D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a1
Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru
Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive
Seminar
Instrumentaţie Asistată de Calculator
© Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2001
Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru
Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive
Seminar
© Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2003
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a2
Obiectivele Seminarului
• Din partea moderatorului
• Introducere la seminar (1)
• Introducere in paradigma informaţiei (2)
• Conducerea proceselor cu calculatorul (3)
• Măsurători şi acţiuni asistate de calculator (4)
• Sisteme avansate de control a proceselor (5)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a3
Din partea moderatorului
• Prezentul şir de expuneri nu este nici conferinţă nici curs.
• Preferăm denumirea de “seminar” deoarece dorim ca demersul nostru sa fie interactiv, dialogal, nu discursiv.
• Suntem reprezentaţii mai multor discipline care caută interdisciplinaritatea
• Seminarul este dedicat transmiterii unor cunoştinţe de bază dinspre Teoria şi Tehnologia Informaţiei
• “Conferenţiarul” se doreşte a fi “Moderatorul” acestui transfer.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a4
Introducere la seminar
(1)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a5
Introducere
• Intenţia
• General vs. Particular
• O sinteză interdisciplinară
• Mulţumiri
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a6
Intenţia
• Seminarul se adresează specialiştilor din domeniul selecţiei, antrenării, evaluării şi recuperării sportivilor (şi nu numai!)
• Introducerea conceptelor legate de Instrumentaţia Asistată de Calculator (IAC)– introducerea conceptului de reacţie informaţională în
sistemul “Fiinţă Umană”;
– sistemul de calcul ca instrument de măsură şi control;
– achiziţionarea şi prelucrarea semnalelor;
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a7
General vs. Particular
• General:– Instrumentaţia Asistată de Calulator (multe domenii de
aplicaţie în industrie, ştiinţe experimentale, medicină, etc.)
• Particular:– Abordarea informaţională în studiul abilităţilor umane,
psihologie, antrenament, recuperare;
– Introducerea IAC în “buclă de reacţie” cu subiectul uman;
– Sportul şi domeniile conexe ca beneficiar al conceptului de “reacţie informaţională”.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a8
O sinteză interdisciplinară
Stiinţele Omului Stiinţe Tehnice
AntropologieTehnologia Informaţiei
INFORMAŢIE
Sinteză
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a9
Mulţumiri
• Moderatorul este în mod deosebit recunoscător şi aduce pe această cale mulţumiri Domnilor Ilie Stupineanu, Pierre Joseph de Hillerin şi Alexandru Schor pentru colaborarea extinsă pe mai mulţi ani şi pentru discuţiile incitante care au dus la cristalizarea unei concepţii integratoare si interdisciplinare.
• Moderatorul aminteşte cu pietate memoria Domnului Profesor Paul Constantinescu care a contribuit decisiv la formarea gândirii noastre în paradigmă sistemică.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a10
Mulţumiri
• Compania Donna Maria srl multumeşte Companiei InterNet srl, reprezentantul Keithley în România, care, prin Domnul Director Dragos Ofrim, a autorizat cu amabilitate utilizarea unor materiale grafice necesare prezentului seminar
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a11
Introducere în paradigma informaţiei
(2)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a12
Informaţia
• Ce este informaţia?
• Dar ce este informatica?
• Ce are informaţia şi informatica cu sportul
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a13
Ce este informaţia?
• Din perspectiva istoriei spiritului vom constata:– intuiţia existenţei unei valori imateriale. Aristotel:
întregul > suma părţilor;– într-un sistem constituit funcţional există “ceva” care
“face” funcţionarea lui;
• Sinergie!?– "sinergie" + componentele sistemului =
sistem funcţional cu calitate proprie
• Organizare!?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a14
Ce este informaţia?
• Odată cu Shannon, la mijlocul secolului XX apare teoria informaţiei care introduce precizări:– definiţia informaţiei: organizare
– măsura informaţiei: inversul entropiei
– unitatea de informaţie: BIT-ul
• Astăzi s-a renunţat la definiţie. Informaţia este o categorie filozofică în sens kantian. Nu poate fi definită. Nu are gen proxim.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a15
Ce este informaţia?• Intuitiv, prin confuzie de termeni, se mai acceptă
formularea informaţie = organizare
• In fapt, măsura informaţiei = măsura organizării care este inversul entropiei (unui sistem)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a16
Ce este informaţia?
• Reluând exemplul cu imaginile, constatăm că şi imaginea haotică conţine o informaţie: aceea că ea nu reprezintă nimic.
• Informaţia elementară: ceva este, sau nu este. Această informaţie a fost adoptată ca unitate, “BIT” care poate fi asociat cu orice variabilă care ia numai două valori:– în aritmetica booleană (binară) -> “1” şi “0”;– în logică -> “adevărat” şi “fals”;– în scheme decizionale -> “da” şi “nu”;– în circuite logice -> nivel logic 1=5V şi nivel logic 0=0V.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a17
Dar ce este informatica?
• Informaţia se vehiculează, este prelucrată, se stochează, este produsă, alterată, reconstituită, utilizată, pierdută, ….
• Pentru a face cele de mai sus se elaborează metode, algoritmi, scheme logice, limbaje, programe, ….
• Pentru prelucrarea …. informaţiei prin diferite metode …. sunt create maşini, medii, materiale ….
• Domeniile de activitate intelectuală şi tehnologică implicate în utilizarea pe scară largă a informaţiei constituie Tehnologia Informaţiei (şi Comunicaţiei) …. unii o mai numesc Informatică ….
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a18
Ce are informaţia cu sportul?
?Să discutăm ...
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a19
Cum poate fi stăpânită informaţia
• Puţină teorie
• Teoria generală clasică a sistemelor
• Formalismul clasic
• Canal informaţional
• Viziunea sistemică informaţională
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a20
Puţină teorie
• Instrumentul care ne face stăpâni pe informaţie este Teoria Informaţiei.
• Teoria Informaţiei se sprijină în mare măsură pe Teoria Sistemelor.
• Suportul concret pentru implementarea teoriilor este Tehnologia Informaţiei (şi Comunicaţiei).
• Domeniile listate mai sus sunt vaste şi marcate puternic de interdisciplinaritate, atât în sine cât şi ca suport pentru aplicaţii în activitatea practică.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a21
Teoria generală clasică a sistemelor
F’Sia Sea
F
F’
R
Sia Sea
• Sistem: o porţiune din realitatea obiectivă delimitabilă pe criterii funcţionale
• Sistemele sunt ierarhizate: sisteme de ordin inferior (subsisteme), sisteme de ordin superior
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a22
Formalismul clasic
F’ : “funcţia de transfer” a sistemului, “regula de funcţionare”F’ = F’(f’1,f’2…f’n) : proprietăţi ale sistemului (cu reacţie)
Sia : “semnal de intrare”, un “stimul” injectat de mediu, în general, este dependent de timpi1,i2…im, : proprietăţi ale mediului.
Sia = Sia (i1,i2…im,t)Sea : “semnal de ieşire”, un “răspuns” elaborat de sistem
Sea = Sea (i1,i2…im,t)Descrierea funcţională a sistemului poate fi formalizată
Sea = F < Sia >Sistemele reale prezintă o “reacţie”, care face ca un cuantum din răspunsul sistemului să fie
reinjectat la intrare, modificându-i răspunsul global.F: “funcţia de transfer fără reacţie” ; R : “factor de reacţie”
F = F(f1,f2…fn) R = R(r1,r2…rm)f1,f2…fn : proprietăţi ale sistemului (fără reacţie)r1,r2…rm : proprietăţi ale reacţieiSea = F < Sia,R < Sea > > sau Sea = F’ < Sia >F = F(F,R) sisteme staţionareF = F(F,R,t) sisteme dinamiceF = F(F,R,Sia, Sea,t) sisteme adaptive
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a23
Canal informaţional
Canal(de comunicaţie)
Emiţătorde semnal
Codi-ficator
Decodi-ficator
Receptorde semnal
Emiţătorde informaţie
Receptorde informaţie
Canal(de transmitere a informaţiei)
• Canalul de comunicaţie transmite semnale materiale, mărimi fizice cărora li se asociază o semnificaţie;
• Canalul de transmitere a informaţiei transmite semnificaţie;• Canalul de transmiterea informaţiei are ca suport material
canalul de comunicaţie. Diferenţa constă în punct de vedere.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a24
Canal informaţional
Flux informaţional interferent
T0+tT0
Ambianţa informaţională Ia, Ha
Canal informaţionalIi, Hi Ie, He
Flux informaţional I prin canal
Emiţător Receptor
Flux informaţional principal
• Abordarea informaţională este mai generală şi pune în evidenţă caracteristici informaţionale ale canalului:
– permeabilitatea;– imunitatea;– viteza de transfer (diferită de cea realizabilă prin canal de comunicaţie.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a25
Viziunea sistemică informaţională
Iia
Iib
Iin
Ii
Iea
Ieb
Iem
Ie
• Se poate stabili o analogie formală între sisteme fizice în sens clasic şi sisteme informaţionale.
• Deosebirea şi dificultatea constă în gradul de abstractizare a abordării prin ignorarea suportului material şi concentrarea asupra “regulilor de joc” ale fluxurilor informaţionale.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a26
Viziunea sistemică informaţională
: “funcţia de transferninformaţională” a sistemului, “regula de funcţionare”Ii : “informaţia de intrare”, un “stimul” injectat de mediu, în general, dependent de timp
Ii = Ii (ia,ib…in,t)Ie : “informaţia de ieşire”, un “răspuns” elaborat de sistem
Ie = Ie (ia,ib…im,t)Descrierea funcţională a sistemului poate fi formalizată
Ie = < Ii > = siteme staţionare = (t) sisteme dinamice = (Ii, Ie, t) sisteme adaptive
• Funcţiile de transfer pot fi descrise ca operatori oarecare, inclusiv operatori descriptivi, nedetrminişti.
• Este unicul mod de abordare informaţională a viului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a27
Puţină antropologie informaţională
• Ce se ştie din bătrâni?
• Confruntarea a două concepţii
• Care este viziunea modernă?
• Antropologie informaţională
• Determinism calitativ
• Formarea omului prin informaţie
• Protezare informaţională
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a28
• Intuiţia insuficienţei descrierii exclusiv materiale a funcţionării viului, cu funcţii somatice şi psihice este foarte veche.
