiskowe.
Warunki przyłączenia - przez warunki przyłączenia należy rozumied te wszystkie wymagania, które muszą byd
spełnione, aby zespoły powiązane ze sobą w systemie mogły współpracowad. Dotyczy to zarówno dostosowania
urządzeo automatyki do obiektu, jak i wzajemnego dopasowania elementów. Należy również stworzyd korzystne
warunki łączności między UA a personelem obsługi.
Warunki materiałowe - do warunków materiałowych zalicza się czynniki, przez które produkt oddziałuje na
urządzenie pomiarowe i nastawcze. Zagadnienie odpornośd/wytrzymałośd.
Warunki środowiskowe - obszerna klasa wymagao wiąże się z warunkami środowiskowymi wpływającymi na
każde urządzenie w miejscu jego pracy. Za najbardziej istotne czynniki uważa się:
Temperaturę otoczenia
Wilgotnośd powietrza
Ciśnienie atmosferyczne
Drgania mechaniczne i wstrząsy
Wymagania środowiskowe – ujęte liczbowo – uwzględnia się w postaci norm dotyczących warunków
klimatycznych oraz stopnia ochrony przed dotknięciem, przedostaniem się ciał stałych oraz wody.
Ad 4. Inne wymagania (przykłady)
Przepisy
Przy eksploatacji zautomatyzowanych urządzeo wymaga się przestrzegania przepisów, instrukcji, norm. Różne
instrukcje klasyfikacyjne itp.
Obsługa i naprawy
Nie zawsze można znaleźd rozwiązania spełniające w dostateczny sposób wymagania co do obsługi i możliwości
naprawy UA. W takim przypadku należy dawad pierwszeostwo urządzeniom, które umożliwiają łatwą identyfikację
awarii i łatwą wymianę uszkodzonych elementów. Zawsze należy wybierad takie urządzenia, których wytwórcy
utrzymują dobry serwis.
Możliwość rozbudowy
W koncepcji automatyki powinno się w miarę możliwości uwzględniad również możliwośd późniejszej rozbudowy
lub zmiany wyposażenia. Jako przykłady można tu wymienid urządzenia rejestracji danych lub urządzenia
kontrolne, które w późniejszym okresie zostaną wyposażone w komputer, lub także, w których wymieniany może
byd komputer, jeśli w miarę narastania zadao okaże się za mały.
Źródło:
na podstawie materiałów prof. Grona – UAIR W1
46

23. Porównanie rodzajów urządzeń wykonawczych stosowanych w
urządzeniach automatyki
Elementy wykonawcze
Elektryczne Pneumatyczne Hydrauliczne Mieszane
Z napędem
elektromagnetycznym
Membranowe
Tłokowe
Elektrohydrauliczne
Tłokowe
Obrotowe
Elektropneumatyczne
Z napędem
silnikowym
Łopatkowe
Łopatkowe
Pneumohydrauliczne
Powyżej opisywana była różnorodnośd urządzeo wykonawczych ze względu na wykonywaną czynnośd,
rodzaj napędu itp.
Mimo dużego zróżnicowania, w urządzeniach wykonawczych możemy zazwyczaj wyróżnid trzy podstawowe
elementy (połączone szeregowo):
wzmacniacz mocy
element napędowy
element nastawczy
Niekiedy w urządzeniu wykonawczym nie występuje pełen łaocuch elementów, tylko jego wersja
uproszczona(wzmacniacz mocy -> element nastawczy; element napędowy -> element nastawczy).
1. Wzmacniacz mocy
Wzmacniacz mocy jest bardzo często podstawowym elementem urządzenia wykonawczego współpracującym z
regulatorem. Współczesne regulatory są różnego rodzaju mikrokomputerami, przez co wysyłany przez nie sygnał
sterujący nie ma dużej mocy – występuje zatem potrzeba zastosowania wzmacniacza. Postad wzmacniacza jest
bezpośrednio zależna od regulatora oraz elementu, z którym współpracuje (napędowego lub nastawczego).
Wzmacniacze można podzielid na dwie podstawowe grupy:
wzmacniacze sygnałowe - w niektórych realizacjach układów nie zachodzi potrzeba przetworzenia sygnału
regulatora, lecz problemem jest transmisja sygnału do elementu w formie niezmienionej, lub prawie
niezmienionej. Do tego celu służą wzmacniacze sygnałowe zwane również repeater’ami. Urządzenie takie
zamontowane na linii danych jest zdolne do wzmacniania i filtrowania przesyłanych od regulatora sygnałów,
co umożliwia komunikacje z elementami na większą odległośd oraz zapewniają ochronę przeciwprzepięciową,
tłumią przebiegi przejściowe itp.
przetworniki - urządzenia tego typu przetwarzają energię regulatora w taki sposób, aby możliwe było
sterowanie dalszymi elementami urządzenia. Postad przetwornika zależy bezpośrednio od postaci energii,
jaka ma byd dostarczona do elementu. W przypadku silników elektrycznych stosowane są najczęściej zasilacze
prądu stałego (tyrystorowe lub tranzystorowe) dla silników prądu stałego, lub falowniki (specjalizowane
przemienniki częstotliwości) dla silników prądu przemiennego. W przypadku elementów pneumatycznych są
to układy przygotowania powietrza i zawory sterujące. Wzmacniaczami dla układów hydraulicznych są
najczęściej pompy.
2. Element napędowy
Element tego typu stosuje się, jeśli element nastawczy (opisany szerzej w dalszej części opracowania) wpływa na
regulowany obiekt za pośrednictwem swojego położenia (np. zawór) lub prędkości ruchu (np. dozownik pyłu).
Elementy napędowy to najczęściej silniki pneumatyczne, hydrauliczne lub elektryczne. Niekiedy napęd nie jest
połączony z elementem nastawczym bezpośrednio, lecz przez zastosowanie odpowiedniej przekładni.
47

2.1. Napędy pneumatyczne
Energię napędową czerpie się ze sprężonego powietrza. Najczęściej stosowanym przedstawicielem napędu
pneumatycznego jest siłownik. Napęd pneumatyczny najczęściej działa w układzie otwartym, a ograniczenie
działania realizowanie jest przez zastosowanie ograniczników lub zderzaków. Zastosowanie elementu
napędowego tego typu wymaga umieszczenia w układzie urządzenia wykonawczego wzmacniacza w postaci bloku
przygotowania i sterowania przepływem sprężonego powietrza.
2.2. Napędy hydrauliczne
Czynnikiem roboczym jest najczęściej specjalnego typu olej. Najczęstszym przedstawicielem tego typu napędu jest
silnik hydrauliczny. Urządzenie wykonawcze z napędem hydraulicznym składa się z elementu nastawczego i silnika
hydraulicznego. Jako silniki hydrauliczne mogą byd zastosowane silniki linowe lub obrotowe. Elementami
nastawczymi najczęściej są serwozawory. Pracują one często z określonym ciśnieniem, które utrzymywane jest na
stałym poziomie za pomocą akumulatora hydraulicznego. Rozwiązanie takie jest dobre dla przemieszczania
małych mas na krótkich drogach. Lepsze wykorzystanie energii oferuje sterowanie wyporowe z określonym
strumieniem objętości. Sterowanie takie oferuje dużą sprawnośd i stosowane jest najczęściej do przemieszczania
większych mas na dłuższych drogach.
2.3. Napęd elektryczny
Zalety ogólne:
mały koszt uzyskania energii i proste doprowadzenie jej do silników,
niezmiennośd parametrów pracy,
zwarta konstrukcja silników i małe wymiary urządzeo sterujących,
cicha praca (niski poziom szumu i wibracji),
brak zanieczyszczenia otoczenia,
bezpieczeostwo pracy,
duża szybkośd działania i wysoka dokładnośd przemieszczeo,
eksploatacja bez nadzoru i obsługi w przypadku małej liczby zabiegów konserwacyjnych.
3. Element nastawczy
Jest bezpośrednio jest najbardziej ściśle związany z obiektem regulacji i wpływa bezpośrednio na jeden ze
strumieni materiałowo-energetycznych.
Elementy nastawcze, spośród wszystkich członów urządzenia wykonawczego, cechuje największa różnorodnośd.
Wynika to z opisanego powyżej, integralnego związku z regulowanym procesem. Jednym z najpopularniejszych
przykładów elementów nastawczych jest zawór. Urządzenie tego typu, reguluje układ, przez ograniczenie
przepływu cieczy. Najczęściej w skład urządzenia wykonawczego, w którego skład wchodzi zawór, do zmiany
nastaw zaworu służy układ napędowy, podłączony, często przez wzmacniacz, do regulatora.
Źródło: na podstawie materiałów prof. Grona – UAIR W7.1
48

24. Budowa i zasada działania sterownika programowalnego.
Sterowniki programowalne PLC (Programmable Logic Controllers) są komputerami przemysłowymi, które pod
kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego:
zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z analogowych i dyskretnych czujników oraz
urządzenie pomiarowych,
transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych,
wykonują programy aplikacyjne na podstawie przyjętych parametrów i uzyskanych danych o
sterowanym procesie lub maszynie,
generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeo tych programów i przekazują je poprzez moduły
wyjściowe do elementów i urządzeo wykonawczych,
realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.
Cechy PLC:
wysoka niezawodnośd
możliwośd pracy w warunkach przemysłowych
łatwośd programowania
elastycznośd w zastosowaniach dzięki dużej bazie modułów
dużymi możliwości komunikacyjne
skalowalnośd
uniwersalnośd
dokładnośd
samo diagnostyka
Budowa wewnętrzna:
Rys. U góry ogólna budowa sterownika PLC, na dole
połączenia między poszczególnymi blokami w PLC.
Strzałki to sygnały na magistrali.
49

Zasada działania – oparta o
cykle pracy
Są dwa tryby pracy:
standardowy – wykonanie cyklu
najszybciej jak to możliwe
ze stałym czasem – cykl wykonuje
się określoną ilośd czasu
inicjalizowaną na początku.
Adresowanie może byd:
bezpośrednie
pośrednie ze wskaźnikiem
pośrednie indeksowe
Cykl pracy – opis
1. Inicjacja cyklu – wykonanie wszystkich
operacji potrzebnych do rozpoczęcia
cyklu
2. Czytanie sygnałów wejściowych -
odczyt wejśd ze wszystkich modułów i
ich zapis w odpowiedniej przestrzeni
adresowej
3. Wykonanie programu użytkownika –
wykonanie programu przez procesor,
zmiana wyjśd sterownika
4. Wysyłanie sygnałów wyjściowych -
wysyłanie wyjśd na fizyczne wyjścia
sterownika
5. Obsługa programatora - faza ta jest
wykonywana, gdy do sterownika
podłączony jest programator, a w systemie znajduje się moduł wymagający konfiguracji. Jeśli żaden z tych
warunków nie jest spełniony, faza komunikacji z programatorem nie jest wykonywana. Podczas jednego cyklu
może zostad skonfigurowany tylko jeden moduł.
6. Komunikacja systemowa - realizowane są żądania komunikacji z modułami urządzeo dodatkowych, np. z
modułem programowalnego koprocesora. Żądania komunikacji są obsługiwane w kolejności napływania.
Ponieważ moduły dodatkowe są zapytywane metodą okrężną, żaden z tych modułów nie jest uprzywilejowany w
stosunku do innych.
7. Wykonanie funkcji diagnostycznych - Na koocu każdego cyklu obliczana jest suma kontrolna programu
sterującego użytkownika.
Jeżeli obliczona suma kontrolna nie jest zgodna z zapamiętaną, następuje ustawienie znacznika błędu. Powoduje
to wprowadzenie nowej pozycji do tabeli błędów sterownika oraz przejście do trybu STOP. Jeżeli suma kontrolna
nie zostanie obliczona, do okna komunikacji z programatorem nie są wprowadzane żadne informacje.
Źródła:
wykłady z SP Jarka
wykład autorstwa Andrzeja Pieczyoskiego („Sterowanie mikroprocesorowe PLC”)
książka „Programowanie sterowników PLC”
50

