Informatica Industriala Curs

Informatica industriala

Sebestyen Gheorghe

Bibliografie

Sebestyen G., Informatica industriala, editura albastra, 2006 Gorgan D. Sebestyen G. Proiectarea calculatoarelor, Ed. Albastra,

2005 Calin. S. Dumitrache I, Regulatoare numerice, Ed. Didactica, 1985 Papadache, Automatizari industriale, Ed. Tehnica, 1978 Sangeorzan D., Regulatoare adaptive, ed. Militara, 1992 ***, Control Engineering, http://www.controleng.com/ ***, www.microchip.com ***, www.ti.com

http://users.utcluj.ro/~sebestyen/sebestyen.html

2

Sebestyen G., Informatica industriala, editura albastra, 2006 Gorgan D. Sebestyen G. Proiectarea calculatoarelor, Ed. Albastra,

2005 Calin. S. Dumitrache I, Regulatoare numerice, Ed. Didactica, 1985 Papadache, Automatizari industriale, Ed. Tehnica, 1978 Sangeorzan D., Regulatoare adaptive, ed. Militara, 1992 ***, Control Engineering, http://www.controleng.com/ ***, www.microchip.com ***, www.ti.com

http://users.utcluj.ro/~sebestyen/sebestyen.html

Continutul cursului: Calculatorul în conducerea proceselor industriale;

notiuni introductive Componente utilizate în sistemele digitale de control

Procesoare de semnal, microcontroloare Memorii Interfete de intrare/iesire

Mijloace moderne de comunicaţie utilizate însistemele de control

Sisteme de reglare automată Prelucrarea digitală a semnalelor Sisteme de timp-real Sisteme distribuite de control

3

Calculatorul în conducerea proceselor industriale;notiuni introductive

Componente utilizate în sistemele digitale de control Procesoare de semnal, microcontroloare Memorii Interfete de intrare/iesire

Mijloace moderne de comunicaţie utilizate însistemele de control

Sisteme de reglare automată Prelucrarea digitală a semnalelor Sisteme de timp-real Sisteme distribuite de control

Aspecte preliminare

Istoria tehnicii - extinderea continua a capacitatilor umane prinunelte, dispozitive, utilaje, echipamente, roboti

Obiective: reducerea efortului fizic, creşterea productivităţii muncii, creşterea preciziei şi îmbunătăţirea condiţiilor de muncă

Sistemele automate – salt calitativ prin aportul de inteligenta

4

Istoria tehnicii - extinderea continua a capacitatilor umane prinunelte, dispozitive, utilaje, echipamente, roboti

Obiective: reducerea efortului fizic, creşterea productivităţii muncii, creşterea preciziei şi îmbunătăţirea condiţiilor de muncă

Sistemele automate – salt calitativ prin aportul de inteligenta

Scopul utilizarii sistemelor automate

creşterea performanţelor, ridicarea eficienţei în utilizarea resurselor (umane, materiale,

energetice, etc.), îmbunătăţirea calităţii produselor, eliminarea muncii fizice, Eliminarea muncii in medii periculoase (toxice, cu pericol de

explozie sau de producere a unor accidente) evitarea unor activităţi monotone şi obositoare pentru om. eliminarea erorii umane complexitatea procesului controlat impune utilizarea unor

sisteme automate timp de reacţie mai scurt putere de calcul mai mare

5

creşterea performanţelor, ridicarea eficienţei în utilizarea resurselor (umane, materiale,

energetice, etc.), îmbunătăţirea calităţii produselor, eliminarea muncii fizice, Eliminarea muncii in medii periculoase (toxice, cu pericol de

explozie sau de producere a unor accidente) evitarea unor activităţi monotone şi obositoare pentru om. eliminarea erorii umane complexitatea procesului controlat impune utilizarea unor

sisteme automate timp de reacţie mai scurt putere de calcul mai mare

Evolutia sistemelor automate Sisteme mecanice de reglaj (ex: control nivel lichid) Sisteme hidraulice si pneumatice Sisteme electrice (relee, transformatoare, aparate de masura) Sisteme electronice (regulatoare analogice, filtre, circuite de

amplificare/atenuare) Sisteme automate standardizate – prin semnale unificate (0-

10V, 4-20mA) Sisteme digitale utilizate in controlul proceselor (automate

programabile, secventiatoare digitale, etc.) Sisteme de calcul utilizate in urmarirea si conducerea

proceselor (sisteme de calcul dedicate, procesoare de semnal,microcontroloare)

Sisteme distribuite de control

6

Sisteme mecanice de reglaj (ex: control nivel lichid) Sisteme hidraulice si pneumatice Sisteme electrice (relee, transformatoare, aparate de masura) Sisteme electronice (regulatoare analogice, filtre, circuite de

amplificare/atenuare) Sisteme automate standardizate – prin semnale unificate (0-

10V, 4-20mA) Sisteme digitale utilizate in controlul proceselor (automate

programabile, secventiatoare digitale, etc.) Sisteme de calcul utilizate in urmarirea si conducerea

proceselor (sisteme de calcul dedicate, procesoare de semnal,microcontroloare)


Sisteme digitale de control Sisteme simple de secventiere, numarare, avertizare Sisteme automate bazate pe calculatoare:

Pentru urmarire si vizualizare procese Pentru suport decizie si gestiune economico-

administrativa Pentru controlul direct al proceselor (DCC Direct

Computer Control) Sisteme dedicate bazate pe microprocesoare

Pret mai mic Dimensiuni mai mici Consum mai mic Fiabilitate mai mare

Sisteme multiprocesor Sisteme distribuite (calculatoare + retea)

7

Sisteme simple de secventiere, numarare, avertizare Sisteme automate bazate pe calculatoare:

Pentru urmarire si vizualizare procese Pentru suport decizie si gestiune economico-

administrativa Pentru controlul direct al proceselor (DCC Direct

Computer Control) Sisteme dedicate bazate pe microprocesoare

Pret mai mic Dimensiuni mai mici Consum mai mic Fiabilitate mai mare

Sisteme multiprocesor Sisteme distribuite (calculatoare + retea)

Evolutia sistemelor automatePonderea

Controlanalogic

Control directprin calculator

Controlierarhic

Controldistribuit

8

1900 1960 1975 1990 2008

Controlanalogic

Figura 1.1 Evoluţia tehnologiilor utilizate în sistemele de control

Controlmecanic

Utilizarea componentelor digitale si a sistemelorde calcul in automatica

Avantaje precizie mai ridicată în calculul funcţiei de reglaj posibilitatea implementării unor procedee complexe

de reglaj, cu un comportament adaptiv o mai mare imunitate la zgomote, în special datorită

caracteristicilor semnalelor digitale posibilitatea stocării şi transmiterii la distanţă a

informaţiilor modificarea funcţiei de reglaj se poate face prin

program, fără să implice modificări ale schemei fizice(hardware)

9

Avantaje precizie mai ridicată în calculul funcţiei de reglaj posibilitatea implementării unor procedee complexe

de reglaj, cu un comportament adaptiv o mai mare imunitate la zgomote, în special datorită

caracteristicilor semnalelor digitale posibilitatea stocării şi transmiterii la distanţă a

informaţiilor modificarea funcţiei de reglaj se poate face prin

program, fără să implice modificări ale schemei fizice(hardware)

Utilizarea componentelor digitale si a sistemelorde calcul in automatica

Avantaje: schemele locale de automatizare pot fi integrate uşor

într-un sistem ierarhizat de control precizia este influenţată într-o mai mica măsură de

precizia componentelor, de variaţiile condiţiilor demediu (temperatura, umiditate) sau de variaţiiletensiunii de alimentare

repetabilitatea în timp a procedeelor de prelucrare(îmbătrânirea componentelor are o influenţă minoră)

prin program pot fi implementate scheme deautocalibrare şi de detectare automata a defectelor

posibilitatea realizării unor interfeţe utilizatorprietenoase, sugestive şi specializate pentru diferitetipuri de utilizator

10

Avantaje: schemele locale de automatizare pot fi integrate uşor

într-un sistem ierarhizat de control precizia este influenţată într-o mai mica măsură de

precizia componentelor, de variaţiile condiţiilor demediu (temperatura, umiditate) sau de variaţiiletensiunii de alimentare

repetabilitatea în timp a procedeelor de prelucrare(îmbătrânirea componentelor are o influenţă minoră)

prin program pot fi implementate scheme deautocalibrare şi de detectare automata a defectelor

posibilitatea realizării unor interfeţe utilizatorprietenoase, sugestive şi specializate pentru diferitetipuri de utilizator

Dezavantaje: erori introduse prin digitizarea semnalelor de intrare

şi ieşire; semnalele sunt eşantionate în timp şi Semnalele sunt cuantizate ca domeniu de valuri,

un cost mai ridicat pentru schemele simple de reglaj schema de reglaj este "ascunsă" în program şi este

mai puţin vizibilă pentru utilizator limitări de viteză, în special în prelucrarea unor

semnale de frecvenţă mare: Teorema lui Shannon

11

erori introduse prin digitizarea semnalelor de intrareşi ieşire; semnalele sunt eşantionate în timp şi Semnalele sunt cuantizate ca domeniu de valuri,

un cost mai ridicat pentru schemele simple de reglaj schema de reglaj este "ascunsă" în program şi este

mai puţin vizibilă pentru utilizator limitări de viteză, în special în prelucrarea unor

semnale de frecvenţă mare: Teorema lui Shannon

Concepte de baza Procesul = o transformare a unui sistem, indicată prin

modificarea unor mărimi de proces (ex.: modificareatemperaturii, a presiunii, a poziţiei, etc.).

Proces industrial = ansamblul transformărilor realizate într-o instalaţie tehnologică, ce au ca scop producerea unormateriale, echipamente sau servicii.

Parametrii de proces = mărimi fizice care caracterizeazăun proces. Parametrii de intrare: mărimi fizice măsurabile, exterioare

procesului, care influenţează evoluţia acestuia. Parametri de stare: înglobează informaţia referitoare la

evoluţia anterioară a procesului Parametri de ieşire: mărimi a căror evoluţie dorim să o

controlăm

12

Procesul = o transformare a unui sistem, indicată prinmodificarea unor mărimi de proces (ex.: modificareatemperaturii, a presiunii, a poziţiei, etc.).

Proces industrial = ansamblul transformărilor realizate într-o instalaţie tehnologică, ce au ca scop producerea unormateriale, echipamente sau servicii.

Parametrii de proces = mărimi fizice care caracterizeazăun proces. Parametrii de intrare: mărimi fizice măsurabile, exterioare

procesului, care influenţează evoluţia acestuia. Parametri de stare: înglobează informaţia referitoare la

evoluţia anterioară a procesului Parametri de ieşire: mărimi a căror evoluţie dorim să o

controlăm

Concepte

Perturbaţiile sau zgomotele = mărimi fizice careinfluenţează evoluţia unui proces, dar a căror mărimeşi evoluţie în timp este necunoscută şi/saunecontrolată. zgomote electromagnetice, variaţii ale parametrilor de mediu (temperatură,

presiune, umiditate, etc.), variaţii ale surselor de alimentare,

variaţii ale calităţii materiilor prime

13

Perturbaţiile sau zgomotele = mărimi fizice careinfluenţează evoluţia unui proces, dar a căror mărimeşi evoluţie în timp este necunoscută şi/saunecontrolată. zgomote electromagnetice, variaţii ale parametrilor de mediu (temperatură,

presiune, umiditate, etc.), variaţii ale surselor de alimentare,

variaţii ale calităţii materiilor prime

Concepte

Funcţia de transformare sau de transfer a unuiproces = expresia dependenţei dintre parametrii de ieşire(vectorul de ieşire), parametrii de stare (vectorul de stare) şiparametrii de intrare (vectorul de intrare) ai unui proces. rezultat al unei ecuatii integro-diferentiale modeleaza analitic comportamentul unui proces

Functie liniara Functie neliniara

14

Funcţia de transformare sau de transfer a unuiproces = expresia dependenţei dintre parametrii de ieşire(vectorul de ieşire), parametrii de stare (vectorul de stare) şiparametrii de intrare (vectorul de intrare) ai unui proces. rezultat al unei ecuatii integro-diferentiale modeleaza analitic comportamentul unui proces

Functie liniara Functie neliniara

Concepte Reglaj automat = un ansamblu de operaţii efectuate în

buclă închisă sau deschisă, cu scopul de a stabili o dependenţă,pe baza unei legi prestabilite, între parametrii de proces

Funcţia de reglaj = defineşte modul de generare acomenzilor (parametri de intrare pentru proces) pe bazamărimilor măsurate (parametri de ieşire pentru proces) şi avalorilor prescrise Obiective:

menţinerea unei mărimi de proces la o valoareprestabilită,

minimizarea abaterilor, imprimarea unei anumite evoluţii în timp pentru un

parametru de proces

15

Reglaj automat = un ansamblu de operaţii efectuate înbuclă închisă sau deschisă, cu scopul de a stabili o dependenţă,pe baza unei legi prestabilite, între parametrii de proces

Funcţia de reglaj = defineşte modul de generare acomenzilor (parametri de intrare pentru proces) pe bazamărimilor măsurate (parametri de ieşire pentru proces) şi avalorilor prescrise Obiective:

menţinerea unei mărimi de proces la o valoareprestabilită,

minimizarea abaterilor, imprimarea unei anumite evoluţii în timp pentru un

parametru de proces

Concepte

Semnal = mărime purtătoare a unei informaţii Prin semnale se asigura conexiunea intre sistemul

controlat si cel de control Clasificare dupa natura semnalelor:

semnale analogice – care au un domeniu continuu devalori

semnale digitale – care au un număr finit de valoridiscrete; de cele mai multe ori se folosesc semnale care audouă valori distincte (codificate cu 0 şi 1) şi care reprezintădouă stări diferite ale unui element de proces (ex.:închis/deschis, valid/invalid, pornit/oprit, etc.)

Clasificare dupa comportamentul in timp: semnale continue – au variaţie continuă în timp semnale discrete (eşantionate) – au variaţie discretă în

timp, adică funcţiile ce le reprezintă au valori definite doar laanumite momente de timp 16

Semnal = mărime purtătoare a unei informaţii Prin semnale se asigura conexiunea intre sistemul

controlat si cel de control Clasificare dupa natura semnalelor:

semnale analogice – care au un domeniu continuu devalori

semnale digitale – care au un număr finit de valoridiscrete; de cele mai multe ori se folosesc semnale care audouă valori distincte (codificate cu 0 şi 1) şi care reprezintădouă stări diferite ale unui element de proces (ex.:închis/deschis, valid/invalid, pornit/oprit, etc.)

Clasificare dupa comportamentul in timp: semnale continue – au variaţie continuă în timp semnale discrete (eşantionate) – au variaţie discretă în

timp, adică funcţiile ce le reprezintă au valori definite doar laanumite momente de timp

Concepte

Sistem de control = ansamblu construit cu scopul de apermite urmărirea şi modificarea evoluţiei unui proces pe bazaunei legi prestabilite

Sistem de control

Parametrii

măsuraţiComenzi

17

Proces tehnologic

Materii prime şi

energieProduse şi energie

Perturbaţii

Mediu

Parametrii

măsuraţiComenzi

Figura 2.1 Schema de principiu a unui sistem automat de

control

Concepte

Sistem digital de control (eng. DCS- DigitalControl System) = un sistem de control careutilizează tehnici şi componente digitale pentrucontrol (ex.: circuite logice, automate de stare,memorii, programe, etc.). Functiile unui calculator:

urmărire şi vizualizare a parametrilor de proces, de stocare a datelor culese, transmitere la distanţă a informaţiilor sau Controlul direct al procesului.

18

Sistem digital de control (eng. DCS- DigitalControl System) = un sistem de control careutilizează tehnici şi componente digitale pentrucontrol (ex.: circuite logice, automate de stare,memorii, programe, etc.). Functiile unui calculator:

urmărire şi vizualizare a parametrilor de proces, de stocare a datelor culese, transmitere la distanţă a informaţiilor sau Controlul direct al procesului.

ConcepteSistem de

calculInterfeţe de proces

S - senzorEE - element deexecuţie

19

Proces controlat

S S S EEEE

Figura 2.2 Exemplu de sistem de control princalculator

.... ....

Concepte

Sistemele cu control digital direct (eng.DDC – Direct Digital Control) = sisteme decontrol la care evoluţia procesului estecontrolată nemijlocit de un sistem digital, fărăintervenţia directă a operatorului uman

20

Sistemele cu control digital direct (eng.DDC – Direct Digital Control) = sisteme decontrol la care evoluţia procesului estecontrolată nemijlocit de un sistem digital, fărăintervenţia directă a operatorului uman

Calculator central

Calculator de

proces

Calculator de

proces

Calculator de

proces

LAN

R AP

21

Reţeleindustriale

Proces controlat

S S S S SEE EE EE EE

Figura 2.3 Schema unui sistem ierarhic de control

R AP

Clasificarea aplicaţiilor de control

funcţie de modul de operare: control pe bază de logică binară control secvenţial control în buclă închisă

funcţie de numărul de procesoare implicate şi modul deorganizare a acestora: control uniprocesor control centralizat multiprocesor control ierarhic control distribuit

funcţie de obiectivul urmărit: urmărire şi înregistrare evenimente sau parametri de proces reglaj local controlul şi coordonarea mişcării control optimal 22

funcţie de modul de operare: control pe bază de logică binară control secvenţial control în buclă închisă

funcţie de numărul de procesoare implicate şi modul deorganizare a acestora: control uniprocesor control centralizat multiprocesor control ierarhic control distribuit

funcţie de obiectivul urmărit: urmărire şi înregistrare evenimente sau parametri de proces reglaj local controlul şi coordonarea mişcării control optimal

Tipuri de control Controlul binar = semnalul de comandă generat de sistemul de

control se exprimă sub forma unei expresii logice în caretermenii sunt parametrii procesului.

Controlul secvenţial = generarea unei secvenţe de comenzicare determină o anumită evoluţie în timp a procesului controlat

Control în buclă închisă =urmareste menţinerea unuiparametru de proces la o valoare predefinită (reactie inversafeed-back)

23

Controlul binar = semnalul de comandă generat de sistemul decontrol se exprimă sub forma unei expresii logice în caretermenii sunt parametrii procesului.

Controlul secvenţial = generarea unei secvenţe de comenzicare determină o anumită evoluţie în timp a procesului controlat

Control în buclă închisă =urmareste menţinerea unuiparametru de proces la o valoare predefinită (reactie inversafeed-back)

RegulatorProces

controlatVP

EE

S

VM

Δ

-

+ ε C

Figura 2.4 Schema de principiu a unei bucle de reglaj

Tipuri de control Urmărire, vizualizare şi stocare datelor - aplicaţii

de tip SCADA (Supervisory Control and DataAquisition)

Reglajul local – are ca obiectiv menţinerea unuiparametru de proces la o valoare prestabilită

Controlul şi coordonarea mişcării – pentru masinicu comanda numerica si roboti industriali

Controlul optimal se aplică pe un nivel superior alunei scheme ierarhice de control şi are ca obiectivsincronizarea celulelor autonome de fabricaţie învederea optimizării unor parametri de performanţă aiprocesului de fabricaţie (cost minim, producţiemaximă, productivitate maximă, pierderi tehnologiceminime 24

Urmărire, vizualizare şi stocare datelor - aplicaţiide tip SCADA (Supervisory Control and DataAquisition)

Reglajul local – are ca obiectiv menţinerea unuiparametru de proces la o valoare prestabilită

Controlul şi coordonarea mişcării – pentru masinicu comanda numerica si roboti industriali

Controlul optimal se aplică pe un nivel superior alunei scheme ierarhice de control şi are ca obiectivsincronizarea celulelor autonome de fabricaţie învederea optimizării unor parametri de performanţă aiprocesului de fabricaţie (cost minim, producţiemaximă, productivitate maximă, pierderi tehnologiceminime

Probleme specifice de utilizare asistemelor de calcul in automatica timpul fiabilitatea ridicată şi toleranţa la defecte comportament reactiv lucrează în medii cu puternice zgomote

electromagnetice şi cu variaţii mari ale parametrilorde mediu

funcţionare continuă, 24 de ore din 24 execuţie concurentă sisteme dedicate performanţe de calcul şi posibilităţi de stocare limitate calitatea personalului de deservire şi întreţinere

25

timpul fiabilitatea ridicată şi toleranţa la defecte comportament reactiv lucrează în medii cu puternice zgomote

electromagnetice şi cu variaţii mari ale parametrilorde mediu

funcţionare continuă, 24 de ore din 24 execuţie concurentă sisteme dedicate performanţe de calcul şi posibilităţi de stocare limitate calitatea personalului de deservire şi întreţinere


Prelucrarea digitala a semnalelorNotiuni introductive,

Transforata Fourier si Laplace

Procesarea semnalelor Obiective:

extragerea din semnal a unor componente considerate relevantepentru problema studiată (ex.: filtrare),

transformarea semnalului pe baza unei anumite reguli(amplificare/atenuare, întârziere, etc.).

Domenii: Analiza semnalelor - domeniul care se ocupă de descompunerea

semnalelor complexe în semnale elementare Un semnal complex se descrie ca o suma (ponderata) de semnale

simple; (ponderea=amplitudinea semnalului simplu) Sinteza semnalelor - generarea unor semnale complexe, cu

anumite proprietăţi date, care se obţin prin combinarea unorsemnale elementare.

Ex: modulatoare, multiplexare, generatoare de semnal, etc.

Obiective: extragerea din semnal a unor componente considerate relevante

pentru problema studiată (ex.: filtrare), transformarea semnalului pe baza unei anumite reguli

(amplificare/atenuare, întârziere, etc.). Domenii:

Analiza semnalelor - domeniul care se ocupă de descompunereasemnalelor complexe în semnale elementare

Un semnal complex se descrie ca o suma (ponderata) de semnalesimple; (ponderea=amplitudinea semnalului simplu)

Sinteza semnalelor - generarea unor semnale complexe, cuanumite proprietăţi date, care se obţin prin combinarea unorsemnale elementare.

Ex: modulatoare, multiplexare, generatoare de semnal, etc.

Semnale Def.: semnal - o mărime fizică purtătoare a unei informaţii Clasificare:

Din punct de vedere al predictibilităţii, semnalele pot fi: deterministe, dacă evoluţia lor este previzibilă şi se pot descrie

prin funcţii de timp (ex.: x(t) = A sin(ωt+φ)) aleatoare, dacă au o evoluţie imprevizibilă sau mult prea

complexă pentru a putea fi exprimată printr-o expresiematematică (ex.: zgomot)

Din punct de vedere al evoluţiei în timp semnalele pot fi: continue, dacă sunt descrise prin funcţii continue de timp discrete, dacă au valori definite doar la anumite momente de

timp Din punct de vedere al amplitudinii semnalele pot fi :

continue, dacă domeniul de variaţie al amplitudinii este uninterval continuu

cuantizate, dacă amplitudinea poate lua un număr finit devalori

Def.: semnal - o mărime fizică purtătoare a unei informaţii Clasificare:

Din punct de vedere al predictibilităţii, semnalele pot fi: deterministe, dacă evoluţia lor este previzibilă şi se pot descrie

prin funcţii de timp (ex.: x(t) = A sin(ωt+φ)) aleatoare, dacă au o evoluţie imprevizibilă sau mult prea

complexă pentru a putea fi exprimată printr-o expresiematematică (ex.: zgomot)

Din punct de vedere al evoluţiei în timp semnalele pot fi: continue, dacă sunt descrise prin funcţii continue de timp discrete, dacă au valori definite doar la anumite momente de

timp Din punct de vedere al amplitudinii semnalele pot fi :

continue, dacă domeniul de variaţie al amplitudinii este uninterval continuu

cuantizate, dacă amplitudinea poate lua un număr finit devalori

Semnale Semnale analogice - semnalele continue în timp şi ca domeniu de

valori Se studiaza in teoria clasica a semnalelor (integrale/derivate

continue, transformata Fourier, Laplace, etc.) Semnale digitale – semnale discrete din punct de vedere al evoluţiei în

timp şi cuantizate ca domeniu de valori sunt denumite Se studiaza prin teoria semnalelor digitale sau discrete (sume

integrale, transformata in Z, etc.)

Semnale analogice - semnalele continue în timp şi ca domeniu devalori Se studiaza in teoria clasica a semnalelor (integrale/derivate

continue, transformata Fourier, Laplace, etc.) Semnale digitale – semnale discrete din punct de vedere al evoluţiei în

timp şi cuantizate ca domeniu de valori sunt denumite Se studiaza prin teoria semnalelor digitale sau discrete (sume

integrale, transformata in Z, etc.)

t

t

t

t

x(t)

x(t)

x(nT)

x(nT)

Continuu Discret

Continuu

Cuantizat

timpamplitudine

Sisteme liniare Sisteme descrise prin ecuatii integro-diferentiale liniare Sisteme la care este valabil principiul suprapunerii efectelor:

Efectul unui semnal complex asupra unui sistem este egal cu sumaefectelor produse de semnalele simple ce compun semnalulcomplex

Efectul produs de un sistem liniar asupra unui semnal complex deintrare este egal cu suma efectelor produse asupra componentelorsemnalului

Sisteme reale: Neliniare in ansamblu Linearizabile pe portiuni Cauze de neliniaritate:

Efect de saturatie (la valori prea mari) Legea de variatie a sistemului este neliniara prin natura

fenomenelor incorporate Transformari de stare (ex: fierbere, rupere, etc.)

Sisteme descrise prin ecuatii integro-diferentiale liniare Sisteme la care este valabil principiul suprapunerii efectelor:

Efectul unui semnal complex asupra unui sistem este egal cu sumaefectelor produse de semnalele simple ce compun semnalulcomplex

Efectul produs de un sistem liniar asupra unui semnal complex deintrare este egal cu suma efectelor produse asupra componentelorsemnalului

Sisteme reale: Neliniare in ansamblu Linearizabile pe portiuni Cauze de neliniaritate:

Efect de saturatie (la valori prea mari) Legea de variatie a sistemului este neliniara prin natura

fenomenelor incorporate Transformari de stare (ex: fierbere, rupere, etc.)