• Limbajul descrierii interacţiunii a două aspecte “material” şi “imaterial” ia forme simbolice, teologice şi/sau filozofice, după epocă.
• Discuţia şi analiza subiectului are, din ce in ce mai accentuat pe măsură ce ne apropiem de epoca modernă, aspecte ideologice care confiscă şi falsifică fondul problemei.
Ce se ştie din bătrâni?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a29
• Concepţie binară dihotomică - Platon;– soma diferită de psiche; psyche este prizoniera somei (Platon)
• Concepţie mecanicistă - Descartes;– corpul este o maşinărie rezultat funcţional psihicul (Descartes)
Confruntarea a două concepţii
rezultat funcţional
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a30
• Concepţie binară integratoare - Biblia, Aristotel;– Biblia (Vechiul Testament, tradiţia iudaică): “carnea” - nephesh este
doar un cadavru fără “spirit” - ruah; impreună şi numai în totalitate se manifestă ca “fiinţă”.
– Aristotel: “spiritul informează” corpul constituindu-l în fiinţă vie; “spiritul”, ca principiu organizator, se integrează cu materia.
Confruntarea a două concepţii
corpul - suport material
psihicul - principiu integratorFiinţă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a31
• Complexul soma-psyche “face” omul ca fiinţă vie, constientă, care schimbă cu mediul substanţă, energie şi informaţie;
• Omul poate fi descris ca “sistem informaţional” suprapus şi în interacţie cu “sistemul material”;
• Toate manifestările psihice şi/sau somatice pot fi descrise în termeni “materiali” şi “informaţionali”. Analiza completă implică considerarea ambelor aspecte.
Care este viziunea modernă?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a32
Antropologie informaţională
Ii Ie
sub -
R
F
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a33
Determinism calitativ
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a34
• Pariul cuprins în titlul acestui ecran poate avea o conotaţie ideologică, politică sau educativă.
• Ceea ce ne propunem să discutăm aici este formarea somatică prin mijloace informaţionale, sprijinindu-ne pe complexul soma-psyche
• Postulăm că acţionând asupra, modificând şi educând fluxurile informaţionale în fiinţa umană, putem modifica funcţiile somatice în sensul creşterii performanţelor şi/sau recuperării.
Formarea omului prin informaţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a35
• Intercalarea unui sistem de calcul, configurat ca sistem de control de proces, într-o buclă de reacţie, externă persoanei văzută ca sistem informaţional, permite intervenţia asupra, controlarea şi modelarea fluxului informaţional schimbat de persoană cu lumea externă.
• Utilizarea adecvată a metodologiei de control informaţional permite stabilirea unui stereotip remanent scoaterii din sistem a calculatorului.
• Această paradigmă a fost caracterizată ca “protezare informaţională” (P. J. de Hillerin).
Protezare informaţională
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a36
Protezare informaţională
Iia
Iib
Iin
Ii
Iea
Ieb
Iem
Ie
canal de informaţie vizuală - reacţie
unele canale de informaţie:• poziţii• mărimi fizice• mărimi fiziologice
subiect uman
alte informaţii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a37
Protezare informaţională - evaluarea
Iia
Iib
Iin
Ii
Iea
Ieb
Iem
Ie
canal de informaţie vizuală - reacţie
unele canale de informaţie:• poziţii• mărimi fizice• mărimi fiziologice
subiect uman
alte informaţii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a38
Din nou!...Ce are informaţia cu sportul?
• Avem o nouă paradigmă: fiinţa umană este o “maşină” informaţională
• Deci omul poate fi privit ca sau inclus într-un sistem informaţional
• Deci putem acţiona prin mijloace informaţionale asupra funcţionării subiectului uman (privit ca “maşină” informaţională, chimică, fizică, etc.)
• De asemenea putem acţiona asupra relaţionării subiectului uman cu mediul
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a39
... şi cu celelalte?!
• Dacă acţionăm inseamnă că schimbăm:– schimbăm comportament, răspuns la mediu, atitudine...– antrenăm, demontăm mecanisme, creem deprinderi,
corectăm mişcări;
... nu asta urmărim în demersul pregătirii sportive?!
• Dar şi în alte domenii:– social, medical, învăţământ, etc.
mai ales că, prin informaţie, influenţăm şi “maşina” bio-fizică, bio-chimică, etc.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a40
Ce ştim.../...intuim !!
• Prin informaţie acţionăm asupra complexului psiho-somatic !!
• Modificăm funcţia de transfer a sistemului antropo-informaţional !!
• Acţiunea este progresivă prin mecanismul adaptivităţii intrinseci a funcţiei de transfer
... se pare că este foarte eficace !
• Efectul este guvernat de determinismul calitativ
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a41
Evident... salt calitativ
• Demersul informaţional este calitativ, nu intensiv, mizând pe dualismul informaţie vs energie
• Demersul informaţional modifică funcţia de transfer psiho (informaţională) declanşând mecanisme somatice (energetice)
• Rezultatul este modelarea funcţiei de transfer psiho-somatice creind patern-uri noi, metastabile
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a42
Informaţie vs Energie
• Legi de conservare
• Sistem informaţional vs Sistem energetic
• Informaţie vs Energie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a43
• Definiţia cantităţii de informaţie ca inversul “entropiei unui sistem” face trimitere la termodinamică, legi de conservare, reversibilitate, etc. - o capcană !!
• Noţiunile de mai sus, aşa cum sunt percepute în mod comun, aparţin paradigmei Fizicii şi au un suport conceptual legat de energia în sisteme.
• Informaţia şi Energia sunt lucruri diferite
• Viziunea informaţională şi energetică sunt diferite
Legi de conservare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a44
• Energia şi informaţia se conservă?!
• Un sistem energetic închis este închis şi din punct de vedere informaţional?
• Într-un sistem informaţional închis se crează informaţie din “nimic”?!! Pe ce bază?
• Mecanismul energetic al creativităţii văzută ca proces de generare de nouă informaţie.
Sistem informaţional vs sistem energetic
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a45
• Informaţia este o noţiune primară.
• Într-un cadru conceptual extins vom admite că nici informaţia, nici energia nu sunt “mărimi fizice”
• Tot ce putem spune este că:
– măsura cantităţii de informaţie este o mărime calitativă;
– măsura cantităţii de energie este o mărime intensivă;
• Fenomenul energetic este suportul fenomenului informaţional !
Informaţie vs Energie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a46
Exemplu - Piesele de Domino
E = h x Mtot
h
Impuls intensivO configuraţie – O informaţie
Altă configuraţie – Altă informaţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a47
Exemplu - Piesele de Domino
Pe baza variaţiei energiei sistemului:
Etotal = Eimpuls + h x Mtot
S-a obţinut o variaţie de informaţie în sistem:
Itotal = Ifinal – Iiniţial
fără a se introduce informaţie explicit suplimentară.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a48
Exemplu - Piesele de Domino• eliberarea energiei potenţiale prin căderea fiecărei piese
transmite următoarei piese informaţia şi impulsul pentru cădere; fenomenul este în lanţ şi propagarea este de fapt a informaţiei, global în structură (sistem), prin cheltuire locală de energie.
• între starea energetică iniţială şi finală a sistemului are loc o variaţie de energie potenţială; starea iniţială şi finală informaţională se deosebeşte prin configuraţia geometrică purtătoare de informaţie.
• se pot introduce căi redundante de propagare a informaţiei astfel încât, în cazul unui deficit local de transfer de informaţie (datorat imperfecţiunii sistemului mecanic-energetic - frecări/alunecări, imperfecţiunea poziţionării pieselor, etc.) informaţia se poate "repara", per global.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a49
Alte exemple
Să analizăm împreună alte exemple !
• generare de informaţie:
– un matematician prizonier într-o cameră obscură;
– un pictor abstracţionist închis în atelierul său....
• degradare de informaţie:
– un disc flexibil uitat într-un sertar suferă alterarea informaţiei înscrise;
– uitarea ...
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a50
Ce se vrea de la voi?
Exigenţa “de Hillerin”: .... să vă implicaţi !...• să căutaţi noi căi, interpretări,• să aveţi viziune• să încercaţi să “personalizaţi” o paradigmă care
vi se propune(de exemplu: cea discutată în acest seminar)– începeţi prin a încerca să o înţelegeţi;– comentaţi-o– criticaţi-o– dacă puteţi, completaţi-o sau propuneţi alta !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a51
Provocarea mea
Să abordăm în perspectivă informaţională alte probleme, care poate nici nu sunt, stricto-senso, de specialitatea nici unuia dintre noi:– în bio-medicină: sistemul hormonal, boala, acupunctura– în fizică teoretica/filozofie: termodinamica proceselor
ireversibile (aproape banal), principiul cauzalităţii şi dimensiunea “timp”, haosul şi determinismul calitativ
– în psihologia inconştientului: actul ratat, lapsusul, nevroza
– în economie: natura valorilor necorporale, oare banul nu este informaţie?
– în teoria cunoaşterii: natura inteligenţei, geniul..
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a52
Conducerea proceselor cu calculatorul
(3)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a53
Proces fizic + tehnologie
• Ansamblul procesului controlat
• Ce caracterizează un proces
• Interfaţa de proces
• Traductori, actuatori, semnale unificate
• Blocul de achiziţie şi comenzi
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a54
Ce înseamnă să conducem un proces
• Un proces este o activitate într-un sistem.remember!