25. Podstawowe różnice między zagadnieniami optymalizacji statycznej i
dynamicznej. Przykład takich zagadnień.
Zagadnienia statyczne:
Zagadnienia dynamiczne:
51

Różnice:
Opracowanie z zeszłego roku z dodanymi informacjami z wykładów:
a) Zagadnienia statyczne
Poszukujemy jednego, optymalnego rozwiązania spośród zbioru rozwiązao dopuszczalnych, dlatego
rozwiązaniem jest punkt. W przypadku więcej niż jednej zmiennej decyzyjnej rozwiązaniem jest wektor.
W szczególnych przypadkach rozwiązaniem może byd zbiór punktów. Doskonale obrazuje to graficzna metoda
rozwiązywania zagadnieo statycznych. Wtedy to na wykresie pokrywa się funkcjonał z pewnym fragmentem
zbioru wyznaczonym przez ograniczenia
Funkcjonał ma postad wielomianu o N zmiennych stałych w czasie
Wektor decyzyjny nie zależy od czasu
Ograniczenia mogą wiązad między sobą konkretne zmienne oraz określają przedział zmienności konkretnych
zmiennych, np. prąd nie może byd ujemny
Zadania używane w ekonomi i zarządzaniu
Przykładem jest optymalizacja kosztów produkcji
Inny przykład: system elektroenergetyczny składający się z 2 cieplnych bloków energetycznych zasilających w
energie elektryczna odbiór skupiony poprzez linie bez strat System powinien pokrywad aktualne
zapotrzebowanie mocy przez odbiór P0, przy czym koszt wytwarzania energii powinien byd minimalny.
b) Zagadnienia dynamiczne
Rozwiązania nie są wartościami liczbowymi, a funkcjonałami
Wektor decyzyjny zależy od czasu
Zadania używane w automatyce i mechanice.
Zagadnienie dynamiczne może rozwiązywad problemy sterowania, przy czym wyróżnia się dwa przypadki:
o Zagadnienia z określonym stanem koocowym, czyli przeprowadzenie obiektu z jednego stanu w drugi,
np. sterowanie ciągiem pojazdu dla minimalizacji czasu przejazdu
o Zagadnienia ze swobodnym stanem koocowym, czyli przeprowadzenie obiektu z jednego stanu w
drugi, który zawarty jest w zbiorze stanów koocowych. np. sterowanie statkiem rybackim w celu
zapewnienia stałego położenia włoku zawsze pośrodku ławicy ryb
Źródła:
materiały wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej
wykład z Metod optymalizacji dla studiów zdalnych z Informatyki PW
wykład W1 z NiO
52

26. Sens mnożników Lagrange'a w zagadnieniach statycznych z ograniczeniami
Zastosowanie:
Do zadao optymalizacji z ograniczeniami, gdyż nie zawsze da się za pomocą ograniczeo usunąd zmienne z
funkcji celu.
Ograniczenia mogą byd skomplikowane i utrudniad rozwiązanie metodami simpleks. Ułatwia te obliczenia
zastosowanie metody mnożników Lagrange'a
Metoda mnożników Lagrange'a dodaje ograniczenia z mnożnikami do funkcji celu i liczy się funcję dualną,
jednak wynik obliczenia jej minimum lub maksimum jest również wynikiem funkcji prymalnej. Inaczej:
Metoda mnożników Lagrange’a wykorzystuje fakt, że ekstremum funkcji F może leżed tylko w tych punktach,
w których leży punkt stacjonarny zmodyfikowanej funkcji celu L zwanej funkcją Lagrange’a.
Warunki optymalności dla problemów programowania nieliniowego z ograniczeniami typu równościowego:
53

Warunki optymalności dla problemów programowania nieliniowego z ograniczeniami typu
nierównościowego:
Co do metod liczenia, najlepiej sprawdzid na przykładzie w notatkach z dwiczeo lub wykładu z Optymalizacji i
Wspomagania Decyzji. Bo ta metoda mnożników Lagrange'a jest generalnie bardzo prosta.
Źródła:
materiały wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej
materiały wykładowe z Niezawodności i Optymalizacji Trawickiego
54

27. Rodzaje regulatorów w instalacjach przemysłowych.
Regulatory są urządzeniami technicznymi, służącymi do wytwarzania na podstawie uchybu regulacji sygnału
sterującego, to jest różnicy pomiędzy zadaną wartością regulowanego sygnału, a aktualnie zmierzoną wartością.
27.1. Regulatory nieciągłe:
a) dwustanowe (dwupołożeniowe)
b) trójstanowe (trójpołożeniowe)
c) impulsowe
27.2. Regulatory ciągłe:
a) proporcjonalne (P)
Zalety:
bardzo prosta zasada
działania a tym samym
fizyczna realizacja,
tanie i wytrzymałe,
Ograniczenia:
nie niwelują uchybu w stanie ustalonym,
zmniejszanie uchybu w stanie ustalonym wymaga zwiększania
współczynnika wzmocnienia co powoduje wzrost oscylacji wyjścia
obiektu,
nie nadają się do sterowania nadążnego.
b) różniczkujące (PD)
Zalety:
szybka reakcja na zmiany
wartości zadanej (błędu
regulacji),
zmniejsza uchyb w stanie
ustalonym
Ograniczenia:
nie niweluje uchybu w stanie ustalonym,
w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator
generuje bardzo duży sygnał wyjściowy,
nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia
technologiczne) !!
55

c) całkujące (PI)
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno całkującego (PI) jest proporcjonalny do całki (sumy w przypadku
dyskretnym) sygnału wejściowego oraz do wartości tego błędu (e(t)).
d) mieszane PID
Wykorzystuje zalety poszczególnych składowych regulatora oraz stara się niwelowad ich wady (poprzez
odpowiedni dobór nastaw regulatora).
27.3. Regulatory rozmyte (oparte o rozmyte zbiory reguł i miękkie przełączanie),
Sterowanie rozmyte jest „sterowaniem za pomocą reguł”
Sterowanie rozmyte można sklasyfikowad jako:
nieadaptacyjne sterowanie rozmyte – struktura i parametry sterownika rozmytego ustalone w procesie
projektowania pozostają niezmienione podczas jego działania (w czasie rzeczywistym)
adaptacyjne sterowanie rozmyte – struktura i/lub parametry podlegają zmianom podczas działania
sterownika w czasie rzeczywistym
27.4. Regulatory predykcyjne (MPC)
Sterowanie nadążne (realizowanie trajektorii zadanej) i/lub sterowanie optymalizacyjne (minimalizacja kosztów).
Dane wejściowe: dynamiczny model obiektu wraz z modelem zakłóceo, pomierzone (lub estymowane) wartości
wyjścia z obiektu y w chwili bieżącej i chwilach poprzednich, wartości sterowao u w chwilach poprzednich,
wartośd (trajektorii) zadanej yzad w chwili bieżącej i następnych (wyznaczonych wcześniej). Na podstawie tych
danych i obranym celu, generowane są wartości sterowao w bieżącej chwili i chwilach kolejnych, aż do ustalenia
sterowao dla całego horyzontu sterowania. Obiekt otrzymuje tylko pierwszą wyznaczoną wartośd sterowania. W
następnym kroku następuje przesunięcie horyzontu sterowania.
27.5. Regulatory adaptacyjne (regulator z automatycznie zmieniającymi się nastawialnymi
względem zmieniających się właściwości obiektu i jego otoczenia).
Regulator adaptacyjny jest regulatorem z nastawialnymi parametrami i mechanizmem do nastawy parametrów.
Regulatory adaptacyjne są nieliniowe ze względu na mechanizm adaptacji parametrów. Układ sterowania
adaptacyjnego to taki, którym zachodzi automatyczne dopasowanie parametrów regulatora do zmieniających się
właściwości obiektu sterowania i jego otoczenia. Zbiór technik umożliwiających strojenie regulatora w czasie
rzeczywistym podczas działania regulatora.
56

28. Zintegrowane systemy sterowania procesami przemysłowymi.
Rozproszony system sterowania (DCS, ang. distributed control system) – określa system odpowiadający za
sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego posiadający wspólną bazę danych dla sterowania i wizualizacji.
Nowoczesne przemysłowe systemy sterowania coraz częściej posiadają strukturę rozproszoną, która
bezpośrednio wynika z dużych odległości pomiędzy poszczególnymi elementami automatyki. Prawidłowy przebieg
każdego procesu technologicznego wymaga opracowania odpowiedniej strategii sterowania urządzeniami
automatyki, które muszą byd odpowiednio połączone ze sobą, tworząc zintegrowany system sterowania.
Architektura systemu DCS zawiera następujące komponenty:
urządzenia rozproszone,
moduły We/Wy,
sterowniki,
interfejsy operatora HMI,
system nadzoru i elementy integrujące z systemem zarządzania.
W architekturze systemu DCS dla zapewnienia 100% niezawodności systemu często stosowana jest redundancja
modułów We/Wy, kontrolerów, sieci i serwerów HMI. Podstawową rolą systemu DCS jest zapewnienie szybkiej i
niezawodnej wymiany danych oraz przepływu informacji na każdej płaszczyźnie.
Zintegrowane systemy sterowania musza spełniad wymagania niezawodności i bezpieczeostwa, które zależą
miedzy innymi od:
stopnia niezawodności poszczególnych elementów urządzeo układu sterowania procesem
przemysłowym,
niezawodności zasilania urządzeo sterowniczych,
prawidłowego opracowania algorytmu sterowania procesem przemysłowym,
właściwości zastosowanych sieci przemysłowych.
Rys. 28.1. Uproszczona struktura systemu DCS
57

Stacja procesowa: w jej skład wchodzi aparatura obiektowa, okablowanie, urządzenia wykonawcze, PLC, karty
wejśd/ wyjśd. Wszystkie te urządzenia współpracują z magistralą systemową, którą przesyłają informację do stacji
operatorskich za pośrednictwem serwera. Pełni rolę bezpośredniej warstwy sterowania procesem.
Bezpieczeostwo pracy stacji zapewniają dane pomiarowe zbierane bezpośrednio z obiektu, które są przetwarzane
z wysokim priorytetem w czasie rzeczywistym.
Serwer: jego funkcją jest zarówno przekazywanie danych jak i ich archiwizacja w postaci plików historycznych. W
celu podwyższenia bezpieczeostwa procesu serwer powinien byd redundantny.
Stacja inżynierska: odpowiada za konfigurację systemu i nadzór oprogramowania wewnątrz kontrolerów.
Przechowuje zawsze aktualną dokumentację, umożliwiająca także inne funkcje, np. strojenie regulatorów.
Stacja diagnostyczna: umożliwia przy pomocy kart cyfrowych odczytujących informacje diagnostyczne (HART,
Foundation Fieldbus) diagnostykę aparatury obiektowej.
Stacja operatorska: operator znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie maszyny ma możliwośd śledzenia w
czasie rzeczywistym najistotniejszych parametrów pracy. Informacja prezentowana np. na wyświetlaczach lub
panelach ma charakter czysto informacyjny.
System komunikuje się ze światem zewnętrznym (siecią zakładową) przy pomocy kolejnego serwera. Zarówno
magistrala procesowa, jak i magistrala systemowa są redundantne.
58

