Program pro obsluhu stavebnice DOMINOPUTER

Pro realizaci propojení  systému Control Panel se stavebnici DOMINOPUTER byl vytvořen ovládač, který zprostředkovává přenos dat mezi fyzickým zařízením a programem vytvořeným v daném prostředí. Úkolem bylo vytvořit aplikaci, která by umožňovala základní komunikaci s jednotkou PC interface. Ta umožní využít počítač ke sběru dat z měření a řízení technologických procesů.

Úvodní obrazovka po spuštění programu v systému Control Panel (viz obr. 1)obsahuje název programu, který byl pojmenován stejně jako název stavebnice ke které byl vytvořen. Dále jsou na ploše umístěné přepínače, podle kterých si uživatel vybírá typ úlohy, s kterou chce pracovat. Po zvolení  jednoho ze čtyř přepínačů se na místo názvu programu objeví seznam konkrétních příkladů k vybrané úloze.

Obr.1. Úvodní obrazovka programu DOMINOPUTER

Uvedený program umožňuje čtyři způsoby experimentu:

Podle světlých přepínačů poznáme, že je vybrána úloha na RC obvody, kterou tvoří derivační soustava se setrvačností prvního řádu (viz obr.1).

Obr. 2. Prostředí derivační soustavy se setrvačnosti prvního řádu

Na obr. 2 je vidět příklad obrazovky v případě volby experimentu s RC obvody, která je rozdělena na dvě okna. V levém okně se pro zadané hodnoty prvků obvodu simuluje chování systému na základě znalostí z teorie řízení a analytické identifikace systémů. Skutečná změřená odezva namodelovaného systému na zvolený vstupní signál je zobrazena v pravém okně. To umožňuje ověřovat teoretické znalosti o průběhu odezev s naměřenými odezvami reálných systémů.

Popis MENU

Ukončí běžící aplikaci. Pro ukončení celého programu je nutno dvakrát kliknout na pozadí systému Control Panel a ze systémového menu vybrat položku ”Návrat do DOS”.

Po odkliknutí menu ”Měření” si můžeme zvolit počet vykreslovaných hodnot v grafu.

Umožní ukládání dat. Po stisknutí menu ”Archivace” se objeví dialogové okno, ve kterém musíme zadat číslo archivovaného souboru. Uložená data si můžeme zobrazit, popřípadě uložit na jiné místo a pod jiným názvem souboru.

Před samotnou práci je nutno se seznámit s  užíváním stavebnice a vytvořeným programem. Z tohoto důvodu byla vytvořena nápověda, ve které uživatel najde základní informace. V nápovědě je také uveden popis DIL přepínačů. Ty slouží k nastavení rozsahu výstupního napětí. Způsob ovládání přepínačů v programu byl přizpůsoben manipulaci s přepínači na A/D a D/A převodnících.

Tab.1. Rozsahy DIL přepínačů

Rozsahy [V]

DIL řepínače

Od

0

do

10V

0100

Od

0

do

5V

0110

Od

-5

do

-5V

0101

Od

-10

do

-10V

1001

Realizace úloh se stavebnici DOMINOPUTER a programovým systémem Control Panel

Počet vstupu do jednotlivých bloků byl přizpůsoben podle možností modulární stavebnice DOMINOPUTER. Na ní lze provést logický součet, logický součin, logickou negaci, negaci logického součtu a negaci logického součinu.

Pro názornost je zde uvedena ukázka simulace negace logického součinu se čtyřmi vstupy, viz obr. 3. Každý blok při simulaci obsahuje přepínače, které aktivují jednotlivé vstupy a zároveň ukazatele zda jsou vstupy aktivní. Jestli-že ano přepíše se nula na jedna. Ukazatel výstupu pak zobrazuje výsledek simulace. Popisky na přepínačích (A0,A1,A2,A3) určuji, do kterého místa se mají zapojit jednotlivé vstupy na modulu interface. Popisek C0 pak určuje, do kterého místa se má zapojit výstup na modulu interface.


