Dvoupolohová regulace
Cílem úlohy je seznámit se s realizací sekvenčních logických úloh s využitím hradel a následné ověření funkčnosti navrženého obvodu.
Zadání
- Seznamte se se stavebnicí RCdidactic a s komponenty určenými pro realizaci logických úloh.
- Proveďte návrh logického obvodu pro algoritmus dvouhodnotové regulace s hysterezí.
- Daný logický obvod realizujte a ověřte funkčnost obvodu dle pravdivostní tabulky s využitím generátoru a indikátoru logického signálu.
- Zhodnoťte výsledky. Vyjádřete se k volbě typu a počtu hradel, typu navrženého obvodu, apod.
Schéma zapojení
Obr. 1 Blokové schéma zapojení úlohy
Teoretický rozbor
V případě dvoupolohové regulace se jedná o algoritmus s hysterezí, což zajišťuje delší životnost akčních a spínacích členů na úkor kvality regulace (širší pásmo pracovní oblasti regulované veličiny). V principu jde o algoritmus, který hlídá regulovanou veličinu mezi mezními hodnotami (hystereze). Příkladem může být hlídání výšky hladiny oleje, vody nebo hlídání teploty v mezích.
Obr. 2 Průběh dvoupolohové regulace
Dvoupolohová regulace vede na logickou úlohu. Ta může být realizována pomocí logických hradel (obvodovými prvky). Řešení vede na sekvenční logickou úlohu, protože z důvodu použití hystereze je nutné pro algoritmus řízení, zapamatovat si stav akčního zásahu z předcházejícího kroku. Řešení této logické úlohy je realizováno ve standardních krocích:
· analýza slovního zadání,
· definice počtu vstupů, výstupů a paměťových proměnných,
· sestavení pravdivostní tabulky dle slovního zadání,
· minimalizace výrazu,
· realizace pomocí hradel (spínačů, obvodových prvků, …),
· výkonové zesílení akčního členu.
Z analýzy slovního zadání je zřejmé, že vstupem je informace o stavu například aktuální hodnoty hladiny ve formě dvou diskrétních hodnot max. a min. Výstupní veličina je stav akčního zásahu y (zapnuto/vypnuto). Stav této proměnné je nutné uchovávat (paměť) pro generování signálu pro následující krok (důvodem je hystereze).
Aplikace pracuje s proměnnými typu boolean, které nabývají hodnot true nebo false. Úloha pracuje s výroky, což je tvrzení, o kterém můžeme říci, že je pravdivé nebo není (true x false). Z těchto výroků lze sestavit tabulku stavů a následně provést minimalizaci výrazu.
Obr. 3 Pravdivostní tabulka a Karnaughova mapa
Pro minimalizaci pomocí Karnaughovy mapy potřebujeme provést výpis podle jedniček nebo podle nul. Mapa je sestavena tak, aby mezi jednotlivými hraničními kombinacemi proměnných se měnila jen jedna proměnná. V případě spojení dvou, čtyř, osmi, … jedniček (nul) můžeme jednu, dvě, tři, … proměnné, které nabývají různých hodnot (ve spojení), vypustit. Pokud budeme vypisovat podle jedniček, pak se bude jednat o součet součinů. (negace je vyjádřena „not“).
Výstup = Výraz 1+ Výraz2
Výstup = (Min. * not(Max.)) + (not(Max.) * Výstup (n-1))
Výstup = not(Max.) * (Min. + Výstup (n-1)).
Výstupem je pak zapojení pomocí hradel realizující algoritmus řízení dvoupolohové regulace. Na výstup z obvodu je třeba připojit výkonový člen, který může spínat akční člen s vyšším zatížením.
Obr. 4 Zapojení výsledné funkce pomocí hradel
V technické praxi se s využitím zákonu dvojité negace a De Morganových zákonů převádí funkce na realizaci pomoci jednoho typu hradel např. NAND. Přepíšeme si pravdivostní tabulku úlohy.
Tab. 1 Pravdivostní tabulka sekvenčního obvodu
Obr. 5 Karnaughova mapa
Postup převodu na hradla NAND pro výpis podle log. I vypadá takto.
Obr. 6 Realizace pomocí hradel NAND
Jak již bylo řečeno, logické úlohy pracují s logickými signály, které nabývají pouze diskrétních hodnot log. I, log. 0 (true, false). Informaci např. o aktuální teplotě získáváme z teploměru, jehož výstupem může být spojitý signál -40 ÷ 150 ⁰C (pt 100, NTC, PTC). Z této hodnoty musíme vygenerovat logické úrovně, definovat hranice hysterezí. K tomu lze využít zapojení na následujícím obrázku, které s využitím komparátorů, převádí analogový signál na diskrétní výstupy. Ty lze pak připojit jako vstupy do realizované logické úlohy (logického obvodu).
Obr. 7 Simulace dvou hodnotové regulace
Rezistor R11 slouží jako generátor signálu ze snímače např. snímače teploty. Diody D1 a D2 slouží k omezení napětí při záporné saturaci komparátoru. Diskrétní signály max. a min. jsou generovány na rezistorech R13 a R9.
Samozřejmě je možno využít pro dvoupolohové řízení také řídicí systém na bázi PLC. Pak můžeme přepsat schéma pomocí jednoho z programovacích jazyků PLC.
Postup měření
Postup měření lze rozdělit do několika bodů.
- Proveďte analýzu dvoupolohové regulace a navrhněte, s využitím pravdivostní tabulky … následné minimalizace, zapojení sekvenčního logického obvodu.
- Realizujte návrh dvouhodnotové regulace s vybraným typem hradel.
- Realizujte obvod pro generování vstupních signálů (max. min.), ze spojitého signálu. Tyto signály (max., min.) použijte jako vstupy pro vámi navržený sekvenční obvod.
- Ověřte funkčnost Vámi navrženého obvodu.
- V závěru zhodnoťte měření a výsledky.
Kontrolní otázky
- Jaký je postup při řešení logických úloh?
- Jaké základní typy logických úloh znáte a v čem se liší?
- Proč se využívají pro realizaci logických obvodů hradla jednoho typu?
- Co jsou De Morganovy zákony?
- Co je to Karnaughova mapa?