Exemple de semnale(in domeniul continuu)

Semnal sinusoidalx(t) = A sin(ωt+φ) = A sin (2πf*t + φ) = A sin (2π/T * t + φ)

unde: A – amplitudinea semnaluluiω – pulsaţiaφ – faza iniţială a semnaluluif – frecvenţa semnaluluiT – perioadat – timpul

Semnal sinusoidalx(t) = A sin(ωt+φ) = A sin (2πf*t + φ) = A sin (2π/T * t + φ)

unde: A – amplitudinea semnaluluiω – pulsaţiaφ – faza iniţială a semnaluluif – frecvenţa semnaluluiT – perioadat – timpul

φ

A

x(t)

t

Exemple de semnale

Semnal de tip treaptă unitară0 pentru t < 0

σ(t) =1 pentru t > 0

Semnal rampă0, pentru t <0

x(t) =a*t, pentru t ≥ 0

σ(t)

t

Semnal de tip treaptă unitară0 pentru t < 0

σ(t) =1 pentru t > 0

Semnal rampă0, pentru t <0

x(t) =a*t, pentru t ≥ 0

Vsat

tg α = aα

Exemple de semnale

Semnal de tip impuls aperiodic0 pentru t < 0

π(t) = 1 pentru 0 < t < Δt0 pentru t > Δt

tΔt

a0

a1

a2

a3

T

t

Nx(t) = Σ ak π(t-kT)

k=0

Δt = T

Exemple de semnale Impulsuri periodice

1, pentru t є (kT, kT+ Δt), k = 0, ∞x(t) =

0, în rest

Semnal de tip Dirac0 pentru t < 0

δ(t) = lim 1/ Δt pentru 0 ≤ t ≤ ΔtΔt00 pentru t > Δt

Un semnal discret se exprimă ca o sumă ponderată de impulsuriDirac.:

N

x(t) = Σ ak δ(t-kT)k=0

T

t

Δt

Impulsuri periodice1, pentru t є (kT, kT+ Δt), k = 0, ∞

x(t) =0, în rest

Semnal de tip Dirac0 pentru t < 0

δ(t) = lim 1/ Δt pentru 0 ≤ t ≤ ΔtΔt00 pentru t > Δt

Un semnal discret se exprimă ca o sumă ponderată de impulsuriDirac.:

N

x(t) = Σ ak δ(t-kT)k=0

Δt1/ Δt

Semnale in domeniul discret Semnal discretizat in timp: secventa de valori ale semnalului la

momente kT (T- perioada de esantionare a semnalului) Exemple:

a. Semnal sinusoidal discret

x(kT) = A sin(ω*kT+φ)

b. Semnal treaptă unitară în domeniul discret

0, pentru k < 0σ(kT) =

1, pentru k ≥ 0

c. Impuls Dirac discret

1, pentru k = 0δ(kT) =

0, pentru k ≠ 0

Semnal discretizat in timp: secventa de valori ale semnalului lamomente kT (T- perioada de esantionare a semnalului)

Exemple:a. Semnal sinusoidal discret

x(kT) = A sin(ω*kT+φ)

b. Semnal treaptă unitară în domeniul discret

0, pentru k < 0σ(kT) =

1, pentru k ≥ 0

c. Impuls Dirac discret

1, pentru k = 0δ(kT) =

0, pentru k ≠ 0

Analiza semnalelor

Aproximarea semnalelor Un anumit semnal x(t) se poate descompune într-un

număr finit sau infinit de funcţii elementare

N

x(t) = Σ an* fn(t)n=0

unde: an – ponderea funcţiei fn (valoare constantă)fn(t) – set predefinit de funcţii elementareN – numărul maxim de funcţii elementare necesare pentruexprimarea funcţiei x(t)

Aproximarea semnalelor Un anumit semnal x(t) se poate descompune într-un

număr finit sau infinit de funcţii elementare

N

x(t) = Σ an* fn(t)n=0

unde: an – ponderea funcţiei fn (valoare constantă)fn(t) – set predefinit de funcţii elementareN – numărul maxim de funcţii elementare necesare pentruexprimarea funcţiei x(t)

Set ortogonal de semnale elementare(simple) Relatia de ortogonalitate intre functii (semnale)

elementaret0+T C2 dacă m = n∫ fm(t)*fn(t) dt=t0 0 dacă n ≠ munde: fm şi fn - două funcţii elementare

C – norma (mărimea) funcţiei elementareT – intervalul de ortogonalitatet0 – momentul considerat pentru calcul

Un set de funcţii elementare este ortogonal dacă serespectă proprietatea de ortogonalitate pentru oricaredouă perechi de funcţii

Relatia de ortogonalitate intre functii (semnale)elementare

t0+T C2 dacă m = n∫ fm(t)*fn(t) dt=t0 0 dacă n ≠ munde: fm şi fn - două funcţii elementare

C – norma (mărimea) funcţiei elementareT – intervalul de ortogonalitatet0 – momentul considerat pentru calcul

Un set de funcţii elementare este ortogonal dacă serespectă proprietatea de ortogonalitate pentru oricaredouă perechi de funcţii

Aproximarea unui semnal x(t) prin functiielementare ortogonale

Un set de funcţii elementare este ortogonaldacă se respectă proprietatea deortogonalitate pentru oricare două perechi defuncţiit0+T t0+T N∫ x(t)*fm(t) dt = ∫ (Σ an* fn(t))*fm(t) dt =t0 t0

n=0

N t0+T= Σ an ( ∫ fn(t)*fm(t)dt) = am* C2 , de unde rezultă

n=0 t0

t0+Tam = 1/C2 ∫ x(t)*fm(t) dt

t0

t0+T t0+T N∫ x(t)*fm(t) dt = ∫ (Σ an* fn(t))*fm(t) dt =t0 t0

n=0

N t0+T= Σ an ( ∫ fn(t)*fm(t)dt) = am* C2 , de unde rezultă

n=0 t0

t0+Tam = 1/C2 ∫ x(t)*fm(t) dt

t0

Componenta spectrala a unui semnalcomplex a0, a1,… an – amplitudinile componentelor

spectrale ale semnalului

a1

a0, a1,… an – amplitudinile componentelorspectrale ale semnalului

a0

a1

a2

a3

a4

n

a5

Transformata Fourier discretă

Set ortogonal de semnale trigonometrice: 1/√2 , cos(n ωt), sin(n ωt), n = 0 .. N, ω=2π/T

Se verifică relaţiile de ortogonalitate:

Set ortogonal de semnale trigonometrice: 1/√2 , cos(n ωt), sin(n ωt), n = 0 .. N, ω=2π/T

Se verifică relaţiile de ortogonalitate:

t0+T T/2, pentru n = m∫ cos (m ωt)*cos (n ωt) dt =t0 0, pentru n ≠ m

t0+T∫ cos (m ωt)*sin (n ωt) dt = 0t0

Analiza Fourier a unui semnal exprimarea semnalului ca o sumă ponderată de semnale

sinusoidale de forma:

∞ ∞x(t) = C0 + Σ Cn cos(n ωt) + Σ Sn sin(n ωt)

n=1 n=1

t0+TCn = 2/T ∫ x(t)*cos (n ωt) dt

t0t0+T

Sn = 2/T ∫ x(t)*sin (n ωt) dtt0t0+T

C0 =√2/T ∫ x(t) dtt0

t0+TCn = 2/T ∫ x(t)*cos (n ωt) dt

t0t0+T

Sn = 2/T ∫ x(t)*sin (n ωt) dtt0t0+T

C0 =√2/T ∫ x(t) dtt0

Transformata Fourier discretă a unui semnalperiodic x(t), de perioadă T

forma trigonometrică a transformatei Fourier discrete

∞ ∞F(t) = C0 + Σ Cn cos(n ωt) + Σ Sn sin(n ωt)

n=1 n=1

F(t)=x(t) x(t)F(t)=x(t) x(t)F(t)

t t

x(t) - semnal periodic x(t) – semnal aperiodic

Forma armonică a transformateiFourier discrete Perechile de termeni Sn sin(n ωt) şi Cn cos (n ωt) se pot exprima

printr-o singură funcţie de forma An cos (n ωt + φn) unde: An

2 = Cn2 +Sn

2 - reprezintă pătratul amplitudinii armonicii derang n, iar

φn = - arctg Sn/Cn - reprezintă defazajul armonicii de rang n

unde: cos(ωt + φ1) – este componenta fundamentală defrecvenţă f

cos(nωt + φn) – este armonica de rang n şi frecvenţă n*fφn – este faza (unghiul de defazaj) al armonicii n

An – amplitudinea armonicii de rang n

∞F(t) = A0 + Σ An cos(n ωt + φn)

n=1

Perechile de termeni Sn sin(n ωt) şi Cn cos (n ωt) se pot exprimaprintr-o singură funcţie de forma An cos (n ωt + φn) unde: An

2 = Cn2 +Sn

2 - reprezintă pătratul amplitudinii armonicii derang n, iar

φn = - arctg Sn/Cn - reprezintă defazajul armonicii de rang n

unde: cos(ωt + φ1) – este componenta fundamentală defrecvenţă f

cos(nωt + φn) – este armonica de rang n şi frecvenţă n*fφn – este faza (unghiul de defazaj) al armonicii n

An – amplitudinea armonicii de rang n

∞F(t) = A0 + Σ An cos(n ωt + φn)

n=1

Forma complexă a transformatei Fourierdiscrete

În expresia de mai sus, cos(n ωt + φn) se poate considera ca parte reală anumărului complex e j(n ωt + φn) (de reamintit forma trigonometrică a unui numărcomplex e j = cos +jsin). Astfel termenul n din sumă devine:

An cos(n ωt + φn) = Re [An e j(n ωt + φn)] = Re [Anc e j(n ωt) ]unde: Anc = An * e j(φn) – este amplitudinea complexă a armonicii n

+∞F(t) = 1/2 Σ Anc ej(n ωt)

-∞

∞F(t) = A0 + Re Σ Anc e j(n ωt)

n=1

Exemple de transformate Fourierpentru semnale simple pentru semnal constant:

x(t) = A- transformata Fourier are numai componenta constantă

C0 = A, Cn=0, Sn=0, pt, n=1.. ∞

pentru semnal sinusoidal:x(t) = A sin (ω0t)

- transformata Fourier are numai componentafundamentală de pulsaţie ω0t

C0 = 0, Cn=0, S1=A, Sn=0, pt, n=2 .. ∞

ωt

A pentru semnal constant:x(t) = A

- transformata Fourier are numai componenta constantăC0 = A, Cn=0, Sn=0, pt, n=1.. ∞

pentru semnal sinusoidal:x(t) = A sin (ω0t)

- transformata Fourier are numai componentafundamentală de pulsaţie ω0t

C0 = 0, Cn=0, S1=A, Sn=0, pt, n=2 .. ∞

ωtω0t

A

Exemple de transformate Fourierpentru semnale simple

semnal dreptunghiular:A pentru t [2kT, (2k+1)T)

x(t) =-A pentru t [ (2k+1)T, (2k+2)T)

+∞x(t) = 2A/ Σ 1/(2k+1) * sin((2k+1) ωt)

k=0

- transformata Fourier conţine un număr infinit defuncţii sinus; amplitudinea sinusurilor scadeasimptotic la 0, în raport cu pulsaţia

C0 = 0, Cn=0, S2k=0, S2k+1=2A/(2k+1)- O aproximare buna a semnalului dreptunghiular se

poate face cu primele 3 componente spectrale

semnal dreptunghiular:A pentru t [2kT, (2k+1)T)

x(t) =-A pentru t [ (2k+1)T, (2k+2)T)

+∞x(t) = 2A/ Σ 1/(2k+1) * sin((2k+1) ωt)

k=0

- transformata Fourier conţine un număr infinit defuncţii sinus; amplitudinea sinusurilor scadeasimptotic la 0, în raport cu pulsaţia

C0 = 0, Cn=0, S2k=0, S2k+1=2A/(2k+1)- O aproximare buna a semnalului dreptunghiular se

poate face cu primele 3 componente spectrale ω 2ω 3ω 4ω 5ω ω

S2k+1 =2A/(2k+1)

Sn

Transformata Fourier pentru semnaleaperiodice (de tip impuls) Impuls – semnal aperiodic de durata limitata

Exemple de semnale de tip impuls: semnal dreptunghiular singular impuls Dirac singular o semiperioadă a unui semnal sinusoidal

Perioada semnalului “T” tinde la infinit Pulsatia ω tinde la 0 => distanta dintre componentele spectrale este

infinitezimal de mica In transformata Fourier coeficientii Anc devin o funcţie continuă de

variabilă jω Integrala care calculeaza coeficientii=>transformata Fourier continua:

Transformata Fourier inversă permite generarea (reconstruirea) unui semnal pebaza distribuţiei sale spectrale

Impuls – semnal aperiodic de durata limitata Exemple de semnale de tip impuls:

semnal dreptunghiular singular impuls Dirac singular o semiperioadă a unui semnal sinusoidal

Perioada semnalului “T” tinde la infinit Pulsatia ω tinde la 0 => distanta dintre componentele spectrale este

infinitezimal de mica In transformata Fourier coeficientii Anc devin o funcţie continuă de

variabilă jω Integrala care calculeaza coeficientii=>transformata Fourier continua:

Transformata Fourier inversă permite generarea (reconstruirea) unui semnal pebaza distribuţiei sale spectrale

∞X(jω) = ∫ x(t) * e- jωt dt

-∞

∞x(t) = 1/2π ∫ X(jω) * e- jωt dω

-∞

Proprietatile Transformatei Fourier Teorema întârzierii

F(x(t-t0)) = e-jωto X(jω) Teorema derivării

F( dx(t)/dt) ) = jω X(jω) Teorema integrării

F(∫ x(t)dt) ) = 1/jω * X(jω) Teorema convoluţieiConvoluţia a două funcţii x(t) şi y(t) se defineşte în felul următor:

∞x(t)○y(t) = ∫ x(δ)*y(t - δ) dδ

-∞Convoluţia se utilizează frecvent pentru evaluarea efectului produs

de un sistem liniar asupra unui semnal complex.∞

F [ (∫ x(δ)*y(t - δ) dδ ] = X(jω) *Y(jω)-∞

Teorema întârzieriiF(x(t-t0)) = e-jωto X(jω)

Teorema derivăriiF( dx(t)/dt) ) = jω X(jω)

Teorema integrăriiF(∫ x(t)dt) ) = 1/jω * X(jω)

Teorema convoluţieiConvoluţia a două funcţii x(t) şi y(t) se defineşte în felul următor:

∞x(t)○y(t) = ∫ x(δ)*y(t - δ) dδ

-∞Convoluţia se utilizează frecvent pentru evaluarea efectului produs

de un sistem liniar asupra unui semnal complex.∞

F [ (∫ x(δ)*y(t - δ) dδ ] = X(jω) *Y(jω)-∞

Transformata Laplace s-a introdus pentru acele funcţii x(t) pentru care transformata

Fourier continuă este infinită, adică nedefinită Solutie:

La funcţia x(t) se ataşează expresia e-ct (c – constantă) funcţia obţinută, în mod uzual, tinde asimptotic la 0 ceea ce

înseamnă că este integrabilă.

Cu notatia s= c+jω se obtine Transformata Laplace

Daca x(t)=0 pentru t<=0 se poate scrie transformata Laplaceunilaterala

s-a introdus pentru acele funcţii x(t) pentru care transformataFourier continuă este infinită, adică nedefinită

Solutie: La funcţia x(t) se ataşează expresia e-ct (c – constantă) funcţia obţinută, în mod uzual, tinde asimptotic la 0 ceea ce

înseamnă că este integrabilă.

Cu notatia s= c+jω se obtine Transformata Laplace

Daca x(t)=0 pentru t<=0 se poate scrie transformata Laplaceunilaterala

∞ ∞F[ x(t)* e-ct ] = ∫ x(t) e-ct e-jωt dt = ∫ x(t) e(-c-jω)t dt

-∞ -∞

∞L[ x(t) ] = ∫ x(t) e-st dt = X(s)

-∞

∞L[ x(t) ] = ∫ x(t) e-st dt = X(s)

0

Transformata Laplace

utilă pentru exprimarea într-o formă relativsimplă a funcţiei de transformare a unuisistem liniar

ecuatii integro-diferentiale (din domeniul timp)sunt transformate in cat de polinoame in “s”(in domeniul frecventelor complexe)

Transformata Laplace inversa:

utilă pentru exprimarea într-o formă relativsimplă a funcţiei de transformare a unuisistem liniar

ecuatii integro-diferentiale (din domeniul timp)sunt transformate in cat de polinoame in “s”(in domeniul frecventelor complexe)

Transformata Laplace inversa:

c+j∞L-1[ X(s) ] = 1/2j ∫ X(s) est ds

c-j∞

Proprietati ale transformatei Laplace

Teorema întărzierii:L[x(t-t0)] = e-st0 (X(s)

Teorema derivateiL[ dnx(t)/dnt] = snX(s) – sn-1 x(0-) - sn-2 x’(0-) - sn-3 x’’(0-) ...

unde: x(0-) – valoarea semnalului înainte de momentul t=0x’(0-) – valoarea derivatei semnalului înainte de momentul t=0

Dacă se consideră că semnalul x(t) este 0 înainte de momentul t=0 atunci dinexpresia de mai sus rămâne doar primul termen. În consecinţă efectul dederivare din domeniul timp se traduce prin multiplicarea cu s în domeniulLaplace.

Teorema integrăriit

L[ ∫ x(t) dt ] = 1/s *X(s)0

Efectul de integrare din domeniul timp se traduce prin divizarea cu s în domeniulLaplace.

Teorema întărzierii:L[x(t-t0)] = e-st0 (X(s)

Teorema derivateiL[ dnx(t)/dnt] = snX(s) – sn-1 x(0-) - sn-2 x’(0-) - sn-3 x’’(0-) ...

unde: x(0-) – valoarea semnalului înainte de momentul t=0x’(0-) – valoarea derivatei semnalului înainte de momentul t=0

Dacă se consideră că semnalul x(t) este 0 înainte de momentul t=0 atunci dinexpresia de mai sus rămâne doar primul termen. În consecinţă efectul dederivare din domeniul timp se traduce prin multiplicarea cu s în domeniulLaplace.

Teorema integrăriit

L[ ∫ x(t) dt ] = 1/s *X(s)0

Efectul de integrare din domeniul timp se traduce prin divizarea cu s în domeniulLaplace.

Proprietati ale transformatei Laplace

Teorema convoluţieiTransformata convoluţiei este egală cu produsul transformatelor celor

două funcţii.∞

L[ ∫ x(τ)*y(t- τ) dt ] = X(s)*Y(s)- ∞

Teorema valorii iniţialeValoarea la momentul t=0 a semnalului x(t) se poate calcula dacă se

cunoaşte expresia transformatei sale Laplace.x(0+) = lim s X(s)

s->∞

Teorema valorii finalex(∞) = lim s X(s)

s->0

Teorema convoluţieiTransformata convoluţiei este egală cu produsul transformatelor celor

două funcţii.∞

L[ ∫ x(τ)*y(t- τ) dt ] = X(s)*Y(s)- ∞

Teorema valorii iniţialeValoarea la momentul t=0 a semnalului x(t) se poate calcula dacă se

cunoaşte expresia transformatei sale Laplace.x(0+) = lim s X(s)

s->∞

Teorema valorii finalex(∞) = lim s X(s)

s->0

Exemplu de analiză în domeniul LaplaceFiltru trece jos - Analiza in domeniul “timp”

ue = ui – R*iq = ue*Ci = dq/dt

ue = ui – RC due/dt - ecuaţia diferenţială a circuitului Pentru un semnal de intrare de tip treaptă soluţia ecuaţiei este de

forma:ue(t) = ui0 (1- e-t/RC) ,

unde ui0 este valoarea constantă a semnalului de intrare funcţia de transfer a circuitului se obţine prin derivarea răspunsului la

un semnal de tip treaptă unitară (ui0 = 1). f(t) = due(t)/dt = (1/RC) e-t/RC

Răspunsul circuitului la un semnal de intrare oarecare se obţine princonvoluţia dintre funcţia de transfer a circuitului şi semnalul de intrare.Dacă semnalul de intrare este diferit de zero doar din momentul t=0atunci integrala de convoluţie se calculează din momentul 0 şi până lamomentul t.

tue(t) = (1/RC) ∫ e -/RC *ui(t-) d

0

R

Cui ue

Iue = ui – R*iq = ue*Ci = dq/dt

ue = ui – RC due/dt - ecuaţia diferenţială a circuitului Pentru un semnal de intrare de tip treaptă soluţia ecuaţiei este de

forma:ue(t) = ui0 (1- e-t/RC) ,

unde ui0 este valoarea constantă a semnalului de intrare funcţia de transfer a circuitului se obţine prin derivarea răspunsului la

un semnal de tip treaptă unitară (ui0 = 1). f(t) = due(t)/dt = (1/RC) e-t/RC

Răspunsul circuitului la un semnal de intrare oarecare se obţine princonvoluţia dintre funcţia de transfer a circuitului şi semnalul de intrare.Dacă semnalul de intrare este diferit de zero doar din momentul t=0atunci integrala de convoluţie se calculează din momentul 0 şi până lamomentul t.

tue(t) = (1/RC) ∫ e -/RC *ui(t-) d

0

Exemplu de analiză în domeniul LaplaceFiltru trece jos - Analiza in domeniul Laplace

din ecuatia diferentiala a sistemului:ue = ui – RC due/dt - ecuaţia diferenţială a circuitului

Prin aplicarea transformatei Laplace asupra ecuaţiei diferenţialese obţine:Ue(s) = Ui(s) - RC sUe(s)

Ue(s) = Ui(s)/(1+RCs)

Dacă semnalul de intrare ui este de tip treaptă unitară atuncitransformata Laplace a acestuia este Ui(s) = 1/s. Astfelsemnalul de ieşire va avea expresia:Ue(s) = 1/s * 1/(1+RCs) = 1/[s(1+RCs)]

În formula de mai sus 1/(1+RCs) reprezintă funcţia detransformare a circuitului, exprimată în domeniul Laplace. Prinaplicarea transformatei Laplace inverse se obţine răspunsulcircuitului la un semnal treaptă unitară.

din ecuatia diferentiala a sistemului:ue = ui – RC due/dt - ecuaţia diferenţială a circuitului

Prin aplicarea transformatei Laplace asupra ecuaţiei diferenţialese obţine:Ue(s) = Ui(s) - RC sUe(s)

Ue(s) = Ui(s)/(1+RCs)

Dacă semnalul de intrare ui este de tip treaptă unitară atuncitransformata Laplace a acestuia este Ui(s) = 1/s. Astfelsemnalul de ieşire va avea expresia:Ue(s) = 1/s * 1/(1+RCs) = 1/[s(1+RCs)]

În formula de mai sus 1/(1+RCs) reprezintă funcţia detransformare a circuitului, exprimată în domeniul Laplace. Prinaplicarea transformatei Laplace inverse se obţine răspunsulcircuitului la un semnal treaptă unitară.


1

Prelucrarea digitala a semnalelorTransformata in Z, filtre numerice

Transformata in Z

Scopul: exprimarea analitica a semnalelor discrete construirea unui semnal discret care sa aproximeze cat mai

bine un semnal continuu data efectul semnalului esantionat xe(t) sa fie acelasi cu semnalul

original; ex: integrala celor 2 semnale sa fie aceeasi se foloseste o suma ponderata de functii Dirac

2

Scopul: exprimarea analitica a semnalelor discrete construirea unui semnal discret care sa aproximeze cat mai

bine un semnal continuu data efectul semnalului esantionat xe(t) sa fie acelasi cu semnalul

original; ex: integrala celor 2 semnale sa fie aceeasi se foloseste o suma ponderata de functii Dirac

∞xe(t) = ∑ x(t) *δ(t-kT)

k=- ∞

t

x(t) xe(t)

∫ x(t) dt ≈ ∫ xe(t) dt

Definirea transformatei in Z Transformata Laplace a semnalului eşantionat este:

∞ ∞ ∞L[xe(t)] = ∫ ∑ x(t) *δ(t-kT) e-st dt = ∑ x(kT) e-skT

- ∞ k=- ∞ k=- ∞

Din teorema întârzierii ( L(x(t-t0)) = X(s)* e-st0) rezultă că e-skT

are efect de întârziere asupra valorilor x(kT) cu k perioade. Se face schimbarea de variabilă z = esT şi se obţine formula

transformatei în Z:∞

Z[x(t)] = ∑ x(kT) z -k = X(z) - transformata în Z bilateralăk=-∞

∞Z[x(t)] = ∑ x(kT) z -k = X(z) - transformata în Z unilaterală

k=0 (pentru sisteme cauzale)3

Transformata Laplace a semnalului eşantionat este:∞ ∞ ∞

L[xe(t)] = ∫ ∑ x(t) *δ(t-kT) e-st dt = ∑ x(kT) e-skT

- ∞ k=- ∞ k=- ∞

Din teorema întârzierii ( L(x(t-t0)) = X(s)* e-st0) rezultă că e-skT

are efect de întârziere asupra valorilor x(kT) cu k perioade. Se face schimbarea de variabilă z = esT şi se obţine formula

transformatei în Z:∞

Z[x(t)] = ∑ x(kT) z -k = X(z) - transformata în Z bilateralăk=-∞

∞Z[x(t)] = ∑ x(kT) z -k = X(z) - transformata în Z unilaterală

k=0 (pentru sisteme cauzale)

Definirea transformatei in Z Termenul z-1 are un efect de întârziere cu o perioadă de

eşantionare z-k – efect de intarziere de “kT” perioade

Transformata în Z se obţine prin însumarea eşantioanelorsemnalului x(t) întârziate cu un număr de perioade egal curangul fiecărui eşantion

Transformata în Z a unui semnal indică evoluţia în timp asemnalului la momente discrete de timp.

Transformata în Z inversă permite refacerea semnalului eşantionat din transformata în

Z a semnalului.x(nT) = L-1[Z(z)] = 1/(2πj) *∫Γ X(z) zn-1 dzunde Γ este un contur inchis in jurul originii (in spatiul

numerelor complexe)

4

Termenul z-1 are un efect de întârziere cu o perioadă deeşantionare z-k – efect de intarziere de “kT” perioade

Transformata în Z se obţine prin însumarea eşantioanelorsemnalului x(t) întârziate cu un număr de perioade egal curangul fiecărui eşantion

Transformata în Z a unui semnal indică evoluţia în timp asemnalului la momente discrete de timp.

Transformata în Z inversă permite refacerea semnalului eşantionat din transformata în

Z a semnalului.x(nT) = L-1[Z(z)] = 1/(2πj) *∫Γ X(z) zn-1 dzunde Γ este un contur inchis in jurul originii (in spatiul

numerelor complexe)

Exprimarea functiei de transfer a unuisistem prin transformata in Z Exemplu: filtru de rang 3

y(kT) = a0x(kT) + a1x((k-1)T) + a2x((k-2)T) Aplicând transformata în Z se obţine:

Y(z) = X(Z)( a0 + a1z –1 + a2z –2) Funcţia de transfer a filtrului exprimată în domeniul Z şi notată

cu H(z) se obţine ca un raport între transformata semnalului deieşire şi transformata semnalului de intrare.

H(z) = Y(z)/X(z) = a0 + a1z –1 + a2z –2

5

Exemplu: filtru de rang 3y(kT) = a0x(kT) + a1x((k-1)T) + a2x((k-2)T)

Aplicând transformata în Z se obţine:Y(z) = X(Z)( a0 + a1z –1 + a2z –2)

Funcţia de transfer a filtrului exprimată în domeniul Z şi notatăcu H(z) se obţine ca un raport între transformata semnalului deieşire şi transformata semnalului de intrare.