29. Warstwowa struktura komputerowego systemu sterowania, zadania
poszczególnych warstw i ich wzajemne zależności
59

30. Rodzaje napędów w robotyce i mechatronice
We współczesnych robotach stosowane są w zasadzie trzy rodzaje siłowników, a mianowicie: pneumatyczne,
hydrauliczne i elektryczne oraz ich kombinacje. Każdy robot jest wyposażony w układ siłowników rozmieszczonych
odpowiednio na ramionach robota lub w jego połączeniach ruchowych, tworząc napęd robota.
30.1. Napędy elektryczne
W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i hydrauliczne. Wzrost
wymagao w stosunku do robotów drugiej i wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych.
Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny.
Zalety:
Wady:
niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędem hydraulicznym;
prostota układu zasilania;
duża niezawodnośd;
duża prostota czynności konserwacyjnych;
praca bez hałasu;
małe wymiary układu sterowania i zasilania.
niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunek mocy do masy urządzenia, szczególnie
dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napędu
elektrycznego;
właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużego postępu w tej dziedzinie, wciąż są gorsze
od właściwości dynamicznych napędu hydraulicznego;
wrażliwośd na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzid do spalenia silnika;
duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowania przekładni redukcyjnych.
Spośród rożnych silników elektrycznych największe zastosowanie znalazły komutatorowe silniki elektryczne prądu
stałego i krokowe silniki elektryczne, zwłaszcza w tzw. bezpośrednim napędzie elektrycznym. Te ostatnie dobrze
nadają się dla celów pozycjonowania. Bezkomutatorowe indukcyjne silniki elektryczne nie są korzystne przy
zmiennej prędkości obrotowej i przy zmianach kierunku wirowania, bezkomutatorowe synchroniczne silniki
elektryczne zaś nie są szeroko stosowane, chociaż mają szereg zalet. W ich układzie sterowania wymagany jest
magneto-indukcyjny bądź optoelektroniczny impulsator montowany na wale napędowym, który również jest
niezbędny dla komutatorowych silników elektrycznych prądu stałego. Krokowe silniki elektryczne wymagają
dalszego doskonalenia ich parametrów siłowych, geometrycznych i sterowania. Również liniowe silniki
elektryczne nie są często stosowane.
30.2. Napędy hydrauliczne
Napęd hydrauliczny, pomimo wzrostu zastosowania napędu elektrycznego, pozostaje nadal jednym z
podstawowych napędów, szczególnie tam, gdzie chodzi o szybkie przemieszczanie przy znacznych obciążeniach
robota. Krotki czas rozruchu (od kilkudziesięciu milisekund do 1 s) uwidacznia korzyśd ze stosowania napędu
hydraulicznego.
Zalety:
łatwośd uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeo;
łatwośd precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego;
bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładności części ruchomych sprawiają, że
siłowniki hydrauliczne odznaczają się bardzo dużą prędkością działania;
łatwośd uzyskiwania ruchów jednostajnych;
możliwośd uzyskania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania
przekładni;
60

Wady:
mała wrażliwośd na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwośd zabezpieczenia przed przeciążeniami;
łatwośd konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostota użytkowania;
duża pewnośd ruchowa.
duży hałas wytwarzany przez pompę;
zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.
W skład napędów hydraulicznych wchodzą:
elementy wykonawcze (siłowniki) sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami manipulatorów;
elementy sterujące: wzmacniacze i przełączniki sterujące strumieniem (natężeniem przepływu) i
kierunkiem przepływu cieczy roboczej;
źródło przepływu, którym jest pompa zębata, śrubowa lub łopatkowa;
źródło energii, którym jest silnik elektryczny napędzający pompę;
elementy pomocnicze: filtr cieczy roboczej, zawory zabezpieczające, przewody, zbiorniki cieczy roboczej;
ciecz robocza, którą jest zwykle odpowiedni olej.
30.3. Napędy pneumatyczne
Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężone powietrze. Zaletą tego typu napędu jest
łatwośd uzyskiwania powietrza do zasilania układu oraz możliwośd łączenia układu z atmosferą po zakooczeniu
cyklu pracy. Niskie ciśnienie w porównaniu z napędem hydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w
eksploatacji. Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne. Również niewielka
sztywnośd (wysoka podatnośd powietrza) korzystnie odróżnia go od cieczy.
Zalety:
Wady:
bardzo duża pewnośd ruchowa;
większa prostota konstrukcji aniżeli dla napędów hydraulicznych;
niska cena urządzeo w porównaniu z napędem hydraulicznym;
mała masa urządzeo i pomijalna masa czynnika roboczego w porównaniu z napędami hydraulicznymi;
powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniu chwytaków (stąd często przy hydraulicznym
lub elektrycznym napędzie ramion manipulatora spotyka się napęd pneumatyczny chwytaka;)
duża przeciążalnośd;
iskrobezpieczeostwo.
trudnośd uzyskiwania ruchów jednostajnych z powodu dużej ściśliwości czynnika roboczego;
duża wrażliwośd ruchu na zmiany obciążenia;
gwałtowny rozruch, szczególnie przy małym obciążeniu;
znacznie mniejsze siły i momenty aniżeli dla napędów hydraulicznych.
koniecznośd zabezpieczania elementów przed korozją;
trudnośd sterowania położenia elementu wykonawczego.
Pod względem konstrukcyjnym i funkcjonalnym napędy pneumatyczne manipulatorów mają dużo cech wspólnych
z napędami hydraulicznymi sterowanymi dwupołożeniowo za pomocą przełączników hydraulicznych. W skład
napędów pneumatycznych wchodzą:
elementy wykonawcze — siłowniki — sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami manipulatorów;
elementy sterujące — przełączniki pneumatyczne sterujące dwupołożeniowo przepływ czynnika
roboczego;
źródło czynnika roboczego, którym jest najczęściej system przewodów sprężonego powietrza;
elementy pomocnicze: filtr powietrza, zawór redukcyjny, smarownica;
czynnik roboczy — powietrze.
61

31. Układ sterowania typu sprzężenie od stanu-obserwator stanu: struktura,
zasada separowalności, projektowanie metodą alokacji biegunów i zer
31.1. Struktura
Gdzie:
c zad (t) – sygnał wejściowy
F r – sprzężenie w przód
u zad (t) – trajektoria zadana
u (t) – sygnał sterujący
x̂(t) – estymata zmiennej stanu
-F – wzmocnienie sprzężenia od stanu
y(t) – sygnał wyjściowy
c(t) – realizowana trajektoria
Prawo sterowania: u(t) = u zad − Fx(t) zastępujemy: u(t) = u zad − F x̂ (t)
31.2. Zasada separowalności
Zasada separowalności określa, czy wprowadzenie obserwatora do układu u(t) = u zad
biegunów układu zamkniętego przez sprzężenie od stanu, to znaczy Ʌ(A − BF).
(t) − Fx(t) nie zmieni
gdzie:
Ʌ(A − BF) – bieguny układu zamkniętego
Ʌ(A − KC) – bieguny obserwatora
Dynamika układu zamkniętego, złożonego z obiektu, sprzężenia od stanu i obserwatora składa się z:
dynamiki obiektu ze sprzężeniem od stanu uzyskanego z obserwatora:
dynamiki obserwatora:
62

Teraz stan układu zamkniętego można zapisad jako:
- uzyskana powyżej macierz stanu układu zamkniętego sugeruje interakcje biegunów.
Zasada separowalności umożliwia następująca procedurę syntezy sterowania s.f - ob.:
1. najpierw wyznaczamy F, tak, aby spełnid wymagania na jakośd sterowania pętli sprzężenia od stanu
2. później oddzielnie wyznaczamy K tak, aby obserwator był odpowiednio szybki
3. następnie integrujemy s.s. z ob.
Zasada separowalności nie zachodzi dla układów nieliniowych!
31.3. Projektowanie metodą alokacji biegunów i zer
Projektowanie metodą alokacji biegunów bazuje na założeniu, że każdy obiekt o złożonej dynamice można
przybliżyd, z dobrymi rezultatami obiektem niższego rzędu. Stawia ona podstawowe wymaganie wobec obiektu.
Mianowicie musi on posiadad tzw. dominującą parę biegunów. Oznacza to, że para taka jest oddalona od
pozostałych o odcinek a>>1. Wtedy to wszystkie bieguny poza dominującymi uznaje się za mało istotne i można je
pominąd w procesie projektowania układu sterowania. W efekcie znacznie upraszcza to obliczenia dając
jednocześnie zadowalające wyniki.
a) Metodę tą stosujemy, gdy mamy jasno określone wymagania jakościowe wobec układu sterowania. Można tu
wymienid np. czas regulacji, przeregulowanie itp.
b) Na ich podstawie określamy obszar dopuszczalny, w którym możemy ulokowad nowe bieguny obiektu 2 rzędu.
Nie należy umieszczad ich na liniach wyznaczających granicę tego obszaru, ale w celu zagwarantowania ich
krzepkości powinny byd one umieszczone wewnątrz niego. Następnie, aby zachowad rząd obiektu wybieramy
pozostałe bieguny tak aby wyznaczona para była dominująca (najlepiej, gdy a≈5).
c) Na podstawie otrzymanej zmodyfikowanej transmitancji obiektu tworzymy równania stanu i przechodzimy do
zaprojektowania układu sprzężenia od stanu.
d) W wyniku otrzymujemy układ, który:
Z punktu widzenia dynamiki będzie charakteryzowany przez dominującą parę biegunów.
Będzie spełniał wszystkie wymagania jakościowe co do stanów przejściowych.
Sygnał wyjściowy będzie nadążał za trajektorią sygnału wejściowego.
63

32. Układ sterowania z całkowymi zmiennymi stanu dla obiektów typu MIMO:
metoda syntezy, odrzucanie zakłóceń, stosowalność w relacji do szybkości
zmian zakłóceń
32.1. Metoda syntezy
64

32.2. Odrzucanie zakłóceń
32.3. Stosowalność w relacji do szybkości zmian zakłóceń
Uwagi:
regulator integral control pozwala sterowad obiektami MIMO
IC jest rozszerzeniem tradycyjnego regulatora PI na obiekty MIMO z jednoczesnym ulepszeniem procesów
przejściowych niezależnie od rzędu dynamiki obiektu MIMO oraz siły wewnętrznej interakcji
65

33. Zasada i struktura układu sterowania prędkością kątową silnika prądu
stałego.
Najczęściej spotykaną strukturą sterowania prędkością obrotową silnika prądu stałego jest struktura szeregowa
(rys. 1.).
Rys. 33.1. Struktura sterowania prędkością silnika DC (obcowzbudnego)
W obwodzie nadrzędnym regulator prędkości R w na podstawie różnicy sygnałów prędkości zadanej ω ref i
prędkości mierzonej ω (najczęściej prądniczka tachometryczna, lub przetwornik obrotowo-impulsowy)
określa zadaną wartośd prądu twornika I z dla podporządkowanego regulatora prądu.
Sygnał wyjściowy jest ograniczony w bezpiecznym zakresie I ref . Regulator prądu za pośrednictwem
układu sterowania tyrystorami US wymusza zmianę napięcia zasilającego silnik, co powoduje zmianę
wartości prądu twornika. Ograniczenie napięcia wyjściowego przekształtnika odbywa się przez
odpowiednie ograniczenie sygnału wyjściowego regulatora prądu. Dodatkowo w przypadku maszyn
obcowzbudnych możliwa jest również regulacja prądu wzbudzenia, jednakże konieczne jest
zastosowanie drugiego układu sterowania oraz przetwornika.
66