• Sistemul + procesul = o unitate funcţională
• Sistemul este suportul fizic pe care are loc procesul
• A conduce un proces înseamnă să-i controlăm intenţional funcţionarea
• Sistem: o porţiune din realitatea obiectivă delimitabilă pe criterii funcţionale
• Sistemele sunt ierarhizate: sisteme de ordin inferior (subsisteme) în sisteme de ordin superior
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a55
Ansamblul procesului controlat
Proces fizic
Stări ale sistemului
Comenzi
Interfaţă de proces Calculator
gazdă
Sistem controlat funcţional
Tehnologie
pentru control
Informaţie Date
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a56
Caracteristicile unui proces
• Procesul posedă funcţionalitate şi în absenţa controlului. El este caracterizat prin:– stări, materializate prin valori ale mărimilor fizice
implicate în proces– puncte de intervenţie asupra procesului prin care
procesului i se pot da comenzi
• Funcţionalitatea procesului, în absenţa controlului, poate fi diferită de ceea ce dorim noi de la proces.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a57
Interfaţa de proces
condiţio-nări de semnal
traductori
actuatori
bloc de achiziţie şi comenzi
semnale unificate
lum
e fiz
ică
real
ă
calculatorul gazdă
• Lumea fizică reală - procesul controlat
• Calculator gazda - entitatea “inteligentă” capabilă să controleze procesul în mod intenţional
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a58
Traductori, actuatori, semnale unificate
• Traductori – dispozitive care transformă mărimi fizice care reflectă stări ale procesului în mărimi electrice
• Actuatori – dispozitive care transformă mărimi electrice în mărimi fizice capabile să influenţeze, să acţioneze asupra procesului
• Condiţionarea semnalelor – aducerea la semnale unificate (standard)
– aducerea mărimilor electrice furnizate de traductori în limite standard acceptabile de blocul de achiziţie şi comenzi
– aducerea marimilor electrice standard generate de blocul de achiziţie şi comenzi în parametri acceptaţi de actuatori
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a59
Exemple de condiţionare• Termocuplul: 0..100 mV => 0..10 V;• Puntea tensometrică: –50..+50 mV => -5..+5 V• Traductorul de rotaţie: impulsuri optice => 0/5 V impulsuri TTL
• Frâna electrodinamică: 1.. 500 imp/sec TTL => 0..100 N• Avertizare optică: 5 V nivel 1 TTL => 20 mA curent în LED• Încălzitor de lichid: 0..10 V => 0..50 W în spira de încălzire
Notă: de regulă condiţionarea semnalului este inclusă în construcţia traductorului/actuatorului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a60
Blocul de achiziţie şi comenzi
Ce face blocul de achiziţie şi comenzi?• Achiziţionează informaţie despre starea
procesului prin măsurarea unor parametri din proces prezenţi la intrarea blocului sub forma semnalelor (unificate) furnizate de traductori.
• Emite comenzi sub forma unor semnale (unificate) pe baza cărora actuatorii influenţează starea sau evoluţia stării procesului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a61
Blocul de achiziţie şi comenzi
Ce face blocul de achiziţie şi comenzi?• Transmite informaţia despre starea
procesului către calculatorul gazdă• Recepţionează deciziile calculatorului gazdă
şi implementează comenzile către proces în vederea aplicării deciziilorBlocul de achiziţie şi comenzi se comportă ca un periferic al calculatorului gazdă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a62
Reacţia informaţională în proces
• Bucla de reglaj a procesului
• Entitatea care guvernează controlul
• Rezidenţa programului de control al procesului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a63
Bucla de reglaj a procesuluiPe ce bază emite comenzi blocul de achiziţie şi comenzi?Pe baza interpretării stărilor, şi în consecinţă, a elaborării unor decizii intenţionale şi anticipative despre felul cum va trebui să se comporte procesul mai departe, ce stări va trebui procesul să manifeste.Se crează astfel o buclă de reglaj a procesului care, iterativ, prin măsurări de stare, decizii, comenzi dirijează funcţionarea procesului.
starestare deciziedecizie
achiziţieachiziţie
comandăcomandă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a64
Cine guvernează controlul procesului ?
Procesul are stări...Procesul acceptă comenzi...Unde este “inteligenţa” care evaluează starea şi decide comanda?În algoritmul de control al procesului elaborat şi parametrat de operator, algoritm care se concretizează în programul de aplicaţie pentru controlul procesului.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a65
Cine execută programul ?
In cadrul unui model tehnologic de control al procesului ca cel descris de noi, programul poate fi implementat:– în blocul de achiziţie şi comenzi (în subsistemul de
control) care poate avea inteligenţă incorporată (microcontroller + program)
– în calculatorul gazdă care preia informaţie de la blocul de achiziţie şi comenzi şi îi transmite instrucţiuni pentru efectuarea comenzilor (acţiuni asupra procesului)
– în amblele, prin implementarea unor programe care-şi partajează sarcinile
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a66
• Achiziţionarea stării (stărilor) procesului
• Analiza stărilor şi elaborarea deciziilor
• Emiterea comenzilor către proces
• Extragerea şi exploatarea informaţiei
Ce este, deci, controlul unui proces
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a67
În mod general, controlul procesului este posibil prin intervenţia oricărei entităţi capabile de decizii intenţionale şi anticipative care are la dispoziţie mijloace de:
• evaluare a procesului;
• mijloace de acţiune asupra procesului.
De exemplu: o persoană care controlează umplerea unei sticle cu apă de la robinet
Un exemplu simplu !?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a68
În situaţii în care:– procesul este complicat– are mulţi parametri– fenomenele sunt rapide– cantitatea de informaţie este mare– este necesară o prelucrare intensivă a unui volum mare
de date– datele trebuie arhivate în beneficiul urmăririi istoriei
evoluţiei procesuluisoluţia este automatizarea controlului procesului
Dar dacă situaţia este mai complicată !?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a69
Sunt, şi au fost utilizate mai multe metode.
La stadiul actual al tehnologiei cea mai evidentă soluţie de automatizare a controlului procesului este utilizarea unui calculator şi a perifericelor sale care:
• efectuează măsurători asupra procesului
• acţionează asupra procesului
conform unui plan conceput de om
Cum facem să automatizăm?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a70
Măsurări şi acţiuni asistate de calculator
(4)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a71
Achiziţionarea stărilor din proces
• Ce fel de stări are procesul
• Problema măsurării şi implicaţia mărimii timp
• Cum asimilează calculatorul stările procesului
• Măsurarea stărilor cu expresie analogică
• Măsurarea stărilor cu expresie logică
• Stări exprimate prin număr de evenimente
• Cazul frecvenţei
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a72
Stări (semnale) analogice
• Stări cu semnificaţie cantitativă vehiculate de semnale “analogice”– în cazul stărilor analogice semnalele furnizate de
traductori “urmăresc”, în evoluţia valorii, evoluţia parametrului măsurat;
– semnalul de la traductor este “analog” în evoluţie cu parametrul măsurat
• Pentru măsurarea parametrului din proces este suficient să măsurăm semnalul de la traductor
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a73
Stări (semnale) logice
• Stări cu semnificaţie calitativă vehiculate de semnale “logice”– stările cu semnificaţie calitativă (starea este sau nu
este) sunt transformate de traductori în semnale logice cu două valori cu semnificaţia adevarat/fals, da/nu, 0/1;
– stările logice se mai numesc si “binare” deoarece iau două valori
– urmărirea unei stări logice echivalează cu extragerea din proces a unei cantităţi de informaţie de 1 bit
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a74
Configuraţia stărilor logice
• La un moment dat, procesul este caracterizat de un set (configuraţie) de stări logice ale mai multor parametri– configuraţia semnalelor logice care reproduc
configuraţia stărilor se numeşte “cuvânt de stare”
– cuvântul de stare de fapt un număr binar format din atâţia biţi câte stări se urmăresc
– cuvântul de stare este “fotografia” stărilor calitative ale procesului la un moment dat
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a75
Stări (semnale) cu semnificaţie câte?
• Stări cu semnificaţie de număr sunt vehiculate de semnale logice numai că, în cazul acesta, este important numărul acestor stări “elementare”– căte stări de un anumit fel (0 sau 1) se află la un
moment dat?
– de câte ori un parametru este într-o anumită stare (0 sau 1) într-un interval de timp
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a76
Numărare
• Numărarea este înregistrarea numărului de stări de acelaşi tip (0 sau1) ale unui parametru calitativ, într-un interval de timp– numărarea este asociată cu numărul de evenimente;
– numărul de evenimente are sens numai raportat la un interval de timp
• Numărarea se face cu numărătoare de semnale logice
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a77
Rata (frecvenţa) de producere
• Dacă evenimentul este repetitiv şi timpul de numărare fixat se evaluează rata (frecvenţa) de producere a evenimentului– repetitiv în sensul de rată constantă trebuie înţeles în
mod relativ;
– numărarea şi evaluarea ratei pot fi echivalente sau foarte diferite ca semnificaţie, funcţie de contextul procesului
• Rata (frecvenţa) în contextul de aici nu trebuie confundate cu frecvenţa în sensul fenomenelor armonice
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a78
Dinamica procesului. Timpul
• In discuţia despre evaluarea diferitelor tipuri de parametri fenomenul variabilităţii în timp a fost subînţeles
• Funcţie de tipul de parametru achiziţionat dinamica procesului are semnificaţii şi ridică probleme specifice care vor fi reluate unde este cazul
• Timpul este un parametru important care nu este parametru al procesului dar care este implicat în funcţionarea procesului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a79
Timpul. Ceasul de timp real
• Timpul sincronizează procesul cu “restul lumii”
• Timpul este un parametru de raportare al procesului la alte procese, inclusiv la observatorul procesului sau la cel care controlează procesul
• Timpul trebuie măsurat şi gestionat în controlul de proces
• In controlul de proces avem nevoie de un ceas de timp real
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a80
Procese controlate în timp real• Pentru a controla un proces trebuie să sesizăm
schimbările din proces
• Pentru a controla un proces trebuie să reacţionăm la schimbări prin comenzi
• Reuşim să facem acest lucru numai dacă ciclul implicat în bucla de reglaj este scurt în raport cu viteza aşteptată pentru modificarea stărilor procesului– Dacă dacă este respectată condiţia de mai sus avem un
sistem de control de proces în timp real– Noţiunea de control în timp real este relativă la natura
procesului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a81
Cum asimilează calculatorul stările
• Calculatorul este, prin excelenţă, un dispozitiv care percepe informaţia de intrare sub formă de valori numerice, elaborează deciziile prin calcul şi emite comenzi sub forma de valori numerice
• Rolul interfeţei de proces este să medieze schimbul de informaţie între proces şi calculator sub formă de semnale (pe partea procesului fizic) şi sub formă de numere (pe partea calculatorului)
• In interfaţa de proces are loc conversia numerică specifică fiecarui parametru
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a82
Aide memoire de aritmetică binară
• Numerele vehiculate în dialogul cu calculatorul sunt exprimate în format binar– formatul familiar (baza 10)
an*10n + an-1*10n-1 + ... + a1*101 + a0*100
– formatul binar (baza 2)
bn*2n + bn-1*2n-1 + ... + b1*21 + b0*20
doisprezece = 1*101 + 2*100 = 1*23 + 1*22 + 0*21 + 0*20
doisprezece = 1210 = 11002
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a83
Limitările notării poziţionale
• Numărul de semne distincte necesare pentru a scrie un număr în baza m este m
• În calculator nu putem folosi decât baza 2 din restricţii tehnologice. Semnele “0” cu semnificaţia de mulţime vidă şi “1” cu semnificaţia de mulţime cu un element.