H(z) = Y(z)/X(z) = a0 + a1z –1 + a2z –2

z-1 z-1x(k) x(k-1) x(k-2)

* * *

+ + y(k)

a0 a1 a2

Proprietati ale transformatei in Z

Teorema de linearitateZ(a*x(t) +b*y(t)) = a*Z(x(t)) +b*Z(y(t))

b. Teorema translaţieiZ( x(t+kT) = zk Z(x(t))Z( x(t-kT) = z-k Z(x(t))

c. Teorema derivateiZ(dx(t)/dt) = (1- z-1) Z(x(t)

6

Teorema de linearitateZ(a*x(t) +b*y(t)) = a*Z(x(t)) +b*Z(y(t))

b. Teorema translaţieiZ( x(t+kT) = zk Z(x(t))Z( x(t-kT) = z-k Z(x(t))

c. Teorema derivateiZ(dx(t)/dt) = (1- z-1) Z(x(t)

Functia de transfer a unui sistem expresia analitică a modului în care un sistem transformă un

semnal de intrare într-un semnal de ieşire (efectul produs de unsistem asupra unui semnal de intrare)

Determinarea functiei de transfer: pe cale analitica – prin solutionarea unor ecuatii diferentiale

ce decurg din legile fizico-chimice ce guverneaza sistemul metoda dificila in cazul sistemelor complexe

pe cale experimentala – determinarea raspunsului sistemuluila un semnal cunoscut

metoda aproximativa, dar mai practica

Sistemx(t) y(t)

7

expresia analitică a modului în care un sistem transformă unsemnal de intrare într-un semnal de ieşire (efectul produs de unsistem asupra unui semnal de intrare)

Determinarea functiei de transfer: pe cale analitica – prin solutionarea unor ecuatii diferentiale

ce decurg din legile fizico-chimice ce guverneaza sistemul metoda dificila in cazul sistemelor complexe

pe cale experimentala – determinarea raspunsului sistemuluila un semnal cunoscut

metoda aproximativa, dar mai practica

Sistem

Functia de transfer pentru un sistem liniar

sistem liniar – este valabil principiul superpozitiei efectelor: iesirea “y” la momentul t0 este suma efectelor produse de

valorile intrarii “x” la momentul t0 si la toate momenteleanterioare acestui moment

Se defineşte o funcţie h(Δt) care indică ponderea cu care ointrare x(t0 - Δt) influenţează ieşirea y(t0)

iesirea y(t) se calculeaza ca o integrala de convolutie intresemnalul de intrare x(t) si functia h(Δt)

y(t) = x() * h(t - ) d-

h(t) – functia de transformare a sistemului

8

sistem liniar – este valabil principiul superpozitiei efectelor: iesirea “y” la momentul t0 este suma efectelor produse de

valorile intrarii “x” la momentul t0 si la toate momenteleanterioare acestui moment

Se defineşte o funcţie h(Δt) care indică ponderea cu care ointrare x(t0 - Δt) influenţează ieşirea y(t0)

iesirea y(t) se calculeaza ca o integrala de convolutie intresemnalul de intrare x(t) si functia h(Δt)

y(t) = x() * h(t - ) d-

h(t) – functia de transformare a sistemului

Functia de transfer pentru un sistem liniar

Observatii: Pentru sistemele cauzale:

h(Δt) are valoarea zero pentru Δt0, adică semnalulde ieşire depinde numai de valorile intrării la momenteanterioare momentului considerat; integrala secalculeaza in intervalul (- ∞, t);

daca intrarea este 0 inainte de momentul t=0 atunciintegrala se calculeaza pe intervalul (0, t)

În prelucrările de semnale efectuate în regim off-line,funcţia h(Δt) poate avea valori diferite de zero şi pentruΔt >0.

De exemplu la un filtru de mediere valoareasemnalului de ieşire pentru momentul t se calculeazăpe baza valorilor de intrare din vecinătateamomentului t, adică pentru t (t- Δt, t+ Δt).

9

Observatii: Pentru sistemele cauzale:

h(Δt) are valoarea zero pentru Δt0, adică semnalulde ieşire depinde numai de valorile intrării la momenteanterioare momentului considerat; integrala secalculeaza in intervalul (- ∞, t);

daca intrarea este 0 inainte de momentul t=0 atunciintegrala se calculeaza pe intervalul (0, t)

În prelucrările de semnale efectuate în regim off-line,funcţia h(Δt) poate avea valori diferite de zero şi pentruΔt >0.

De exemplu la un filtru de mediere valoareasemnalului de ieşire pentru momentul t se calculeazăpe baza valorilor de intrare din vecinătateamomentului t, adică pentru t (t- Δt, t+ Δt).

Calculul semnalului de iesire pentrusisteme discrete integrala de convolutie devine suma de

convolutie:

y(kT) = x(jT)*h(kT-jT)j=-

uzual h(kT) are valori diferite de zero pentru un numar finit determeni in jurul originii (k=0) explicatia intuitiva: iesirea y(kT) depinde doar de valori ale

intrarii in jurul momentului kT considerat rezulta un timp de calcul finit al sumei de convolutie

10

integrala de convolutie devine suma deconvolutie:

y(kT) = x(jT)*h(kT-jT)

j=- uzual h(kT) are valori diferite de zero pentru un numar finit de

termeni in jurul originii (k=0) explicatia intuitiva: iesirea y(kT) depinde doar de valori ale

intrarii in jurul momentului kT considerat rezulta un timp de calcul finit al sumei de convolutie

Exprimarea iesirii unui sistem liniar cuajutorul transformatelor Cu ajutorul transformatei Fourier

Y(j) = X(j) * H(j)- în domeniul frecvenţelor reale

Cu ajutorul transformatei LaplaceY(s) = X(s) * H(s)- în domeniul frecvenţelor complexe

Cu ajutorul transformatei in ZY(z-1) = X(z-1) * H(z-1)- în domeniul discret

h(t), H(j), H(s) si H(z-1) – functia de transformare a sistemului indiferite exprimari

Compunerea functiilor de transfer: prin produsul dintre functiile de transformare ale

componentelor

11

Cu ajutorul transformatei FourierY(j) = X(j) * H(j)- în domeniul frecvenţelor reale

Cu ajutorul transformatei LaplaceY(s) = X(s) * H(s)- în domeniul frecvenţelor complexe

Cu ajutorul transformatei in ZY(z-1) = X(z-1) * H(z-1)- în domeniul discret

h(t), H(j), H(s) si H(z-1) – functia de transformare a sistemului indiferite exprimari

Compunerea functiilor de transfer: prin produsul dintre functiile de transformare ale

componentelor

H(s) G(s)X(s) Y(s)=X(s)*H(s)*G(s)

Determinarea functiei de transfer asistemului pe cale experimentala sistemul se considera o cutie neagra se determina functia de transfer a sistemului pe baza

raspunsului la un semnal de intrare cunoscut – semnalul Dirac(t)

y(t) = () * h(t - ) d = h(t)

- iesirea este tocmai functia de transfer a sistemului implementare practica dificila – nu exista impuls Dirac

(amplitudine infinita pe o durata ce tinde la 0) metoda practica: se foloseste integrala semnalului dirac –

semnalul treapta unitara t

y(t) = σ()h(t-) d = h(u) du unde u=t-- 0

iesirea este integrala functiei de transfer; prin derivare seobtine functia dorita

12

sistemul se considera o cutie neagra se determina functia de transfer a sistemului pe baza

raspunsului la un semnal de intrare cunoscut – semnalul Dirac(t)

y(t) = () * h(t - ) d = h(t)

- iesirea este tocmai functia de transfer a sistemului implementare practica dificila – nu exista impuls Dirac

(amplitudine infinita pe o durata ce tinde la 0) metoda practica: se foloseste integrala semnalului dirac –

semnalul treapta unitara t

y(t) = σ()h(t-) d = h(u) du unde u=t-- 0

iesirea este integrala functiei de transfer; prin derivare seobtine functia dorita

Determinarea functiei de transfer pentrusisteme discrete se foloseste transformata in Z

se aplica transformata in z pe integrala de convolutieZ(y(t)) = Z( () * h(t - ) d)

Z(y(t)) = Z((t))*Z(h(t)) y(kT)*z-k = z-k h(kT)* z-k

k=0 k=0 k=0

Se egalează coeficienţii termenilor z-k şi se obţine:y(0) = h(0)y(T) = h(0) +h(T)...........y(kT) = h(0) + h(T) + ......+ h(kT)

de unde rezultă:h(kT) = y(kT) – y((k-1)T)

dacă la intrare s-a aplicat un semnal treaptă unitară, atuncivaloarea funcţiei de transfer la momentul kT se obţine ca odiferenţă între ieşirea sistemului la momentul kT şi ieşirea lamomentul (k-1)T ... EXTREM DE IMPORTANT 13

se foloseste transformata in Z se aplica transformata in z pe integrala de convolutie

Z(y(t)) = Z( () * h(t - ) d)

Z(y(t)) = Z((t))*Z(h(t)) y(kT)*z-k = z-k h(kT)* z-k

k=0 k=0 k=0

Se egalează coeficienţii termenilor z-k şi se obţine:y(0) = h(0)y(T) = h(0) +h(T)...........y(kT) = h(0) + h(T) + ......+ h(kT)

de unde rezultă:h(kT) = y(kT) – y((k-1)T)

dacă la intrare s-a aplicat un semnal treaptă unitară, atuncivaloarea funcţiei de transfer la momentul kT se obţine ca odiferenţă între ieşirea sistemului la momentul kT şi ieşirea lamomentul (k-1)T ... EXTREM DE IMPORTANT

Utilizarea functiei de transfer

calcularea iesirii unui sistem pentru unsemnal de intrare oarecare prin convolutie:

ky(kT) = x(jT) *h(jT-kT)

j=0

Concluzie: dacă se cunosc valorile eşantionate alesemnalului de intrare şi răspunsul sistemului latreaptă unitară, atunci se poate estima valoareasemnalului de ieşire, la anumite momente discrete detimp

14

calcularea iesirii unui sistem pentru unsemnal de intrare oarecare prin convolutie:

ky(kT) = x(jT) *h(jT-kT)

j=0

Concluzie: dacă se cunosc valorile eşantionate alesemnalului de intrare şi răspunsul sistemului latreaptă unitară, atunci se poate estima valoareasemnalului de ieşire, la anumite momente discrete detimp

Filtre numerice Un filtru este un dispozitiv care transformă un semnal de

intrare într-un semnal de ieşire pe baza anumitor condiţiisau restricţii exemple de conditii:

semnalul de iesire sa contina numai frecvente joase, numaifrecvente inalte sau care se incadreaza intr-o plaja de valori

conditii impuse fazei de iesire a semnalului conditii impuse asupra amplitudinii (atenuare, amplificare)

problema: determinarea functiei de transfer a filtruluicare satisface anumite conditii impuse

tipuri de filtre: dupa modul de implementare:

analogice digitale (numerice)

filtre cu raspuns finit (FIR – finite response filter) filtre cu raspuns infinit (IIR – infinite response filter) 15

Un filtru este un dispozitiv care transformă un semnal deintrare într-un semnal de ieşire pe baza anumitor condiţiisau restricţii exemple de conditii:

semnalul de iesire sa contina numai frecvente joase, numaifrecvente inalte sau care se incadreaza intr-o plaja de valori

conditii impuse fazei de iesire a semnalului conditii impuse asupra amplitudinii (atenuare, amplificare)

problema: determinarea functiei de transfer a filtruluicare satisface anumite conditii impuse

tipuri de filtre: dupa modul de implementare:

analogice digitale (numerice)

filtre cu raspuns finit (FIR – finite response filter) filtre cu raspuns infinit (IIR – infinite response filter)

Tipuri de filtre

dupa plaja de filtrare: filtre trece jos filtre trece sus filtre trece banda filtru cu banda de rejectie

frecventa

Ampl.

Filtru trece jos

Ampl.

16

dupa plaja de filtrare: filtre trece jos filtre trece sus filtre trece banda filtru cu banda de rejectie

frecventa

Ampl.

Filtru trece sus

frecventa

Ampl.

Filtru trece bandafrecventa

Ampl.

Filtru rejectie banda

Filtre trece jos si trece sus –

functia de transfer si raspunsul in frecventa

Graficul filtrului trece jos siraspunsul generat in frecventa

filtrul trece sus se obtine dinfunctia de transfer in Z a filtruluitrece jos prin negarea tuturortermenilor si adaugarea uneiunitati

ysus(kT)= x(kT) - yjos(kT)

ysus(kT)= x(kT) – Σx(iT)h(iT-kT)

Hsus(z-1) = 1-Hjos(z-1)

17

filtrul trece sus se obtine dinfunctia de transfer in Z a filtruluitrece jos prin negarea tuturortermenilor si adaugarea uneiunitati

ysus(kT)= x(kT) - yjos(kT)

ysus(kT)= x(kT) – Σx(iT)h(iT-kT)

Hsus(z-1) = 1-Hjos(z-1)

Graficul filtrului trece sus siraspunsul generat in frecventa

Filtre cu raspuns finit (FIR) efectul produs de un impuls singular aplicat la intrarea filtrului,

dispare după un număr finit de perioade de eşantionare iesirea depinde numai de un set de esantioane ale semnalului

de intrare expresia semnalului filtrat:

y(kT) = Σ x(iT) * h(kT-iT)i=-

uzual funcţia de transfer h(jT) are valori diferite de zeronumai pentru un număr finit de puncte aflate în jurul valorii 0

pentru sistemele cauzale ieşirea de la un anumit momentdepinde numai de intrarea de la momentele anterioare,inclusiv momentul considerat 18

efectul produs de un impuls singular aplicat la intrarea filtrului,dispare după un număr finit de perioade de eşantionare

iesirea depinde numai de un set de esantioane ale semnaluluide intrare

expresia semnalului filtrat:

y(kT) = Σ x(iT) * h(kT-iT)i=-

uzual funcţia de transfer h(jT) are valori diferite de zeronumai pentru un număr finit de puncte aflate în jurul valorii 0

pentru sistemele cauzale ieşirea de la un anumit momentdepinde numai de intrarea de la momentele anterioare,inclusiv momentul considerat

Filtre cu raspuns finit (FIR) daca sistemul este cauzal si semnalul de intrare

x(kT) = 0 pentru k<0, atunci formula filtrului devine:k

y(kT) = Σ x(iT) * h(kT-iT)i=0

Exemplu de filtru trece jos de tip FIR filtru de mediere:

y(kT) = (1/3)*x(kT) +(1/3)*x((k-1)T)+ (1/3)*x((k-2)T) transformata in Z a iesirii:

Y(z-1) = X(z-1)[1/3(1+z-1+z-2)- se observa ca h(0)=h(1)=h(2)=1/3 transformata in Z a functiei de transfer a filtrului:

H(z) = Y(z)/X(z) = (1/3)*( 1+ z-1 + z-2)19

daca sistemul este cauzal si semnalul de intrarex(kT) = 0 pentru k<0, atunci formula filtrului devine:

ky(kT) = Σ x(iT) * h(kT-iT)

i=0

Exemplu de filtru trece jos de tip FIR filtru de mediere:

y(kT) = (1/3)*x(kT) +(1/3)*x((k-1)T)+ (1/3)*x((k-2)T) transformata in Z a iesirii:

Y(z-1) = X(z-1)[1/3(1+z-1+z-2)- se observa ca h(0)=h(1)=h(2)=1/3 transformata in Z a functiei de transfer a filtrului:

H(z) = Y(z)/X(z) = (1/3)*( 1+ z-1 + z-2)

H(z-1)

0 1 2 3 4 5

1/3

Filtre cu raspuns finit (FIR)

Formula generala a functiei de transfer pentru unfiltru FIR:

n

H(z) = Σ ai * z-i

i=0

implementarea unui filtru fir cu circuite de intarziere si desumare

20

Formula generala a functiei de transfer pentru unfiltru FIR:

n

H(z) = Σ ai * z-i

i=0

implementarea unui filtru fir cu circuite de intarziere si desumare

z-1 z-1x(k) x(k-1) x(k-2)

* * *

+ +

a0 a1 a2

z-1 x(k-n)

*

y(k)

an.....

+

Referinte

http://www.dspguide.com/pdfbook.htm

21


1

Prelucrarea digitala a semnalelorFiltre numerice (cont)

Filtre cu raspuns infinit (IIR) ieşirea la un anumit moment depinde nu numai de semnalul de

intrare ci şi de valorile anterioare ale semnalului de ieşire un anumit impuls (inclusiv zgomot) in anumite conditii se poate

propaga la infinit (de unde si numele filtrului) formula iesirii pentru un filtru IIR:

k-1 ky(kT) = Σ bk-i*y(iT) + Σ ak-i*x(iT)

i=0 i=0

Aplicând transformata în Z asupra expresiei de mai sus seobţine:

m nY(z) = Σ bi*Y(z)*z-i + Σ ai*X(z)*z-i

i=0 i=0

unde: m - indexul maxim al coeficienţilor bi diferiţi de zeron - indexul maxim al coeficienţilor ai diferiţi de zero

2

ieşirea la un anumit moment depinde nu numai de semnalul deintrare ci şi de valorile anterioare ale semnalului de ieşire

un anumit impuls (inclusiv zgomot) in anumite conditii se poatepropaga la infinit (de unde si numele filtrului)

formula iesirii pentru un filtru IIR:k-1 k

y(kT) = Σ bk-i*y(iT) + Σ ak-i*x(iT)i=0 i=0

Aplicând transformata în Z asupra expresiei de mai sus seobţine:

m nY(z) = Σ bi*Y(z)*z-i + Σ ai*X(z)*z-i

i=0 i=0

unde: m - indexul maxim al coeficienţilor bi diferiţi de zeron - indexul maxim al coeficienţilor ai diferiţi de zero

Filtre cu raspuns infinit (IIR)

transformata in Z a unui filtru IIR:n m

H(z) = Y(z)/X(z) = (Σ ai*z-i)/( 1- Σ bi*z-i)i=0 i=0

Proprietati ale filtrelor IIR pentru acelasi numar de termeni (rang) un filtru IIR are un

efect mai pregnant (calitativ mai bun) decat un filtru FIR filtrele IIR sunt “reactive” sau cu reactie inversa (feed-back),

datorita termenilor ce contin esantioane ale iesirii pentru anumite valori ale coeficienţilor ai şi bi filtrul IIR devine

instabil şi are tendinţa de a oscila

3

transformata in Z a unui filtru IIR:n m

H(z) = Y(z)/X(z) = (Σ ai*z-i)/( 1- Σ bi*z-i)i=0 i=0

Proprietati ale filtrelor IIR pentru acelasi numar de termeni (rang) un filtru IIR are un

efect mai pregnant (calitativ mai bun) decat un filtru FIR filtrele IIR sunt “reactive” sau cu reactie inversa (feed-back),

datorita termenilor ce contin esantioane ale iesirii pentru anumite valori ale coeficienţilor ai şi bi filtrul IIR devine

instabil şi are tendinţa de a oscila

Implementarea filtrelor IIR

forma canonica de implementare a filtrelor IIR

z-1

*a1

x(kT) y(kT)

4

*b1

*b2

*bm

z-1

z-1

z-1

*a1

*a2

*an

.......

Sinteza filtrelor numerice Problema: determinarea coeficienţilor

funcţiei de transfer a unui filtru numeric,astfel încât efectul produs de filtru săcorespundă unor condiţii prestabilite.

Parametri unui filtru: banda de trecere – intervalul de frecvenţe

pentru care filtrul are efect de amplificare banda de blocare – intervalul de frecvenţe

pentru care filtrul are efect de atenuare frecvenţa de tăiere – frecvenţa care

desparte banda de trecere de banda deatenuare

raportul de atenuare – logaritmulraportului dintre amplificarea în banda deblocaj şi amplificarea în banda de trecere

raport de atenuare = 20 lg (Ablocaj/Atrecere)[decibeli]

|H|

pantaAtrecere

5

Problema: determinarea coeficienţilorfuncţiei de transfer a unui filtru numeric,astfel încât efectul produs de filtru săcorespundă unor condiţii prestabilite.

Parametri unui filtru: banda de trecere – intervalul de frecvenţe

pentru care filtrul are efect de amplificare banda de blocare – intervalul de frecvenţe

pentru care filtrul are efect de atenuare frecvenţa de tăiere – frecvenţa care

desparte banda de trecere de banda deatenuare

raportul de atenuare – logaritmulraportului dintre amplificarea în banda deblocaj şi amplificarea în banda de trecere

raport de atenuare = 20 lg (Ablocaj/Atrecere)[decibeli]

banda de

trecere

banda de

blocare

panta

frecvenţa de

tăiere

AblocajAtrecere

Sinteza filtrelor numerice exista mai multe tehnici de sinteza, relativ complexe Metoda 1

se bazeaza pe functia de transfer a filtrului analogicechivalent, (exprimat in domeniul Laplace)

m

Ha(s) = Ak/(s+sk) unde: sk sunt polii functiei de transferk=1

Din această expresie se deduce transformata în Z a filtruluinumeric:

m

H(z) = Ak/(1 – eskT*z-1)k=1

6

exista mai multe tehnici de sinteza, relativ complexe Metoda 1

se bazeaza pe functia de transfer a filtrului analogicechivalent, (exprimat in domeniul Laplace)

m

Ha(s) = Ak/(s+sk) unde: sk sunt polii functiei de transferk=1

Din această expresie se deduce transformata în Z a filtruluinumeric:

m

H(z) = Ak/(1 – eskT*z-1)k=1

Sinteza filtrelor numerice

Metoda 2. Se consideră cunoscut răspunsul unui filtru analogic

echivalent la un semnal de tip impuls. Prin eşantionareafuncţiei răspuns se obţin coeficienţii transformatei în Z afuncţiei de transfer.

7

t

y(t)H(z) = ai*z-i

ai

Clasificarea filtrelor in functie deimplementare

filtre in domeniul timp folosite pentru modelarea

formei semnalului: netezire,eliminare valoare constanta,formatare semnal

filtre in domeniul frecventa folosite atunci cand informatia

este continuta in distributiaspectrala (amplitudine,frecventa si faza);

scopul este separarea benzilorde frecventa

filtre particulare/speciale folosite atunci cand filtrele

obisnuite (trece sus, jos,banda) nu ajuta

FIR IIR

Domeniultimp

Mediere Un singurpol

8

filtre in domeniul timp folosite pentru modelarea

formei semnalului: netezire,eliminare valoare constanta,formatare semnal

filtre in domeniul frecventa folosite atunci cand informatia

este continuta in distributiaspectrala (amplitudine,frecventa si faza);

scopul este separarea benzilorde frecventa

filtre particulare/speciale folosite atunci cand filtrele

obisnuite (trece sus, jos,banda) nu ajuta

Domeniulfrecventa

Windowedsinc

Cebyshev

Special FIRspecial

Proiectareiterativa

Filtru de mediere filtru care actioneaza bine in domeniul timp

elimina zgomotele are comportament bun la un impuls treapta

filtrul are efect negativ in domeniul frecventelor: nu filtreaza obanda de frecvente bine definita

filtre derivate (putin) mai bune in domeniul frecventelor:Gaussian, Blackman sau mediere multipla

Implementare: prin convolutie

unde M – numarul de puncte (termeni) din filtru Filtrul poate fi si simetric in jurul punctului considerat (j=-M/2,

J=+M/2)9

filtru care actioneaza bine in domeniul timp elimina zgomotele are comportament bun la un impuls treapta

filtrul are efect negativ in domeniul frecventelor: nu filtreaza obanda de frecvente bine definita

filtre derivate (putin) mai bune in domeniul frecventelor:Gaussian, Blackman sau mediere multipla

Implementare: prin convolutie

unde M – numarul de puncte (termeni) din filtru Filtrul poate fi si simetric in jurul punctului considerat (j=-M/2,

J=+M/2)

Filtru de mediere Caracteristicile filtrului:

are un efect foarte bun defiltrare a zgomotului alb, cupastrarea in limiteacceptabile a raspunsului latreapta unitara;

paradoxal mult mai bundecat alte filtre mai complexe

factorul de reducere azgomotului: radacina patratadin numarul de puncte dinfiltru (ex: 100 puncte reducezgomotul de 10 ori)

cu cat filtrul este mai mare(mai multe puncte) pantaraspunsului la un semnal detip impuls devine mai oblica 10

Caracteristicile filtrului: are un efect foarte bun de

filtrare a zgomotului alb, cupastrarea in limiteacceptabile a raspunsului latreapta unitara;

paradoxal mult mai bundecat alte filtre mai complexe

factorul de reducere azgomotului: radacina patratadin numarul de puncte dinfiltru (ex: 100 puncte reducezgomotul de 10 ori)

cu cat filtrul este mai mare(mai multe puncte) pantaraspunsului la un semnal detip impuls devine mai oblica

Efectul unor filtre demediere asupra unuiimpuls cu zgomot alb:

a semnal initial

b filtru cu 11 puncte

c filtru cu 51 de puncte

Raspunsul in frecventa al filtrului de mediere

Functia de transfer exprimata cu transformata Fourier:

11

Raspunsul in frecventa alfiltrului pentru numardiferit de puncte de

mediere

Efectul aplicarii multiple a filtrului de mediere

Se aplica succesiv de mai multe ori un filtru de mediere de 7puncte

a. forma filtrului lanumar variabil detreceri

b. raspunsul infrecventa

c. raspunsul la semnaltreapta

d. efectul de atenuarein dB

12

a. forma filtrului lanumar variabil detreceri

b. raspunsul infrecventa

c. raspunsul la semnaltreapta

d. efectul de atenuarein dB

Implementarea filtrului de mediere prin recurenta

exemplu de calculare a 2 iteratii ale unui filtru de 7 punctey [50] =x [47] + x [48] + x [49] + x [50] + x [51] + x [52] + x [53]y [51] = x [48] + x [49] + x [50] + x [51] + x [52] + x [53] + x [54]

rezulta ca y [51] se poate calcula mai repede pe baza valorii anteriorcalculate y [50]y [51] = y [50] + x [54] - x [47]

rezulta formula de recurenta in care fiecare nou esantion se calculeazaprintr-o suma si o diferenta:

y [i ] = y [i -1] + x [i + p] - x [i - q]

unde: p=(M-1)/2 si q=p+1 formula arata ca iesirea curenta este egala cu iesirea anterioara

plus o diferenta (panta) calculata simetric fata de punctulconsiderat

13

exemplu de calculare a 2 iteratii ale unui filtru de 7 punctey [50] =x [47] + x [48] + x [49] + x [50] + x [51] + x [52] + x [53]y [51] = x [48] + x [49] + x [50] + x [51] + x [52] + x [53] + x [54]

rezulta ca y [51] se poate calcula mai repede pe baza valorii anteriorcalculate y [50]y [51] = y [50] + x [54] - x [47]

rezulta formula de recurenta in care fiecare nou esantion se calculeazaprintr-o suma si o diferenta:

y [i ] = y [i -1] + x [i + p] - x [i - q]

unde: p=(M-1)/2 si q=p+1 formula arata ca iesirea curenta este egala cu iesirea anterioara

plus o diferenta (panta) calculata simetric fata de punctulconsiderat

Filtru Windowed-sinc pentru separarea benzilor

de frecventa foarte stabile si cu

performante ridicate darnecesita timp mai mare decalcul

se cauta un filtru “perfect”: amplificare 1 in banda

de trecere amplificare 0 in banda

interzisa cu trecere verticala la

frecventa de taiere filtrul ideal este de formasin(x)/x – functia sinc

14

pentru separarea benzilorde frecventa

foarte stabile si cuperformante ridicate darnecesita timp mai mare decalcul

se cauta un filtru “perfect”: amplificare 1 in banda

de trecere amplificare 0 in banda

interzisa cu trecere verticala la

frecventa de taiere filtrul ideal este de formasin(x)/x – functia sinc

Filtru Windowed-sinc

functia tinde asimptotic la 0 din considerente practice (de calcul in timp finit)

se limiteaza filtrul printr-o fereastra (window): dreptunghiulara functie Hamming sau Blackman

functia de transfer a filtrului sinc:h(i) = sin(2πfci)/iπunde fc este frecventa de taiere (cutoff frequency) si se exprima ca si o fractie

din frecventa de esantionare; fcє (0 - 0,5), conform principiului de esantionare:fmax<1/2fesantionare