34. Cechy wspólne i różnice modelowania z praw zachowania i modelowania
rozmytego
Dokładny opis danego systemu wymaga określenia wszystkich zmiennych wpływających na pracę
obiektu. Zadaniem modelowania rozmytego jest reprezentacja niejednoznaczności i niepewności
modelu matematycznego przez wprowadzenie rozumowania zbliżonego do „ludzkiego” pojmowania
danego procesu. System rozmyty znajduje zastosowanie gdy nie posiadamy dostatecznej wiedzy o
wszystkich zmiennych modelu lub, gdy celowo zostają one pominięte w celu jego uproszczenia. Przy
odpowiednio dobranych regułach nawet niekompletny model rozmyty może osiągnąd lepsze rezultaty
niż model wyznaczony metodami tradycyjnymi. W wielu przypadkach łatwiej jest wyrazid przybliżenie
systemu regułami lingwistycznymi (np. duży, mały, średni...) niż odtworzenie dokładnych wzorów
matematycznych nimi rządzących. Z matematycznego punktu widzenia sterownik rozmyty aproksymuje
pewną funkcję realizowaną przez rzeczywisty system.
Cechy wspólne:
Podział zmiennych na wejściowe, stanu i wyjściowe.
Możliwy dobór nastaw (reguł) doświadczanie
Najczęściej pewne zmienne są pomijane
Model jest tworzony w oparciu o szereg znanych zmiennych opisujących proces.
Stan procesu musi byd obserwowany, proces musi byd sterowalny
Celem modelowania jest zbadanie wielkości wejściowych i/lub stanu na wyjścia, sprawdzenie
działania sterowania, bądź doprowadzenie procesu do stanu stabilnego lub zwiększenie jego
stabilności.
Różnice:
Prawa zachowania:
Modelowanie rozmyte:
Zmienne opisane za pomocą równao
matematycznych (równania różniczkowe,
algebraiczne)
Proces opisują równania wynikające z fizycznych
praw zachowania
Zmienne opisane za pomocą sformułwao
lingwistycznych, przy pomocy reguł
IF...THEN...
Rozumowanie zbliżone do ludzkiego
pojmowania sterowania
Wymaga dokładnego modelu Wymaga przybliżonego (uproszczonego)
modelu
Większa złożonośd obliczeniowa Trudniejsza implementacja
Wymaga znajomości wszystkich procesów
systemu
Wymaga uwzględnienia znaczących dla układu
zakłóceo
Wymaga bazy reguł, budowanej w oparciu o
doświadczenie w pracy nad procesem i
heurystyce.
Nie wymaga uwzględnienia wszystkich
zakłóceo (większa tolerancja na błędy,
zmianę warunków otoczenia)
67

35. Cechy wspólne i różnice identyfikacji metodą najmniejszych kwadratów i
modelowania neuronowego
35.1. Metoda najmniejszych kwadratów - metoda służąca do wyrównywania empirycznych szeregów
statystycznych.
Liczby występujące w takich szeregach są z reguły obarczane błędami losowymi. Przy pomocy metody
najmniejszych kwadratów szeregi statystyczne oczyszcza się z błędów losowych.
Mając szereg punktów empirycznych (x1,y1), (x2,y2),....., (xn,yn) należy a priori ustalid postad funkcji Y=f(a,b,c,...),
a następnie na podstawie punktów empirycznych tak dobrad wartości parametrów a,b,c..., aby funkcja
Y=f(a,b,c,...) możliwie najlepiej "pasowała" do zaobserwowanych punktów (xi,yi).
Załóżmy że a priori wyznaczyliśmy za najlepszą następującą funkcję:
Zgodnie z tą metodą za najlepiej pasujące współczynniki uznaje się taki dla których wyrażenie
osiąga wartośd minimalną. Co prowadzi do rozwiązania następującego układu równao:
35.2. Sieć neuronowa jest siecią wielu prostych procesorów (przetworników informacji) zwanych
neuronami, z których każdy dysponuje lokalną pamięcią w postaci wag jego połączeo z innymi neuronami.
Przetwarzanie realizowane przez neuron ma całkowicie lokalny charakter – zależy ono tylko od wartości
docierających do niego sygnałów oraz wartości przechowywanych w jego lokalnej pamięci wag.
68

W korzystaniu z sieci neuronowej można wyróżnid dwa etapy:
etap uczenia – w oparciu o przedstawiane sieci dane, sied uczy się realizowad zadanie dla którego została
zbudowana
etap uogólniania – sied realizuje zadanie dla którego została zbudowana dla danych które są jej
przedstawiane
Twierdzenie Funahashi zapewnia, że standardowa sied wielowarstwowa z pojedynczą warstwą ukrytą składającą
się ze skooczonej liczby neuronów jest uniwersalnym aproksymatorem.
Metoda najmniejszych kwadratów
Metoda zawsze daj wynik o najmniejszej sumie
kwadratów błędów. Rezultaty jednak mogą nie mied
nic wspólnego z rzeczywistością w przypadku gdy
istnieje wiele elementów odstających.
Podczas tworzenia modelu wymagana jest wiedza a
priori projektanta na temat doboru najlepszej
funkcji aproksymującej
Jednoetapowy proces tworzenia modelu podczas
którego jest tworzona funkcja aproksymująca.
Metoda popularnie stosowana od początku XIX
wieku. Uznawana za jedną z najlepszych metod
aproksymacyjnych.
Raz zbudowany model nie posiada żadnych
możliwości adaptacji.
Możliwe jest sekwencyjne dostarczanie danych
Poprawnośd pracy modelu wymaga dostarczenia
odpowiednio dużej ilości pomiarów
Modelowanie neuronowe
Według twierdzenia Funahashi sied neuronowa jest
uniwersalnym aproksymatorem.
Podczas tworzenia modelu wymagana jest wiedza a
priori projektanta na temat wyboru najlepszej
struktury neuronów oraz funkcji aktywacji.
Dwuetapowy proces tworzenia modelu.
- stworzenie struktury neuronów
- przeprowadzenie procesu uczenia się modelu
Sieci neuronowe stają się coraz popularniejsze.
Zaczęły byd stosowane w latach 70 ubiegłego wieku.
Poprawnie zbudowany model dobrze zinterpretuje
dane które nie brały udziału w procesie uczenia.
69

36. Opis, charakterystyka i zastosowanie logicznych układów kombinacyjnych
Zastosowanie:
realizacja funkcji logicznych;
proste sterowanie zależne od wejśd układu, np. załączanie/wyłączanie silnika, obroty prawo/lewo,
zapalanie lampek sygnalizacyjnych, otwieranie/zamykanie zaworów.
70

71

37. Opis, charakterystyka i zastosowanie sekwencyjnych układów logicznych
Układy sekwencyjne (automaty) na identyczne pobudzenie, ale przychodzące w różnym czasie, odpowiadają w
różny sposób, tj. dla identycznych wektorów wejściowych mogą pojawid się różne wektory wyjściowe. Wynika to
stąd, że w różnych chwilach układ znajduje się w różnych stanach. Pod wpływem sygnałów wejściowych układ
przechodzi od stanu do stanu, a sygnały wyjściowe zależą od stanu w jakim układ się znajduje, albo i od stanu i od
sygnałów wejściowych, w zależności od rodzaju automatu.
Wyróżnia się dwa rodzaje automatów:
automaty, w których stany wyjściowe zmieniają się w czasie zmiany stanu automatu, a więc zależą tylko
od stanu automatu, nazywane są automatami Moore'a,
automaty, w których stany wyjściowe zmieniają się także w czasie zmiany stanu sygnałów wejściowych, a
więc zależą i od stanu automatu i od stanu sygnałów wejściowych, nazywane są automatami Mealy'ego.
Z danego stanu, pod wpływem danego wektora wejściowego, układ zawsze przechodzi do ściśle określonego
stanu. Dlatego, dla każdego stanu, podając na wejście układu określoną sekwencję wektorów wejściowych
otrzymamy odpowiednią sekwencję wektorów wyjściowych. Aby to było możliwe układ musi rozpoznawad stan w
jakim się znajduje.
Ze względu na koniecznośd uwzględnienia stanu, układy sekwencyjne opisuje się inaczej niż układy kombinacyjne.
Dla każdego stanu i dla każdej kombinacji sygnałów wejściowych trzeba określid do jakiego stanu układ
przechodzi. W ten sposób można utworzyd tablicę przejśd, która w pełni opisuje wszystkie możliwe przejścia od
stanu do stanu. W tablicy 37.1 przedstawiono tablicę przejśd, która opisuje możliwe przejścia ze stanu do stanu,
przykładowego układu sekwencyjnego, który ma cztery stany s1, s2, s3, s4 i dwa wejścia x1 i x0.
Tablica 37.1. Przykładowa tablica przejśd 4 segmentowego automatu
W tablicy 37.1 jest opis zachowania układu we wszystkich możliwych przypadkach. W pierwszym wierszu tablicy
widad do jakich stanów układ przechodzi będąc w stanie s1. Jeśli wzbudzenie układu jest 00, to automat
przechodzi do stanu s2, jeśli wzbudzenie układu jest 01, to automat przechodzi do stanu s3, jeśli wzbudzenie
układu jest 11, to automat przechodzi do stanu s1 i jeśli wzbudzenie układu jest 10, to automat przechodzi do
stanu s4. Podobnie należy odczytywad pozostałe wiersze. Taki opis przedstawia tylko wewnętrzne działanie
automatu (przejścia od stanu do stanu). Nie przedstawia natomiast opisu zachowania się jego wyjśd. Stany
wyjściowe są opisane w drugiej tablicy, tzw. tablicy wyjśd.
Tablica 37.2. Przykładowe tablice wyjśd automatu
a) automatu Mealy’ego b) automatu Moore’a
72

Postad tablicy wyjśd zależy od rodzaju automatu. W tablicy 37.2 pokazano przykładowe tablice wyjśd automatu
Mealy'ego i automatu Moore'a dla 4 stanowego automatu o dwóch wejściach. Tablice wyjśd automatu pokazane
w tablicy 37.2 utworzono przy założeniu, że jest tylko jeden sygnał wyjściowy y. W innym przypadku w każdym
miejscu tablicy należałoby umieścid ciąg bitów o długości równej liczbie sygnałów wyjściowych.
Podstawowym elementem układów sekwencyjnych jest funktor, którego podstawową funkcją jest pamiętanie
jednego bitu informacji, zwany przerzutnikiem. Stan na wyjściu przerzutnika zależy od: stanów wejśd i
poprzedniego stanu wyjściowego.
Wejścia programujące: ustawiające - set (S) i zerujące - reset (R). Są one zawsze wejściami asynchronicznymi –
działają niezależnie od podawanych na wejście zegarowe sygnałów taktujących.
Zastosowanie
Przerzutniki stosuje się do przechowywania małych ilości danych, do których musi byd zapewniony ciągły dostęp.
Jest to spowodowane fizycznymi i funkcjonalnymi cechami przerzutników. Są one większe od pojedynczej komórki
pamięci, ale pozwalają pozostałym częściom układu na bezpośredni dostęp do przechowywanych danych. Ze
względu na łatwy odczyt i zapis, przerzutniki są szczególnie często stosowane w celu: Pamiętania stanu układu
(Maszyna stanów skooczonych -FSM), przechowywania obecnie przetwarzanego słowa danych (rejestr,
akumulator, ALU), implementacji liczników, implementacji rejestrów przesuwnych, implementacji rejestrów
przesuwnych z liniowym sprzężeniem zwrotnym (LFSR).
Przekaźniki również należą do grupy sekwencyjnych układów logicznych. Dzięki przekaźnikom sygnały o większej
amplitudzie większym poziomie napięd, prądów mogą wywoływad skutki w obwodach, w których obowiązują inne
poziomy sygnałów. Przekaźniki stosuje się również do zwielokrotniania sygnałów.
73