adică cele două “stări” ale circuitelor electronice care alcătuiesc calculatorul
• Valoarea maximă exprimabilă în notare poziţională cu m poziţii în baza n este
nm – 1 În format binar, un număr cu 8 poziţii poate reţine 28 –1valori distincte
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a84
Limbajul calculatorului
• Cu calculatorul vorbim în numere exprimate în baza 2
• Fiecare poziţie în scrierea în baza 2 are două valori posibile “0” sau “1”
• “0” sau “1”, “adevărat” sau “fals”, “este” sau “nu este” sunt tocmai valoarea de 1 bit
• Cu calculatorul vorbim in BIŢI
Numărul 100110012 are 8 biţi, reprezintă valoarea 15310
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a85
Biţi şi baytes
11 00 00 113 2 1 0bit-ul
MSB LSB
– valori întregi 0..15; în exemplu: 910
00 00 11 113 2 1 0bit-ul
MSB LSB
11 00 00 117 6 5 4
– valori întregi 0..255; în exemplu: 14710
– poziţia bit-ului este “rangul” în notarea poziţională în baza 2; adică “puterea la care se ridică 2;
– MSB “most significant bit”– LSB “least significant bit”– BYTE număr binar (în baza 2) cu lungime fixă 8 biti
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a86
Întregi şi semne
– valori întregi 0 ... 255 (implicit pozitiv)– valori întregi -128 ... +127 (cu semn)
• etc....– exprimarea întregilor pozitivi este ”naturală”– exprimarea întregilor cu semn este “codificată”
– MSB reţine, codificat, semnul– complement faţă de “1” (offset binary)– complement faţă de “2” (two’s complement)
7 0
MSB LSB
– valori întregi 0 ... 65535 (implicit pozitiv)– valori întregi -32768 ... +32767 (cu semn)
7 0
LSB
15 8
MSB
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a87
Numere reale: mantisa şi exponent
• Notare exponenţială: mantisa * baza exp
• În zecimal - “notaţia ştiinţifică”:– 0.258863 * 10-3 = 0.000258863– 0.1668977 * 105 = 16689.77semnul îl poartă mantisa
• regula economică:– mantisa < 1 dar nu < 10-1 (adică nu < decât baza-1)– înseamnă: la mantisă, cifra întregilor = 0, prima cifră
după “.” (punctul sau virgula”zecimală”) diferită de 0!
• regula uniformităţii:– mantisa şi exponentul în format cu “lungime” fixă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a88
Păi... merge şi în “binar” (baza 2)!
• Notare exponenţială: +/- mantisa * baza exp
• Numere reale se exprimă prin– mantisa: ca un întreg cu semn (numai partea de după
“virgulă”), cu lungime fixă, de ex. 3 bytes– exponent: ca un întreg cu semn, cu lungime fixă, de ex.
1 byte
Exemplu:
7 0
MSB LSB
7 0
LSB
15 823 16
MSB
în total 4 bytes sau 32 biţi care pot reţine numere cu semn în domeniul: (+/-) 3.4 * 10-38 ... 3.4 * 1038
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a89
De ce “regula uniformităţii”
cu alte cuvinte:– de ce “lungime fixă”?– de ce lungime egală cu multiplu de bytes?
deoarece, în calculator, numerele sunt prelucrate şi memorate în “unităţi”, “calupuri” de 1 sau mai mulţi bytes.De ce? ... din multe motive printre care:
• istoria dezvoltării tehnicii de calcul• un anumit compromis între economie şi
complexitate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a90
De ce aritmetică binară
• De ce “aide memoire de aritmetică binară” în contextul măsurării asistate de calculator?!
– rezultatul măsurătorii din proces trebuie să-l prezentăm în forma inteligibilă de către calculator;
– pentru aceasta trebuie să înţelegem noi ce îi dăm calculatorului şi care sunt limitările
– performanţa măsurătorii (rezoluţie, precizie, acurateţe) este strâns corelată cu biţii şi baiţii (sorry! .. bytes)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a91
Revenim la achiziţia parametrilor
Achiziţia parametrilor se reduce la:
– achiziţia de semnale analogice– achiziţia de semnale logice– numărare
Să vedem cum se face !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a92
Adaptarea (condiţionarea) semnalului de
intrare
Achiziţie: semnal cu semnificaţie analogică
+/-10V
Domeniu de variaţie continuă
standardLumea reală. Mărimi fizice
ADC Procesor Digital
Date in format
numeric
Interfaţa analogică de
intrareTraductor
Transformare din mărime fizică oarecare in
mărime electrică (semnal)
Conversie analog
numerică (digitală)
Interpretare şi decizie
Tensiune sau curent
comenzi pentru parametri de achiziţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a93
Achiziţie: semnal cu semnificaţie logică
Adaptarea (condiţionarea) semnalului de
intrare
Transformare din mărime fizică oarecare in
mărime electrică (semnal)
Achiziţionare valori logice “0” sau “1”
Interpretare şi decizie
0 sau 5 V
Domeniu de variaţie binar
standardLumea reală. Mărimi fizice
I/(O) Procesor Digital
Date in format
numeric
Interfaţa logică de
intrareTraductor
Tensiune sau curent
comenzi pentru parametri de achiziţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a94
Achiziţie: semnal cu semnificaţie număr/rată
0 şi 5 V
Domeniu de variaţie binar
standardLumea reală. Mărimi fizice
Numărător Procesor Digital
Date in format
numeric
Interfaţa logică de
intrare
Adaptarea (condiţionarea) semnalului de
intrare
Traductor
Transformare din mărime fizică oarecare in
mărime electrică (semnal)
Achiziţionare secvenţială valori logice
“0” şi “1”
Interpretare şi decizie
Tensiune sau curent
comenzi pentru parametri de achiziţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a95
Măsurarea stărilor analogice
• Conversia analog-digitala (ADC)
• Parametri caracteristici ai ADC
• Surse de eroare ale ACD
• Probleme legate de dinamica stărilor
• Evaluarea globală a acurateţii măsurătorii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a96
Inportanţa măsurării stărilor analogice
• Importanţa particulară:– sunt cele mai “rafinate” măsurători din proces– sunt cele mai scumpe măsurători şi trebuiesc bine
înţelese pentru optimizarea raportuluinecesitate/preţ
• Importanţa generală în contextul controlului de proces– înţelegerea noţiunilor implicate este hotărâtoare pentru
controlul procesului cu calculatorul (şi nu numai!)– noţiunile implicate sunt folosite şi în măsurarea stărilor
logice (de orice natură)– noţiunile implicate sunt folosite şi în generarea
comenzilor către proces
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a97
Ce măsurăm şi cum
+/-10VLumea reală. Mărimi fizice
ADC Procesor Digital
Interfaţa analogică de
intrareTraductor
Parametru Semnal analogic unificat
Exprimarea numerică a valorii semnalului, deci a
parametrului
II IIII
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a98
Factorul de conversie (gain) - faza I
• Presupunem un parametru: forţă• Presupunem un traductor: punte tensometrică• Presupunem o condiţionare a semnalului care
realizează o corespondenţă forţă - tensiune de forma:
U (V) = k * F (dN)o lege liniară de conversie a mărimii forţei în tensiune Cum arată aceasta grafic?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a99
Factorul de conversie (gain)
U( V )
F( dN)
0
100
10
valoare parametru
valoare citită
valoarea citită este interpretată ca valoare a forţei după regula:
U (v) = k * F (dN)
k este factorul de conversie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a100
Obţinerea exprimării numerice - faza II
• Trebuie să obţinem o conversie analog - numerică (digitală)
• Remarci importante:– semnalul variază continuu (analogic)– exprimarea numerică este discretă (cuantificată)
• înseamnă că trebuie să atribuim valori numerice discrete unei mărimi care ia valori continui
• înseamnă că trebuie să împărţim domeniul de variaţie al mărimii analogice în cât mai multe intervale (canale) egale şi să atribuim tuturor valorilor continui dintr-un interval una şi aceeaşi valoare numerică
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a101
Conversia Analog Numerică: principiu
U( V )= k * F(dN)
N = 16 (n=4)
10
14
1213
11
456789
15
0123
0 10
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a102
Factorul de conversie al ADC
• Adică, trebuie să obţinem o ecuaţie de conversie de forma:
V (valoare numerică) = N * vmin
unde: N aparţine mulţimii {0,1,2,3,... 2n-1}şi, în consecinţă:
F (valoare numerică) = N * Fmin
unde: Fmin = vmin/k• Am obţinut valoarea forţei ca o exprimare
numerică discretă• Valoarea măsurată a forţei este un număr întreg
de cuante Fmin
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a103
Cuvinte cheie în conversia AD
• Rezoluţie: vmin, Fmin (lărgimea intervalului)• Nmax = număr de intervale = 2n
Dacă avem de exemplu:– n =10– k =10-1 V/dN (10V pe domeniul de măsură de 100dN)obţinem:– Nmax = 1024– vmin = 10V/1024 = 0.98 mV– Fmin = vmin/k = 0.098 dN
şi spunem că măsurăm forţa în domeniul 0... 100 dN cu rezoluţie de 10 biţi
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a104
Rezoluţie
• Rezoluţia = Puterea de separarecea mai mică valoare măsurabilă prin care poate fi caracterizat semnalul (“unitatea digitală”)
• Definită de convertorul analog digital (ADC)
• exprimată în:– biţi: n biţi = 1 parte din 2n (ex:12 biţi = 1 parte din 4096)
– digiţi: n 1/2 digiţi = 1 parte din 2*10n
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a105
Diferite rezoluţii ADC
Procente
6.25%
0.39%
0.098%
0.025%
0.0015%
Biţi
4
8
10
12
16
Canale
16
256
1024
4096
65536
Părţi din domeniu
1 din 16
1 din 256
1 din 1024
1 din 4096
1 din 65536
Părţi din 10V
625 mV
3.9 mV
0.98 mV
0.25 mV
0.015 mV
– rezoluţie joasă, rapid, economic, 1 byte