15

functia tinde asimptotic la 0 din considerente practice (de calcul in timp finit)

se limiteaza filtrul printr-o fereastra (window): dreptunghiulara functie Hamming sau Blackman

Filtru Windowed-sinc formula completa a filtrului cu fereastra Hamming:

unde M este dimensiunea ferestrei, iar K un factor de normalizare

M se determina cu relatia aproximativa:M=4/(latimea benzii de tranzitie)

Calitatea filtrului in functiede dimensiunea ferestrei

partea “sinc” Fereastra Hamming

16

formula completa a filtrului cu fereastra Hamming:

unde M este dimensiunea ferestrei, iar K un factor de normalizare

M se determina cu relatia aproximativa:M=4/(latimea benzii de tranzitie)

Calitatea filtrului in functiede dimensiunea ferestrei

Filtru Windowed-sinc filtrul nu are un comportament prea bun in domeniul timp, raspunsul la

un impuls treapta genereaza “ripluri” la tranzitia intre stari; este insa recomandat pentru lucrul in domeniul frecventelor, cand se

stie ce frecvente trebuie eliminate pentru a creste factorul de atenuare a benzii de blocare filtrul se poate

aplica de 2 sau mai multe ori, se obtine o atenuare dubla (in decibeli), de exemplu de la -74dB

(cat are un filtru cu fereastra Blackman) la -148dB ceea ceinseamna un raport atenuare/amplificare de 1 la 30 milioane

pentru a obtine un filtru trece sus se scade din semnalul initial semnalulfiltrat cu filtru trece jos avand aceeasi frecventa de taiere

un filtru trece banda este o combinatie intre filtru trece sus si filtru trecejos

un filtru de rejectie banda se obtine prin scaderea din semnalul initial asemnalului filtrat cu un filtru banda

Dezavantajul filtrului Windowed-sinc: necesita timp de calcul mare(numar mare de termeni de calculat)

17

filtrul nu are un comportament prea bun in domeniul timp, raspunsul laun impuls treapta genereaza “ripluri” la tranzitia intre stari;

este insa recomandat pentru lucrul in domeniul frecventelor, cand sestie ce frecvente trebuie eliminate

pentru a creste factorul de atenuare a benzii de blocare filtrul se poateaplica de 2 sau mai multe ori, se obtine o atenuare dubla (in decibeli), de exemplu de la -74dB

(cat are un filtru cu fereastra Blackman) la -148dB ceea ceinseamna un raport atenuare/amplificare de 1 la 30 milioane

pentru a obtine un filtru trece sus se scade din semnalul initial semnalulfiltrat cu filtru trece jos avand aceeasi frecventa de taiere

un filtru trece banda este o combinatie intre filtru trece sus si filtru trecejos

un filtru de rejectie banda se obtine prin scaderea din semnalul initial asemnalului filtrat cu un filtru banda

Dezavantajul filtrului Windowed-sinc: necesita timp de calcul mare(numar mare de termeni de calculat)

Referinte

http://www.dspguide.com/pdfbook.htm

18


Transformata fourier discreta (DFT) siTransformata Fourier rapida (FFT)

Transformate Fourier

Obiectiv: descompunerea unui semnalcomplex intr-o suma de semnale simple semnale simple: set de semnale sinusoidale

pentru ca sunt ortogonale nu isi schimba forma la trecerea printr-un sistem

liniar (se schimba amplitudinea si faza, darsemnalul ramane sinusoidal si de aceeasifrecventa)

Mai multe tipuri de transformate Fourier pentru diferitetipuri de semnale:

Obiectiv: descompunerea unui semnalcomplex intr-o suma de semnale simple semnale simple: set de semnale sinusoidale

pentru ca sunt ortogonale nu isi schimba forma la trecerea printr-un sistem

liniar (se schimba amplitudinea si faza, darsemnalul ramane sinusoidal si de aceeasifrecventa)

Mai multe tipuri de transformate Fourier pentru diferitetipuri de semnale:

Transformate Fourier Mai multe tipuri de transformate Fourier pentru diferite

tipuri de semnale

Tip semnal Forma senalului Tip de transformataFourier

Semnal aperiodiccontinuu

Transformata Fourier

Semnal periodiccontinuu

Serii Fourier

Semnal aperiodicdiscret

Transformata Fourierde timp discreta

Semnal periodicdiscret

Transformata Fourierdiscreta (DFT)

Transformata Fourier Discreta se aplica numai semnalelor discrete periodice

pentru ca are un numar finit de termeni se poate calcula printr-un numar finit de pasi semnalele digitale aperiodice pot fi “transformate” artificial in

semnale periodice transformata Fourier discreta (DFT) transforma un set de N

esantioane de intrare (din domeniul timp) in 2 seturi de N/2+1esantioane de iesire din domeniul frecventa

un set de amplitudini pentru functii cosinus – partea reala ReX[k], pentru functii ck[i] = cos (2πki/N) – cos() esantionat

un set de amplitudin pentru functii sinus – partea imaginara ImX[k], pentru functii Sk[i] = sin (2πki/N) – sin() esantionatunde k=0 - N/2, iar i=0 – (N-1)

se aplica numai semnalelor discrete periodice pentru ca are un numar finit de termeni se poate calcula printr-un numar finit de pasi semnalele digitale aperiodice pot fi “transformate” artificial in

semnale periodice transformata Fourier discreta (DFT) transforma un set de N

esantioane de intrare (din domeniul timp) in 2 seturi de N/2+1esantioane de iesire din domeniul frecventa

un set de amplitudini pentru functii cosinus – partea reala ReX[k], pentru functii ck[i] = cos (2πki/N) – cos() esantionat

un set de amplitudin pentru functii sinus – partea imaginara ImX[k], pentru functii Sk[i] = sin (2πki/N) – sin() esantionatunde k=0 - N/2, iar i=0 – (N-1)

Sinteza unui semnal pe baza coeficientilortransformatei Fourier discrete:

unde

sunt valorile normalizate ale coeficientilor dintransformata Fourier discreta

unde

sunt valorile normalizate ale coeficientilor dintransformata Fourier discreta

Calcularea DFT trei metode:

didactica, dar foarte lenta prin convolutie (clasica) transformata Fourier rapida FFT

Didactica: folosind formula anterioara de sinteza, scriem N ecuatii cu N

necunoscute pentru cele N valori discrete ale lui x[i] teoretic ar fi (N/2+1) + (N/2+1) = N+2 coeficienti de determinat,

dar se poate arata ca ImX[0]=0 si ImX[N/2]=0, asa ca raman Nnecunoscute ReX[k] si ImX[k]

se rezolva setul de N ecuatii cu N necunoscute (ex. cumetoda eliminarii a lui Gauss)

metoda prea lenta, nu se foloseste practic, dar arata teoreticde ce se pot determina coeficientii Fourier din N esantioaneale intrarii

trei metode: didactica, dar foarte lenta prin convolutie (clasica) transformata Fourier rapida FFT

Didactica: folosind formula anterioara de sinteza, scriem N ecuatii cu N

necunoscute pentru cele N valori discrete ale lui x[i] teoretic ar fi (N/2+1) + (N/2+1) = N+2 coeficienti de determinat,

dar se poate arata ca ImX[0]=0 si ImX[N/2]=0, asa ca raman Nnecunoscute ReX[k] si ImX[k]

se rezolva setul de N ecuatii cu N necunoscute (ex. cumetoda eliminarii a lui Gauss)

metoda prea lenta, nu se foloseste practic, dar arata teoreticde ce se pot determina coeficientii Fourier din N esantioaneale intrarii

Calcularea DFT prin convolutie se bazeaza pe ortogonalitatea functiilor elementare sinusoidale

daca un semnal de intrare x[i] contine o sinusoida de oanumita frecventa atunci corelatia lui x[i] cu acea functie estediferita de zero (este amplitudinea acelei componente in x);

daca semnalul nu contine acea componenta convolutia luix[i] cu acea sinusoida este 0

formula de calcul a coeficientilor:

se bazeaza pe ortogonalitatea functiilor elementare sinusoidale daca un semnal de intrare x[i] contine o sinusoida de o

anumita frecventa atunci corelatia lui x[i] cu acea functie estediferita de zero (este amplitudinea acelei componente in x);

daca semnalul nu contine acea componenta convolutia luix[i] cu acea sinusoida este 0

formula de calcul a coeficientilor:

Reprezentarea polara a transformateiFourier discrete

reprezentarea grafica a ReX[k] si ImX[k] nu este relevantapentru ochiul uman perechile sin si cos de aceeasi frecventa se transforma intr-o

functie cos dupa formula: A cos(x+θ)= C cos(x) + S sin (x)

pentru fiecare frecventa rezulta o magnitudine A(amplitudine) si o faza θ, care se calculeaza cu:

A[k] = ReX[k]2 + ImX[k]2

θ[k] = arctan(ImX[k]/ReX[k]))

reprezentarea grafica a ReX[k] si ImX[k] nu este relevantapentru ochiul uman perechile sin si cos de aceeasi frecventa se transforma intr-o

functie cos dupa formula: A cos(x+θ)= C cos(x) + S sin (x)

pentru fiecare frecventa rezulta o magnitudine A(amplitudine) si o faza θ, care se calculeaza cu:

A[k] = ReX[k]2 + ImX[k]2

θ[k] = arctan(ImX[k]/ReX[k]))

ImX[k]

ReX[k]

θ[k]

A[k]

Reprezentarea polara a transformateiFourier discrete

Reprezentarea frecventei in diagramele DFT(reprezentarea axei x) patru posibilitati de reprezentare a frecventei:

ca esantioane ale transformatei, de la 0 la N/2 N este numarul de esantioane ale intrarii de exemplu pentru N=128, se obtin 64 de esantioane ale transformatei programatorii prefera aceasta metoda, desi nu este prea sugestiva

privind frecventele reale prezente in semnal ca o fractie din frecventa de esantionare, cu interval de variatie (0-

0,5) teorema lui Shannon limiteaza frecventa semnalului de intrare la

jumatate din frecventa de esantionare trecerea din prima reprezentare in a doua se face prin divizare cu N

similar cu cazul 2 dar multiplicat cu 2π se obtine o variatie in radiani, intre 0 si π

ca o secventa de frecvente reale valorile din cazul 2 de reprezentare se inmultesc cu frecventa de

esantionare de exemplu daca frecventa de esantionare este 1000Hz atunci axa Ox

variaza intre 0 si 500 Hz

patru posibilitati de reprezentare a frecventei: ca esantioane ale transformatei, de la 0 la N/2

N este numarul de esantioane ale intrarii de exemplu pentru N=128, se obtin 64 de esantioane ale transformatei programatorii prefera aceasta metoda, desi nu este prea sugestiva

privind frecventele reale prezente in semnal ca o fractie din frecventa de esantionare, cu interval de variatie (0-

0,5) teorema lui Shannon limiteaza frecventa semnalului de intrare la

jumatate din frecventa de esantionare trecerea din prima reprezentare in a doua se face prin divizare cu N

similar cu cazul 2 dar multiplicat cu 2π se obtine o variatie in radiani, intre 0 si π

ca o secventa de frecvente reale valorile din cazul 2 de reprezentare se inmultesc cu frecventa de

esantionare de exemplu daca frecventa de esantionare este 1000Hz atunci axa Ox

variaza intre 0 si 500 Hz

Reprezentarea unui semnalin Domeniul timp si in Domeniul frecventa

Domeniul timp Domeniul frecventa

Reprezentareprin N/2

esantionane

a. semnalul esantionat in timp

b. partea reala a transformatei(functii cos())

c. partea imaginara atransformatei (functii sin())

Reprezentareprin fractii alefrecventei deesantionare

Transformata Fourier Rapida (FFT)

observatii preliminarii: o metoda de a calcula mult mai eficient DFT timpul de calcul scade cu 2, 3 ordine de marime; permite utilizarea transformatei Fourier ca metoda de analiza in

aplicatii de procesare a semnalelor on-line (in timp real) complexitatea algoritmului de calcul al DFT prin convolutie este n2

;complexitatea FFT este n*lg n explicarea bazelor matematice ale metodei FFT este mult mai

complexa decat forma algoritmului care rezulta “FFT este pentru Procesarea digitala a semnalelor ca si un

tranzistor pentru circuitele electronice: o componenta de baza; dar nu trebuie sa intelegi structura complexa a tranzistorului ca sa-l

folosesti cu succes; doar un mic numar de specialisti inteleg cu adevarat cum

functioneaza tranzistorul (ca si FFT-ul) dar foarte multi il folosesc”

observatii preliminarii: o metoda de a calcula mult mai eficient DFT timpul de calcul scade cu 2, 3 ordine de marime; permite utilizarea transformatei Fourier ca metoda de analiza in

aplicatii de procesare a semnalelor on-line (in timp real) complexitatea algoritmului de calcul al DFT prin convolutie este n2

;complexitatea FFT este n*lg n explicarea bazelor matematice ale metodei FFT este mult mai

complexa decat forma algoritmului care rezulta “FFT este pentru Procesarea digitala a semnalelor ca si un

tranzistor pentru circuitele electronice: o componenta de baza; dar nu trebuie sa intelegi structura complexa a tranzistorului ca sa-l

folosesti cu succes; doar un mic numar de specialisti inteleg cu adevarat cum

functioneaza tranzistorul (ca si FFT-ul) dar foarte multi il folosesc”

Metoda de calcul a FFT

Secventa de calcul: pasul 1: un semnal de N puncte din domeniul

timp se descompune in N semnale de cateun singur punct

pasul 2: se calculeaza distributiile spectralepentru cele N semnale de un punct

pasul 3: cele N spectre obtinute sesintetizeaza intr-un singur spectru

Secventa de calcul: pasul 1: un semnal de N puncte din domeniul

timp se descompune in N semnale de cateun singur punct

pasul 2: se calculeaza distributiile spectralepentru cele N semnale de un punct

pasul 3: cele N spectre obtinute sesintetizeaza intr-un singur spectru

Detalii privind calculul FFT Pasul 1: Decompozitia semnalului avand N puncte in domeniul

timp exemplu de descompunere pentru un semnal avand 16

puncteSemnalul initial cu 16 puncte

2 semnale a cate 8 puncte

16 semnale a cate 1 punct

log2npasi

Detalii privind calculul FFT Pasul 2: descompunerea spectrala a semnalului de

un punct banal: spectrul este egal cu valoarea punctului

(demonstrat in teoria semnalelor) deci nu se calculeaza nimic, valorile spectrale sunt

valorile punctelor din domeniul timp Pasul 3: sinteza spectrelor fiecarui punct pentru a

obtine spectrul semnalului initial sinteza se face in ordine inversa celei de

descompunere: se combina cate 2 spectre de punct pentru a obtine

spectrul pentru 2 puncte, apoi spectrele de 2 punctecate 2 pentru a obtine spectre de cate 4 punctes.a.m.d. pana la obtinerea spectrului pentru semnalulinitial cu N puncte

Pasul 2: descompunerea spectrala a semnalului deun punct banal: spectrul este egal cu valoarea punctului

(demonstrat in teoria semnalelor) deci nu se calculeaza nimic, valorile spectrale sunt

valorile punctelor din domeniul timp Pasul 3: sinteza spectrelor fiecarui punct pentru a

obtine spectrul semnalului initial sinteza se face in ordine inversa celei de

descompunere: se combina cate 2 spectre de punct pentru a obtine

spectrul pentru 2 puncte, apoi spectrele de 2 punctecate 2 pentru a obtine spectre de cate 4 punctes.a.m.d. pana la obtinerea spectrului pentru semnalulinitial cu N puncte

Detalii privind calculul FFT Pasul 3(continuare):

exemplu de combinare a 2spectre de 4 puncte pentrua obtine un spectru pentru8 puncte

operatia de baza:compozitia a 2 puncte inalte 2 puncte

Spectrul pentru 4puncte impare

Spectrul pentru 4puncte pare

Pasul 3(continuare): exemplu de combinare a 2

spectre de 4 puncte pentrua obtine un spectru pentru8 puncte

operatia de baza:compozitia a 2 puncte inalte 2 puncte

Spectrul de frecventa pentru 8 puncte

2 puncte de intrare

2 puncte de iesire

Unitate elementara de calcul de tip fluture (butterfly)

xS – reprezinta multiplicarea cu o sinusoida

Detalii privind calculul FFT

Diagrama de executie aprogramului

Decompozitia semnaluluide intrare

Antet

Semnal in domeniul timp

log2n oriAntet

Antet

Calculul unei unitatibutterfly

Distributia spectrala(semnal in domeniul frecventa)

pentru fiecare sub-DFT

pentru fiecare butterfly

Programul FFT scris in Fortran


Cursul 6 – Controlul automat alproceselor

Notiuni introductive

Sistemele de reglare automată (sistemautomat) Definire: sistem ce realizează controlul unor parametri

fizici ai unui sistem pe baza unei legi sau funcţiipredefinite, fără intervenţia directă a omului

Obiective posibile: menţinerea unui parametru la o valoare constantă sau într-

un interval dat (reglaj automat), modificarea valorii unui parametru după o lege de variaţie

predefinită sau stabilită în timpul evoluţiei procesului(control secvenţial)

corelarea unor parametri de proces în vederea minimizăriiunei funcţii de cost (optimizare)

Sistemele de reglare automată (sistemautomat) Definire: sistem ce realizează controlul unor parametri

fizici ai unui sistem pe baza unei legi sau funcţiipredefinite, fără intervenţia directă a omului

Obiective posibile: menţinerea unui parametru la o valoare constantă sau într-

un interval dat (reglaj automat), modificarea valorii unui parametru după o lege de variaţie

predefinită sau stabilită în timpul evoluţiei procesului(control secvenţial)

corelarea unor parametri de proces în vederea minimizăriiunei funcţii de cost (optimizare)

Clasificarea sistemelor de reglaj automat

după modul de realizare a controlului sisteme automate în buclă deschisă sisteme automate în buclă închisă –

după modul de variaţie a valorii prescrise: sisteme automate de stabilizare sisteme automate de urmărire

după viteza de evoluţie a parametrilor (gradul de inerţie al sistemului): sisteme automate pentru procese lente sisteme automate pentru procese rapide

după numărul de parametri urmăriţi şi reglaţi: sisteme automate monovariabile (bucle simple de reglaj) sisteme automate multivariabile

după legea de variaţie a parametrilor: sisteme automate liniare sisteme automate neliniare

după natura semnalelor implicate sisteme automate continue sau analogice – semnalele sunt continue în timp sisteme automate discrete sau discontinue – semnalele sunt discretizate în timp

(semnale eşantionate, impulsuri, semnale modulate sau codificate, etc.)

după modul de realizare a controlului sisteme automate în buclă deschisă sisteme automate în buclă închisă –

după modul de variaţie a valorii prescrise: sisteme automate de stabilizare sisteme automate de urmărire

după viteza de evoluţie a parametrilor (gradul de inerţie al sistemului): sisteme automate pentru procese lente sisteme automate pentru procese rapide

după numărul de parametri urmăriţi şi reglaţi: sisteme automate monovariabile (bucle simple de reglaj) sisteme automate multivariabile

după legea de variaţie a parametrilor: sisteme automate liniare sisteme automate neliniare

după natura semnalelor implicate sisteme automate continue sau analogice – semnalele sunt continue în timp sisteme automate discrete sau discontinue – semnalele sunt discretizate în timp

(semnale eşantionate, impulsuri, semnale modulate sau codificate, etc.)

Schema unui sistem automatmonovariabil simplu in bucla inchisa

Elementele unei bucle de reglaj sunt: procesul controlat – instalaţia tehnologică sau echipamentul a cărui parametru se

controlează regulator – dispozitiv de automatizare care generează o comandă (c) pe baza

abaterii (ε) dintre valoarea prescrisă (VP) şi valoarea măsurată (VM) a unuiparametru de proces (VE - valoare de ieşire)

traductor – dispozitiv care transformă o mărime de proces într-un semnal electric element de execuţie – dispozitiv care transformă un semnal de comandă într-o

acţiune (m) de obicei de natură mecanică prin care se influenţează evoluţiaprocesului

Elementele unei bucle de reglaj sunt: procesul controlat – instalaţia tehnologică sau echipamentul a cărui parametru se

controlează regulator – dispozitiv de automatizare care generează o comandă (c) pe baza

abaterii (ε) dintre valoarea prescrisă (VP) şi valoarea măsurată (VM) a unuiparametru de proces (VE - valoare de ieşire)

traductor – dispozitiv care transformă o mărime de proces într-un semnal electric element de execuţie – dispozitiv care transformă un semnal de comandă într-o

acţiune (m) de obicei de natură mecanică prin care se influenţează evoluţiaprocesului

Proces controlatElem. deexecuţieRegulator

Traductor

+-

VP

VM

C mε VE

Componentele unui sistem dereglare automată

Traductoare dispozitive de automatizare utilizate pentru măsurarea

parametrilor ai unui proces componente:

element sensibil – senzor transforma o marime fizica intr-o marime masurabila (de obicei

de natura electrica) adaptor de semnal:

amplificarea şi filtrarea semnalului de intrare eliminarea tensiunii continue reziduale (eng. offset) compensarea comportamentului neliniar al senzorului modularea şi codificarea informaţiei, etc.

Traductoare dispozitive de automatizare utilizate pentru măsurarea

parametrilor ai unui proces componente:

element sensibil – senzor transforma o marime fizica intr-o marime masurabila (de obicei

de natura electrica) adaptor de semnal:

amplificarea şi filtrarea semnalului de intrare eliminarea tensiunii continue reziduale (eng. offset) compensarea comportamentului neliniar al senzorului modularea şi codificarea informaţiei, etc.

Senzor Adaptor desemnal

Mărime fizică Semnaltransmis

Traductoare

semnalul transmis de traductor: semnal analogic:

semnale unificate (standard): de tensiune: [0-5V]; [0-10V],[ -5 - +5V] de curent: [2-10mA], [4-20mA]

semnal digital: de stare: 0/1 in impulsuri:

cu frecventa variabila cu latime de impuls variabila

mesaj digital (vezi retele industriale)

semnalul transmis de traductor: semnal analogic:

semnale unificate (standard): de tensiune: [0-5V]; [0-10V],[ -5 - +5V] de curent: [2-10mA], [4-20mA]

semnal digital: de stare: 0/1 in impulsuri:

cu frecventa variabila cu latime de impuls variabila

mesaj digital (vezi retele industriale)

Traductoare “inteligente”

traductor clasic + microcontrolor functii suplimentare:

afişarea locală a valorii măsurate autocalibrarea dispozitivului de măsurare codificarea informaţiei transmise stocarea temporară a datelor sintetizarea şi filtrarea logică a datelor

măsurate, etc.

traductor clasic + microcontrolor functii suplimentare:

afişarea locală a valorii măsurate autocalibrarea dispozitivului de măsurare codificarea informaţiei transmise stocarea temporară a datelor sintetizarea şi filtrarea logică a datelor

măsurate, etc.

Principalele caracteristici ale unui traductor

natura mărimii fizice măsurate foarte diversa: temperatura, presiune, nivel, deplasare,

forta/cuplu, umiditate, concentratie de gaz, etc. funcţia de transformare

relatia dintre mărimea fizica masurata si semnalul deieşire:

liniara – cazul ideal neliniara – cazul real (linearizabila pe portiuni):

in jurul valorii de nul histerezis la urcare si coborare

gama de variaţie admisă a mărimii de intrare valoare minima/maxima de masura valoare minima/maxima absoluta (la care rezista)

natura mărimii fizice măsurate foarte diversa: temperatura, presiune, nivel, deplasare,

forta/cuplu, umiditate, concentratie de gaz, etc. funcţia de transformare

relatia dintre mărimea fizica masurata si semnalul deieşire:

liniara – cazul ideal neliniara – cazul real (linearizabila pe portiuni):

in jurul valorii de nul histerezis la urcare si coborare

gama de variaţie admisă a mărimii de intrare valoare minima/maxima de masura valoare minima/maxima absoluta (la care rezista)

Principalele caracteristici ale unui traductor(cont.) sensibilitatea de măsurare

raportul dintre variatia semnalului de iesire si variatiamarimii de intrare

ex: la senzor de temperatura: jonctiune semiconductoare: 2mV/grad Celsius termocuplu: 200µV/ºC

precizia de măsurare şi eroarea eroare absoluta eroare relativa: eroarea/valoarea nominala sau

eroarea/domeniul de masura caracteristica dinamică:

comportamentul in timp al traductorului: ex: timpul mort al traductorului

natura semnalului de ieşire

sensibilitatea de măsurare raportul dintre variatia semnalului de iesire si variatia

marimii de intrare ex: la senzor de temperatura:

jonctiune semiconductoare: 2mV/grad Celsius termocuplu: 200µV/ºC

precizia de măsurare şi eroarea eroare absoluta eroare relativa: eroarea/valoarea nominala sau

eroarea/domeniul de masura caracteristica dinamică:

comportamentul in timp al traductorului: ex: timpul mort al traductorului

natura semnalului de ieşire

Traductoare de temperatura

temperatura: cel mai important parametru deproces

tipuri de traductoare de temperatura: termocupluri termorezistenţe termometre manometrice pirometre

temperatura: cel mai important parametru deproces

tipuri de traductoare de temperatura: termocupluri termorezistenţe termometre manometrice pirometre

Termocupluri se obţin prin alipirea într-un punct a două metale diferite in punctul de contact apare o jonctiune ce dirijeaza purtatorii de sarcina

intr-un singur sens apare o tensiune electro-motoare ce depinde de natura metalelor si de

TEMPERATURA punctului de contact

e = e0 + k * ΔTunde: e – tensiunea electromotoare generată la o anumită temperatură

e0 – tensiunea generată de joncţiune la temperatura de 0ºCΔT – temperatura în ºC la care se află joncţiuneak – constanta termocuplului, indică variaţia tensiunii electro-

motoare la o variaţie de un grad a joncţiunii

se obţin prin alipirea într-un punct a două metale diferite in punctul de contact apare o jonctiune ce dirijeaza purtatorii de sarcina

intr-un singur sens apare o tensiune electro-motoare ce depinde de natura metalelor si de

TEMPERATURA punctului de contact

e = e0 + k * ΔTunde: e – tensiunea electromotoare generată la o anumită temperatură

e0 – tensiunea generată de joncţiune la temperatura de 0ºCΔT – temperatura în ºC la care se află joncţiuneak – constanta termocuplului, indică variaţia tensiunii electro-

motoare la o variaţie de un grad a joncţiunii

Tipuri de termocupluriSimbolul

termocupluluiPerechea de metale

sau aliajeDomeniul de măsură

B Platină 30% Rodiu (+)Platină 6% Rodiu (-)

1370-1700 C

C Tungsten 5% Reniu(+)Tungsten 26% Reniu (-)

1650-2315 C

E Crom (+)Constantan (-)

95-900 CCrom (+)Constantan (-)

J Fier (+)Constantan (-)

95-760 C

K Crom (+)Aluminiu (-)

95-1260 C

R Platină 13% Rodiu (+)Platină (-)

870-1450 C

S Platină 10% Rodiu (+)Platină (-)

980-1450 C

T Cupru (+) Constantan (-) -200-350 C

Termocupluri - caracteristici Avantaje:

precizie foarte mare, liniaritate buna repetabilitate in timp a masuratorilor valorile masurate sunt universale, la înlocuire nu necesită

reglaje suplimentare plajă foarte mare de temperatură (- 200 - +1600ºC)