38. Charakterystyka języków programowania sterowników programowalnych
Częśd 3 normy IEC 61131 dotyczy głównie języków programowania. Określono w niej dwie podstawowe grupy
języków programowania: języki tekstowe i języki graficzne . Przedstawia ujednoliconą koncepcję programowania
sterowników PLC tak aby użytkownik korzystając z wprowadzonych w normie reguł, był w stanie programowad
bez „większych trudności” różne systemy PLC. Przedstawia sposób tworzenia struktury wewnętrznej programu w
postaci sekwencyjnego schematu funkcjonalnego (grafu) SFC (ang. Sequential Function Chart). Z punktu widzenia
użytkownika, Częśd 3 normy IEC 61131 stanowi jej najważniejszą częśd .
Języki graficzne
Język LD (ang. Ladder Diagram – Schemat drabinkowy), podobny do stykowych obwodów
przekaźnikowych, w którym oprócz symboli styków, cewek i połączeo między nimi, dopuszcza się także
użycie funkcji (np. arytmetycznych, logicznych, porównao, relacji) oraz bloków funkcjonalnych (np.
przerzutniki, czasomierze, liczniki).
Język FBD (ang. Function Block Diagram – Funkcjonalny schemat blokowy), będący odpowiednikiem
schematu przepływu sygnału dla obwodów logicznych przedstawionych w formie połączonych bramek
logicznych oraz funkcji i bloków funkcjonalnych, takich jak w języku LD.
Języki tekstowe
Język IL (ang. Instruction List – Lista rozkazów), będący odpowiednikiem języka typu asembler, którego
zbiór instrukcji obejmuje operacje logiczne, arytmetyczne, operacje relacji, jak również funkcje
przerzutników, czasomierzy, liczników itp.
Język ST (ang. Structured Text – Tekst strukturalny), który jest odpowiednikiem języka algorytmicznego
wysokiego poziomu, zawierającego struktury programowe i polecenia podobne do występujących w
językach typu PASCAL lub C.
Języki niezdefiniowane w normie IEC 61131
Język C
74

39. Determinizm czasowy w przemysłowych sieciach informatycznych. Sieci
spełniające i nie spełniające ten postulat
Determinizm czasowy w funkcjonowaniu obiektu definiuje się jako zgodne z działaniem deterministycznym
reakcje obiektu na zdarzenia, w określonym i skooczonym czasie. Dodatkowo proponuje się rozróżnienie
determinizmu czasowego na określony ściśle (ostry) i określony granicznie (nieostry). Przy determinizmie
czasowym ściśle określonym reakcja następuje po upływie określonego czasu od zdarzenia inicjującego, natomiast
w determinizmie określonym granicznie reakcja musi nastąpid nie później niż do określonego czasu od zdarzenia
inicjującego:
determinizm określony ściśle: T OS = T G
determinizm określony granicznie: T OS ≤ T G
gdzie:
T OS – czas obsługi sieciowej zdarzenia Z,
T Z – czas wystąpienia inicjującego zdarzenia Z,
T G – czas graniczny obsługi zdarzenia Z.
Rys. 39.1. Determinizm określony w dopuszczalnych granicach
gdzie:
T R – czas reakcji na zdarzenie Z (np. czas uzyskania dostępu do łącza),
T O – czas obsługi zdarzenia Z (np. czas realizacji transmisji).
Determinizm czasowy w przemysłowych sieciach informatycznych
Podstawową cechą, jaką powinna się charakteryzowad komputerowa sied przemysłowa jest
determinizm czasowy przekazywania danych. Cechę taką posiadają tylko te sieci, w których czas obsługi
pakietu w węźle sieciowym jest skooczony i określony w sposób ścisły lub w przedziale, a co za tym idzie
czas dostępu do danych jest również skooczony i określony ściśle lub w przedziale *32+. Cecha
determinizmu nie wymaga, aby przekazywanie między węzłami było niezawodne. Istotny jest tylko fakt,
aby przy poprawnej pracy sieci czas dostępu do informacji był obarczony krytycznym czasem
granicznym. Przez poprawną pracę sieci rozumie się pracę, podczas której nie występują stany
uznawane przez definicję sieci jako awaryjne, zarówno ze strony fizycznej jak i logicznej. Istnienie
mechanizmu gwarantującego realizację zdeterminowanych w czasie wymian jest podstawą do
określenia pracy protokołu w czasie rzeczywistym.
Istnieją trzy modele opisujące sposób wymiany danych pomiędzy węzłami na bazie których można
zbudowad sieci umożliwiające obsługę transmisji informacji z wykorzystaniem tej cechy. Są to:
Master-Slave,
Token,
PDC.
75

Wszystkie sieci spełniające wymóg determinizmu czasowego bazują na jednym z powyższych modeli,
stanowią ich hybrydę lub uproszczenie. Poniżej skrótowo scharakteryzowano te modele.
Model Master – Slave bazuje na przesyłaniu informacji pomiędzy dwoma rodzajami stacji. Stacją
Master i stacjami Slave. Stacja Master jest abonentem zarządzającym ruchem w sieci.
Przechowuje on scenariusz wymian i według niego realizuje transmisję danych do abonentów
Slave. Wszystkie transakcje są inicjowane przez abonenta Master i wszystkie dane użyteczne
przesyłane od abonenta do abonenta przez nią przechodzą, na zasadzie redystrybucji.
Model Token opiera się na przesyłaniu informacji pomiędzy równorzędnymi stacjami, z których
okresowo każda staje się uprzywilejowana, przez pozyskanie żetonu. Żeton jest specjalnym
rodzajem informacji, która krąży w sieci o jednego abonenta do drugiego. Stacja, która odczyta
żeton ma prawo przez określony czas realizowad zapisy. Jednak po upływie tego czasu musi
bezwzględnie przekazad żeton do następnej stacji.
Model PDC bazuje na przesyłaniu informacji pomiędzy trzema rodzajami abonentów. Abonenci
dzielą się na producentów, konsumentów i dystrybutorów informacji. Dystrybutor przechowuje
scenariusz wymian i według niego określa, kiedy jaka informacji ma byd obsłużona przez sied.
Dystrybutor w przeciwieostwie do stacji Master nie inicjuje transmisji danych użytecznych ani ich
nie retransmituje. Określa jedynie, kiedy producent danej informacji ma zrealizowad zapis
rozgłoszeniowy w sieci.
Sieci spełniające i nie spełniające ten postulat
Spełniające postulat determinizmu czasowego
Nie spełniające postulatu determinizmu czasowego
PROFIBUS DP Ethernet TCP/IP
PROFIBUS PA Telefonia komórkowa
MODBUS
Ethernet przemysłowy
GENIUS
CAN
Źródła:
PIOTR GAJ , ZASTOSOWANIE PROTOKOŁU TCP/IP DO TRANSMISJI INFORMACJI DLA POTRZEB PRZEMYSŁOWYCH
SYSTEMÓW KONTROLNO-NADZORCZYCH (ZRODLA/39/pracadoktorska.pdf, strony: 14, 21)
(ZRODLA/39/Przemysłowe Sieci Informatyczne - CAN.pdf)
(ZRODLA/39/W05_W06_PSI_SCR.pdf, strony: 16, 17)
(ZRODLA/39/W07_PSI.pdf)
(ZRODLA/39/W09_PSI.pdf)
(ZRODLA/39/instrukcja_siec_genius_v1.pdf)
http://elektronikab2b.pl/technika/10304-ethernet-zdobywa-sieci-przemysowe
76

40. Podstawowe rodzaje obciążeń i ich wpływ na prace układu napędowego
40.1. Momenty (obciążenia) czynne
Występują w mechanizmach z magazynami energii potencjalnej, takich jak ciężar na pochyłości lub ciężar
zawieszony na linie. Momenty te mogą nadad układowi przyspieszenie (np. praca wciągarki - zamiana energii
dostarczanej przez silnik na energię potencjalną zawieszonego ciężaru).
a) Moment obciążenia stały, niezależny od prędkości
– np. winda
b) Moment obciążenia liniowo zależny od prędkości -
tzw. prądnicowy
c) Moment zależny od prędkości w kwadracie, tzw.
wentylatorowy
d) Moment hiperbolicznie zależny od prędkości -
przewijarkowy
77

40.2. Momenty (obciążenia) bierne
Do grupy momentów biernych zaliczamy te, które są zawsze momentami oporowymi nie mogącymi nadad
układowi przyspieszenia od zerowej prędkości (np. tarcie, opory powietrza).
Źródło: wykład ANiS – „2 – statyka”
78

41. Przekształtniki napięcia przemiennego na napięcie stałe - typy, praca
prostownika sterowanego
Prostownikami są nazywane układy energoelektroniczne, służące do przekształcania napięd
przemiennych w napięcia stałe (jednokierunkowe). Z reguły są zasilane napięciami sinusoidalnymi jednolub
trójfazowymi.
Przebieg czasowy napięcia wyjściowego jednokierunkowego, zwanego napięciem wyprostowanym składa się z
odpowiednich wycinków napięd sinusoidalnych zasilających prostownik. Od liczby impulsów p napięcia i prądu
wyprostowanego przypadającej na okres napięcia przemiennego linii zasilającej prostownik wywodzą się nazwy
prostowników. Na przykład prostownik, którego napięcie wyprostowane zawiera w okresie napięcia linii
zasilającej trzy impulsy (p=3) jest nazywany prostownikiem trójpulsowym.
W prostownikach sterowanych zasilające napięcia przemienne są doprowadzane w ściśle określonych
przedziałach czasu, do odbiornika prądu stałego, poprzez tyrystory. Sterując fazowo tyrystory uzyskuje się
bezstopniową regulację napięcia i prądu wyprostowanego. W zależności od wartości kąta załączania tyrystorów
oraz od rodzaju odbiornika prostowniki sterowane mogą przekazywad energię w kierunku od linii zasilającej do
odbiornika (stan pracy prostownikowej), lub w kierunku przeciwnym (stan pracy falownikowej). Ze względu na
sposób wyłączania elementów (tyrystorów) ta grupa układowa bardzo często nazywana jest przetwornikami o
komutacji sieciowej (line commutated converters).
Rys. 41.1. Praca prostownika (a) I falownika (b)
Na rysunku 41.1 przedstawione są schematy blokowe przekształtnika o komutacji sieciowej, znajdującego się w
stanie pracy prostownikowej i falownikowej. Można zauważyd, że zmiana kierunku przepływu energii elektrycznej
E e następuje w wyniku zmiany znaku napięcia wyprostowanego U d , przy zachowaniu tego samego kierunku
przepływu prądu wyprostowanego i d .
Układy prostownikowe można podzielid na:
sterowane (z tyrystorami SCR) ,
niesterowane (diodowe).
W obydwu powyższych grupach można dokonad podziału uwzględniającego sposób zasilania topologię układu:
jednofazowe (jedno i dwupulsowe)
trójfazowe (trójpulsowe, sześciopulsowe, wielopulsowe)
PROSTOWNIKI JEDNOPULSOWE
Rys. 41.2. Schemat prostownika jednopulsowego
Załączenie tyrystora jest możliwe tylko w przypadku
jego dodatniej polaryzacji tzn. W zakresie kątów
załączenia 0 < θ z < π . W przypadku obciążenia typu R
na wyjściu układu prostownikowego pojawiają się
tylko dodatnie wycinki sinusoidy. Natomiast w
przypadku obciążenia typu RL napięcie wyjściowe
zawiera również składową ujemną, co powoduje
zmniejszenie wartości średniej napięcia
wyprostowanego. Aby wyeliminowad to zjawisko
stosuje się układ, w którym dodano tzw. „diodę
zerową”.
79