– rezoluţie medie, relativ rapid, nu prea scump, 2 bytes
• Rezoluţia este o măsură a “fineţei” cu care se poate măsura un parametru de proces
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a106
Sensibilitatea măsurătorii
• Sensibilitate = Cea mai mică valoarecea mai mică valoare măsurabilă efectiv
• Definită de convertorul analog digital (ADC), traductor şi circuitele de condiţionare
• exprimată în:– biţi: n biţi = 1 parte din 2n (ex:12 biţi = 1 parte din 4096)
– valoare minimă detectabilă a mărimii de măsurat (forţă, temperatură, deplasare)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a107
Sensibilitatea absolută/relativă
• Sensibilitate absolută = Cea mai mică valoare care poate fi detectată deasupra valorii “zero”
• Sensibilitate relativă = Cea mai mică schimbare de valoare care poate fi detectată
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a108
Sensibilitatea digitală
• Sensibilitatea este o măsură a “gradului de detectabilitate” a mărimii respective sau a schimbărilor care pot surveni în evoluţia mărimii respective (parametru de proces)
• EVIDENT !!! sensibilitatea, la nivelul rezultatului conversiei analog digitale, nu poate fi mai “fină” decât rezoluţia ADC
• Dar mai “grosieră”?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a109
Exactitatea măsurătorii
• Exactitate = concordanţa între valoarea măsurată şi valoarea măsurată de un instrument standard, certificat metrologic
• Exactitatea este o măsură a “gradului de încredere” în măsurătoarea efectuată asupra parametrului de proces
• Exactitatea nu poate fi decât absolută !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a110
Repetabilitatea măsurătorii
• Repetabilitate = concordanţa între rezultatele succesive obţinute prin măsurarea unui parametru de proces, cu acelaşi instrument de măsură, presupunând că valoarea parametrului rămâne constantă
• Repetabilitatea este o măsură a “stabilităţii” pe termen scurt sau pe termen lung a instrumentului de măsură
• Repetabilitatea nu poate fi decât relativă !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a111
Rezoluţie, Exactitate, Repetabilitate
înaltă înaltă înaltă înaltă joasă înaltă joasă joasă înaltă joasă joasă joasă
Rezoluţie Exactitate Repetabilitate
o privire intuitivă !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a112
Conversia Analog Digitală. Cazul ideal
N este mare Rezoluţie mare
>10 biţi
U( V )
N( canale ) (de ex: 4096)
0 10
Valoare reală
Valoare măsurată
coincidenţă în limitele rezoluţiei
ideal
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a113
Erori sistematice ale ADC
• Erorile sistematice de măsurătoare provin din imperfecţiuni constructive şi principiale ale traductorilor, circuitelor de condiţionare sau ale circuitelor care implementează principiul conversiei analog digitale:–Eroarea de nelinearitate integrală (gain offset)
–Eroarea de nelinearitate diferenţială
–Eroarea de nul (offset)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a114
Nelinearitatea integrală
Nelinearitate Integrală
(Gain)
U( V )
N( canale ) (de ex: 4096)
0 10
Valoare reală
Valoare măsurată
eroare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a115
Sursa nelinearităţii integrale
• circuitele de condiţionare a semnalului au un factor de conversie k inconstant
• nu avem concordanţă între k şi lărgimea intervalului elementar al conversiei analog digitale (“prea multe sau prea putine canale/intervale”)
• aceasta se traduce în următoarea situaţie:– avem un convertor analog digital de 12 biţi (4096 intervale)
destinat măsurătorii temperaturii în domeniul 0... 100 oC– valoarea 50 oC corespunde valorii numerice 2050 (în loc
de 2047 (!) cât ar trebui să fie jumătatea domeniului)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a116
Nelinearitatea diferenţială
Nelinearitate Diferenţială
U( V )
N( canale ) (de ex: 4096)
0 10
Valoare reală
Valoare măsurată
eroare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a117
Sursa nelinearităţii diferenţiale
• convertorul analog digital are intervalele elementare neuniforme ca lărgime
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a118
Eroarea de nul
Eroare de nul
(Offset)
U( V )
N( canale ) (de ex: 4096)
0 10
Valoare reală
Valoare măsurată
eroare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a119
Sursa erorii de nul
• circuitele de condiţionare prezintă o valoare reziduală continuă, constantă, la intrarea convertorului analog digital
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a120
Aspecte economice• Convertorul analog digital şi circuitele de
condiţionare aferente măsurării stărilor analogice sunt cele mai scumpe dintr-un sistem de măsură al unui control de proces
• Trebuie economie!–Multiplexăm “canalele” de conversie analog
digitale–Cunoscând exact aplicaţia şi pretenţiile reale de
măsură nu căutăm caracteristici superioare de care nu avem nevoie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a121
Multiplexarea canalelor
Traductor + condiţionare
Lumea reală. Mărimi fizice
ADC Procesor Digital
n Parametri
Semnale analogice unificate
Exprimarea numerică a valorii semnalelor, deci a
parametrilor
(prelevate pe rând)
Traductor + condiţionare
Traductor + condiţionare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a122
Analiza performanţă/preţ pentru ADC• Trebuie sa facem economie de canale de
măsură analogice şi economie la performante!- nu masurăm parametri de care nu este neaparată nevoie;- nu supra-măsurăm (economie de preformanţe);
• rezoluţia mare, timpul de conversie mic şi simultaneitatea de prelevare,
• sensibilitatea, acurateţea şi exactitatea mare,• linearitatea (integrală şi diferenţială)
.... sunt scumpe!
Soluţia: analiza “la sânge” a necesităţilor aplicaţiei şi compromis realist între performanţe şi preţ
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a123
Dinamica măsurării mărimilor analogice
• Eşantionare, prelevare
• Teorema eşantionrii
• Descompunerea armonică a semnalelor
• Dinamica indusă de ACD
• Dinamica multiplexării canalelor
• Eroarea de nesimultaneitate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a124
• Valoarea mărimilor analogice variază în timp;
• Măsurarea se face discret;
• Se prelevează valori la anumite momente de timp ti
• Te = ti+1 - ti ; perioada de eşantionare;
• fe = 1/Te ; rata de eşantionare.
Eşantionare, prelevare valoare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a125
Rata de eşantionare
t
P
0ti ti+1 tj tj+1
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a126
• Intuiţia ne sugerează că, pentru sesizarea unor variaţii mai fine, mai rapide, a mărimii măsurate, este bine să eşantionăm cât mai “fin” adică:
Te , implică, fe !
• Dar cât, pentru că .... costă!;
Cum trebuie să fie rata de eşantionare ?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a127
• Problemă: Cât de des trebuie să eşantionăm pentru a obţine o serie de valori care să reproducă, rezonabil de fidel, variaţia în timp a semnalului (parametrului măsurat)?
• Răspuns: Perioada de eşantionare trebuie să respecte “teorema eşantionării” (Nyquist)rata minimă de eşantionare 1/Te > 2 * fmax
• Dar ce este fmax ?
Teorema eşantionării (Nyquist)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a128
Dacă presupunem f(t): o funcţie periodică, de perioadă T0
cu f0=1/T0 numită frecvenţa fundamentală, atunci:f(t) = A0/2 + Re{Anejnt} cu n = 1...
unde:A0 este amplitudinea “componentei” de frecvenţă f0,An este amplitudinea “componentei” de frecvenţă fn;
Putem spune, simplificat: un semnal periodic, poate fi reprezentat prin (sau este) suprapunerea unei serii de semnale armonice, de frecvenţă din ce în ce mai mare, cu amplitudine din ce în ce mai mică (“descompunere” în serie Fourier)
“Descompunerea” semnalelor periodice
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a129
Fără să intrăm în subtilităţi matematice afirmăm:Dacă semnalul nu este periodic, prin trecere la limită, suma de mai înainte se transformă în integrală iar seria discretă de componente se transformă într-un spectru continuu de frecvenţe din ce în ce mai mari, cu amplitudine (contribuţie) din ce în ce mai mică:De la o anumită componentă încolo (frecvenţe mai mari), putem neglija contribuţia acestora la reconstituirea semnalului original, în limitele unei fidelităţi acceptabile.
Şi dacă semnalul nu este periodic ?
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a130
Ca să măsurăm corect un semnal oarecare, este suficient să ne asigurăm că îi măsurăm corect cea mai mare frecvenţă, pe care o considerăm încă semnificativă (în limitele unei erori previzibile).Adică să prelevăm, prin eşantionare, corect, această ultimă componentă de frecvenţă fmax deoarece, componentele de frecvenţă inferioară sunt oricum eşantionate “mai fidel”, adică “mai des”.Această fmax, este cea din teorema eşantionării:
femin = 2 * fmax
Reformulăm teorema eşantionării
(reformulată)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a131
O privire intuitivă: fantome (aliases)
.. deci totul se reduce la eşantionarea corectă a unui semnal armonic. Cum putem greşi la eşantionare?
asta măsurăm (fe prea mică)
asta ni se pare că măsurăm
1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
şi ...
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a132
Care este contribuţia ADC ?