Dezavantaj: problema “punctului rece” valori mici ale tensiunii generate/grad Celsius necesita contact fizic cu obiectul masurat

Avantaje: precizie foarte mare, liniaritate buna repetabilitate in timp a masuratorilor valorile masurate sunt universale, la înlocuire nu necesită

reglaje suplimentare plajă foarte mare de temperatură (- 200 - +1600ºC)

Dezavantaj: problema “punctului rece” valori mici ale tensiunii generate/grad Celsius necesita contact fizic cu obiectul masurat

Termocuplu Cablu de transmisieCutie termostatată

e

Termorezistenţele variatia rezistentei cu temperatura legea de variatie:

R = R0(1+α Δt)unde: R – rezistenţa senzorului la temperatura t

R0 – rezistenţa senzorului la 0ºCα – coeficientul de variaţie al rezistenţei cu temperaturaΔt – temperatura măsurată în ºC

valorile nomonale sunt standardizate: R0 = 100, 200Ω

Caracteristici: linearitate relativ bună a funcţiei de transformare plajă mare de temperatură (-200 - 600ºC) preţ relativ scăzut precizie moderată încălzirea termorezistenţei la trecerea unui curent de măsură

afectează precizia de măsurare

variatia rezistentei cu temperatura legea de variatie:

R = R0(1+α Δt)unde: R – rezistenţa senzorului la temperatura t

R0 – rezistenţa senzorului la 0ºCα – coeficientul de variaţie al rezistenţei cu temperaturaΔt – temperatura măsurată în ºC

valorile nomonale sunt standardizate: R0 = 100, 200Ω

Caracteristici: linearitate relativ bună a funcţiei de transformare plajă mare de temperatură (-200 - 600ºC) preţ relativ scăzut precizie moderată încălzirea termorezistenţei la trecerea unui curent de măsură

afectează precizia de măsurare

Termistorii

variatie negativa si exponentiala a rezistenteicu temperatura

R = R0 * eβ(1/T-1/To)

unde: R – rezistenţa la temperatura TR0 – valoarea de referinţă a senzoruluiT – temperatura măsurată în grade kelvinT0 – temperatura de referinţă ( 298ºKelvin = 20ºC)β – constanta de temperatură

variatie negativa si exponentiala a rezistenteicu temperatura

R = R0 * eβ(1/T-1/To)

unde: R – rezistenţa la temperatura TR0 – valoarea de referinţă a senzoruluiT – temperatura măsurată în grade kelvinT0 – temperatura de referinţă ( 298ºKelvin = 20ºC)β – constanta de temperatură

Termometrele manometrice se bazeaza pe legea gazului ideal:

pV = γRTp = p0 (1+ α ΔT)

unde: T- temperatura absolută măsurată în grade Kelvinp - presiunea gazului idealp0 – presiunea la temperatura de 0ºCα – constanta de variaţie a presiunii cu temperaturaγ – numărul de moli de gazR- constanta universală a gazelor

Caracteristici: precizie foarte mare dificil de integrat in sisteme de automatizare se folosesc pentru calibrarea celorlalte traductoare de temperatura

se bazeaza pe legea gazului ideal:pV = γRTp = p0 (1+ α ΔT)

unde: T- temperatura absolută măsurată în grade Kelvinp - presiunea gazului idealp0 – presiunea la temperatura de 0ºCα – constanta de variaţie a presiunii cu temperaturaγ – numărul de moli de gazR- constanta universală a gazelor

Caracteristici: precizie foarte mare dificil de integrat in sisteme de automatizare se folosesc pentru calibrarea celorlalte traductoare de temperatura

Pirometrele de radiaţie

masoara temperatura pe baza energiei(optice) radiante

doua tipuri: pirometre de radiaţie totală pirometre de radiaţie cromatică

Caracteristici: masurarea de la distanta a temperaturii plaja mare de variatie a temperaturii pret relativ ridicat

masoara temperatura pe baza energiei(optice) radiante

doua tipuri: pirometre de radiaţie totală pirometre de radiaţie cromatică

Caracteristici: masurarea de la distanta a temperaturii plaja mare de variatie a temperaturii pret relativ ridicat

Traductoare de presiune

presiunea – un alt parametru important se masoara fie pentru presiunea propriu-zisa fie pentru a

determina indirect alte marimi (ex: nivelul de lichid intr-un recipient) Variante constructive:

balanţa inelară (a) presostate cu burduf (b) presostate cu membrană (c)

presiunea – un alt parametru important se masoara fie pentru presiunea propriu-zisa fie pentru a

determina indirect alte marimi (ex: nivelul de lichid intr-un recipient) Variante constructive:

balanţa inelară (a) presostate cu burduf (b) presostate cu membrană (c)

p1p2

Δhp

a. b.pc.

Traductoare de debit Există mai multe metode de măsurare a debitului unui fluid:

prin măsurarea unei diferenţe de presiune prin măsurarea unui cuplu mecanic sau a vitezei de rotaţie prin măsurarea unui efect de inducţie electromagnetică

p1 p2a. b. c.

Măsurarea debitului: a. prin presiune diferenţială, b.prin cuplu mecanic, c. prin efect de rotaţie

e

N

S

Debitmetruelectromagnetic

Traductoare de nivel prin măsurarea presiunii lichidului la fundul rezervorului

h = p/(ρ*g)unde: h - înălţimea coloanei de lichid

p – presiunea statică la fundul rezervoruluiρ – densitatea lichiduluig – acceleraţia gravitaţională

prin măsurarea cu ultrasunete sau optic a distanţei la care seaflă suprafaţa liberă a lichidului (ex.: pentru baraje deacumulare)

cu plutitor şi senzor de deplasare cu senzor capacitiv; se măsoară variaţia capacităţii unui

condensator alcătuit din două armături verticale introduse înbazin; capacitatea depinde de permitivitatea electrică a lichiduluişi de nivelul acestuia; lichidul trebuie să fie izolator

prin măsurarea presiunii lichidului la fundul rezervoruluih = p/(ρ*g)

unde: h - înălţimea coloanei de lichidp – presiunea statică la fundul rezervoruluiρ – densitatea lichiduluig – acceleraţia gravitaţională

prin măsurarea cu ultrasunete sau optic a distanţei la care seaflă suprafaţa liberă a lichidului (ex.: pentru baraje deacumulare)

cu plutitor şi senzor de deplasare cu senzor capacitiv; se măsoară variaţia capacităţii unui

condensator alcătuit din două armături verticale introduse înbazin; capacitatea depinde de permitivitatea electrică a lichiduluişi de nivelul acestuia; lichidul trebuie să fie izolator

Traductoare de deplasare şi de viteză

Tipuri: cu inductanţă variabilă cu capacitate variabilă cu rezistenţă variabilă (potenţiometru) cu senzor optic

Tipuri: cu inductanţă variabilă cu capacitate variabilă cu rezistenţă variabilă (potenţiometru) cu senzor optic

S1 S2

LED

Deplasare regletă spre stânga

Deplasare regletă spredreapta

S1

S2

S1

S2

Senzori optici cu valoare absoluta

Riglă circulară

10110

Figura 5.8 Senzori optici cu ieşire digitală

Riglă liniară 0011001110Senzorioptici

Traductoare pentru mărimi electrice

tensiune curent putere factor de putere rezistenta, capacitate, inductanta

I

e

Transformator de curent

Câmpmagnetic

Conductor

Element culisant

Traductor Hall

Traductoare pentru mărimi fizice şichimice speciale

analizoare de gaze pentru oxigen, monoxidde carbon şi bioxid de carbon

traductoare de umiditate relativă şi absolută traductoare de vâscozitate traductoare de pH

analizoare de gaze pentru oxigen, monoxidde carbon şi bioxid de carbon

traductoare de umiditate relativă şi absolută traductoare de vâscozitate traductoare de pH


1

Cursul 7 – Controlul automat alproceselor (cont.)

Elemente de executie Elementele de acţionare sau de execuţie sunt dispozitive de

automatizare care transmit procesului controlat comandagenerată de sistemul de control

Exemple: robinet, element de incalzire, motor electric, etc. Constructiv au 2 parti:

o parte motoare (de acţionare) şi o parte de execuţie

2

Elementele de acţionare sau de execuţie sunt dispozitive deautomatizare care transmit procesului controlat comandagenerată de sistemul de control

Exemple: robinet, element de incalzire, motor electric, etc. Constructiv au 2 parti:

o parte motoare (de acţionare) şi o parte de execuţie

Proces controlatElem. deexecuţie

Regulator

Traductor

+-

VP

VM

Cm

ε VE

Clasificarea elementelor de acţionare

după natura modulului de acţionare: electrice:

motoarele electrice rotative şi liniare (solenoid cu miez), motoarele pas-cu-pas –

usor de controlat digital nu necesita senzor de pozitie dezvolta putere/forta foarte mica

motoarele de curent continuu, control relativ simplu prin nivel de tensiune sau in impulsuri (PWM) necesita senzor de deplasare, turatie sau viteza putere dezvoltata medie

motoare de curent alternativ greu de controlat, necesita schema complexa de actionare dezvolta putere mare

pneumatice si hidraulice dezvolta putere mare folosite in medii explozive necesita instalatii speciale pentru transmiterea agentului de actionare (aer

comprimat, ulei) 3

după natura modulului de acţionare: electrice:

motoarele electrice rotative şi liniare (solenoid cu miez), motoarele pas-cu-pas –

usor de controlat digital nu necesita senzor de pozitie dezvolta putere/forta foarte mica

motoarele de curent continuu, control relativ simplu prin nivel de tensiune sau in impulsuri (PWM) necesita senzor de deplasare, turatie sau viteza putere dezvoltata medie

motoare de curent alternativ greu de controlat, necesita schema complexa de actionare dezvolta putere mare

pneumatice si hidraulice dezvolta putere mare folosite in medii explozive necesita instalatii speciale pentru transmiterea agentului de actionare (aer

comprimat, ulei)


după natura modulului de execuţie: electrice:

rezistente de incalzire: control prin comutare in impulsuri (PWM)

comutatoare: electro-mecanice – relee semiconductoare - tiristoare

mecanice

230V

230V

230V

Alimentare în stea

4

după natura modulului de execuţie: electrice:

rezistente de incalzire: control prin comutare in impulsuri (PWM)

comutatoare: electro-mecanice – relee semiconductoare - tiristoare

mecanice

P= 3*U2/R = 3* 2302/R

Alimentare în triunghi

230V*√3 230V*√3

P= 3*U2/R = 3*3*2302/R

C1C2 C1

C2

UR

α


după natura modulului de execuţie(continuare) dispozitivelor de execuţie mecanice:

tipuri constructive: ventile, valve robinetele

obiectivul urmarit: controlul liniar al gradului de

deschidere al robinetului (a) controlul uniform al debitului de fluid (b) deschiderea sau închiderea cât mai

rapidă a fluxului de fluid (c) reducerea căderii de presiune şi

eliminarea vârtejurilor creşterea anduranţei, etc.

5

după natura modulului de execuţie(continuare) dispozitivelor de execuţie mecanice:

tipuri constructive: ventile, valve robinetele

obiectivul urmarit: controlul liniar al gradului de

deschidere al robinetului (a) controlul uniform al debitului de fluid (b) deschiderea sau închiderea cât mai

rapidă a fluxului de fluid (c) reducerea căderii de presiune şi

eliminarea vârtejurilor creşterea anduranţei, etc.

a. liniar b. logaritmic c. rapid

d

Q

d

Q

d

Q


după natura modulului de execuţie (continuare) dispozitivelor de execuţie mecanice:

Dispozitive de reglare a debitului: cu clapetă (a), cu registru (b)

6

după natura modulului de execuţie (continuare) dispozitivelor de execuţie mecanice:

Dispozitive de reglare a debitului: cu clapetă (a), cu registru (b)

a. b.

Controlul elementelor de acţionare

precizia elementelor de executie este limitata: erori de neliniaritate erori la capete de scala

Solutia: sisteme cu reactie inversa pentru ajustarea erorilor Exemplu: sistem de pozitionare, cu controlul cuplului, a vitezei si

a pozitiei

7

precizia elementelor de executie este limitata: erori de neliniaritate erori la capete de scala

Solutia: sisteme cu reactie inversa pentru ajustarea erorilor Exemplu: sistem de pozitionare, cu controlul cuplului, a vitezei si

a pozitiei

Poziţieprescrisă Control

poziţieControlviteză

Controlcuplu

Motor Sarcină

T.P.T.V.

T.C

Δ Δ Δ

poziţie viteză cuplu

Schema unui sistem de poziţionare

Regulatoare

componenta “inteligentă” al unui sistem de reglare Funcţia de reglaj, (funcţia de transfer a regulatorului) indică

dependenţa dintre semnalul de comandă generat şi abatere reglaj:

liniar - ideal neliniar - real

8

componenta “inteligentă” al unui sistem de reglare Funcţia de reglaj, (funcţia de transfer a regulatorului) indică

dependenţa dintre semnalul de comandă generat şi abatere reglaj:

liniar - ideal neliniar - real

Proces controlatElem. deexecuţie

Regulator

Traductor

+-

VP

VM

Cm

ε VE

Clasificarea regulatoarelor

după natura semnalului de comandă generat: regulatoare continue – semnalul de comandă este

o funcţie continuă în raport cu abaterea şi cu timpul(ex.: regulatoare P, PI, PID, etc.)

regulatoare discontinue – semnalul de comandăeste o funcţie care are discontinuităţi în raport cuabaterea (ex.: regulatoare bipoziţionale, tripoziţionaleşi în mai multe trepte)

discrete – semnalul de comandă este o funcţiediscretă în timp, adică se generează impulsurimodulate în amplitudine, frecvenţă, factor de umpleresau se generează informaţii codificate binar

9

după natura semnalului de comandă generat: regulatoare continue – semnalul de comandă este

o funcţie continuă în raport cu abaterea şi cu timpul(ex.: regulatoare P, PI, PID, etc.)

regulatoare discontinue – semnalul de comandăeste o funcţie care are discontinuităţi în raport cuabaterea (ex.: regulatoare bipoziţionale, tripoziţionaleşi în mai multe trepte)

discrete – semnalul de comandă este o funcţiediscretă în timp, adică se generează impulsurimodulate în amplitudine, frecvenţă, factor de umpleresau se generează informaţii codificate binar

Clasificarea regulatoarelor după tehnologia folosită pentru implementarea funcţiei de

reglaj regulatoare mecanice, hidraulice, pneumatice – se

folosesc componente mecanice, hidraulice sau pneumaticemai mult sau mai puţin standardizate; este dificil deimplementat o funcţie de reglaj, optimă din punct de vedereteoretic,

regulatoare electronice sau analogice – se folosesccomponente electronice active (tranzistor, amplificatoroperaţional) şi pasive (rezistenţă, condensator, bobină);precizia de implementare a funcţiei de reglaj depinde deprecizia componentelor

regulatoare digitale sau numerice – utilizează componentedigitale (porţi logice, bistabile, etc.), inclusiv microprocesor;funcţia de reglaj se implementează printr-o schemă logicăsau prin program; în ultimul caz pot fi implementate funcţiicomplexe de reglaj, iar precizia de reglaj nu depinde deprecizia componentelor

10

după tehnologia folosită pentru implementarea funcţiei dereglaj regulatoare mecanice, hidraulice, pneumatice – se

folosesc componente mecanice, hidraulice sau pneumaticemai mult sau mai puţin standardizate; este dificil deimplementat o funcţie de reglaj, optimă din punct de vedereteoretic,

regulatoare electronice sau analogice – se folosesccomponente electronice active (tranzistor, amplificatoroperaţional) şi pasive (rezistenţă, condensator, bobină);precizia de implementare a funcţiei de reglaj depinde deprecizia componentelor

regulatoare digitale sau numerice – utilizează componentedigitale (porţi logice, bistabile, etc.), inclusiv microprocesor;funcţia de reglaj se implementează printr-o schemă logicăsau prin program; în ultimul caz pot fi implementate funcţiicomplexe de reglaj, iar precizia de reglaj nu depinde deprecizia componentelor

Clasificarea regulatoarelor după mărimea constantelor de timp implicate

regulatoare pentru procese lente – constantele de timp aleprocesului sunt foarte mari (peste zeci de secunde); exemple:reglare temperatură, nivel, concentraţii de gaze

regulatoare pentru procese rapide – constantele de timp suntrelativ mici (sub câteva secunde); exemplu: reglarea turaţieimotoarelor, poziţionare, reglare presiune

după legea de reglare regulatoare de prag – bipoziţionale sau tripoziţionale regulatoare continue, proporţionale (P), proporţional-derivative

(PD), proporţional-integrative (PI) şi proporţional-integrativ-derivative(PID)

după gradul de adaptabilitate regulatoare clasice (neadaptive) – coeficienţii de reglaj se

acordează manual regulatoare autoadaptive – coeficienţii de reglaj se acordează

automat

11

după mărimea constantelor de timp implicate regulatoare pentru procese lente – constantele de timp ale

procesului sunt foarte mari (peste zeci de secunde); exemple:reglare temperatură, nivel, concentraţii de gaze

regulatoare pentru procese rapide – constantele de timp suntrelativ mici (sub câteva secunde); exemplu: reglarea turaţieimotoarelor, poziţionare, reglare presiune

după legea de reglare regulatoare de prag – bipoziţionale sau tripoziţionale regulatoare continue, proporţionale (P), proporţional-derivative

(PD), proporţional-integrative (PI) şi proporţional-integrativ-derivative(PID)

după gradul de adaptabilitate regulatoare clasice (neadaptive) – coeficienţii de reglaj se

acordează manual regulatoare autoadaptive – coeficienţii de reglaj se acordează

automat

Răspunsul unui sistem la un semnal de tiptreaptă unitară

necesar pentru a stabili comportamentul sistemului, invederea realizarii unui reglaj adecvat

metode de determinare: pe cale analitica: pe baza unor legi fizico-chimice

mai exacta dar greu de surprins in formule un procesreal

pe cale experimentala: prim masurare se presepune ca sistemul are o constanta de timp principala

– sistem liniar descris printr-o ecuatie diferentiala de gradulintai

raspunsul sistemului la un impuls Dirac ar permiteidentificarea completa a sistemului

varianta practica -> raspunsul sistemului la semnal de tip detip treapta unitara (cuplarea comenzii la valoarea nominala) 12

necesar pentru a stabili comportamentul sistemului, invederea realizarii unui reglaj adecvat

metode de determinare: pe cale analitica: pe baza unor legi fizico-chimice

mai exacta dar greu de surprins in formule un procesreal

pe cale experimentala: prim masurare se presepune ca sistemul are o constanta de timp principala

– sistem liniar descris printr-o ecuatie diferentiala de gradulintai

raspunsul sistemului la un impuls Dirac ar permiteidentificarea completa a sistemului

varianta practica -> raspunsul sistemului la semnal de tip detip treapta unitara (cuplarea comenzii la valoarea nominala)

Raspunsul sistemului la un semnal detip treapta unitara u(t) – semnalul de comanda (treapta unitara) y(t) raspunsul sistemului ; yst – iesirea stationara εmax- abaterea maxima ; εst – abaterea stationara tm – timpul mort t0 – constanta de timp ttranz – perioada de tranzitie

13

u(t) – semnalul de comanda (treapta unitara) y(t) raspunsul sistemului ; yst – iesirea stationara εmax- abaterea maxima ; εst – abaterea stationara tm – timpul mort t0 – constanta de timp ttranz – perioada de tranzitie

y(t)εmax εst

tm t0 ttranz

yst

u(t)

t

Algoritmi de reglare

alegerea schemei/algoritmului de reglaj se face pebaza urmatorilor parametrii ai procesului controlat: timpul mort şi constanta de timp a sistemului precizia solicitată (eroarea staţionară admisă) abaterea maximă admisă timpul maxim de atingere a valorii prescrise timpul maxim de tranziţie costul maxim admis gradul de stabilitate al sistemului

14

alegerea schemei/algoritmului de reglaj se face pebaza urmatorilor parametrii ai procesului controlat: timpul mort şi constanta de timp a sistemului precizia solicitată (eroarea staţionară admisă) abaterea maximă admisă timpul maxim de atingere a valorii prescrise timpul maxim de tranziţie costul maxim admis gradul de stabilitate al sistemului

Reglaj bipoziţional

cuplarea si decuplarea comenzii, in jurul valoriiprescrise, este in functie de marimea abaterii se alege un domeniu de histerezis: [-εp, + εp]

15

C

ε-εp +εp C

t

VM

VP

VP+εp VP-εp

Reglaj bipozitional

Avantaje: simplu, usor de implementat multe elemente de actionare/executie au 2 stari

Dezavantaje: precizie scazuta semnalul de iesire variaza in plaja de histerezis apare o abatere stationara nenula

Varianta inbunatatita: reglaj tri-pozitional 3 valori pt. comanda: nul, maxim si mediu reglaj mai fin, precizie mai buna decat reglajul

bipozitional16

Avantaje: simplu, usor de implementat multe elemente de actionare/executie au 2 stari

Dezavantaje: precizie scazuta semnalul de iesire variaza in plaja de histerezis apare o abatere stationara nenula

Varianta inbunatatita: reglaj tri-pozitional 3 valori pt. comanda: nul, maxim si mediu reglaj mai fin, precizie mai buna decat reglajul

bipozitional

Reglaj liniar continuu –regulatoare PID

valoarea comenzii depinde de valoarea momentataa abaterii si de evolutia acesteia

Reglaj proporţional – regulator de tip P comanda este proportionala cu abaterea

c(t) = Kp * ε(t) = Kp*(VP-VM(t))unde: c(t) – comanda la momentul t

ε(t) – abaterea (eroarea) la momentul tKp – factorul de proportionalitateVP – valoarea prescrisaVM(t) – valoarea masurata la momentul tBp = 1/ Kp*100 [%] - banda de proportionalitate

17

valoarea comenzii depinde de valoarea momentataa abaterii si de evolutia acesteia

Reglaj proporţional – regulator de tip P comanda este proportionala cu abaterea

c(t) = Kp * ε(t) = Kp*(VP-VM(t))unde: c(t) – comanda la momentul t

ε(t) – abaterea (eroarea) la momentul tKp – factorul de proportionalitateVP – valoarea prescrisaVM(t) – valoarea masurata la momentul tBp = 1/ Kp*100 [%] - banda de proportionalitate

Reglaj liniar continuu –regulatoare PID Regulator P (cont.)

caracteristici: precizie mai buna decat in cazul reglajului bi- sau tri-pozitional nu se tine cont de evolutia anterioara a abaterii nu se recomanda pentru sisteme cu timp mort mare daca abaterea este mare comanda nu mai este proportionala cu

eroarea; proportionalitatea se mentine numai in banda deproportionalitate

18

Regulator P (cont.) caracteristici:

precizie mai buna decat in cazul reglajului bi- sau tri-pozitional nu se tine cont de evolutia anterioara a abaterii nu se recomanda pentru sisteme cu timp mort mare daca abaterea este mare comanda nu mai este proportionala cu

eroarea; proportionalitatea se mentine numai in banda deproportionalitate

VPBp εst

c(t)ε(t)

t

VM

Reglajul proporţional-integral –regulator de tip PI

comanda depinde de abaterea momentana side integrala abaterii – efect de filtrare

c(t) = Kp( ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt )unde Ti – constanta integrativa

caracteristici: reglaj mai bun decat cel de tip P elimina zgomotele care apar pe valoarea

masurata daca Ti este prea mic sistemul intra in oscilatie

19

comanda depinde de abaterea momentana side integrala abaterii – efect de filtrare

c(t) = Kp( ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt )unde Ti – constanta integrativa

caracteristici: reglaj mai bun decat cel de tip P elimina zgomotele care apar pe valoarea

masurata daca Ti este prea mic sistemul intra in oscilatie

Reglajul proporţional-derivativ –regulator PD

comanda depinde de abaterea momentata si de derivataabaterii

c(t) = Kp( ε(t) + Td dε(t)/dt )unde: Td – factorul derivativ

caracteristici: folosit pentru procese lente in vederea detectarii

directiei si vitezei de variatie a abaterii daca Td este mare sistemul intra in oscilatie, mai usor

decat in cazul precedentdε(t)/dt = dVM(t)/dt

20

comanda depinde de abaterea momentata si de derivataabaterii

c(t) = Kp( ε(t) + Td dε(t)/dt )unde: Td – factorul derivativ

caracteristici: folosit pentru procese lente in vederea detectarii

directiei si vitezei de variatie a abaterii daca Td este mare sistemul intra in oscilatie, mai usor

decat in cazul precedentdε(t)/dt = dVM(t)/dt

Reglajul proporţional-integral-derivativ – regulator de tip PID

comanda depinde de valoarea momentana,integrala si derivata abateriic(t) = Kp( ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt +Td dε(t)/dt)

cu factor de corelatie:c(t) = Kp( (1+q*Td/Ti)*ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt - Td dVM(t)/dt)

unde:

(1+q*Td/Ti) – factor de corelaţieq – constanta de corelaţie (dependentă de construcţiaregulatorului)

21

comanda depinde de valoarea momentana,integrala si derivata abateriic(t) = Kp( ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt +Td dε(t)/dt)

cu factor de corelatie:c(t) = Kp( (1+q*Td/Ti)*ε(t) + 1/Ti ∫ ε(t)dt - Td dVM(t)/dt)

unde:

(1+q*Td/Ti) – factor de corelaţieq – constanta de corelaţie (dependentă de construcţiaregulatorului)

Regulator PID

caracteristici: performantele cele mai bune in categoria de regulatoare

continue coeficientii regulatorului PID, Kp, Ti, Td trebuie “acordati” in

conformitate cu comportamentul sistemului controlat (pebaza raspunsului la treapta unitara)

daca reglajul nu este adecvat sistemul poate sa intre inoscilatie

acordarea se face pe baza unor criterii de optimalitate: abaterea minima integrala patratului abaterii sa fie minima timp minim de atingere a valorii prezcrise abaterea maxima sa nu depaseasca o valoare prestabilita

22

caracteristici: performantele cele mai bune in categoria de regulatoare

continue coeficientii regulatorului PID, Kp, Ti, Td trebuie “acordati” in

conformitate cu comportamentul sistemului controlat (pebaza raspunsului la treapta unitara)

daca reglajul nu este adecvat sistemul poate sa intre inoscilatie

acordarea se face pe baza unor criterii de optimalitate: abaterea minima integrala patratului abaterii sa fie minima timp minim de atingere a valorii prezcrise abaterea maxima sa nu depaseasca o valoare prestabilita

Regulatoare digitale

proceseaza si genereaza semnale digitale formula de reglaj:

c(kT) = Kp [ε(kT) + 1/Ti*Σ ε(jT)*T + Td*(ε(kT) - ε((k-1)T)/T]unde: T – perioada de esantionare

c(kT) – comanda la momentul kTε(kT) – abaterea la momentul kT

formule practice:

c(kT) – c((k-1)T)= Kp [ε(kT) – ε((k-1)T) + 1/Ti*ε(kT)*T + Td*(ε(kT) – ε((k-2)T)/T]

dupa regruparea termenilor:c(kT) = c((k-1)T) + A*ε(kT) + B*ε(kT) + C*ε(kT)

23

proceseaza si genereaza semnale digitale formula de reglaj:

c(kT) = Kp [ε(kT) + 1/Ti*Σ ε(jT)*T + Td*(ε(kT) - ε((k-1)T)/T]unde: T – perioada de esantionare

c(kT) – comanda la momentul kTε(kT) – abaterea la momentul kT

formule practice:

c(kT) – c((k-1)T)= Kp [ε(kT) – ε((k-1)T) + 1/Ti*ε(kT)*T + Td*(ε(kT) – ε((k-2)T)/T]

dupa regruparea termenilor:c(kT) = c((k-1)T) + A*ε(kT) + B*ε(kT) + C*ε(kT)

Răspunsul unui sistem automat de reglaj

Tipuri de raspuns răspuns aperiodic, care tinde asimptotic către o valoare sub valoarea

prescrisă (a) răspuns aperiodic, care tinde asimptotic către valoarea prescrisă (b) răspuns periodic amortizat (c) răspuns periodic neamortizat (d)

24

Tipuri de raspuns răspuns aperiodic, care tinde asimptotic către o valoare sub valoarea

prescrisă (a) răspuns aperiodic, care tinde asimptotic către valoarea prescrisă (b) răspuns periodic amortizat (c) răspuns periodic neamortizat (d)

abc

d

VP

Y

Acordarea regulatoarelor determinarea constantelor Kp, Ti, Td pentru o functionare

optimala nu exista solutie unica, depinde de obiectivul urmarit Metodele de acordare a regulatoarelor se bazează pe anumite

criterii de performanţă, cum ar fi: criteriul suprafeţei minime pentru graficul abaterii criteriul suprafeţei minime pentru graficul abaterii pătratice criteriul suprafeţei minime pentru graficul modulului funcţiei abatere criteriul minimizării abaterii maxime criteriul timpului minim de stabilizare

25

determinarea constantelor Kp, Ti, Td pentru o functionareoptimala

nu exista solutie unica, depinde de obiectivul urmarit Metodele de acordare a regulatoarelor se bazează pe anumite

criterii de performanţă, cum ar fi: criteriul suprafeţei minime pentru graficul abaterii criteriul suprafeţei minime pentru graficul abaterii pătratice criteriul suprafeţei minime pentru graficul modulului funcţiei abatere criteriul minimizării abaterii maxime criteriul timpului minim de stabilizare

VM

ε(t)

VP

εmax

Acordarea regulatoarelor Varianta 1. (Metoda Ziegler-Nichols)

Se anulează efectul integrativ (Ti = ∞) şi derivativ (Td = 0),iar constanta de proporţionalitate (Kp) se fixează la valoareaminimă.