PROSTOWNIKI DWUPULSOWE
Rys. 41.3. Prostownik jednofazowy , dwupulsowy : a)
mostkowy, b) dwuelementowy
Na rys. 41.3. pokazano dwie możliwe konfiguracje
prostowników dwupulsowych. Układ z rys. 41.3a.
składa się z typowego jednofazowego,
dwuuzwojeniowego transformatora i czterech
tyrystorów w układzie mostkowym. W tej wersji
możliwe jest również zastosowanie dwu tyrystorów i
dwu diod. Natomiast układ z rys. 41.3b wymaga
zastosowania dwu tyrystorów oraz jednofazowego
transformatora trójuzwojeniowego.
PROSTOWNIKI TRÓJPULSOWE
Efekt prostowania trójpulsowego uzyskuje się się w
układzie przedstawionym na rys. 41.4. Składa się on z
transformatora trójfazowego z dostępnym punktem
neutralnym oraz trzech tyrystorów połączonych w
układ gwiazdowy. Stąd bardzo często jest on
nazywany prostownikiem gwiazdowym.
Rys. 41.4. Prostownik trójpulsowy (gwiazdowy)
PROSTOWNIKI SZEŚCIOPULSOWE
Schemat układu prostownika sześciopulsowego
przedstawiono na rys. 41.5. Składa się on z
transformatora trójfazowego o dowolnej konfiguracji
uzwojeo pierwotnych i wtórnych (gwiazda, trójkąt,
zygzak) , oraz sześciu tyrystorów w połączeniu
mostkowym. Stąd często jest używana nazwa
prostownika mostkowego.
Rys. 41.5 Prostownik sześciopulsowy (mostkowy)
WYKRESY:
Rys. 41.6. Przebiegi napięd, prądu i impulsu sterującego
w prostowniku jednopulsowym dla obciążenia typu R
Rys.41.7. Przebiegi napięd, prądu i impulsu
sterującego w prostowniku jednofazowym,
dwupulsowym dla obciążenia typu R
Źródło: (ZRODLA/41/podstawy_energoelektroniki.pdf)
80

42. Przekształtniki napięcia stałego na napięcie przemienne – topologia
falownika napięcia, sterowanie PWM
Falownikami nazywamy urządzenia energoelektroniczne, których zadaniem jest przetwarzanie prądów i
napięd stałych (DC) na przemienne (AC). Stosowane są głównie do zasilania regulowanych napędów
elektrycznych (ASD), zasilaczy bezprzerwowych (UPS), statycznych kompensatorów mocy biernej (SVC),
filtrów aktywnych (AF), elastycznych systemów przesyłu energii (FACTS).
Ze względu na ilośd faz napięcia wyjściowego falowniki dzielimy na:
falowniki jednofazowe,
falowniki trójfazowe,
falowniki wielofazowe o dowolnej ilości faz (specjalnego przeznaczenia).
W każdej z tych grup układowych możemy rozróżnid:
falowniki napięciowe,
falowniki prądowe.
FALOWNIKI NAPIĘCIOWE (VSI)
W tego typu falownikach źródłem energii wejściowej jest naładowany kondensator (E = CU2/2). Dzięki temu
napięcie wyjściowe jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a prąd wyjściowy dla
obciążenia typu RL ma kształt quasisinusoidalny. W tego rodzaju falownikach podstawowymi przyrządami
energoelektronicznymi są elementy w pełni sterowalne. Falowniki napięciowe są obecnie najczęściej stosowanymi
układami energoelektronicznymi.
FALOWNIKI PRĄDOWE (CSI)
W tym przypadku źródłem energii wejściowej jest dławik z płynącym prądem (E = LI2/2). Dlatego też prąd
wyjściowy jest ciągiem impulsów prostokątnych o regulowanej szerokości, a napięcie wyjściowe dla obciążenia
rezystancyjno – indukcyjnego jest quasisinusoidalne. W falownikach prądowych można stosowad zarówno
tyrystory SCR jak i elementy w pełni sterowalne. Zastosowanie tych falowników jest stosunkowo wąskie.
Obejmuje bowiem tylko pewną grupę napędów elektrycznych średniej mocy. Dlatego też nie będą one
przedmiotem bardziej szczegółowego opisu.
ZASADA MODULACJI SZEROKOŚCI IMPULSU (Pulse Width Modulation)
Rys. 42.1. Uproszczony schemat układu modulacji szerokości
impulsu
We współczesnych falownikach napięciowych
najczęściej stosowanym sposobem
kształtowania przebiegów wyjściowych jest
metoda modulacji szerokości impulsów. Istnieje
kilka odmian tej metody. Poniżej będzie
przedstawiona w sposób uproszczony
najprostsza z nich. Do węzła sumacyjnego (Rys.
42.1) są podawane dwa sygnały o regulowanej
częstotliwości : sinusoidalny i trójkątny. W
momentach zrównywania się tych dwu
sygnałów następuje przełączanie klucza „S”.
81

W rezultacie na obciążeniu RL pojawia się napięcie w
postaci znako-zmiennego ciągu impulsów
prostokątnych o zmiennej szerokości (rys. 42.2).
Częstotliwośd podstawowej harmonicznej napięcia i
prądu obciążenia odpowiada częstotliwości
sinusoidalnego sygnału sterującego. Natomiast
częstotliwośd trójkątnego sygnału sterującego
decyduje o częstotliwości przełączeo klucza „S”. Dośd
łatwo można wykazad, że im ta częstotliwośd jest
większa, tym kształt prądu obciążenia jest bliższy
idealnemu przebiegowi sinusoidalnemu.
Rys. 42.2. Przebiegi sygnałów sterujących, napięcia
wyjściowego i podstawowej harmonicznej
RODZAJE FALOWNIKÓW NAPIĘCIOWYCH
W ostatnich latach bardzo wielu producentów oferuje ogromną gamę urządzeo energoelektronicznych zasilanych
z jedno lub trójfazowej sieci prądu przemiennego, których wielkościami wyjściowymi jest napięcie i prąd
przemienny o regulowanej amplitudzie i częstotliwości. W handlowym języku nazywane są one falownikami.
Urządzenia te w rzeczywistości są kaskadowym połączeniem kilku różnych układów energoelektronicznych.
a) Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy
42.4. Falownik dwustopniowy (AC/DC/AC) z modulacją amplitudy
Rys.
Układ z rys. 42.4 jest kaskadowym połączeniem tyrystorowego prostownika sterowanego i falownika właściwego
(autonomicznego). W układach sterowania i zasilania napędu indukcyjnego należy zapewnid stałośd stosunku
skutecznej wartości napięcia do częstotliwości (U/f = const.). Aby to osiągnąd, należy mied możliwości regulacji
zarówno częstotliwości jak i amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia wyjściowego. Regulacja amplitudy
odbywa się w prostowniku tyrystorowym, natomiast regulacja częstotliwości w falowniku. Metoda regulacji jest
stosunkowo prosta. Opiera się na metodzie modulacji amplitudy (PAM). Wadami tego układu jest pobór mocy
biernej przez sterowany prostownik tyrystorowy oraz duża zawartośd harmonicznych w prądzie silnika.
b) Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacją amplitudy
42.5. Falownik trójstopniowy (AC/DC/DC/AC) z modulacją amplitudy
Rys.
Powyższy rysunek przedstawia z kolei układ falownika trójstopniowego składającego się z niesterowanego
prostownika diodowego, przetwornika typu DC/DC (chopper) oraz falownika właściwego. Metoda sterowania jest
taka sama jak w poprzednim przypadku (PAM). W tym układzie uniknięto poboru mocy biernej, lecz wadami są:
większa złożonośd struktury oraz tak jak i poprzednio duża zawartośd harmonicznych w prądzie silnika.
Źródło: (ZRODLA/41/podstawy_energoelektroniki.pdf)
82

43. Pamięci półprzewodnikowe w technice mikroprocesorowej - rodzaje,
charakterystyka, zastosowania
Pamięć RAM
Pamięd RAM jest pamięcią operacyjną o dostępie bezpośrednim.
W pamięci RAM można zapisywad i odczytywad dane. Jest to
jednak pamięd ulotna, gdyż w momencie odcięcia zasilania
wszelkie informacje zostają utracone. Pamięd ta musi byd
odświeżana by mogła przechowywad dane. RAM jest stosowana
w komputerach osobistych, gdyż umożliwia szybką wymianę
danych, a jej czas dostępu jest krótki.
Cechy pamięci RAM:
pojemnośd,
możliwośd otwierania wielu programów na raz,
czas dostępu,
duża stabilnośd i szybkośd działania komputera.
Typy pamięci:
Ulotnośd,
o dynamiczna RAM,
o statyczna ROM,
Miejsce w konstrukcji komputera,
o pamięd robocza – RAM,
o pamięd podręczna – cache,
o pamięd zewnętrzna – masowa,
Zapis / Odczyt,
o tylko do odczytu,
o jednokrotnego zapisu,
o wielokrotnego zapisu,
Rodzaj dostępu,
o pamięd o dostępie swobodnym,
o pamięd o dostępie szeregowym,
Pamięć statyczna ROM
Pamięd ROM to pamięd statyczna, używana najczęściej w komputerach osobistych. Pamięd ta zawiera jedynie
niezbędne programy systemu operacyjnego, potrzebne do odczytywania danych. ROM nie może byd
modyfikowana. Jest to pamięd stała, w momencie odcięcia zasilania nie traci danych. Na dysku stałym zapisany
jest program pozwalający na wykonanie podstawowych funkcji oraz program inicjujący. Pamięd ROM działa
wolniej od RAM. Pamięd ROM jednak posiada około 300-100 KB i mogą zawierad nawet cały system operacyjny.
Pamięd ROM nie są ulotne, możliwe jest, więc w nich przechowywanie kluczowe informacji jak na przykład BIOS-u
(programu uruchamianego automatycznie przy włączaniu komputera.
Pamięd ROM można podzielid na:
EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) – jest pamięcią stałą, która umożliwia kasowanie
danych za pomocą ładunków elektrycznych. Jest to kasowalna pamięd tylko do odczytu – to rodzaj nieulotnej
pamięci typu ROM zawartej w układzie scalonym, który może byd programowany i przeprogramowywany za
pomocą specjalnego urządzenia elektronicznego tzw. programatora. Mikroukłady EPROM umieszczane są w
przeźroczystej obudowie, tak aby jej zawartośd mogła byd kasowana poprzez naświetlanie promieniami
ultrafioletu. Mikroukłady EPROM są najczęściej stosowane do przechowywania danych
EEPROM (Electrically EPROM) – jest to elektrycznie kasowalna i programowalna pamięd tylko do odczytu -
rodzaj stałej pamięci której zawartośd można wymazad i ponownie zaprogramowad przez przyłożenie napięcia
elektrycznego do układów pamięciowych, a następnie wpisanie w nie nowych instrukcji.
Pamięć typu FLASH
To rodzaj pamięci EEPROM, umożliwia zapisywanie i czyszczenie wielu komórek pamięci na raz. Normalne pamięci
EEPROM pozwalają zapisywad naraz tylko jedną komórkę, przez co komputer działa wolniej. Wszystkie typy
pamięci Flash zużywają się po pewnej ilości zapisao i wyczyszczeo. Są dwie formy pamięci Flash: NOR i NAND.
Pamięd NOR ma długi czas zapisu i czyszczenia, ale posiada pełny interfejs adresowania i dostępu do danych, co
pozwala na szybki dostęp do dowolnego miejsca w pamięci. Jest przez to dobra do przechowywania programów,
które nie wymagają częstej aktualizacji, na przykład w aparatach cyfrowych i notatnikach elektronicznych.
Wytrzymuje od 10 tysięcy do 100 tysięcy cykli zapisu. Pamięd NAND ma krótszy czas czyszczenia i zapisu, większą
gęstośd, mniejszy współczynnik koszt/bit oraz dziesięciokrotnie większą wytrzymałośd. Jednak jej interfejs
umożliwia jedynie dostęp sekwencyjny, co czyni ją lepszą w zastosowaniach typu pamięci masowej, lecz gorszą
jako pamięd komputerowa.
PAMIĘĆ PODRĘCZNA – RODZAJE
Istnieją jeszcze inne rodzaje pamięci: statyczna SRAM lub dynamiczna DRAM, oraz pamięci podręczne, które
przyśpieszają działanie procesora, gdyż jest ona szybsza od systemowej, w której przechowywane są często
wykorzystywane dane. Pamięd taką można by porównad do notatek sporządzanych z przeglądanych książek.
83