• Caracteristici dinamice ale ADC:–Ta - apertura
intervalul de timp în care ADC-ul “se uită” la semnal
–Tc - timpul de conversieintervalul de timp în care are loc efectiv conversia analog numerică
–Te - intervalul (perioada de eşantionare)intervalul de timp după care se poate iniţia o nouă conversie analog numerică (are semnificaţia şi importanţa de mai înainte, dar, aici ne referim la perioada de eşantionare impusă de ADC; este influenţată de timpul necesar ADC-ului de a furniza rezultatul mai departe - de ex.: procesorului digital)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a133
Limitările dinamice induc erori
iniţierea conversiei
apertura
timpul de conversie
terminarea transferului datelor
de aici încolo putem iniţia o
nouă conversie
asta credem că măsurăm
în tot acest timp semnalul
variază
t
P
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a134
De fapt, ce măsurăm ?!
t
P fără precauţii speciale:
probabil o medie
cu Sample-and-Hold (SaH)
valoarea de la inceput
apertura
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a135
Dinamica achiziţiei multiplexateExemplu: Eşantionare cu frecvenţa de 1kHz a 4 canale multiplexate folosind un ADC cu Tc = 0.01 ms
o trecere
CH1CH2CH3CH4
o trecere
0.01ms
1ms
0.25ms
1ms
baleiaj “la rînd” baleiaj în mod pachet
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a136
Eroarea de nesimultaneitate
pachet
Eroare de ne-simultaneitate
CH1
CH2CH3
CH4
CH1
CH2CH3
CH4
Simultan
pachetfără memorare (SaH) cu memorare (SaH)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a137
Acurateţea globală a măsurătorii
• O măsurătoare este “bună” funcţie de pretenţiile aplicaţiei şi cuprinde estimarea contribuţiei ponderate a factorilor de eroare de mai jos:
• Acurateţea asupra valorii mărimii:– rezoluţie, sensibilitate, exactitate, repetabilitate– liniaritate (integrală, diferenţială)– eroare de nul
• Acurateţea asupra evoluţiei (dinamicii) mărimii:– rată de eşantionare– eroare de nesimultaneitate (sincronizarea valorilor)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a138
Măsurarea stărilor logice
• Semnificaţia măsurării stărilor logice
• Pragul de sesizare
• Utilizarea stărilor logice pentru controlul de proces
• Configuraţia stărilor logice
• Dinamica stărilor logice
• Intreruperi
• Măsurători prin numărare
• Dinamica măsurătorilor prin numărare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a139
Stările logice se măsoară ?• Remember:
Stări cu semnificaţie calitativă sunt vehiculate de semnale “logice”. Stările cu semnificaţie calitativă (starea este sau nu este) sunt transformate în valori binare cu semnificaţia adevarat/fals, da/nu, 0/1;
• Stările logice se măsoară? DA!Determinarea stării logice este echivalentă şi, în cele mai multe cazuri este o conversie analog digitală cu rezoluţia de 1 (un) bit!
Să vedem!
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a140
Un canal “logic”
Lumea reală. Mărimi fizice
Procesor Digital
Interfaţa analogică de
intrareTraductor
Parametru cu semnificaţie
calitativă
Exprimarea logică a existenţei stării
Comparator
prag (comandat)
aceste componente pot constituti, pur şi simplu, traductorul 0/1
prag (fixat prin construcţie) sau
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a141
Factorul de conversie
T (oC)0
1
100
prag
Alarmă (valoare logică 0/1)
valoarea citită este interpretată ca stare după regula:
Alarma = k * T (oC)k = 0 dacă T < pragk = 1 dacă T > prag
40
0O.K.
alarmă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a142
Aşa să fie ?!
• Nu vă lăsaţi înşelaţi! Întotdeauna este aşa !– la un sensor de “capăt de cursă” pragul este
stabilit prin mărimea forţei de apăsare !– la un sensor de proximitate pragul este stabilit
prin efect termic !– la un sensor de presiune pragul este stabilit
prin constantă elastică !– la un sensor de “acces în arie” pragul este
stabilit prin nivel luminos !– etc., etc.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a143
Ce facem cu stările logice ?• ... le constatăm
în sensul că se ia cunoştinţă de aceste stări pentru a afla starea sistemului (procesului) şi a se elabora decizii în consecinţă
• ... le numărămîn sensul că modificarea unei stări este asociată cu un eveniment care are loc în proces:– câte evenimente de un anumit tip au loc în timp ce ...– câte evenimente de un anumit tip au loc între două
evenimente de un alt tip– câte evenimente de un anumit tip au loc în unitatea de
timp
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a144
Configuraţia stărilor• stările individuale (1 bit)• ansamblul stărilor “cuvânt de stare” (n biţi)
Lumea reală. Mărimi fizice
1 bit
Procesor Digital
Traductor + condiţionare
1 bit
Traductor + condiţionare
cuvânt de stare
00 11 11 11s3 s2 s1 s0
MSB LSB
11 00 XX XXs7 s6 s5 s4
• cuvântul de stare: intreg de 8 biţi (sau multiplu)• “rangul” este asociat logic cu starea si
• X - unele stări pot fi nedefinite
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a145
Dinamica stărilor• o “configuraţie a stărilor” este fotografia stării
procesului la momentul achiziţionării cuvântului de stare de către procesorul digital
• succesiunea stărilor la momente diferite reconstituie dinamica de stare a procesului
• intervalul de timp la care se achiziţionează cuvântul de stare este perioada de eşantionare a stărilor– stările se pot achiziţiona periodic sau, doar la nevoie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a146
Întreruperi
• Anumite stări din proces pot avea o semnificaţie privilegiată în logica aplicaţiei de control a procesului. Ca urmare:– schimbarea stării nu este supravegheată prin
eşantionare– schimbarea stării declaşează o reacţie specială
a aplicaţiei care este forţată să-şi întrerupă cursul normal pentru a lua o decizie, sau a declanşa o acţiune imediată, ca urmare a modificării stării respective
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a147
Numărarea stărilor • Numărarea stărilor poate avea următoarele
semnificaţii: – câte schimbări de stare au loc într-un interval definit– reflectă o mărime cantitativă măsurată
– aceasta este o variantă a cazului anterior care echivalează cu o conversie analog digitală (cazul tipic: TIRO)
– de câte ori se schimbă starea în unitatea de timp (frecvenţă/rată)
Lumea reală. Mărimi fizice
numărător Procesor Digital
Traductor + condiţionare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a148
Numărarea ca măsurătoare cantitativă
• Numărătorul conţine un număr proporţional cu deplasarea X
x
senzor de lumină
numărător
TIRO
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a149
Dinamica măsurării prin numărare
• Numărătorul conţine un număr proporţional cu deplasarea X, deci se comportă ca un ADC
• “Rata” de citire a numărătorului este echivalentă cu o rată de eşantionare a unei mărimi cu semnificaţie cantitativa, (deplasarea) care variază în timp
• Cazul este echivalent cu eşantionarea unei mărimi analogice
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a150
Măsurători de rată/frecvenţă• Dacă numărătorul numără evenimente
repetitiv/periodice şi intervalul la care se citeşte numărătorul este constant şi cunoscut, se poate calcula:
rata = număr de evenimente / timp• Evenimentele pot fi asociate cu un moment
caracteristic unui fenomen armonic (de ex: valoarea maximă)În acest caz:
rata = frecvenţa
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a151
Emiterea comenzilor către proces
• Comenzi analogice
• Comenzi logice
• Dinamica comenzii
• Comenzile trebuiesc elaborate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a152
Comenzi către proces
• A comanda un proces înseamnă a avea abilitatea de a modifica parametrii procesului (cel puţin, unii)
• Rămâne valabilă distincţia privitoare la parametri:
– analogici, cu semnificaţie cantitativă;
– logici, cu semnificaţie calitativă;
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a153
Comenzi înseamnă semnale
Comanda parametrilor se reduce la:
– emiterea de semnale (comenzi) analogice– emiterea de semnale (comenzi) logice
Să vedem cum se face !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a154
Adaptarea (condiţionarea) semnalului de
ieşire
Comandă: semnal cu semnificaţie analogică
+/-10V
Domeniu de variaţie continuă
standardLumea reală. Mărimi fizice
DAC Procesor Digital
Date in format
numeric
Interfaţa analogică de
ieşireActuator
Transformare din mărime electrică in mărime fizică
oarecare (acţiune)
Conversie numeric (digital)
analogică
Decizie şi acţiune
Tensiune sau curent
comenzi pentru parametri de acţiune
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a155
Transformare din mărime electrică in mărime fizică
oarecare (acţiune)
Comandă: semnal cu semnificaţie logică
0 sau 5 V
Domeniu de variaţie binar
standardLumea reală. Mărimi fizice
(I)/O Procesor Digital
Date in format
numeric
Interfaţa logică de
ieşire
Adaptarea (condiţionarea) semnalului de
ieşire
Actuator
Emiterea de valori logice “0” sau “1”
Interpretare şi decizie
Tensiune sau curent
comenzi pentru parametri de acţiune
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a156
Comenzi analogice
• Comenzi analogice tip DAC
• Erori ale conversiei de tip DAC
• Dinamica comenzilor analogice de tip DAC
• Comenzi analogice tip “timp/frecvenţă”
• Erori ale conversiei tip “timp/frecvenţă”
• Evaluarea globală a acurateţii comenzii
• Domeniul de aplicabilitate a tipurilor de comenzi
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a157
Comenzi de tip DAC
• Parametrul analogic trebuie comandat prin semnal analogic elaborat de convertorul digital analogic (DAC)
• De ex: temperatura, în incinta în care are loc procesul, se comandă prin puterea injectată într-un “fierbător”
• DAC “reconstituie” o variaţie continuă a parametrului (semnalului de comandă) prin valori discrete comandate numeric
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a158
Ce face, de fapt, DAC-ul ?
Răspuns: o operaţie INVERSĂ conversiei analog digitale care a fost utilizată la achiziţia semnalelor (parametrilor) analogici– avem un factor de conversie !– avem eşantioane !– variaţia semnalului-comandă se descrie prin
descompunere armonică !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a159
Adică... cum ?!
+/-10VLumea reală. Mărimi fizice
DAC Procesor Digital
Interfaţa analogică de
ieşireActuator
Parametru Semnal analogic unificat
Exprimarea numerică a valorii semnalului, deci a
parametrului
IIIIII
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a160
Factorul de conversie al DAC
T(oC)
N = 16 (n=4)
10
14
1213
11
456789
15
0123
0 10
T (valoare analogică) = N * Tmin
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a161
Erori ale conversiei DAC
• Aceleaşi ca şi la ADC:– Eroarea de nelinearitate integrală (gain offset)
– Eroarea de nelinearitate diferenţială
– Eroarea de nul (offset)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a162
Dinamica conversiei DAC
• Actualizare (refresh) – inversul eşantionăriievoluţia parametrului se reconstituie din eşantioane ale comenziiTeorema eşantionării rămâne valabilă !
• Limitări impuse de DAC– timpul de transfer din calculator în DAC– Tc = timpul de conversie al DAC– Ts = timpul de stabilire a valorii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a163
“Reconstituirea” parametrului
t
T
0ti ti+1 tj tj+1
“Reconstituirea” se face printr-o histogramăau loc actualizări a valorii
ZOOM
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a164
“Reconstituirea” parametrului (zoom)
iniţierea comenzii
timpul de stabilire
timpul de conversie
terminarea transferului datelor
vechea valoare
t
T noua valoare
noua valoare este efectivă
de la iniţierea comenzii pînă la actualizarea
valorii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a165
Principiul comenzii “timp/frecvenţă”
V
t
t
aceeaşi valoare medie
“ondulaţie” diferită
– frecvenţă diferită– acelaşi factor de umplere
R
C
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a166
Modulare în frecvenţă
– frecvenţă diferită– durata impulsului fixă– factor de umplere diferit
V
t
valoare medie diferită
t
R
C
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a167
Modulare în durată - PWM
V
t
t
valoare medie diferită
– frecvenţă fixă– durata impulsului diferită– factor de umplere diferit
R
C
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a168
Comanda “timp/frecvenţă” are probleme !