Se măreşte treptat valoarea lui Kp până când sistemul intrăîn oscilaţie.

Se măsoară perioada oscilaţiei ( T0) şi se notează valoareaconstantei de proporţionalitate pentru care sistemul a intratîn oscilaţie (Kp0).

Conform criteriului suprafeţei minime se aleg următoarelevalori pentru constantele regulatorului:

pentru regulator P : Kp = 0,5 Kp0pentru regulator PI: Kp = 0,45 Kp0 ; Ti = 0,8 T0pentru regulator PID: Kp = 0,6 Kp0 ; Ti = 0,5 T0 ; Td= 0,125 T0

26

Varianta 1. (Metoda Ziegler-Nichols) Se anulează efectul integrativ (Ti = ∞) şi derivativ (Td = 0),

iar constanta de proporţionalitate (Kp) se fixează la valoareaminimă.

Se măreşte treptat valoarea lui Kp până când sistemul intrăîn oscilaţie.

Se măsoară perioada oscilaţiei ( T0) şi se notează valoareaconstantei de proporţionalitate pentru care sistemul a intratîn oscilaţie (Kp0).

Conform criteriului suprafeţei minime se aleg următoarelevalori pentru constantele regulatorului:

pentru regulator P : Kp = 0,5 Kp0pentru regulator PI: Kp = 0,45 Kp0 ; Ti = 0,8 T0pentru regulator PID: Kp = 0,6 Kp0 ; Ti = 0,5 T0 ; Td= 0,125 T0

Acordarea regulatoarelor Varianta 2. Pentru această variantă trebuie să se determine în

prealabil răspunsul sistemului controlat la un semnal de tip treaptăunitară. Din graficul funcţiei răspuns se determină: constanta de amplificare a sistemului - K - raportul dintre

variaţia ieşirii şi variaţia semnalului de intrare constanta de timp a sistemului - T – timpul estimat de atingere a

valorii de saturaţie dacă creşterea ar fi numai liniară (porţiuneadreaptă a graficului)

timpul mort al sistemului – Tm – întârzierea cu care sistemulreacţionează la o variaţie a semnalului de comandă

pentru regulator P: Kp = (1/K)*(T/Tm)pentru regulator PI: Kp = 0,8*(1/K)*(T/Tm); Ti = 3 Tmpentru regulator PD: Kp = 1,2*(1/K)*(T/Tm); Td = 0,25 Tmpentru regulator PID: Kp = 1,2*(1/K)*(T/Tm); Ti = 2 Tm;

Td =0,45Tm

27

Varianta 2. Pentru această variantă trebuie să se determine înprealabil răspunsul sistemului controlat la un semnal de tip treaptăunitară. Din graficul funcţiei răspuns se determină: constanta de amplificare a sistemului - K - raportul dintre

variaţia ieşirii şi variaţia semnalului de intrare constanta de timp a sistemului - T – timpul estimat de atingere a

valorii de saturaţie dacă creşterea ar fi numai liniară (porţiuneadreaptă a graficului)

timpul mort al sistemului – Tm – întârzierea cu care sistemulreacţionează la o variaţie a semnalului de comandă

pentru regulator P: Kp = (1/K)*(T/Tm)pentru regulator PI: Kp = 0,8*(1/K)*(T/Tm); Ti = 3 Tmpentru regulator PD: Kp = 1,2*(1/K)*(T/Tm); Td = 0,25 Tmpentru regulator PID: Kp = 1,2*(1/K)*(T/Tm); Ti = 2 Tm;

Td =0,45Tm TTm

Vs

at

VM

c

t

t

V0

c0

K = (Vsat-V0)/c0

Regulatoare adaptive

care isi determina automat coeficientii de reglaj se face periodic o estimare a comportamentului

sistemului si se reacordeaza coeficientii de reglaj se secomanda pentru sistemele care isi modifica

comportamentul in timp

28

care isi determina automat coeficientii de reglaj se face periodic o estimare a comportamentului

sistemului si se reacordeaza coeficientii de reglaj se secomanda pentru sistemele care isi modifica

comportamentul in timp

Calcul parametri

Regulator Proces

Estimator

VP Y

Kp,Ti,Td

c

Criterii de alegere a tipului optim deregulator

Alegerea soluţiei optime de reglaj se face pe baza mai multor criterii: după valoarea raportului dintre timpul mort şi constanta de timp a

procesului:

( 0 .. 0,3) - regulator bipoziţionalTm/T = (0,3 .. 1) – regulator PID

> 1 – regulatoare speciale (ex.: regulatoare adaptive)

după caracteristicile procesului şi ale perturbaţiilor: cu o constantă de timp dominantă – regulator P cu două constante de timp dominante – regulator PI, PID cu zgomot mare – regulator PI cu zgomot redus şi constantă de amplificare mică – regulator PD

pe baza experienţei acumulate: reglaj de nivel – regulator P, PI reglaj de debit - PI reglaj de temperatură, presiune: P, PI, PID

29

Alegerea soluţiei optime de reglaj se face pe baza mai multor criterii: după valoarea raportului dintre timpul mort şi constanta de timp a

procesului:

( 0 .. 0,3) - regulator bipoziţionalTm/T = (0,3 .. 1) – regulator PID

> 1 – regulatoare speciale (ex.: regulatoare adaptive)

după caracteristicile procesului şi ale perturbaţiilor: cu o constantă de timp dominantă – regulator P cu două constante de timp dominante – regulator PI, PID cu zgomot mare – regulator PI cu zgomot redus şi constantă de amplificare mică – regulator PD

pe baza experienţei acumulate: reglaj de nivel – regulator P, PI reglaj de debit - PI reglaj de temperatură, presiune: P, PI, PID

Informatica Industriala

Cursul 7Componente utilizate in sistemele digitale de

control: Microcontroloare si procesoare digitalede semnal

Microcontroloare procesoare specializate pentru aplicatii de control circuite VLSI care incorporeaza aproape toate

componentele unui micro-sistem de calcul: UCP memorie de program memorie de date sistem de intreruperi porturi de intrare/iesire digitale convertoare analog-numerice si numeric analogice interfete de comunicatie si de retea

55% din procesoarele vandute in lume au fostmicrocontroloare de 8 biti (wikipedia) – 4 miliarde

procesoare specializate pentru aplicatii de control circuite VLSI care incorporeaza aproape toate

componentele unui micro-sistem de calcul: UCP memorie de program memorie de date sistem de intreruperi porturi de intrare/iesire digitale convertoare analog-numerice si numeric analogice interfete de comunicatie si de retea

55% din procesoarele vandute in lume au fostmicrocontroloare de 8 biti (wikipedia) – 4 miliarde

Microcontroloare (µC) - caracteristici: dimensiuni reduse (număr redus de pini) consum mic timp predefinit de execuţie a instrucţiunilor arhitectură tip Harvard: separarea memoriei de program de

memoria de date sistem de întreruperi simplu, adaptat componentelor periferice

(contoare, interfeţe, etc.) conţinute în circuit cost redus frecvenţe de lucru relativ mici (10-30 MHz) performanţe de calcul modeste set limitat de instrucţiuni în limbaj maşină limitări în ceea ce priveşte capacitatea de memorare restricţii privind posibilităţile de extindere a sistemului

dimensiuni reduse (număr redus de pini) consum mic timp predefinit de execuţie a instrucţiunilor arhitectură tip Harvard: separarea memoriei de program de

memoria de date sistem de întreruperi simplu, adaptat componentelor periferice

(contoare, interfeţe, etc.) conţinute în circuit cost redus frecvenţe de lucru relativ mici (10-30 MHz) performanţe de calcul modeste set limitat de instrucţiuni în limbaj maşină limitări în ceea ce priveşte capacitatea de memorare restricţii privind posibilităţile de extindere a sistemului

Familii de µC Exemple:

PIC12Fxx, PIC16Fxx, PIC18FXX, PIC 32Fxx ARM AVR MIPS Intel 8051/31, Intel 8748

O familie este caracterizata prin: aceeasi arhitectura de baza acelasi set de instructiuni Aceleasi instrumente de dezvoltare a programelor

Diferente intre variante ale aceleiasi familii: Capacitate de memorie (pentru date si pentru program) Tipuri de interfete incluse Numar de porturi, contoare,

Exemple: PIC12Fxx, PIC16Fxx, PIC18FXX, PIC 32Fxx ARM AVR MIPS Intel 8051/31, Intel 8748

O familie este caracterizata prin: aceeasi arhitectura de baza acelasi set de instructiuni Aceleasi instrumente de dezvoltare a programelor

Diferente intre variante ale aceleiasi familii: Capacitate de memorie (pentru date si pentru program) Tipuri de interfete incluse Numar de porturi, contoare,

Schema bloc a familiei demicrocontroloare I 80C31

întreruperiTimer 2Sistem de întreruperi

ROM RAM Timer 14k-32 ko 128-512 o

Timer 0 WD4k-32 ko 128-512 oTimer 0

UCP

Canal serial CNA CANGenerator de ceas

Port I/E *4

32 linii de I/E RS 232 Ieşire analogică Intrărianalogice

WD

PWM

Reset Ieşire PWM

Principalele componente alemicrocontrolorului UCP – unitatea centrală de prelucrare – asigură execuţia instrucţiunilor

unui program ROM – memoria nevolatilă – conţine programul de aplicaţie şi eventualele

constante de program; memoria poate fi de tip PROM (se înscrie o singurădată), EPROM (cu posibilitate de înscriere multiplă, off-line) sau EEPROM(cu posibilitate de scriere în timpul funcţionării programului); dimensiuneamemoriei variază funcţie de varianta constructivă de la 0 la 32ko; ea sepoate extinde prin adăugarea unei memorii externe

RAM – memoria de date – păstrează variabilele programului şi stiva; înprima parte a memoriei locaţiile pot fi adresate ca registre interne (4 seturia câte 8 registre); o anumită zonă de memorie poate fi adresată la nivel debit; capacitatea memoriei depinde de varianta constructivă (128-512 octeţi);memoria RAM internă poate fi extinsă cu o memorie RAM externă

sistemul de întreruperi – gestionează cererile interne şi externe deîntrerupere; sursele de întrerupere sunt: 2 linii externe de întrerupere, canalserial (recepţie sau transmisie de caractere) şi contoare (timer 0,1,2)

generatorul de ceas – generează semnalul de ceas necesar pentrufuncţionarea UCP şi furnizează o frecvenţă de referinţă pentru contoareleinterne şi canalul serial

porturile de intrare/ieşire – permit achiziţia sau generarea de semnaledigitale; sunt 4 sau 6 porturi a câte 8 semnale; un semnal se configureazăca intrare, ieşire sau semnal bidirecţional

UCP – unitatea centrală de prelucrare – asigură execuţia instrucţiunilorunui program

ROM – memoria nevolatilă – conţine programul de aplicaţie şi eventualeleconstante de program; memoria poate fi de tip PROM (se înscrie o singurădată), EPROM (cu posibilitate de înscriere multiplă, off-line) sau EEPROM(cu posibilitate de scriere în timpul funcţionării programului); dimensiuneamemoriei variază funcţie de varianta constructivă de la 0 la 32ko; ea sepoate extinde prin adăugarea unei memorii externe

RAM – memoria de date – păstrează variabilele programului şi stiva; înprima parte a memoriei locaţiile pot fi adresate ca registre interne (4 seturia câte 8 registre); o anumită zonă de memorie poate fi adresată la nivel debit; capacitatea memoriei depinde de varianta constructivă (128-512 octeţi);memoria RAM internă poate fi extinsă cu o memorie RAM externă

sistemul de întreruperi – gestionează cererile interne şi externe deîntrerupere; sursele de întrerupere sunt: 2 linii externe de întrerupere, canalserial (recepţie sau transmisie de caractere) şi contoare (timer 0,1,2)

generatorul de ceas – generează semnalul de ceas necesar pentrufuncţionarea UCP şi furnizează o frecvenţă de referinţă pentru contoareleinterne şi canalul serial

porturile de intrare/ieşire – permit achiziţia sau generarea de semnaledigitale; sunt 4 sau 6 porturi a câte 8 semnale; un semnal se configureazăca intrare, ieşire sau semnal bidirecţional

Principalele componente alemicrocontrolorului canalul serial – implementează protocolul de comunicaţie RS 232 (canal

serial asincron, bidirecţional pe caracter); la unele variante există un canalserial suplimentar care implementează protocolul I2C; acest protocolpermite construirea unei magistrale seriale în locul celei paralele clasice

timer 0, 1, 2 – set de 2 sau 3 contoare utilizabile pentru generareaperiodică a unor întreruperi (ex.: pentru ceas de timp-real), pentrunumărarea unor evenimente externe sau pentru generarea frecvenţei detransmisie serială

CNA – convertor numeric/analogic – folosit pentru generarea unuisemnal analogic; această componentă este prezentă numai la variantelemai complexe

CAN – convertor analog/numeric – folosit pentru achiziţia unor semnaleanalogice; pot fi citite prin multiplexare până la 8 intrări analogice

WD – contor Watch-Dog – utilizat pentru detectarea funcţionării anormalea UCP; dacă contorul nu este reiniţializat periodic, se consideră o anomalieşi ieşirea contorului va provoca o reiniţializare a procesorului

PWM – ieşire cu modulaţie în lăţime de impuls (Puls Width Modulation)– permite generarea unei comenzi asemănătoare unui semnal analogic,folosindu-se o ieşire digitală; prin aplicarea unui filtru trece jos se obţine unsemnal analogic proporţional cu factorul de umplere al impulsului generat

canalul serial – implementează protocolul de comunicaţie RS 232 (canalserial asincron, bidirecţional pe caracter); la unele variante există un canalserial suplimentar care implementează protocolul I2C; acest protocolpermite construirea unei magistrale seriale în locul celei paralele clasice

timer 0, 1, 2 – set de 2 sau 3 contoare utilizabile pentru generareaperiodică a unor întreruperi (ex.: pentru ceas de timp-real), pentrunumărarea unor evenimente externe sau pentru generarea frecvenţei detransmisie serială

CNA – convertor numeric/analogic – folosit pentru generarea unuisemnal analogic; această componentă este prezentă numai la variantelemai complexe

CAN – convertor analog/numeric – folosit pentru achiziţia unor semnaleanalogice; pot fi citite prin multiplexare până la 8 intrări analogice

WD – contor Watch-Dog – utilizat pentru detectarea funcţionării anormalea UCP; dacă contorul nu este reiniţializat periodic, se consideră o anomalieşi ieşirea contorului va provoca o reiniţializare a procesorului

PWM – ieşire cu modulaţie în lăţime de impuls (Puls Width Modulation)– permite generarea unei comenzi asemănătoare unui semnal analogic,folosindu-se o ieşire digitală; prin aplicarea unui filtru trece jos se obţine unsemnal analogic proporţional cu factorul de umplere al impulsului generat

Accesarea memoriei si a porturilor Registrele interne fac parte din spatiul de memorie destinat datelor Porturile de intrare/iesire, inclusiv cele de control si stare ocupa un loc

predefinit din spatiul de memorie (SFR – Special Function Register)

SFRFFh

7Fh

0

128oBlocul 3Blocul 2Blocul 1Blocul 0

R0 R1 ... R7

FFFFh

64ko

internă externă

FFh

7Fh

0 128o

Blocul 3Blocul 2Blocul 1Blocul 0

Memoria date (RAM)

0

64ko

Harta memoriei interne şi externe

Memoria de program PROM, EPROM, EEPROM

FFFFh

0internă(0-8ko)

externă(max 64ko)

Moduri de functionare funcţionare normală (eng. normal mode) – toate

componentele sunt funcţionale, consumul estemaxim

aşteptare (eng. idle mode) – generatorul de ceas,contoarele şi memoria RAM sunt alimentate, restulcomponentelor sunt decuplate; consumul este mediu;procesorul este scos din această stare printr-unsemnal de reset sau un semnal de întrerupere

deconectare (eng. power-down mode) – memoriaRAM este singura componentă alimentată, restul fiinddecuplate; tensiunea minimă admisibilă este de 3V,iar consumul este extrem de mic (comparabil cucurentul de descărcare naturală a unei baterii)

funcţionare normală (eng. normal mode) – toatecomponentele sunt funcţionale, consumul estemaxim

aşteptare (eng. idle mode) – generatorul de ceas,contoarele şi memoria RAM sunt alimentate, restulcomponentelor sunt decuplate; consumul este mediu;procesorul este scos din această stare printr-unsemnal de reset sau un semnal de întrerupere

deconectare (eng. power-down mode) – memoriaRAM este singura componentă alimentată, restul fiinddecuplate; tensiunea minimă admisibilă este de 3V,iar consumul este extrem de mic (comparabil cucurentul de descărcare naturală a unei baterii)

Setul de instructiuni – structura UCP

UCP are arhitectura pe 8 biti de tip Harvard (memoriede date si de program separate)

Set simplu de instructiuni Instructiuni relativ simple Instructiunile nu fac distinctie intre locatii de memorie

si porturi – spatiu comun de adresare Adresarea memoriei RAM externe si a memoriei de

program se face indirect prin registru poantor DPTR(Data Pointer)

La 12MHz o instructiune se executa in 1 sau 2 µs Timpul de executie a unui program se poate calcula

prin numararea instructiunilor

UCP are arhitectura pe 8 biti de tip Harvard (memoriede date si de program separate)

Set simplu de instructiuni Instructiuni relativ simple Instructiunile nu fac distinctie intre locatii de memorie

si porturi – spatiu comun de adresare Adresarea memoriei RAM externe si a memoriei de

program se face indirect prin registru poantor DPTR(Data Pointer)

La 12MHz o instructiune se executa in 1 sau 2 µs Timpul de executie a unui program se poate calcula

prin numararea instructiunilor

Microcontroloare Microchip:PIC12xx, PIC16xx, PIC18xx, PIC32Fxx

www.microchip.com

Alegerea unei variante de microcontrolor

http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=1002&mid=10&lang=en&pageId=74

www.microchip.com

Alegerea unei variante de microcontrolor

http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=1002&mid=10&lang=en&pageId=74

Exemplu: PIC16F87x (876,877, 873)

Caracteristici: Structura pe 8 biti (date de 8 biti) Instructiuni de 14 biti Arhitectura Harvard, de tip RISC Are numai 35 de instructiuni Capacitate de stocare:

8k x 14 Flash EPROM (memorie de program) 256x8 EEPROM 368x8 SRAM (memorie de date)

Interfata seriala UART si SPI Convertor analog-digital de 10 biti cu 8 canale multiplexate 3 timere din care 2 de 8 biti si unul de 16 biti PSP – parallel Slave Port WDT – watch-dog Timer CCM (Capture Compare Module) si PWM Programabil si depanabil prin doua fire (serial); ICD – in circuit debuger Incapsulare: 28,40 sau 44 pini

Caracteristici: Structura pe 8 biti (date de 8 biti) Instructiuni de 14 biti Arhitectura Harvard, de tip RISC Are numai 35 de instructiuni Capacitate de stocare:

8k x 14 Flash EPROM (memorie de program) 256x8 EEPROM 368x8 SRAM (memorie de date)

Interfata seriala UART si SPI Convertor analog-digital de 10 biti cu 8 canale multiplexate 3 timere din care 2 de 8 biti si unul de 16 biti PSP – parallel Slave Port WDT – watch-dog Timer CCM (Capture Compare Module) si PWM Programabil si depanabil prin doua fire (serial); ICD – in circuit debuger Incapsulare: 28,40 sau 44 pini

Controlul unui port de intrare/iesire

Porturi digitale: PORTA PORTB PORTC PORTD PORTE

PORTA – port de date TRISA – registrul de validare a iesirii

TRISAi =1 => PORTAi – intrare Tranzistoarele de iesire sunt in inalta

impedanta TRISAi =0 => PORTAi – iesire

Pinul de iesire va avea stareabistabilului de iesire al portului A

Porturi digitale: PORTA PORTB PORTC PORTD PORTE

PORTA – port de date TRISA – registrul de validare a iesirii

TRISAi =1 => PORTAi – intrare Tranzistoarele de iesire sunt in inalta

impedanta TRISAi =0 => PORTAi – iesire

Pinul de iesire va avea stareabistabilului de iesire al portului A

Caracteristici comune pentru diferitelevariante de microcontroloare: integrarea într-un singur circuit a componentelor necesare pentru o

aplicaţie simplă de control arhitectură Harvard, care presupune separarea memoriei de program

de memoria de date; scopul urmărit este protejarea zonei de programşi creşterea vitezei de transfer

mai multe variante constructive, care se adaptează mai bine lanecesităţile unei aplicaţii concrete

set de instrucţiuni simplu, cu instrucţiuni executate într-un timp binedefinit; scopul urmărit este creşterea gradului de determinism şiposibilitatea evaluării timpului de procesare a datelor, încă din faza deproiectare

seturi multiple de registre interne, utile pentru transferul rapid de date şipentru comutarea rapidă de context

adresarea porturilor de intrare/ieşire ca locaţii de memorie pentru apermite un acces direct şi rapid la semnalele de intrare şi de ieşire

mai multe moduri speciale de lucru pentru un consum minim conţin componente tipice pentru aplicaţiile de control: convertoare de

semnal, generator PWM, numărătoare de impulsuri, detector defuncţionare anormală (watch-dog), etc.

integrarea într-un singur circuit a componentelor necesare pentru oaplicaţie simplă de control

arhitectură Harvard, care presupune separarea memoriei de programde memoria de date; scopul urmărit este protejarea zonei de programşi creşterea vitezei de transfer

mai multe variante constructive, care se adaptează mai bine lanecesităţile unei aplicaţii concrete

set de instrucţiuni simplu, cu instrucţiuni executate într-un timp binedefinit; scopul urmărit este creşterea gradului de determinism şiposibilitatea evaluării timpului de procesare a datelor, încă din faza deproiectare

seturi multiple de registre interne, utile pentru transferul rapid de date şipentru comutarea rapidă de context

adresarea porturilor de intrare/ieşire ca locaţii de memorie pentru apermite un acces direct şi rapid la semnalele de intrare şi de ieşire

mai multe moduri speciale de lucru pentru un consum minim conţin componente tipice pentru aplicaţiile de control: convertoare de

semnal, generator PWM, numărătoare de impulsuri, detector defuncţionare anormală (watch-dog), etc.

Procesoare digitale de semnal(DSP – Digital Signal Processors)

Procesoare specializate pentru aplicatii in care domina operatiile deprelucrare a semnalelor

Necesitatea: procesoarele uzuale nu satisfac cerintele de viteza pentru semnale de

frecventa mai mare schemele analogice au limitari de performanta, de complexitate

Avantaje ale procesarii digitale a semnalelor: imunitate mai mare la zgomot (datorită diferenţei relativ mari între cele

două stări logice, zero şi unu) precizie mai mare rezultatul prelucrării nu depinde de variaţiile de mediu (temperatură,

umiditate) sau de variaţii ale tensiunilor de alimentare pot fi implementate procedee complexe de prelucrare (exemplu: filtre cu

un număr mare de poli), a căror implementare analogică este dificilă sauchiar imposibilă datorită preciziei limitate a componentelor

repetabilitatea în timp a procedeelor de prelucrare modificarea procedeului de prelucrare nu implică modificarea schemei

hardware (modificarea se face prin rescrierea programului de prelucrare)

Procesoare specializate pentru aplicatii in care domina operatiile deprelucrare a semnalelor

Necesitatea: procesoarele uzuale nu satisfac cerintele de viteza pentru semnale de

frecventa mai mare schemele analogice au limitari de performanta, de complexitate

Avantaje ale procesarii digitale a semnalelor: imunitate mai mare la zgomot (datorită diferenţei relativ mari între cele

două stări logice, zero şi unu) precizie mai mare rezultatul prelucrării nu depinde de variaţiile de mediu (temperatură,

umiditate) sau de variaţii ale tensiunilor de alimentare pot fi implementate procedee complexe de prelucrare (exemplu: filtre cu

un număr mare de poli), a căror implementare analogică este dificilă sauchiar imposibilă datorită preciziei limitate a componentelor

repetabilitatea în timp a procedeelor de prelucrare modificarea procedeului de prelucrare nu implică modificarea schemei

hardware (modificarea se face prin rescrierea programului de prelucrare)

Operatii specifice de prelucrare a semnalelor

Tipuri de operatii: filtrare, amplificare, atenuare convolutie transformate: Fourier, Laplaze, Z

Din punct de vedere matematic: integrala de convolutie intre semnalul de prelucrat si functia de

prelucrare

+y(t)= f()x(t-)d

-

Unde:-x(t) – functia de intrare-y(t) – functia de iesire-f(t) – functia de transformare (prelucrare)

Tipuri de operatii: filtrare, amplificare, atenuare convolutie transformate: Fourier, Laplaze, Z

Din punct de vedere matematic: integrala de convolutie intre semnalul de prelucrat si functia de

prelucrare

+y(t)= f()x(t-)d

-

Unde:-x(t) – functia de intrare-y(t) – functia de iesire-f(t) – functia de transformare (prelucrare)

In domeniul digital

+

y(nT)= f(kT) * x(nT-kT)k=-

unde:

- y(nT) – semnalul discret de ieşire (eşantionul n)- x(nT) – semnalul discret de intrare- f(kT) – funcţia discretă de transformare- T – perioada de esantionare

- interpretare: iesirea y la momentul nT este o suma ponderata a intrarii x lamomente in jurul momentului nT

- functia de transformare f are valori diferite de 0 in jurul originii (k=0)- practic, suma de convolutie are un numar finit de termeni- daca T se considera unitatea de timp atunci se poate omite

+

y(nT)= f(kT) * x(nT-kT)k=-

unde:

- y(nT) – semnalul discret de ieşire (eşantionul n)- x(nT) – semnalul discret de intrare- f(kT) – funcţia discretă de transformare- T – perioada de esantionare

- interpretare: iesirea y la momentul nT este o suma ponderata a intrarii x lamomente in jurul momentului nT

- functia de transformare f are valori diferite de 0 in jurul originii (k=0)- practic, suma de convolutie are un numar finit de termeni- daca T se considera unitatea de timp atunci se poate omite

Exemple:

Filtru “trece jos” – mediere, eliminare zgomotey(n) =(1/3)*[x(n-1)+x(n) +x(n+1)]– media aritmetica a intrarilor din jurul momentului n

1/3 pt. k=-1, 0, 1f(k) =

0 in rest

Filtru “trece sus” – gradienty(n) =x(n)-x(n-1)– diferenta intre doua valori consecutive ale intrarii

1 pt. k=0f(k) = -1 pt. k=-1

0 in rest

Filtru “trece jos” – mediere, eliminare zgomotey(n) =(1/3)*[x(n-1)+x(n) +x(n+1)]– media aritmetica a intrarilor din jurul momentului n

1/3 pt. k=-1, 0, 1f(k) =

0 in rest

Filtru “trece sus” – gradienty(n) =x(n)-x(n-1)– diferenta intre doua valori consecutive ale intrarii

1 pt. k=0f(k) = -1 pt. k=-1

0 in rest

Caracteristici arhitecturaleale procesoarelor de semnal asigura executia in timpul cel mai scurt a sumei de convolutie

Caracteristici arhitecturale: existenta unei Unitatea de multiplicare şi acumulare repetitivă (eng.