Obr.3. Simulace logického součinu znegovaného se čtyřmi vstupy

Při této realizaci byly použity tři způsoby zapojení, ideální proporcionální systém, proporcionální systém se setrvačností prvního řádu, derivační systém se setrvačností prvního řádu, jejichž schémata jsou vidět na obr. 4. Vstupní veličina je napětí U1 a výstupní napětí U2. Nejdřív je nutno zadat vstupní napětí (U1) v  rozsahu určeném DIL přepínači (viz tab.1). Při simulaci je nutno zadat parametry (odporu a kondenzátoru) ovlivňující vykreslení přechodové charakteristiky, na rozdíl od měření, kde tyto elektronické součásti zapojíme přímo do obvodu s ohledem na jejich hodnotu. Výsledek číslicové simulace chování proporcionálního systému se setrvačností prvního řádu je vidět na obr. 5.

a.)b.)c.)

Obr. 4. Vybrané RC – obvody
a.) ideální proporcionální člen, b.) proporcionální člen se setrvačností prvního řádu, c.) derivační systém se setrvačností prvního řádu

Obr. 5. Příklad proporcionální soustavy se setrvačností prvního řádu

Vykreslování přechodových charakteristik u obvodu s operačními zesilovači bylo obohaceno o možnost volby rozsahu do záporných hodnot. Realizace v systému Control panel je provedena u integrátoru, invertoru a derivačního článku, viz obr. 6. Na obr. 7 je uveden příklad simulace invertoru se vstupním napětí 5V. Rozsah je určen DIL přepínači od -10V do 10V. Hodnoty odporu ovlivňující výstupní zesílení mají stejnou hodnotu. To znamená, že graf skokové změny vstupního napětí má stejný průběh jako graf výstupního napěti, ale při skokové změně nabývá opačné hodnoty. Z vykreslených hodnot lze pozorovat, že skoková změna není kolmice. Tento problém je způsoben aproximaci, kterou provádí samotný zobrazovač systému Control Panel.

a.)

b.)

c.)

Obr. 6. Vybrané zapojení operačních zesilovačů
a.) invertor, b.) ideální integrační systém, c.) ideální derivační systém

Obr. 7. Příklad přechodové charakteristiky invertoru

V systému Control Panel je přímo číslicový regulátor, který podle dvou vstupních numerických výrazů (žádaná a regulovaná hodnota) vypočítá akční zásah (výstup). Má tři způsoby výpočtu akčního zásahu, které lze volit i během samotné regulace. My jsme si vybrali adaptivní PID regulátor 2. řádu (quick). Konstanty kR,TD, TI, se počítají v každém regulačním kroku podle aktuálního stavu regulované soustavy a lze je měnit i za běhu aplikace. Tato modifikace zaručí nejrychlejší dosažení žádané hodnoty. Na obr. 8 je vidět průběh regulované a akční veličiny pro řízení pomocí PID regulátoru, který je realizovaný v programu Control Panel. Regulovaná soustava je proporcionální se setrvačností druhého řádu, která je realizovaná pomocí elektronické stavebnice DOMINOPUTER.

Obr. 8. Průběh regulované a akční veličiny pro PID regulátor realizovaný v Control Panelu

Další modifikací laboratorní úlohy je využití PID regulátoru realizovaným v Control Panelu pro řízení laboratorního modelu. Na obr. 9 je vidět průběh regulované a akční veličiny pro řízení otáček ventilátoru teplovzdušného agregátu.

Obr. 9. Průběh regulace teplovzdušného agregátu pomocí PID regulátoru realizovaný v Control Panelu

Další možností ověření konvenčních regulátorů je jejich realizace pomocí elektronické stavebnice DOMINIPUTER buď pomocí RC obvodů nebo operačních zesilovačů. Příklad realizace PID regulátoru pomocí operačních zesilovačů je vidět na obr. 10.

Obr. 10. Schéma zapojení PID regulátoru