• Comenzile analogice “timp/frecvenţă” sunt afectate principial de erori dinamice:– precizia valorii şi dinamica stabilirii comenzii
depinde de intervalul în care variază frecvenţa (modulaţie în frecvenţă)
– precizia valorii şi dinamica stabilirii comenzii depinde de frecvenţa utilizată (modulaţie în durată)
– ondulaţia comenzii analogice generate poate induce o instabilitate în comandă;
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a169
Acurateţea globală a comenzii analogice
• O măsurătoare este “bună” funcţie de pretenţiile aplicaţiei şi cuprinde estimarea contribuţiei ponderate a factorilor de eroare de mai jos:
• Acurateţea asupra valorii mărimii:– rezoluţie, liniaritate (integrală, diferenţială), eroare de
nul (pentru DAC)– frecvenţă (pentru modulaţia în frecvenţă şi durată)
• Acurateţea asupra evoluţiei (dinamicii) mărimii:– rată de actualizare a valorii - inversul eşantionării, timpul
de stabilire (pentru DAC)– frecvenţă (pentru modulaţia în frecvenţă şi durată)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a170
Ce metodă folosim... şi când ?
• Comanda tip DAC este recomandabilă când se comandă un parametru cu “inerţie” mică şi se doreşte o comandă cât mai “netedă”– comanda frecvenţei de acord la un receptor radio
• Comanda tip “timp-frecvenţă” este recomandabilă când se comandă un parametru cu “inerţie” intrinsecă mare şi se poate conta pe o “netezire” inerţială a comenzii– comanda vitezei unui motor– comanda unei frâne electromagnetice– comanda unui încălzitor
• Decidem, după necesităţi sau după posibilităţi
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a171
Comenzi logice
• Comenzi logice
• Dinamica comenzilor logice
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a172
Configuraţia comenzilor logice• comenzi individuale (1 bit)• ansamblul comenzilor “cuvânt de comandă” (n biţi)
Lumea reală. Mărimi fizice
1 bit
Procesor Digital
Actuator + condiţionare
1 bit
Actuator + condiţionare
cuvânt de comandă
00 00 XX 11c3 c2 c1 c0
MSB LSB
XX 00 11 11c7 c6 c5 c4
• cuvântul de comandă: întreg de 8 biţi (sau multiplu)• “rangul” este asociat logic cu comanda ci
• stările pot fi comandate individual• X - unele comenzi pot fi neutilizate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a173
Dinamica comenzilor logice• o “configuraţie a comenzilor” este fotografia
stării dorite, pentru unii parametri ai procesului, la momentul emiterii cuvântului de comandă de către procesorul digital
• succesiunea comenzilor logice, la momente diferite, reconstituie dinamica de modificare comandată a stărilor procesului
• intervalul de timp la care se emite cuvântul de comandă este perioada de actualizare a stărilor– stările se pot actualiza periodic sau, doar la nevoie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a174
Comenzile trebuiesc elaborate
• Controlăm procesul achiziţionând stări• Controlăm procesul emiţând comenzi• Comenzile se elaborează pe baza informaţiei
achiziţionate din proces• Elaborarea comenzilor se face după un plan
(algoritm) care constituie logica aplicaţiei• Acest plan este PROGRAMUL implementat
în procesorul digital (oricare ar fi acela)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a175
Programul
• Planul după care se controlează procesul
• Cine face programul
• Cine execută programul
• Ce este o aplicaţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a176
Algoritmul de control a procesului
• Planul de desfăşurare a evenimentelor în sistem după dorinţa utilizatorului:– strategia de achiziţie a informaţiei din sistem– strategia de aplicare a comenzilor
• Identificarea necesităţilor de decizie
• Identificarea modalităţilor de acţiune
• Stabilirea metodologiei de prelucrare a informaţiei şi de elaborare a deciziilor
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a177
Cine face programul ?
• Este nerelevant cine face programul– utilizatorul sistemului controlat ?– o entitate diferită, specializată în programare ?
• Este relevant cui foloseşte programul– EVIDENT!.. utilizatorului sistemului controlat– utilizatorul înţelege şi ştie ce vrea să facă– utilizatorul elaborează, pentru sine sau pentru
terţi, specificaţia programului de control
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a178
Cine execută programul ?
• Programul este executat de un automat programabil, asimilat în discuţia anterioară cu “procesorul digital”
• Procesorul digital poate fi, după tipul şi gradul de complexitate a controlului, fie:– un microcontrolor, microprocesor sau DSP,
incluse în interfaţa de proces– un calculator PC, calculator industrial, PDA,
etc., denumit în general, “calculator gazdă”– o combinaţie ierarhică a celor de mai sus
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a179
Ce este aplicaţia ?
• Aplicaţia este ansamblul de echipamente (hardware) şi programe (software) care lucrează în cooperare pentru:
– conducerea (controlul) procesului
– exploatarea informaţiei din proces, conform cu necesităţile utilizatorului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a180
Exploatarea informaţiei din aplicaţie
• Extragerea informaţiei vizuale
• Prelucrarea off-line şi arhivarea informaţiei
• Exploatarea globală a aplicaţiei
• Interacţiunea aplicaţiei cu utilizatorul
• Parametrare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a181
Extragerea informaţiei vizuale
• Poate fi necesar ca informaţii culese din proces, sau rezultate ale unor prelucrări, să fie vizualizate:– grafic– alfa-numeric– simbolic
în folosul unui operator care face sau nu face parte din proces:– în timpul desfăşurării controlului procesului– în afara desfăşurării controlului procesului
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a182
Folosirea off-line a informaţiei
• Informaţia din proces nu este, de regulă, vizuală
• Informaţia vizuală este, de regulă, rezultatul unei prelucrări
• Totalul informaţiei culeasă din proces poate fi memorată şi utilizată, în totalitate sau parţial, pentru:– prelucrări ulterioare, planificate sau nu;– arhivare în scopul reconstituirii istoriei sau
reprelucrării.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a183
Interacţia aplicaţiei cu utilizatorul
• Utilizatorul foloseşte aplicaţia• Pentru a o folosi trebuie să interacţioneze
cu aceasta:– o supraveghează;– o modifică pe parcurs;– îi stabileşte diferite regimuri de lucru;
• Pentru ca utilizatorul să poată interacţiona cu aplicaţia, aceasta trebuie să fie parametrabilă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a184
Parametrarea aplicaţiei
• O aplicaţie este parametrabilă pentru a fi flexibilă– în scopul intervenţiei asupra derulării (on-line)– în scopul de a o folosi în aplicaţii similare care
alcătuiesc o clasă de aplicaţii (off-line)• Parametrarea poate fi efectuată:
– în timpul derulării aplicaţiei (on-line)– de la o sesiune de lucru la alta (off-line)
• Parametrabilitatea se pate referi la hard sau la soft
• Este preferabilă parametrabilitatea soft
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a185
Sisteme avansate de control a proceselor
(5)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a186
Sisteme avansate de măsură şi control
• Măsurătoare vs control
• Caracterisiticile sistemelor avansate
• Strategii de implementare hard
• Strategii de implementare soft
• Mai multe despre “timp real”
• Instrumentaţie virtuală
• Concluzii
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a187
Măsurăm sau controlăm ?
• măsurătoare: extragere de informaţie din proces;
• control: acţiune asupra procesului funcţie de ceea ce s-a măsurat:– control, modificare, în timp real (on-line);– control, modificare, pe termen lung (off-line)
Note:– “on” şi “off” – line nu se exclud; pot coexista!– asupra “timpului real” vom reveni!
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a188
Caracteristicile sistemelor avansate
• versatilitate (mai multe clase de aplicaţii);
• parametrabilitate (mai multe aplicaţii în cadrul unei clase sau mai multe situaţii în cadrul unei aplicaţii);
• interactivitate cu operatorul;
• putere mare de calcul/decizie (on-line);
• putere mare de stocare, arhivare (off-line);
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a189
Strategii de implementare hard
• Magistrale de instrumentaţie
• Adaptoare specializate în calculator
• Periferice specializate pentru calculator
• Structuri integrate achiziţie, comanda, decizie, interacţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a190
Magistrale de instrumentaţie
• serial, GPIB, IEEE-488
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a191
Adaptoare specializate în calculator
• ISA, PCI, PCMCIA
PCI sau ISA
PCMCIA
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a192
Periferice specializate pentru calculator
• serial, USB, LPT
ACTOReX
ATRACTOR
SIMON 3D
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a193
Sau ... combinaţii
GPIB
PCI
SIMON 3D
serial RS232
ACTOReX
DVM
USB
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a194
De exemplu: ERGOSIM (nou)
ATRACTOR
ERGOSIM(hard) ERGOSIM
(soft)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a195
Structuri integrate de control
• pilot automat
• achiziţie, comanda, decizie, interacţie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a196
Strategii de implementare soft
• Relaţia “master/slave”
• Periferice inteligente şi control ierarhizat
• Timp real
• Firmware pe interfaţa de proces
• Sistemul de operare pe calculatorul gazdă
• Interacţia aplicaţiei cu sistemul de operare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a197
Structura software
rece
pţio
nare
a di
rect
ivel
or
gazd
ei şi
as
igur
area
co
mun
icaţ
ieinivelul
comenzilor soft pentru resursele blocului (metode)
driver de
interfaţă
calculatorul gazdă
aplicaţie
sistem de operare pe calculatorul gazdă
interfaţa de proces
FIRMWARE
SOFT pt. INTERFAŢĂ
DRIVER + ActiveX
SOFT pt. APLICAŢIE
Către proces
Către utilizator
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a198
Cine este “comandantul”
• Calculatorul gazdă (pe el rulează aplicaţia)atunci avem un “master” (calculatorul gazdă, şi un “slave” (interfaţa de proces);
• Dar dacă interfaţa de proces este “inteligentă” şi poate prelua sarcini de control la nivel local ?atunci avem un “control ierarhizat” bazat pe coordonarea calculatorului gazdă şi autonomie a interfeţei de proces pentru executarea anumitor sarcini
• Dar dacă interfaţa de este “foarte inteligentă” ?atunci nu are nevoie de calculator gazdă şi rulează singură aplicaţia - este master!