Pamięć SRAM (Statistic Random Access Memory )
To rodzaj ulotnej pamięci RAM, nie wymagającej ciągłego odświeżania przez procesor, jest szybka, przechowuje
dane do momentu odcięcia zasilania, ale ich budowa jest złożona. Jest to jednak pamięd mało pojemna, ale
zwiększa szybkośd dostępu komputera do przechowywanych w pamięci operacyjnej informacji. Układy tej pamięci
są zazwyczaj używane jako pamięd podręczna procesora i przechowują swoją zawartośd aż do momentu
wyłączenia zasilania lub zresetowania komputera, kiedy specjalny program zeruje jej wszystkie komórki. Są dwa
rodzaje układów SRAM: asynchronicznie i synchroniczne, które dostosowują się do częstotliwości zegara
procesora, są znaczne szybsze niż asynchroniczne i mogą wykonywad operacje taktowane równorzędnie z
zegarem systemowym komputera.
Pamięć DRAM (Dynamic Random Access Memory)
To rodzaj pamięci RAM, przechowująca informacje przy wykorzystaniu kondensatorów (magazynujące ładunki
elektryczne) pamięd ta wymaga odświeżania regularnego, jest, więc wolniejsza od SRAM i wykorzystuje więcej
energii. Kondensatory te po pewnym czasie tracą swój ładunek, mikroukłady DRAM muszą regularnie je ładowad
(odświeżad) za pomocą impulsu elektrycznego. Polega to na cyklicznym odczytywaniu i ponownym zapisywaniu
zawartości wszystkich komórek. Posiada jednak dużą pojemnośd i nieskomplikowaną budowę.
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) – to pamięd zsynchronizowana z taktem zegara
systemowego pamięd operacyjna typu DRAM, dzięki czemu radykalnie większa jest szybkośd transmisji danych
między pamięcią a procesorem, czas dostępu (odczytu) skrócony jest do około 10 -12 nanosekund. Pamięci
tego typu stosowane są w komputerach zarówno jako pamięd operacyjna, jak i jako pamięd kart graficznych.,
Pamięd VDRAM (Video RAM) wykorzystywana jest w kartach graficznych. Umożliwia dwukrotnie szybsze
przekazywanie danych niż DRAM i zapisuje całe bloki danych jednocześnie.
Pamięć CACHE (Cache memory)
Cache to dodatkowa pamięd, w którą wyposażone są komputery. Jest to pamięd podręczna, która znacznie
przyśpiesza wykonywanie programów. Instaluje się ją, dlatego, że pamięd RAM jest zbyt powolna dla dzisiejszych
procesorów. Cache odczytuje dane z wyprzedzeniem, co znacznie zwiększa wydajnośd komputerów. Cache stosuje
się w sterownikach dysku, jako bufory dysku. Jest to często zwykła pamięd RAM, ale znacznie szybsza niż pamięd
dyskowa. Pamięd ta używana jest do przyspieszenia dostępu do dysku twardego lub napędu optycznego CD-
ROM/DVD-ROM/DVD-RAM.
Pamięd podręczna procesora pośredniczy w wymianie danych pomiędzy rejestrami procesora, a pamięcią
operacyjną komputera (zarówno RAM jak i ROM). Dostęp do pamięci cache jest dla procesora przezroczysty, gdyż
procesor adresuje pamięd bez zmian. Dane w pamięci cache są umieszczane przez dodatkowe układy
(umieszczone na płycie głównej lub procesorze) śledzące pracę procesora i umieszczające potrzebne dane w
pamięci podręcznej.
Są trzy typy (poziomy) pamięci podręcznej procesora:
L1 - pamięd pierwszego poziomu umieszczana na procesorze. Pamięd ta z uwagi na ograniczenia
rozmiarów i mocy procesora zawsze jest najmniejsza z opisanych powodów (rozmiar i pobór mocy).
Pamięd ta umieszczona jest najbliżej głównego jądra procesora,
L2 - pamięd drugiego poziomu umieszczona na procesorze. Większego rozmiaru niż pamięd L1,
umieszczona też na procesorze, ale o trochę wolniejszym czasie dostępu,
L3 - pamięd trzeciego poziomu może byd umieszczona na płycie głównej komputera.
COMOS
Comos to również dodatkowa pamięd. Jest to ulotna pamięd, w której przechowywane są ustawienia BIOS. Aby
dane, które się w niej znajdują, nie były tracone w chwili wyłączenia komputera, ciągły dopływ prądu zapewnia jej
bateria znajdująca się na płycie głównej, to właśnie dzięki niej twój komputer zawsze wie, która jest aktualnie data
i godzina.
Źródło: (ZRODLA/43/pamiec_komputera.pdf)
84

44. Definicja systemu czasu rzeczywistego. Klasyfikacja takich systemów w
zależności od typu ograniczeń czasowych
Definicja 1
System czasu rzeczywistego to taki, w którym wynik przetwarzania nie zależy tylko i wyłącznie od jego
logicznej poprawności, ale również od czasu, w jakim został osiągnięty. Jeśli nie są spełnione
ograniczenia czasowe, mówi się, że nastąpił błąd systemu.
Definicja 2
Tryb przetwarzania w czasie rzeczywistym jest takim trybem, w którym programy przetwarzające dane
napływające z zewnątrz są zawsze gotowe, a wynik ich działania jest dostępny nie później niż po
zadanym czasie. Moment nadejścia kolejnych danych może byd losowy (asynchroniczny) lub ściśle
określony (synchroniczny).
Definicja 3
System czasu rzeczywistego jest systemem interaktywnym, który utrzymuje ciągły związek z
asynchronicznym środowiskiem, np. środowiskiem, które zmienia się bez względy na system, w sposób
niezależny.
Definicja 4
Oprogramowanie czasu rzeczywistego odnosi się do systemu lub trybu działania, w którym
przetwarzanie jest przeprowadzane na bieżąco, w czasie wystąpienia zewnętrznego zdarzenia, w celu
użycia rezultatów przetwarzania do kontrolowania lub monitorowania zewnętrznego procesu.
Definicja 5
System mikrokomputerowy działa w czasie rzeczywistym, jeżeli wypracowane przez ten system decyzje
są realizowane w tempie obsługiwanego procesu. Inaczej mówiąc, system działa w czasie rzeczywistym,
jeżeli czas reakcji systemu jest niezauważalny przez proces (decyzja jest wypracowana we właściwym
czasie).
Definicja 6
System czasu rzeczywistego odpowiada w sposób przewidywalny (w określonym czasie) na bodźce
zewnętrzne napływające w sposób nieprzewidywalny.
Rys. 44.1 System i jego otoczenie
85

Klasyfikacja systemów czasu rzeczywistego w zależności od typów ograniczeń czasowych
1. Hard RTS (ang. Hard Real-Time Systems) – system czasu rzeczywistego o twardych (ostrych) wymaganiach
czasowych,
Wymagania czasowe muszą byd dokładnie spełnione, przy czym warunek ich spełnienia może byd wyrażony jako:
wypracowanie odpowiedzi przed upływem określonego czasu (czas reakcji)
lub w postaci bardziej rygorystycznej, odpowiedź powinna byd przesłana do otoczenia dokładnie w danym
momencie czasowym (koniczna jest synchroniczna współpraca systemu z otoczeniem) .
Zadania muszą zakooczyd się prawidłowo i w określonym czasie. Przekroczenie czasu wykonania zadania
powoduje poważne, a nawet katastrofalne skutki, jak np. zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, uszkodzenie lub
zniszczenie urządzeo, przy czym nie jest istotna wielkośd przekroczenia terminu, a jedynie sam fakt jego
przekroczenia.
2. Soft RTS (ang. Soft Real-Time Systems) – system czasu rzeczywistego o miękkich (łagodnych) wymaganiach
czasowych,
Wymagania czasowe muszą byd spełnione w sensie spełnienia średniego czasu odpowiedzi. Zadania wykonywane
są tak szybko jak to możliwe, ale nie muszą zakooczyd się w określonym czasie. Przekroczenie pewnego czasu
powoduje negatywne skutki tym poważniejsze, im bardziej ten czas został przekroczony.
3. Firm RTS (ang. Firm Real-Time Systems) – system czasu rzeczywistego o solidnych wymaganiach czasowych
(kombinacja twardych oraz miękkich wymagao czasowych)
Systemy sprzętowo-programowe o solidnych wymaganiach czasowych, będących kombinacją twardych i miękkich
wymagao czasowych. W praktyce definiuje się pewien krótki czas reakcji systemu, który powinien byd spełniany
„miękko” oraz dłuższy czas reakcji systemu, który powinien byd spełniony „twardo”. Fakt przekroczenia terminu
„realizacji zadania” powoduje całkowitą nieprzydatnośd wypracowanego przez system wyniku (nie ma żadnej
korzyści), jednakże nie oznacza to zagrożenia dla ludzi lub sprzętu (nie ma żadnej groźby).
Cechy charakterystyczne systemów czasu rzeczywistego
Ciągłośd działania – system działa bez przerwy, oczekuje na bodźce z otoczenia,
Zależnośd od otoczenia – system musi byd rozpatrywany w kontekście otoczenia, jego działanie
uzależnione jest od bodźców z otoczenia,
Współbieżnośd – otaczanie systemu składa się z wielu podsystemów, które działają współbieżnie,
generując bodźce wymagające obsługi przez system – wymagana jest ich równoczesna obsługa
stąd narzuca się również współbieżna struktura systemu,
Przewidywalnośd – bodźce z otoczenia pojawiają się zazwyczaj w momentach przypadkowych, a
współbieżne wystąpienia bodźców wymaga ich jednoczesnej obsługi. Mimo współbieżnej
struktury wewnętrznej systemu, na zewnątrz system musi zachowywad się deterministycznie
(reagowad na zdarzenia według założonych wymagao).
Punktualnośd – odpowiedzi systemu (reakcje na bodźce z otoczenia) powinny byd obliczane
zgodnie z zaprojektowanymi algorytmami i dostarczane do otoczenia w odpowiednich
momentach czasowych.
Źródło: (ZRODLA/44/W02_SCR.pdf)
86

45. Algorytm RMS (Rate Monotonic Scheduling) szeregowania zadań w
systemie operacyjnym czasu rzeczywistego
Algorytm RMS (ang. Rate Monotonic Scheduling) szeregowanie uwzględniające częstośd wykonywania danego
zadania.
Założenia algorytmu RMS:
Wszystkie zadania są okresowe periodyczne (pojawiają się w regularnych odcinkach czasu) ,
Zadania nie synchronizują się miedzy sobą w trakcie współdzielenia zasobów i komunikacji ,
Procesor zawsze wykonuje zadanie o najwyższym priorytecie, które jest gotowe do pracy (powinien byd
wykorzystany system z wywłaszczaniem) ,
Procesy są planowane na podstawie statycznego priorytetu równego im krótszy okres zadania, tym
wyższy jego priorytet .
87

Źródło: (ZRODLA/45/W11_W12_SCR.pdf)
88

46. Metoda ścieżek i cięć minimalnych w analizie probabilistycznej systemów
Podzbiór P ⊂ N systemu (N,Φ) nazywamy ścieżką (ścieżką zdatności systemu), gdy przy zdatności
funkcjonalnej wszystkich elementów należących do tego podzbioru, system jest w stanie zdatności
funkcjonalnej. Ścieżkę nazywamy ścieżką minimalną, gdy nie zawiera ona żadnej innej ścieżki jako
podzbioru.
Podzbiór K ⊂ N systemu (N,Φ) nazywamy cięciem (przekrojem), gdy w następstwie niezdatności
funkcjonalnej wszystkich elementów należących do tego podzbioru, system jest niezdatny. Cięcie
nazywamy cięciem minimalnym, gdy nie zawiera ono żadnego innego cięcia jako podzbioru.
Z definicji ścieżki i cięcia wynikają ich następujące własności:
1. Cały zbiór elementów N jest ścieżką i jest cięciem.
2. Jeżeli P jest ścieżką (K jest przekrojem) i P ⊂V ⊂ N [ K ⊂V ⊂ N + to V jest ścieżką *cięciem+.
3. Dla rozważanych ścieżek *cięd+ istnieje co najmniej jedna minimalna ścieżka *jedno minimalne
cięcie+.
4. Strukturę systemu koherentnego można przedstawid za pomocą pseudostruktury utworzonej z
minimalnych ścieżek *cięd+ połączonych równolegle *szeregowo+.
5. Cięcie można otrzymad wybierając z każdej minimalnej ścieżki, po co najmniej jednym elemencie
(podobne postępowanie w celu uzyskania ścieżek na podstawie minimalnych cięd nie jest
możliwe).
89