MAC – Multiply and Accumulate)Magistrala de program

Magistrala de date

asigura executia in timpul cel mai scurt a sumei de convolutie

Caracteristici arhitecturale: existenta unei Unitatea de multiplicare şi acumulare repetitivă (eng.

MAC – Multiply and Accumulate)

Magistrala de date

Multiplicator paralelDeplasare

Deplasare

Deplasare

Acumulator

UAL

MUX

MUX16 biţi

32 biţi

Caracteristici arhitecturale:

Instrucţiuni complexe de multiplicare şi acumulare mai multe variante posibile

Magistrale interne multiple magistrala de date magistrala de cod

Memorie internă pentru date şi pentru program arhitectura Harvard

Seturi multiple de registre interne timp de acces mai bun instructiuni mai scurte

Moduri de adresare orientate pe şiruri adresare indexata (cu incremetarea automata a indecsilor) adresare circulara – buffer circular

Instrucţiuni complexe de multiplicare şi acumulare mai multe variante posibile

Magistrale interne multiple magistrala de date magistrala de cod

Memorie internă pentru date şi pentru program arhitectura Harvard

Seturi multiple de registre interne timp de acces mai bun instructiuni mai scurte

Moduri de adresare orientate pe şiruri adresare indexata (cu incremetarea automata a indecsilor) adresare circulara – buffer circular

Structura interna a unui procesor desemnal (exemplu TMS320C25)

Controlor demagistrală

Mem. deprogram ROM

Stiva

PC

Adrese

Date

Comenzi

Magistrala de date

Magistrala de program

Reg. specMagistrala de date

MACARP DP

AR0-7

B1

B2

B0RAM RAM

RAM

Reg. spec

Componentele procesorului TMS320C25

RAM – blocuri de memorie RAM: B0 - 256x16 biţi – memorie pentru date şi program; B1 - 256x16 biţi – memorie pentru date B2 - 32x16 biţi – memorie pentru date

ROM – memoria internă pentru program (memorie nevolatilă) MAC – modul de multiplicare şi adunare AR0-7- registre auxiliare (registre generale) ARP – indicator către registru auxiliar DP – indicator de domeniu PC – numărător de instrucţiuni (Program Counter)

RAM – blocuri de memorie RAM: B0 - 256x16 biţi – memorie pentru date şi program; B1 - 256x16 biţi – memorie pentru date B2 - 32x16 biţi – memorie pentru date

ROM – memoria internă pentru program (memorie nevolatilă) MAC – modul de multiplicare şi adunare AR0-7- registre auxiliare (registre generale) ARP – indicator către registru auxiliar DP – indicator de domeniu PC – numărător de instrucţiuni (Program Counter)

Familii de procesoare de semnal:

procesoare pe 16 biţi în virgulă fixă:TMS320C10, TMS320C20 şi TMS320C50

procesoare pe 32 de biţi în virgulă flotantă:TMS320C30 şi TMS320C40

arhitectură multiprocesor orientată cătreaplicaţii multimedia: TMS320C80

procesoare pe 16 biţi în virgulă fixă:TMS320C10, TMS320C20 şi TMS320C50

procesoare pe 32 de biţi în virgulă flotantă:TMS320C30 şi TMS320C40

arhitectură multiprocesor orientată cătreaplicaţii multimedia: TMS320C80

Aplicatii ale procesoarelor de semnal in domeniul industrial:

acţionări electrice şi controlul motoarelor instrumente de măsură şi analiză

spectrometre analizoare de vibratii aparate de masura complexe

Telecomunicatii centrale telefonice filtrare, codare/decodare on-line telefonie mobila modemuri

Divertisment instrumente muzicale, jucării electronice sintetizatoare de sunet, efecte speciale

Aplicatii grafice acceleratoare grafice 3D, prelucrarea primară şi recunoaşterea imaginilor,

in domeniul industrial: acţionări electrice şi controlul motoarelor instrumente de măsură şi analiză

spectrometre analizoare de vibratii aparate de masura complexe

Telecomunicatii centrale telefonice filtrare, codare/decodare on-line telefonie mobila modemuri

Divertisment instrumente muzicale, jucării electronice sintetizatoare de sunet, efecte speciale

Aplicatii grafice acceleratoare grafice 3D, prelucrarea primară şi recunoaşterea imaginilor,

Calculatoare de proces sisteme de calcul cu caracteristici adecvate mediului industrial:

dimensiuni si forme specifice fiabilitate ridicata, toleranta la defecte rezistente la socuri mecanice, vibratii tolerante la variatii de temperatura, umiditate tolerant la personal necalificat tolerant la influente electromagnetice Touch-screen, butoane functionale

sisteme de calcul cu caracteristici adecvate mediului industrial: dimensiuni si forme specifice fiabilitate ridicata, toleranta la defecte rezistente la socuri mecanice, vibratii tolerante la variatii de temperatura, umiditate tolerant la personal necalificat tolerant la influente electromagnetice Touch-screen, butoane functionale

Caracteristici – calculatoare de proces structură compactă, modularizată, de dimensiuni minime robusteţe şi fiabilitate ridicată obţinute prin componente mecanice solide,

conectori rezistenţi la vibraţii, praf şi coroziune, componente electronice testateîn condiţii de mediu extreme

interfaţă utilizator adaptată funcţiei pe care o îndeplineşte şi care rezistă înmediile industriale (taste funcţionale, tastatură protejată la praf şi umiditate,touch-screen, afişaj LCD, dispozitive de navigare fără componente mecanice,ecran protector rezistent la şocuri, etc.)

memorii externe pe suport semiconductor (EEPROM, FLASH, CMOS) înlocul celor magnetice şi optice care au anduranţă mică în prezenţa prafuluiindustrial şi a vibraţiilor

prezenţa unor interfeţe pentru adaptarea semnalelor digitale şi analogiceprovenite de la procesul controlat; în multe cazuri se impune izolarea galvanicăa acestor semnale de partea de calculator propriu-zis

se înlocuieşte structura “placă de bază şi plăci de extensie” tipică pentrucalculatoarele de birou, cu o structură alcătuită dintr-un set de conectori (“fundde sertar”) şi plăci funcţionale, inclusiv placă procesor; o astfel de structurăpermite înlocuirea şi reactualizarea (up-grade-ul) diferitelor componente, chiar şia plăcii de procesor

structură compactă, modularizată, de dimensiuni minime robusteţe şi fiabilitate ridicată obţinute prin componente mecanice solide,

conectori rezistenţi la vibraţii, praf şi coroziune, componente electronice testateîn condiţii de mediu extreme

interfaţă utilizator adaptată funcţiei pe care o îndeplineşte şi care rezistă înmediile industriale (taste funcţionale, tastatură protejată la praf şi umiditate,touch-screen, afişaj LCD, dispozitive de navigare fără componente mecanice,ecran protector rezistent la şocuri, etc.)

memorii externe pe suport semiconductor (EEPROM, FLASH, CMOS) înlocul celor magnetice şi optice care au anduranţă mică în prezenţa prafuluiindustrial şi a vibraţiilor

prezenţa unor interfeţe pentru adaptarea semnalelor digitale şi analogiceprovenite de la procesul controlat; în multe cazuri se impune izolarea galvanicăa acestor semnale de partea de calculator propriu-zis

se înlocuieşte structura “placă de bază şi plăci de extensie” tipică pentrucalculatoarele de birou, cu o structură alcătuită dintr-un set de conectori (“fundde sertar”) şi plăci funcţionale, inclusiv placă procesor; o astfel de structurăpermite înlocuirea şi reactualizarea (up-grade-ul) diferitelor componente, chiar şia plăcii de procesor

Alte sisteme de calcul industriale

sisteme modulare PC/104

PLC (Programable LogicController)– Programatoare logiceprogramabile

regulatoare PID sisteme modulare PC/104

PLC (Programable LogicController)– Programatoare logiceprogramabile

PLC

control secvential logica binara – inlocuitor pentru schemele de

interconditionare cu relee programare (standard IEC 61131 ):

Ladder diagram (LD), graphical Function block diagram (FBD), graphical Structured text (ST), textual – limbaj de nivel inalt Instruction list (IL), textual – tip asamblare Sequential function chart (SFC ) – programare

concurenta

control secvential logica binara – inlocuitor pentru schemele de

interconditionare cu relee programare (standard IEC 61131 ):

Ladder diagram (LD), graphical Function block diagram (FBD), graphical Structured text (ST), textual – limbaj de nivel inalt Instruction list (IL), textual – tip asamblare Sequential function chart (SFC ) – programare

concurenta

Lader Diagram (LD) Function Block Diagram (FBD)

S = X AND ( Y OR Z )----[ ]---------|--[ ]--|------( )

X | Y | S| ||--[ ]--|

Z

--+----[ ]--+----[\]----( )| start | stop run| |+----[ ]-- +

run-------[ ]--------------( )

run motor

Amp.

FTJ

FTS

S = X AND ( Y OR Z )----[ ]---------|--[ ]--|------( )

X | Y | S| ||--[ ]--|

Z

--+----[ ]--+----[\]----( )| start | stop run| |+----[ ]-- +

run-------[ ]--------------( )

run motor

Logica Start/Stop

FTS

Sisteme de stocare a datelor (memorii)

Obiective: stocarea programului de aplicatie stocarea datelor de proces:

parametri de proces starea procesului

Limitari si restrictii: dimensiuni reduse:

pentru program 1k-64k pentru date: 128-512 octeti

se evita folosirea memoriilor externe pe suportmagnetic sau optic (cele care au componete mecanicein miscare)

se evita utilizarea memoriilor cache sau a memoriilorvirtuale deoarece introduc nedeterminism

Obiective: stocarea programului de aplicatie stocarea datelor de proces:

parametri de proces starea procesului

Limitari si restrictii: dimensiuni reduse:

pentru program 1k-64k pentru date: 128-512 octeti

se evita folosirea memoriilor externe pe suportmagnetic sau optic (cele care au componete mecanicein miscare)

se evita utilizarea memoriilor cache sau a memoriilorvirtuale deoarece introduc nedeterminism

Memorii – limitari si restrictii (cont.)

utilizarea memoriilor nevolatile – pentru evitarea pierderii datelor si aprogramelor PROM, EPROM – pentru program EEPROM, Flash – pentru date nevolatile (scrieri repetate) memorii CMOS cu baterie - pastrarea datelor la tensiuni mici (1,5V)

si consum infim utilizarea memoriilor RAM statice pt. simplitate si pt. viteza circuite specializate pentru detectarea caderii de tensiune si

comutarea memoriei in regim de stocare (ex: MAX 6340, MAX 6381 ) pentru microcontroloare, extensii de memorie pe canal serial (I2C)

memorii seriale memorii externe pe suport semiconductor (ex. memory stick)

utilizarea memoriilor nevolatile – pentru evitarea pierderii datelor si aprogramelor PROM, EPROM – pentru program EEPROM, Flash – pentru date nevolatile (scrieri repetate) memorii CMOS cu baterie - pastrarea datelor la tensiuni mici (1,5V)

si consum infim utilizarea memoriilor RAM statice pt. simplitate si pt. viteza circuite specializate pentru detectarea caderii de tensiune si

comutarea memoriei in regim de stocare (ex: MAX 6340, MAX 6381 ) pentru microcontroloare, extensii de memorie pe canal serial (I2C)

memorii seriale memorii externe pe suport semiconductor (ex. memory stick)

Retele induatriale decomunicatii

1

Curs Informatica industriala

Cuprins

Evolutia mijloacelor de comunicatie utilizate insistemele de control

Principii de functionare a retelelor industriale decomunicatii – caracteristici de performanta

Clasificarea retelelor industriale de comunicatii Protocoale si standarde de retea Modele de comunicatie Modelul unui sistem distribuit de control bazat pe

retele industriale

2

Evolutia mijloacelor de comunicatie utilizate insistemele de control

Principii de functionare a retelelor industriale decomunicatii – caracteristici de performanta

Clasificarea retelelor industriale de comunicatii Protocoale si standarde de retea Modele de comunicatie Modelul unui sistem distribuit de control bazat pe

retele industriale

Controlul proceselor prin calculator

Operator

Nivel superior decontrol

ComenziDate de intrare

Vizualizare şiconfigurare

Coordonare şiconfigurareSistem de control

3Schema de principiu a unui sistem de control

Condiţii de mediu

ComenziDate de intrare

Perturbaţii

Energie şi produseEnergie şi mat. prime

Proces controlat

Mijloace de comunicaţie însistemele de control ce a fost si ce se vrea

4

Mijloace de comunicaţie însistemele de control

5

Mijloace de comunicaţie însistemele de control

6

Transmisia informatiilor (semnalelor)in sisteme de control Mijloace de comunicatie:

- mecanice- Hidraulice si pneumatice- Electrice (curent, tensiune ,...)- Semnale (analogice) unificate – semnale

standardizate- tensiune (0-10V, -5 - +5V)- curent (4-20 mA)

- Semnale digitale – semnale de stare, impulsuri,etc.

- Magistrale si retele de comunicatie

7

Mijloace de comunicatie:- mecanice- Hidraulice si pneumatice- Electrice (curent, tensiune ,...)- Semnale (analogice) unificate – semnale

standardizate- tensiune (0-10V, -5 - +5V)- curent (4-20 mA)

- Semnale digitale – semnale de stare, impulsuri,etc.

- Magistrale si retele de comunicatie

Modele de comunicatie- Din punct de vedere fizic:

- Conexiuni unu-la-unu (pear-to-pear)

- Legaturi si interfetededicate

- Ierarhizate- Organizate pe nivele de

control- Sisteme de tip magistrala

- Mai multe conexiuni pe acelasimediu de comunicatie

8

- Din punct de vedere fizic:- Conexiuni unu-la-unu (pear-

to-pear)- Legaturi si interfete

dedicate- Ierarhizate

- Organizate pe nivele decontrol

- Sisteme de tip magistrala- Mai multe conexiuni pe acelasi

mediu de comunicatie

Modele de comunicaţie

Din punct de vedere logic: modelul consumator/producător modelul master/slave modelul bazat pe timp (time-driven) modelul interogării circulare (pooling)

9

Din punct de vedere logic: modelul consumator/producător modelul master/slave modelul bazat pe timp (time-driven) modelul interogării circulare (pooling)

Ce se transmite ?

Informatii de stare (inchis/deschis,pornit/oprit, validat/invalidat, etc..) informatii binare/logice

Valori de marimi fizice de proces Informatie analogica

Informatii de configurare si reglare Informatie mixta

10

Informatii de stare (inchis/deschis,pornit/oprit, validat/invalidat, etc..) informatii binare/logice

Valori de marimi fizice de proces Informatie analogica

Informatii de configurare si reglare Informatie mixta

Cum trebuie sa se transmitainformatiile ?- Sigur

- Fara pierdere de informatie- Fara erori- Fara interventia persoanelor neautorizate

- Exact- In concordanta cu marimile de proces masurate- Fara zgomote

- La timp- intarzieri:

- Datorita masurarii- Datorita transmisiei

11

- Sigur- Fara pierdere de informatie- Fara erori- Fara interventia persoanelor neautorizate

- Exact- In concordanta cu marimile de proces masurate- Fara zgomote

- La timp- intarzieri:

- Datorita masurarii- Datorita transmisiei

Comunicatia in retea- Un mediu, mai multe conexiuni- Transmiterea de date complexe in directii multiple- Infrastructura de comunicatie mai ieftina- Transmisie sigura/fiabila:

- Prin folosirea tehnicilor digitale de codare si transmisie- Mijloace specifice de protectie a datelor (metode de

detectie si corectie a erorilor incluse in protocolul decomunicatie)

- Mediu de comunicatie scalabil si reconfigurabil Standardizare si interoperabilitate

12

- Un mediu, mai multe conexiuni- Transmiterea de date complexe in directii multiple- Infrastructura de comunicatie mai ieftina- Transmisie sigura/fiabila:

- Prin folosirea tehnicilor digitale de codare si transmisie- Mijloace specifice de protectie a datelor (metode de

detectie si corectie a erorilor incluse in protocolul decomunicatie)

- Mediu de comunicatie scalabil si reconfigurabil Standardizare si interoperabilitate

Retele de comunicatie in industrie

- Un proces lent de asimilare, implementare- Comunicatia in retea este (strict) necesara intr-un

sistem modern de control:- Cablare si instalare mai ieftina- Mai multe servicii implementate pe acelasi mediu- Se pot conecta foarte multe dispozitive de automatizare- Modificare, reconfigure si dezvoltare simpla- Tratarea uniforma a diferitelor dispozitive de automatizare

(adresare, numire, configurare, etc.)- Tehnici mai bune de detectie a erorilor si de asigurare a

tolerantei la defecte

13

- Un proces lent de asimilare, implementare- Comunicatia in retea este (strict) necesara intr-un

sistem modern de control:- Cablare si instalare mai ieftina- Mai multe servicii implementate pe acelasi mediu- Se pot conecta foarte multe dispozitive de automatizare- Modificare, reconfigure si dezvoltare simpla- Tratarea uniforma a diferitelor dispozitive de automatizare

(adresare, numire, configurare, etc.)- Tehnici mai bune de detectie a erorilor si de asigurare a

tolerantei la defecte

Cerinte specifice de comunicatie:

Timp determinat/predefinit pentru transmisia mesajelor –comunicatie de timp-real

- Nivel predefinit de siguranta/fiabilitate:- Nivelul de fiabilitate trebuie demonstrat- Toleranta la defecte, detectia, mascarea si corectia erorilor

- Caracter determinist, predictiv al transmisiei- Transmiterea unor structuri specifice de date- Achizitia si transmisia periodica a datelor- Mai multe nivele de prioritati!!! Retelele de calculatoare nu au fost proiectate pentru astfel

de cerinte !!!

14

Timp determinat/predefinit pentru transmisia mesajelor –comunicatie de timp-real

- Nivel predefinit de siguranta/fiabilitate:- Nivelul de fiabilitate trebuie demonstrat- Toleranta la defecte, detectia, mascarea si corectia erorilor

- Caracter determinist, predictiv al transmisiei- Transmiterea unor structuri specifice de date- Achizitia si transmisia periodica a datelor- Mai multe nivele de prioritati!!! Retelele de calculatoare nu au fost proiectate pentru astfel

de cerinte !!!

Cerinte specifice de comunicatie insistemele de control

Determinism&Predictibilitate

Fiabilitate&Toleranţă la

defecte

Garanţii detimp-real

Fluxuri dedate specifice

15Protocol de comunicaţie

Determinism&Predictibilitate

Viteză dereacţie

Interoperabilitatesi scalabilitate

Simplitate

Solutii:

- Retele dedicate de comunicatie => reteleindustriale

- Adaptarea retelelor de calculatoare pentrumediu industrial

16

- Retele dedicate de comunicatie => reteleindustriale

- Adaptarea retelelor de calculatoare pentrumediu industrial

Retele industriale de comunicatie (def) – sisteme de comunicatie dezvoltate cu scopul

satisfacerii cerintelor de comunicatie din mediulinduatrial (?)

- Evolutia retelelor industriale:- Prima realizare - MAP – General Motors – pentru

modernizarea liniilor de asamblare- 1990-1996 – marele „bum” – dezvoltarea unui numar

foarte mare de protocoale industriale de comunicatie- 1996- 2000 – proces de unificare si standardizare

- Cercetari teoretice – analiza caracteristicilorcritice (timp, siguranta) prin metode analitice siexperimentale

- 2000-2006 – utilizarea tehnologiilor Internet pentruurmarire si control (inclusiv Ethernet)

17

(def) – sisteme de comunicatie dezvoltate cu scopulsatisfacerii cerintelor de comunicatie din mediulinduatrial (?)

- Evolutia retelelor industriale:- Prima realizare - MAP – General Motors – pentru

modernizarea liniilor de asamblare- 1990-1996 – marele „bum” – dezvoltarea unui numar

foarte mare de protocoale industriale de comunicatie- 1996- 2000 – proces de unificare si standardizare

- Cercetari teoretice – analiza caracteristicilorcritice (timp, siguranta) prin metode analitice siexperimentale

- 2000-2006 – utilizarea tehnologiilor Internet pentruurmarire si control (inclusiv Ethernet)

Situatia actuala

- Probleme:- (Prea) Multe protocoale si standarde- Probleme de incompatibilitate- Probleme de integrabilitate, interoperabilitate

- Tendinte pozitive:- Promovarea protocolului Ethernet (industrial) ca mediu

comun de comunicatie pentru partea de control-processi partea de gestiune economica

- Tehnici wireless de comunicatie pentru mediu indistrial- Controlul calitatii serviciilor in Internet (QoS) – mijloc

de garantare a cerintelor specifice din sistemele decontrol

18

- Probleme:- (Prea) Multe protocoale si standarde- Probleme de incompatibilitate- Probleme de integrabilitate, interoperabilitate

- Tendinte pozitive:- Promovarea protocolului Ethernet (industrial) ca mediu

comun de comunicatie pentru partea de control-processi partea de gestiune economica

- Tehnici wireless de comunicatie pentru mediu indistrial- Controlul calitatii serviciilor in Internet (QoS) – mijloc

de garantare a cerintelor specifice din sistemele decontrol

Modele de comunicatie

ISO-OSI TCP/IP RIC(Internet) Utilizator

Aplicatie Aplicatie AplicatieSesiunePrezentareTransport Transport(TCP)

Retea Retea (IP) ReteaLegatura de date Nivele inferioare Legatura de dateFizic Fizic

19

ISO-OSI TCP/IP RIC(Internet) Utilizator

Aplicatie Aplicatie AplicatieSesiunePrezentareTransport Transport(TCP)

Retea Retea (IP) ReteaLegatura de date Nivele inferioare Legatura de dateFizic Fizic

Clasificarea retelelor industriale decomunicatie:

- 3 clase mai importante:- Retele pentru senzori si elemente de actionare (Instrumentation

bus, Actuator/Sensor network)- Retele/magistrale de teren (fieldbuses)- Retele celulare (cell networks)

- Prin ce difera: numărul de noduri conectate în reţea dimensiunea şi distribuţia geografică a reţelei timpul de reacţie maxim impus al reţelei complexitatea dispozitivelor conectate în reţea (gradul de inteligenţă,

resurse disponibile) costurile de instalare şi întreţinere admise (un procent din costurile întregii

instalaţii) fiabilitatea impusă şi gradul de toleranţă la defecte cerinţe speciale (medii explozive, zgomote electromagnetice intense, variaţii

mari ale parametrilor de mediu, etc.)20

- 3 clase mai importante:- Retele pentru senzori si elemente de actionare (Instrumentation

bus, Actuator/Sensor network)- Retele/magistrale de teren (fieldbuses)- Retele celulare (cell networks)

- Prin ce difera: numărul de noduri conectate în reţea dimensiunea şi distribuţia geografică a reţelei timpul de reacţie maxim impus al reţelei complexitatea dispozitivelor conectate în reţea (gradul de inteligenţă,

resurse disponibile) costurile de instalare şi întreţinere admise (un procent din costurile întregii

instalaţii) fiabilitatea impusă şi gradul de toleranţă la defecte cerinţe speciale (medii explozive, zgomote electromagnetice intense, variaţii

mari ale parametrilor de mediu, etc.)

Retele industriale de comunicatii

21

Caracteristici

Dim. mesaj Timp de reactie

1-10 koct. 10-20 100ms-1s Retele celulare

Magistrale de teren

22

10-256 oct. 10-100 10-100 ms Magistrale de teren

biti 100-1000 1-10ms Retele pentrusenzori si elem. de act.

Numar denoduri

Retele pentru senzori si elemente deactionare

Utilizate pentru controlul la nivelul procesului de fabricatie:- Bucle de reglaj- Control secvential (PLC)

Interconectarea unor elemente simple de automatizare (senzori,actuatori) cu elemente de complexitate medie (PLC,regulataore, etc.)

caracteristici:- Viteza (foarte) mare; timp de reactie scazut( 1-10 ms)- Mesaje foarte scurte (8-16 biti); antet scurt/mesaj (overhead)- Metode deterministe de acces la mediul de comunicatie- Modele de comunicatie: master-slave, pooling- Protocol simplu la nodurile slave, complex la nodul master- Nivel ridicat de fiabilitate si siguranta

23

Utilizate pentru controlul la nivelul procesului de fabricatie:- Bucle de reglaj- Control secvential (PLC)

Interconectarea unor elemente simple de automatizare (senzori,actuatori) cu elemente de complexitate medie (PLC,regulataore, etc.)

caracteristici:- Viteza (foarte) mare; timp de reactie scazut( 1-10 ms)- Mesaje foarte scurte (8-16 biti); antet scurt/mesaj (overhead)- Metode deterministe de acces la mediul de comunicatie- Modele de comunicatie: master-slave, pooling- Protocol simplu la nodurile slave, complex la nodul master- Nivel ridicat de fiabilitate si siguranta

Exemple (implementari practice):

CAN – Contol Area Network- Dezvoltat pentru industria automobilistica – masini de curse,

camioane, autovehicole- Retea de tip magistrala seriala, dimensiuni mici (50m, 200m)- Protocol de acces la mediu de transmisie CSMA/BA,- Fiecare tip de mesaj are un nivel propriu de prioritate- se poate evalua analitic timpul maxim de intarziere a

mesajelor- Interbus-S

- Arhitectura de tip inel,- Controlal de la un nod central

- ASi - Actuator Sensor Interface- Retea de tip magistrala- Acces prin metoda master-slave- Mesaje foarte scurte (4 biti utili)- Reconfigurarea automata in caz de defect

24

CAN – Contol Area Network- Dezvoltat pentru industria automobilistica – masini de curse,

camioane, autovehicole- Retea de tip magistrala seriala, dimensiuni mici (50m, 200m)- Protocol de acces la mediu de transmisie CSMA/BA,- Fiecare tip de mesaj are un nivel propriu de prioritate- se poate evalua analitic timpul maxim de intarziere a

mesajelor- Interbus-S

- Arhitectura de tip inel,- Controlal de la un nod central

- ASi - Actuator Sensor Interface- Retea de tip magistrala- Acces prin metoda master-slave- Mesaje foarte scurte (4 biti utili)- Reconfigurarea automata in caz de defect

Retele de teren (fieldbus)

- Utilizate pentru controlul unor procese decomplexitate medie

- Protocol relativ complex care implica prezenta uneianumite “inteligente” la nivelul fiecarui nod de retea(calculatoare de proces, PLCuri, regulatoare, etc.)