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a199
Controlul ierarhizat vs timp real
• Alegerea soluţiei, între cele două extreme ale relaţiei master/slave sumarizate în slide-ul precedent, este strâns legată de noţiunea de control în timp real
• Deci... din nou despre timp real
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a200
Timp real
starestare deciziedecizie
achiziţieachiziţie
comandăcomandă
• Noţiunea de timp real este relativă la viteza de desfăşurare a procesului şi viteza necesară de răspuns a controlului pentru a se putea modifica parametrii procesului în timp util.
• Nu toate răspunsurile trebuie să fie în timp real
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a201
Să analizăm bucla de reglaj !
starestare deciziedecizie
achiziţieachiziţie
comandăcomandă
• tachiziţie = tmăsură + ttransmisie
• tdecizie = tprelucrare + tdecizie
• tcomandă = ttransmisie + tacţionare
• treacţie = tachiziţie + tdecizie + tcomandă
• Condiţia de timp real este atunci când: treacţie < timpul necesar de răspuns
• Buclele de reglaj sunt multiple• Buclele de reglaj sunt imbricate
să analizăm un exemplu simplu !
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a202
Interfaţa de proces este “inteligentă”
stare (tn)
achiziţie
prelucrare
stare (tn+1)
prelucraredecizie
comandă
date
proces
prelucrare
interfaţă de achiziţie
calculator gazdă
B1B2
transmisie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a203
Interfaţa de proces nu este “inteligentă”
stare (tn)
achiziţie
prelucrare
stare (tn+1)
prelucraredecizie
comandă
date
proces
prelucrare
interfaţă de achiziţie
calculator gazdă
B1B2
transmisie
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a204
Timpul de reacţie
• În exemplul de mai sus:– B1 este o buclă “critică”, se parcurge frecvent– B2 este o buclă “ocazională”
• Cu ce se pierde timp:– cu transmisia datelor între interfaţă si gazdă– cu prelucrarea, decizia, stocarea– cu interacţia cu operatorul uman
• Varianta cu interfaţă inteligentă este mai rapidă. Face economie de comunicaţie.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a205
Control “jos” sau “sus” ?
• Control “jos” înseamnă control aproape de proces - în interfaţa de proces
• Control “sus” înseamnă control departe de proces - în calculatorul gazdă
• Buclele de reglaj critice, frecvente, care necesită timp de răspuns scurt este bine să fie mutate “jos”
• Rezultatul: scăderea timpului de răspuns global a controlului de proces
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a206
Control în interfaţa de proces
• Control “jos” implică, în general:– resurse de memorie, putere de calcul,
capacitate de stocare, interacţiune cu operatorul (în general) mici;
– viteză de reacţie mare, chiar pentru procesoare relativ lente, deoarece...
– programare în asamblare sau C (firmware)– pe microprocesoare, microcontroloare, DSP (caz de
mare performanţă)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a207
Control în calculatorul gazdă
• Control “sus” implică, în general:– resurse de memorie, putere de calcul, capacitate
de stocare, interacţiune cu operatorul (în general) mari;
– programare în C++, Java, medii Vizual, medii complexe şi performante de dezvoltare de aplicaţii
– viteză de reacţie mică, chiar pentru calculatoare “rapide”, deoarece...
– toată activitatea depinde de comunicaţie– toată activitatea este mediată de sistemul de operare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a208
Sisteme de operare
• DOS:– simplu, acces uşor şi controlat la resurse, control bun
asupra sincronăzării aplicaţiilor (timing), sărac în medii de dezvoltare, şi.... nu mai este la modă (adică standard)
• Linux– relativ simplu, acces uşor şi controlat la resurse, control
bun asupra sincronizării aplicaţiilor (timing), relativ sărac în medii de dezvoltare; deşi nu este “agreat”, este atât de performant şi ieftin încât, uneori, este inevitabil
• Windows– complex, acces dificil la resurse, nu există control asupra
sincronăzării aplicaţiilor (timing), extrem de bogat în medii de dezvoltare, la modă, standard şi... scump
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a209
Sisteme de operare (comparaţie)
răspuns în timp
Comoditate:– interacţie bună cu utilizatorul
– medii de dezvoltare performante (OOL)
– facilităţi pentru aplicaţii avansate (reţea, Internet, etc.)DOS
Linux
Windows
Comoditate
solutii Linux şi Windows pot fi mixate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a210
Windows este un standard de facto
• Avantaje multiple:– interacţiune bună cu operatorul–medii de dezvoltare aplicaţii bogate–posibilitate de incorporare a aplicaţiilor existente
(EMBEDDED applications)–extrem de popular
• Dezavantaje:–control slab la resurse (evitat - pe cât posibil -
prin tehnologia ActiveX)–control inexistent asupra timing-ului (inevitabil)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a211
servicii în restaurante, garaje, administraţie; servicii cu interfaţă umană, etc. aplicaţii INCS, controlul temperaturii, automatizări de securitate în arie, etc. aplicaţii INCS (1kHz), standuri de testare, linii de producţie, procese industriale, etc.aplicaţii INCS (50-500kHz-?), evaluare şi control în timp real (cu condiţia utilizări sistemelor DSP şi RISC)
Windows vs timp real
Avantaje Windows
• Interfaţă utilizator confortabilă
• Multitasking
• Funcţii de reţea
• Standardizare
• Minute:
• Secunde:
• Millisecunde:
• Microsecunde:
Dezavantaje Windows
• Timing imprecis
• Stabilitatea programului negarantată
• Lipsa facilităţilor de timp real (întreruperi)
• Nu se pot utiliza periferice simple
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a212
Instrumentaţie virtuală
• Conceptul “instrumentaţie virtuală”
• Medii de dezvoltare de aplicaţii IV
• Exemple IV
• Facilităţi de incorporare (embedded applications)
• Aplicaţii de reţea (networking)
• Aplicaţii pe suport web (Internet)
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a213
Conceptul IV• Posibilitatea de a construi şi utiliza un echipament
condus de calculator care se comportă, “virtualmente”, ca un echipament construit din elemente hard (ca un aparat).
• Echipamentul, în sine, este foarte real !• Utilizatorul vede, prin “interfaţa de utlizator”, un
echipament virtual care permite:– comanda facilă prin interfeţe umane (mouse, tastatură)– vizualizarea, prelucrarea şi stocarea datelor, doar prin
comenzi ale unui “panou virtual”– parametrarea prin acelaşi “panou virtual”
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a214
Facilităţile IV
• Posibilitatea de a construi, pe baza aceluiaşi set de echipamente hard, diferite echipamente virtuale, schimbând numai aplicaţia care rulează pe calculator
• Posibilitatea de a vedea şi utiliza un echipament aflate la distanţă “ca şi cum” te-ai afla lângă elPentru a profita de aceste facilităţi, aplicaţiile IV trebuie dezvoltate
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a215
Medii de dezvoltare de aplicaţii IV
• Aplicaţii specializate pentru IV
– TestPoint (Keithley)
– LabView (National Instruments)
– DriverLINX, ExceLINX, VisualSCOPE
• ... sau medii de dezvoltare “normale” OOL:
– Visual C++, VB, .Net, etc.
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a216
Interfaţa utilizator pentru dezvoltare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a217
Simon 3D
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a218
Simon 3D (Embedded Excel)Sesiune:Coment:Tact[ms]: 100K[m/ct]: 0 0 0 0Timp[s]Ora: 17:40:21Ora: 17:40:31
0 123 234 345 4560.1 123 234 345 4560.2 123 234 345 4560.3 123 234 345 4560.4 123 234 345 4560.5 123 234 345 4560.6 123 234 345 4560.7 123 234 345 4560.8 123 234 345 4560.9 123 234 345 456
1 123 234 345 456Ora: 17:40:38
0 123 234 345 4560.1 123 234 345 4560.2 123 234 345 4560.3 123 234 345 4560.4 123 234 345 4560.5 123 234 345 4560.6 123 234 345 456
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a219
ERGOSIM (nou) – Aplicaţia de evaluare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a220
Exemplu de aplicaţie în reţea locală
ERGOSIM(hard)
ERGOSIM(soft-reţea)
ERGOSIM(hard) ERGOSIM
(hard)
Intranet
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a221
Exemplu de aplicaţie de control prin web
Server (undeva)
e-ACTOReX SIMON 3D
Antrenor la INCS
Sala la Bacău (?)
Antrenorul “vede” aplicaţia care se derulează la Bacău
Inte
rnet
Internet
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a222
Asta vede antrenorul prin Internet
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a223
Concluzii
• Tendinţe actuale
• Optimizarea soluţiei
• Analiza CPRS
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a224
• adaptarea strategiei hard şi soft la aplicaţie
• echilibru între interacţie locală/centrală
• utilizarea tehnologiilor de programare OOL
• utilizarea tehnologiilor de programare Visual
• utilizarea tehnologiilor de reţea
• utilizarea tehnologiilor web
Tendinţe actuale de implementare
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a225
• Optimizarea funcţie de aplicaţie–evaluarea corectă a pretenţiei “timp real” vs
“non-timp real”–analiza costurilor–analiza capacităţii de implementare a aplicaţiei–analiza capacităţii de utilizare a aplicaţiei
• Nu toate canalele sau buclele de control trebuie să fie “de timp real”–hibridarea hardware-ului–utilizarea strategiei adecvate pentru aplicaţie
(control distribuit, ierarhizarea controlului, etc.)
Soluţia optimă
D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a226
Analiza CPRS
• Factorul CPRS (Critical Performance RequirementS)• Indentificarea corectă a componentelor CPRS
– Ce doriţi să măsuraţi? Ce doriţi să acţionaţi?– Care sunt necesităţile de precizie, exactitate şi
repetabilitate?– Cât de rapid este procesul controlat? Este de timp real?– Câte canale de măsură/acţiune sunt necesare? Sunt ele
Multiplexabile?– Ce prelucrări de date sunt necesare?– Care este orizontul de timp pentru implementarea
sistemului?– Care este plafonul bugetului pentru sistemul respectiv?– Este necesară multiplicarea? Câte exemplare se produc?
Mulţumesc pentru răbdare!
Top Related