Mając system składający się z 5 elementów:
Wyznaczamy ścieżki minimalne:
A więc ścieżki minimalne to: ,1,2,5- oraz ,3,4,5-, co ilustruje poniższa pseudostruktura:
Na podstawie pierwszego rysunku wyznaczane są cięcia minimalne, przedstawiające się następująco:
{1, 3}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4}, {5}.
Jeśli w którymkolwiek z tych zbiorów niesprawne będą wszystkie elementy, to system będzie
niesprawny.
Źródło: (ZRODLA/46/NiD 2010-11 W10 Metoda drzewa stanów niezdatności.pdf)
90

47. Określanie i weryfikacja poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa
funkcji automatyki zabezpieczeniowej
Nienaruszalnośd bezpieczeostwa – prawdopodobieostwo, że system związany z bezpieczeostwem
wykona właściwie wymagane funkcje bezpieczeostwa w określonych warunkach i w określonym
przedziale czasowym.
Nienaruszalnośd bezpieczeostwa - prawdopodobieostwo, że system związany z bezpieczeostwem
wykona w sposób zadowalający wymagane funkcje bezpieczeostwa, w określonych warunkach i w
zadanym czasie.
(Zaleca się, aby przy ustalaniu nienaruszalności bezpieczeostwa wziąd pod uwagę wszystkie przyczyny uszkodzeo
(tak przypadkowe uszkodzenia sprzętu, jak i uszkodzenia systematyczne), które prowadzą do stanu
niebezpiecznego, na przykład uszkodzenia sprzętu, uszkodzenia wprowadzane przez oprogramowanie i
uszkodzenia spowodowane zakłóceniami elektrycznymi. Niektóre z tych rodzajów uszkodzeo, w szczególności
przypadkowe uszkodzenia sprzętu, mogą zostad wyrażone ilościowo przez podanie miar, np. intensywności
uszkodzeo niebezpiecznych lub prawdopodobieostwa, że system ochronny/zabezpieczający związany z
bezpieczeostwem zawiedzie podczas pracy na przywołanie. Należy jednak pamiętad, że nienaruszalnośd
bezpieczeostwa systemu zależy także od wielu czynników, które nie mogą byd ściśle wyrażone liczbowo i mogą byd
rozpatrywane tylko jakościowo).
Poziom nienaruszalności bezpieczeostwa SIL (safety integrity level) poziom dyskretny (1, 2, 3 lub 4) do
wyszczególnienia wymagao nienaruszalności bezpieczeostwa funkcji bezpieczeostwa, które mają byd
alokowane w systemach E/E/PE związanych z bezpieczeostwem.
Poziom nienaruszalności bezpieczeostwa (SIL - safety integrity level) poziom dyskretny (jeden z
czterech możliwych) do wyszczególnienia wymagao nienaruszalności bezpieczeostwa funkcji
bezpieczeostwa, które powinny byd przypisane w systemach E/E/PE związanych z bezpieczeostwem;
poziom nienaruszalności bezpieczeostwa 4 jest poziomem najwyższym, a poziom nienaruszalności
bezpieczeostwa 1 jest poziomem najniższym.
Rys. 47.1. Określenie wymaganego poziomu SIL na podstawie grafu ryzyka
91

Weryfikacja:
Metoda jakościowa:
Metoda ilościowa:
Rys. 47.2. Metoda jakościowa oceny poziomu SIL
Rys. 47.3. Kryteria probabilistyczne do weryfikacji SIL
Rys. 47.4 Wyznaczenie PFD podsystemu
Źródło: (ZRODLA/47/*.pdf)
92

48. Otwarte standardy systemów automatyki budynku - porównanie systemów
KNX, LonWorks i BACnet
KNX – Topologia systemu opiera się na strukturze drzewa. Sied komunikacyjna jest siecią typu
peer – to – peer, w której może funkcjonowad ponad 60 000 urządzeo. Wszystkie podłączone do
magistrali urządzenia są równoprawne i sterowane w sposób zdecentralizowany.
Urządzenia można podzielid na trzy grupy:
Urządzenia podstawowe – zasilacze napięciowe, cewki sprzęgające, łączniki szyn danych,
przewody magistralne i magistralne szyny danych,
Urządzenia systemowe – sprzęgła liniowe, sprzęgła obszarowe, wzmacniacze liniowe oraz
bramki (urządzenia sprzęgające) do innych systemów,
Urządzenia użytkowe – sensory, aktory.
Komunikacja w magistrali EIB (KNX) odbywa się za pośrednictwem skrętki. Przesył danych
odbywa się po dwóch żyłach: czerwonej i czarnej. Konstrukcja kabla zapewnia wysoką ochronę
przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.
LonWorks – System został skonstruowany z myślą o wsparciu zarządzania procesami
produkcyjnymi, ale z uwagi na swe doskonałe własności znalazł zastosowanie w innych
dziedzinach, również w budownictwie. Jest systemem bardzo zaawansowanym technologicznie.
Jego technologia może wykorzystywad dowolną topologię sieciową (gwiazda, pierścieo, drzewo
lub klasyczna strukturę liniową). Cała instalacja nie musi ograniczad się do stosowania jednej
metody łączeniowej. Technologia sieci LonWorks pozwala na łączenie ze sobą różnych topologii
sieci, np. przy użyciu router-ów. System jest bardzo elastyczny i jakakolwiek modernizacja i
unowocześnienie nie wymaga jego rekonfiguracji. Wystarczy tylko usunąd bądź dodad kolejne
urządzenie zawierające w sobie unikatowy numer Neuron IN, a system sam wykryje zmianę i
zarejestruje w oprogramowaniu narzędziowym. Sied składa się z niezależnych urządzeo zwanych
węzłami, które posiadają zdolnośd komunikowania się ze sobą po wspólnym medium. 127 w
podsieci, 256 w podsieci w domenie 32285 urządzeo w domenie 248 domen w sieci.
BACnet – postał w celu utworzenia standardu w komunikacji pomiędzy urządzeniami różnych
producentów i systemów. Jest skalowany i dostarcza rozwiązao niezależnie od urządzenia i
wielkości instalacji. Odnosi się do wszystkich poziomów systemu (stacje robocze, kontrolery
sieci, routery, kontrolery wykonawcze, czujniki). Architektura systemu realizującego protokół
BACnet ma charakter hierarchiczny, trójpoziomowy. BACnet dociera bezpośrednio do każdego
poziomu systemu inteligentnego budynku. Obsługuje 6 rodzajów sieci. Często w dużych,
rozbudowanych instalacjach wykorzystywane są różne rodzaje sieci. Ponieważ wszystkie te
rodzaje sieci są zgodne ze standardem BACnet, nie występują problemy z ich integracją i
współpracą. (Ethernet, ArcNet, PTP, MS/TP,LonTalk, BACnet/IP).
(ZRODLA/”zerżnięte z forum, bo z wiki nie chciałem ;(”)
93

49. Obiekty komunikacyjne systemu KNX - typy, zasady łączenia i przykładowe
zastosowania
Obiektem komunikacyjnym nazywa się informację o określonej długości, która przypisana jest do danej
funkcji określonego urządzenia.
Poniżej przedstawione są wszystkie typy obiektów komunikacyjnych:
Switching - on/off (1bit)
Dimming - control of dimmer using up/down/stop (4bit)
Time (24bit)
Date (24bit)
Float - floating point number (16bit)
Scaling - integer from 0 to 255 (8bit)
Drive Control - control of blinds using close/open/stop (1bit)
Priority (2bit)
Float - IEEE 754 floating point number (32bit)
Counter (16bit)
Counter (32bit)
ASCII char (8bit)
Counter (8bit)
String - max 14 ASCII char (14byte)
scaling (from 0 to 100%)
angle (from 0 to 360°)
heating mode (comfort/standby/night/frost)
Obiekty komunikacyjne łączone są ze sobą za pomocą adresów grupowych. Określony aktor i sensor w
rzeczywistości nie stanowi pojedynczego elementu logicznego, lecz zawiera tzw. obiekty komunikacyjne.
Aby dana funkcja została zrealizowana do danej grupy adresowej musimy przypisad
obiekty o tej samej długości, czyli np. 4 bitowy obiekt przycisku służącego do ściemniania
lampy i 4 bitowy obiekt ściemniacza wykonującego fizycznie to ściemnianie. Ważne jest żeby przepisane
do siebie obiekty były identycznych rozmiarów. Obiekty komunikacyjne łączone w jednej grupie muszą
byd tego samego typu i rozmiaru.
ZRODLA/Czesc z forum, częśd z pdf – 49/KNX_logika.pdf – w nim nawet sporo informacji jest, które wybiegają trochę poza
treśd pytania
94

95

50. Dlaczego znalezienie dzielników modułu M w algorytmie RSA powoduje
złamanie klucza prywatnego?
WPROWADZENIE
RSA - asymetryczny algorytm kryptograficzny. Bezpieczeostwo RSA opiera się na trudności faktoryzacji
(rozkładu na czynniki) dużych liczb złożonych (tutaj N).
Moduł M, jest tym samym co moduł N, czyli tak jak mieliśmy na dwiczeniach.
Tworzenie kluczy (informacje z dwiczeo)
1. Losowo wybieramy dwie duże liczby pierwsze p i q (liczby tajne),
2. Obliczamy N = p * q,
3. Obliczamy φ(N) = (p – 1) * (q – 1),
4. Wybieramy takie e, żeby spełnione były warunki:
1 < e < φ(N)
NWD (e, φ(N)) = 1 – liczby: e, oraz φ(N) są względnie pierwsze.
5. Obliczamy d = e -1 mod φ(N)
I tak obliczyliśmy klucze dla danej osoby (np. Boba):
klucz prywatyny (d,N)
klucz publiczny (e,N)
Wysyłając do odbiorcy wiadomośd kodujemy ją jego kluczem publicznym, odbiorca dekoduje ją swoim
kluczem prywatnym, np. Ala wysyła do Boba. Zatem Ala koduje kluczem publicznym Boba. Bob –
odbiorca dekoduje swoim prywatnym.
Kodowanie:
c = m e mod N, m < N
Dekodowanie:
m = c d mod N
96

Zakładam, że znamy klucz publiczny odbiorcy (e,N)
ODPOWIEDŹ NA PYTANIE
Gdyby znalazł dzielniki liczby N czyli p i q to:
łatwo obliczę: φ(N) jako (p – 1) * (q – 1)
następnie na podstawi e i obliczonego φ(N) obliczę d (pokazano w kroku 5) czyli złamie/poznam
klucz prywatny odbiorcy (d,N)
Na szczęście faktoryzacja dużych liczb złożonych jest trudna – na tej trudności opiera się bezpieczeostwo
algorytmu RSA.
Źródło: (Podobno Ulek tak odpowiedział na wykładzie – wzięte z forum, pokładam w tym wiarę).
97

Opracowali:
Piotr Konopka
Stanisław Krawczak
Przemysław Latarski
Artur Pyszczuk
98