- caracteristici:- Timp de raspuns mediu, predefinit (10-100ms)- Mesaje scurte si medii (100-250 octeti)- Protocol complex care asigura mecanisme bune de

detectie si mascare a erorilor- Mecanisme de acces la retea de tip multimaster

25

- Utilizate pentru controlul unor procese decomplexitate medie

- Protocol relativ complex care implica prezenta uneianumite “inteligente” la nivelul fiecarui nod de retea(calculatoare de proces, PLCuri, regulatoare, etc.)

- caracteristici:- Timp de raspuns mediu, predefinit (10-100ms)- Mesaje scurte si medii (100-250 octeti)- Protocol complex care asigura mecanisme bune de

detectie si mascare a erorilor- Mecanisme de acces la retea de tip multimaster

Exemple:

- Profibus- Protocol „nemtesc” (Siemens principalul promotor)- Magistrala de tip token-passing – inel logic intre

nodurile master- Mai multe variante: FMS, DP, PA- Folosit in multe tipuri de aplicatii

- WorldFIP- Protocol „francez”- Retea de tip inel, control centralizat- Mesajele periodice sunt transmise cu prioritate- Pentru garantarea timpului de transmisie se foloseste

un planificator de mesaje

26

- Profibus- Protocol „nemtesc” (Siemens principalul promotor)- Magistrala de tip token-passing – inel logic intre

nodurile master- Mai multe variante: FMS, DP, PA- Folosit in multe tipuri de aplicatii

- WorldFIP- Protocol „francez”- Retea de tip inel, control centralizat- Mesajele periodice sunt transmise cu prioritate- Pentru garantarea timpului de transmisie se foloseste

un planificator de mesaje

Exemple:

- P-Net- Protocol „danez”- Mecanism de acces la retea - TDMA – Time Division

Multiple Access- Token virtual- Foarte stabil, cu bune caracteristici de transmisie

- DeviceNet, CANOpen- Retele de teren dezvoltate pe infrastructura CAN- Mecanisme foarte bune de acces la dispozitive si parametri

de proces (acces simbolic)- Fieldbus Foundation (FF)

- Protocol american- Retea de tip magistrala

27

- P-Net- Protocol „danez”- Mecanism de acces la retea - TDMA – Time Division

Multiple Access- Token virtual- Foarte stabil, cu bune caracteristici de transmisie

- DeviceNet, CANOpen- Retele de teren dezvoltate pe infrastructura CAN- Mecanisme foarte bune de acces la dispozitive si parametri

de proces (acces simbolic)- Fieldbus Foundation (FF)

- Protocol american- Retea de tip magistrala

Retele celulare

- Retele pentru interconecatrea celulelor flexibile defabricatie

- Seamana cu retelele locale de calculatoare- Caracteristici:

- Timp garantat de transmisie- Comportament determinist- Mesajele au structura complexa (similar cu Ethernet)- Nodurile retelei sunt calculatoare de proces

Exemple: MAP – Manufacturing Automation Protocol

(GM) TOP - (Boeing)

28

- Retele pentru interconecatrea celulelor flexibile defabricatie

- Seamana cu retelele locale de calculatoare- Caracteristici:

- Timp garantat de transmisie- Comportament determinist- Mesajele au structura complexa (similar cu Ethernet)- Nodurile retelei sunt calculatoare de proces

Exemple: MAP – Manufacturing Automation Protocol

(GM) TOP - (Boeing)

Protocolul Ethernet in controlulindustrial

De ce Ethernet in industrie: Cel mai raspindit protocol pentru retele locale de

calculatoare Interfete foarte ieftine Compatibilitate cu sistemul informatic al unei intreprinderi

Probleme: Nu este un protocol determinist (CSMA) Nu se poate garanta timpul de transmisie Nu se poate garanta transmisia sigura a unui mesaj

Solutii: Transmisia la frecvente de 100HHz/1GHz evita aparitia

coliziunilor Determinismul se asigura prin suprapunerea unui mecanism

determinist de acces la mediul de transmisie pesteprotocolul clasic Ethernet (ex: Modbus peste Ethernet, accesmaster-slave, etc.)

29

De ce Ethernet in industrie: Cel mai raspindit protocol pentru retele locale de

calculatoare Interfete foarte ieftine Compatibilitate cu sistemul informatic al unei intreprinderi

Probleme: Nu este un protocol determinist (CSMA) Nu se poate garanta timpul de transmisie Nu se poate garanta transmisia sigura a unui mesaj

Solutii: Transmisia la frecvente de 100HHz/1GHz evita aparitia

coliziunilor Determinismul se asigura prin suprapunerea unui mecanism

determinist de acces la mediul de transmisie pesteprotocolul clasic Ethernet (ex: Modbus peste Ethernet, accesmaster-slave, etc.)

Sisteme distribuite bazate pe servicii

Scopul: Reducerea complexitati sistemelor distribuite de

control Metoda propusa (in cadrul proiectului NetControl):

Dezvoltarea unui set de servicii de nivel intermediar(middleware) care sa satisfaca necesitatile decomunicatie si sincronizare ale unui sistem de control

Serviciul de comunicatie – mai mult decat un mijloc decomunicatie

Un serviciu este implementat prin mai multe serveredistribuite

30

Scopul: Reducerea complexitati sistemelor distribuite de

control Metoda propusa (in cadrul proiectului NetControl):

Dezvoltarea unui set de servicii de nivel intermediar(middleware) care sa satisfaca necesitatile decomunicatie si sincronizare ale unui sistem de control

Serviciul de comunicatie – mai mult decat un mijloc decomunicatie

Un serviciu este implementat prin mai multe serveredistribuite

Concluzii

Proiectarea Sistemelor distribuite de controlmoderne implica utilizarea unor modele,tehnici si instrumente adecvate decomunicatie, adatpate cerintelor specificedin mediul industrial

31

Proiectarea Sistemelor distribuite de controlmoderne implica utilizarea unor modele,tehnici si instrumente adecvate decomunicatie, adatpate cerintelor specificedin mediul industrial

Concluzii:

Trebuie acordata o mai mare atentie mijloacelor de comunicatieutilizate in sistemele de control

Retelele industriale de comunicatii sunt o componenta necesaraintr-un sistem modern de control

Sunt necesare metode si tehnici speciale de garantare acaracteristicilor critice de comunicatie (ex: timp de transmisie,timp de reactie, fiabilitate, toleranta la defecte, etc.)

Este necesara unificarea standardelor de comunicatie pentru aasigura interoperabilitatea unei game largi de echipamente decontrol

Utilizarea tehnologiilor WEB in controlul industrial – o provocareinteresanta

32

Trebuie acordata o mai mare atentie mijloacelor de comunicatieutilizate in sistemele de control

Retelele industriale de comunicatii sunt o componenta necesaraintr-un sistem modern de control

Sunt necesare metode si tehnici speciale de garantare acaracteristicilor critice de comunicatie (ex: timp de transmisie,timp de reactie, fiabilitate, toleranta la defecte, etc.)

Este necesara unificarea standardelor de comunicatie pentru aasigura interoperabilitatea unei game largi de echipamente decontrol

Utilizarea tehnologiilor WEB in controlul industrial – o provocareinteresanta

Anexa:Realizari in domeniul retelelor industriale

Proiectarea si implementarea unei interfete Masterpentru o retea ASi (hard-soft)

Instrument de modelare si simulare acomportamentului retelelor industriale prin RetelePetri Temporale

Model de sistem distribuit de control bazat pe servicii Planificarea comunicatiei in sistemele distribuite de

control Utilizarea retelelor industriale pentru asigurarea

trasabilitatii in industria alimentara (faza incipienta)

33

Proiectarea si implementarea unei interfete Masterpentru o retea ASi (hard-soft)

Instrument de modelare si simulare acomportamentului retelelor industriale prin RetelePetri Temporale

Model de sistem distribuit de control bazat pe servicii Planificarea comunicatiei in sistemele distribuite de

control Utilizarea retelelor industriale pentru asigurarea

trasabilitatii in industria alimentara (faza incipienta)

Proiectarea unei interfete pentru o retea detip ASi Caracteristicile retelei ASi :

Retea pentru senzori si elemente de executie Restrictii de timp foarte stricte (10-20 μs) Mecanisme complexe de identificare si configurare

automata a nodurilor de retea Mai multe servicii de comunicatie se desfasoara in

paralel Achizitie si transmisie periodaica de date Identificarea si configurarea automata a nodurilor

de retea Detectie si corectia erorilor

34

Caracteristicile retelei ASi : Retea pentru senzori si elemente de executie Restrictii de timp foarte stricte (10-20 μs) Mecanisme complexe de identificare si configurare

automata a nodurilor de retea Mai multe servicii de comunicatie se desfasoara in

paralel Achizitie si transmisie periodaica de date Identificarea si configurarea automata a nodurilor

de retea Detectie si corectia erorilor

Modelul arhitectural al interfetei

Nivelul 3Interfata utilizator

Interfata utilizatorFunctii de acces

Memorie partajata

Bucla principala

Calculator gazda

Aplicatia de control

35

Nivelul 2Controlulaccesului laretea

Procesarecomenzi

Controlor deacces

Bucla principala

Rutine de intrerupere

Rutina de timp

Transmisie/receptie

Nivelul 1Transmisie mesaj

Driver de comunicatieCircuit de adaptare

Reteaua industriala

Controlor decomunicatie

Controlorul deretea

Implementarea interfetei ASi

Aspecte de implementare: Tehnici speciale de executie a programului, pentru

garantarea cerintelor de timp-real Executie paralela (sistem multiprocesor: 2

microcontroloare si un procesor ) Executie foreground-background Prioritati dinamice Programare in limbaj de asamblare

Interfata s-a realizat pentru Univ. din Munchen Experimentele au demonstrat respectarea restrictiilor de

timp

36

Aspecte de implementare: Tehnici speciale de executie a programului, pentru

garantarea cerintelor de timp-real Executie paralela (sistem multiprocesor: 2

microcontroloare si un procesor ) Executie foreground-background Prioritati dinamice Programare in limbaj de asamblare

Interfata s-a realizat pentru Univ. din Munchen Experimentele au demonstrat respectarea restrictiilor de

timp


Retele senzoriale fara fir

Retele senzoriale Scopul: achizitia de informatii dintr-o anumita arie geografica cu

ajutorul unor senzori inteligenti, ieftini si de consum redus domenii de interes:

masurarea parametrilor de mediu (presiune, umiditate,temperatura), in aer, apa si sol

monitorizarea unor ecosisteme (paduri, ape, vegetatie) monitorizarea cladirilor, incinetlor, halelor industriale aplicatii militare de recunostere, detectia si urmarirea tintelor monitorizarea traficului terestru, aerian si naval monitorizarea pacientilor

2 aspecte esentiale: ce se masoara – tipuri de senzori cum se transmite informatia – tipuri de retele cu si fara fir

Scopul: achizitia de informatii dintr-o anumita arie geografica cuajutorul unor senzori inteligenti, ieftini si de consum redus

domenii de interes: masurarea parametrilor de mediu (presiune, umiditate,

temperatura), in aer, apa si sol monitorizarea unor ecosisteme (paduri, ape, vegetatie) monitorizarea cladirilor, incinetlor, halelor industriale aplicatii militare de recunostere, detectia si urmarirea tintelor monitorizarea traficului terestru, aerian si naval monitorizarea pacientilor

2 aspecte esentiale: ce se masoara – tipuri de senzori cum se transmite informatia – tipuri de retele cu si fara fir

Atribute ale retelelor senzoriale legate de senzor:

tipul marimii masurate, precizie mod de masura: activ, pasiv (ex: frecventa de masurare) aranjare: fixa (prestabilita), ad-hoc (se autoorganizeaza) amplasare dinamica: fixa, mobila mediu de operare: cooperant, advers (ex. teritoriu inamic)

legat de comunicare comunicatie in retea: cu si fara fir control: centralizat sau distribuit latime de banda: mare, mica, mai multe canale de

comunicatie legat de consumul de energie:

constrangeri de consum: cu si fara constrangeri

legate de senzor: tipul marimii masurate, precizie mod de masura: activ, pasiv (ex: frecventa de masurare) aranjare: fixa (prestabilita), ad-hoc (se autoorganizeaza) amplasare dinamica: fixa, mobila mediu de operare: cooperant, advers (ex. teritoriu inamic)

legat de comunicare comunicatie in retea: cu si fara fir control: centralizat sau distribuit latime de banda: mare, mica, mai multe canale de

comunicatie legat de consumul de energie:

constrangeri de consum: cu si fara constrangeri

Evolutia retelelor senzoriale primele realizari (in timpul razboiului rece, anii ’60, ‘70):

SOSUS – sistem acustic de urmarire a submarinelor AWACS – sistem radar de urmarire aeriana

retele senzoriale distribuite (anii ’80) DARPA – sistemul DSN – distributed sensor network folosea minicalculatoare din clasa PDP 11 s-au dezvoltat algoritmi de urmarirea tintelor (ex: elicoptere, pe

baza acustica, vehicole, etc.) retele ad-hoc

functii de auto-organizare si configurare routare dinamica functionare intr-un mediu dinamic consum redus de putere exemple militare:

SensIT, - Sensor Information technology TASS – Tactical Automated Security System

realizari actuale: solutii comerciale: Ember Crossbow, sensoria, TinyOS, Smart

Dust solutii pentru aplicatii de zi cu zi (non-militare) standarde wireless:

802.11, 802.15 (PAN – personal area network) ZigBee

MEMS

primele realizari (in timpul razboiului rece, anii ’60, ‘70): SOSUS – sistem acustic de urmarire a submarinelor AWACS – sistem radar de urmarire aeriana

retele senzoriale distribuite (anii ’80) DARPA – sistemul DSN – distributed sensor network folosea minicalculatoare din clasa PDP 11 s-au dezvoltat algoritmi de urmarirea tintelor (ex: elicoptere, pe

baza acustica, vehicole, etc.) retele ad-hoc

functii de auto-organizare si configurare routare dinamica functionare intr-un mediu dinamic consum redus de putere exemple militare:

SensIT, - Sensor Information technology TASS – Tactical Automated Security System

realizari actuale: solutii comerciale: Ember Crossbow, sensoria, TinyOS, Smart

Dust solutii pentru aplicatii de zi cu zi (non-militare) standarde wireless:

802.11, 802.15 (PAN – personal area network) ZigBee

MEMS

Smart Dust

Retele senzoriale in controlulindustrial avantaje:

nu necesita retea fizica de comunicatie (cablu) nu necesita retea de alimentare instalare rapida, si flexibila mentenanta usoara posibilitatea detectarii unor anomalii in zone greu accesibile

pentru om – detectarea unor posibile defecte, vibratii toleranta la defecte cost redus

dezavantaje: interferenta cu alte transmisii fara fir; se folosesc benzi de

frecventa publice influentat de zgomote electromagnetice

avantaje: nu necesita retea fizica de comunicatie (cablu) nu necesita retea de alimentare instalare rapida, si flexibila mentenanta usoara posibilitatea detectarii unor anomalii in zone greu accesibile

pentru om – detectarea unor posibile defecte, vibratii toleranta la defecte cost redus

dezavantaje: interferenta cu alte transmisii fara fir; se folosesc benzi de

frecventa publice influentat de zgomote electromagnetice

Probleme specifice Descoperirea retelei ad-hoc

identificarea in timp-real a nodurilor si stabilirea unor trasee deroutare

testarea si reconfigurarea periodica a retelei nodurile trebuie sa stabileasca conexiuni cu nodurile invecinate

Controlul retelei si routarea resurse limitate la nivelul unui nod:

energie putere de calcul latime de banda

se cauta un optim intre puterea de transmisie radio, distantaacoperita si redondanta retelei

algoritmul de routare este adaptat unei anumite cerinte deoptimalitate (ex: energie minima consumata, acoperire maxima,toleranta la defecte, timp minim de transmisie, sau de refacerea retelei in caz de defect)

Descoperirea retelei ad-hoc identificarea in timp-real a nodurilor si stabilirea unor trasee de

routare testarea si reconfigurarea periodica a retelei nodurile trebuie sa stabileasca conexiuni cu nodurile invecinate

Controlul retelei si routarea resurse limitate la nivelul unui nod:

energie putere de calcul latime de banda

se cauta un optim intre puterea de transmisie radio, distantaacoperita si redondanta retelei

algoritmul de routare este adaptat unei anumite cerinte deoptimalitate (ex: energie minima consumata, acoperire maxima,toleranta la defecte, timp minim de transmisie, sau de refacerea retelei in caz de defect)

Probleme specifice Procesarea colaborativa a semnalelor si a informatiilor

culegerea unui set relevant de informatii de teren fuziunea informatiilor generate de diversi senzori proceduri de filtrare, mediere a semnalelor aplicatii colaborative de urmarire (tracking) (ex: tinte, autovehicole,

avioane) asocierea de informatii la anumote obiecte in miscare

Accesul la date distribuite tehnici de interogare si de achizitie a datelor:

achizitii periodice achizitii la cerere

accesul transparent la parametri de proces indiferent de adresa fizica anodurilor

Securitatea comunicatiei lucreaza in mediu ostil zgomote diverse, retea nesigura

Procesarea colaborativa a semnalelor si a informatiilor culegerea unui set relevant de informatii de teren fuziunea informatiilor generate de diversi senzori proceduri de filtrare, mediere a semnalelor aplicatii colaborative de urmarire (tracking) (ex: tinte, autovehicole,

avioane) asocierea de informatii la anumote obiecte in miscare

Accesul la date distribuite tehnici de interogare si de achizitie a datelor:

achizitii periodice achizitii la cerere

accesul transparent la parametri de proces indiferent de adresa fizica anodurilor

Securitatea comunicatiei lucreaza in mediu ostil zgomote diverse, retea nesigura

Rezultate recente

Difuzie directionata Urmarire distribuita(tracking) Clasificare distribuita

Routarea in retelele senzoriale caracteristici specifice ale retelelor senzoriale (care

afecteaza politica de routare) numarul mare de senzori nu permite utilizarea unei scheme statice de

adresare utilizarea adresei Ip pentru routare nu este fezabila

nodurile sunt amplasate aleatoriu (fara o regula anume) este nevoie de tehnici de auto-organizare a retelelor formate ad-hoc

conteaza mai mult datele achizitionate si mai putin originea (adresa) lor de cele mai multe ori achizitia de date se face printr-un “punct de

acces” sau statie de baza aceasta statie face legatura dintre reteaua senzoriala si un calculator

sau o alta retea clasica (LAN, WAN) schimbul de informatii utile intre noduri este de mai mica importanta

sau chiar lipseste nu se stabilesc rute intre noduri ci intre statia de baza si noduri

exista restrictii severe privind: consumul de energie (si implicit puterea si frecventa de transmisie) capacitatea de stocare a nodurilor capacitatea de procesare a nodurilor (o stiva de protocoale mai

complexa ar fi greu de implementat)

caracteristici specifice ale retelelor senzoriale (careafecteaza politica de routare) numarul mare de senzori nu permite utilizarea unei scheme statice de

adresare utilizarea adresei Ip pentru routare nu este fezabila

nodurile sunt amplasate aleatoriu (fara o regula anume) este nevoie de tehnici de auto-organizare a retelelor formate ad-hoc

conteaza mai mult datele achizitionate si mai putin originea (adresa) lor de cele mai multe ori achizitia de date se face printr-un “punct de

acces” sau statie de baza aceasta statie face legatura dintre reteaua senzoriala si un calculator

sau o alta retea clasica (LAN, WAN) schimbul de informatii utile intre noduri este de mai mica importanta

sau chiar lipseste nu se stabilesc rute intre noduri ci intre statia de baza si noduri

exista restrictii severe privind: consumul de energie (si implicit puterea si frecventa de transmisie) capacitatea de stocare a nodurilor capacitatea de procesare a nodurilor (o stiva de protocoale mai

complexa ar fi greu de implementat)

Routarea in retelele senzoriale caracteristici specifice ale retelelor senzoriale (care

afecteaza politica de routare) in cele mai multe cazuri nodurile sunt fixe ca pozitie

diferit de alte retele fara fir precum telefonia celulara retelele sunt destinate pentru o anumita aplicatie

nu au un caracter general locatia nodurilor este importanta pentru a stabili de unde

provine o anumita informatie nu conteaza adresa (ID-ul) nodului dar conteaza pozitia se poate stabili:

prin configurare initiala cu ajutorul unui receptor GPS prin triangulare, masurand puterea semnalului receptionat de la

vecini datele culese au o anumita redondanta (exploatabila la routare)

utila in reducerea energiei consumate si pentru asigurareatolerantei la defecte

nodurile isi pot inceta activitatea in mod subit de exemplu datorita terminarii bateriei

caracteristici specifice ale retelelor senzoriale (careafecteaza politica de routare) in cele mai multe cazuri nodurile sunt fixe ca pozitie

diferit de alte retele fara fir precum telefonia celulara retelele sunt destinate pentru o anumita aplicatie

nu au un caracter general locatia nodurilor este importanta pentru a stabili de unde

provine o anumita informatie nu conteaza adresa (ID-ul) nodului dar conteaza pozitia se poate stabili:

prin configurare initiala cu ajutorul unui receptor GPS prin triangulare, masurand puterea semnalului receptionat de la

vecini datele culese au o anumita redondanta (exploatabila la routare)

utila in reducerea energiei consumate si pentru asigurareatolerantei la defecte

nodurile isi pot inceta activitatea in mod subit de exemplu datorita terminarii bateriei

Routarea in retelele senzoriale Politici de routare:

dupa modele clasice de routare folosite in alte retele avand ca scop agregarea datelor care urmaresc procesarea si clasificarea in retea (ex: urmarirea unei

tinte, calculul unui gradient de temperatura) metode centrate pe date

in functie de structura retelei: plat – toate nodurile au acelasi rol ierarhic – nodurile superioare realizeaza agregarea datelor bazat pe pozitia fizica- directionarea mesajelor catre o locatie fizica

in functie de modul de operare cu mai multe cai bazat de interogari bazat pe negociere bazat pe QoS bazat de coerenta

in functie de tactica adoptata pentru gasirea caii: proactiv – caile se determina inainte de efectuarea transmisiilor de date reactiv – caile se determina doar la nevoie hibrid – combinatie a primelor doua

Politici de routare: dupa modele clasice de routare folosite in alte retele avand ca scop agregarea datelor care urmaresc procesarea si clasificarea in retea (ex: urmarirea unei

tinte, calculul unui gradient de temperatura) metode centrate pe date

in functie de structura retelei: plat – toate nodurile au acelasi rol ierarhic – nodurile superioare realizeaza agregarea datelor bazat pe pozitia fizica- directionarea mesajelor catre o locatie fizica

in functie de modul de operare cu mai multe cai bazat de interogari bazat pe negociere bazat pe QoS bazat de coerenta

in functie de tactica adoptata pentru gasirea caii: proactiv – caile se determina inainte de efectuarea transmisiilor de date reactiv – caile se determina doar la nevoie hibrid – combinatie a primelor doua

Protocoale bazate pe structura retelei

Routare plata toate nodurile au acelasi rol transmisie multi-hop interogarea se face in functie de locatia/regiunea de interes exemple:

Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) este o imbunatatire a tehnicii flooding informatiile sunt transmise la toate nodurile, ca si cum toate ar fi

stabii de baza; rezulta acces rapid la date se dau nume simbolice pentru date (meta-date) si se negociaza

transmisia neredondanta a datelor se tine cont de nivelul de energie disponibil pentru fiecare nod 3 tipuri de mesaje: ADV (advertise a data), REQ (cerere data),

DATA (data propriu-zisa): secventa de operatii: publicarea unei noi date (ADV), cererea

datei de un nod invecinat (daca este interesat) (REQ),trimiterea datei la nodul solicitant (DATA)

se evita transmisia datelor care nu intereseaza/redondante

Routare plata toate nodurile au acelasi rol transmisie multi-hop interogarea se face in functie de locatia/regiunea de interes exemple:

Sensor Protocols for Information via Negotiation (SPIN) este o imbunatatire a tehnicii flooding informatiile sunt transmise la toate nodurile, ca si cum toate ar fi

stabii de baza; rezulta acces rapid la date se dau nume simbolice pentru date (meta-date) si se negociaza

transmisia neredondanta a datelor se tine cont de nivelul de energie disponibil pentru fiecare nod 3 tipuri de mesaje: ADV (advertise a data), REQ (cerere data),

DATA (data propriu-zisa): secventa de operatii: publicarea unei noi date (ADV), cererea

datei de un nod invecinat (daca este interesat) (REQ),trimiterea datei la nodul solicitant (DATA)

se evita transmisia datelor care nu intereseaza/redondante


Routare plata (cont.) Directed Diffusion:

este data-centric si application-aware statia de baza transmite (difuzeaza) in retea un anumit “interes”; se stabilesc

niste “gradienti” care marcheaza nodul invecinat de unde a venit interesul interesul se exprima printr-o interogare; vor fi transmise doar datele care

satisfac conditia din interes

Routare plata (cont.) Directed Diffusion:

este data-centric si application-aware statia de baza transmite (difuzeaza) in retea un anumit “interes”; se stabilesc

niste “gradienti” care marcheaza nodul invecinat de unde a venit interesul interesul se exprima printr-o interogare; vor fi transmise doar datele care

satisfac conditia din interes

datele sunt agregate peparcurs (pe calea detransmisie)


Routare plata (cont.) Rumor routing:

varianta de Direct diffusion interogarile se transmit numai nodurilor care au

detectat un anumit tip de eveniment; interogarea nu setrimite prin flooding ca si in cazul anterior; nodurilecare detecteaza un eveniment formeaza un mesaj detip agent, care este transmis in retea; nodurile isinoteaza evenimentele si nodurile care le-au detectat;la interogare se contacteaza numai nodurile care auindicat evenimentul in cauza

lucreaza bine pentru un numar mic de evenimente

Routare plata (cont.) Rumor routing:

varianta de Direct diffusion interogarile se transmit numai nodurilor care au

detectat un anumit tip de eveniment; interogarea nu setrimite prin flooding ca si in cazul anterior; nodurilecare detecteaza un eveniment formeaza un mesaj detip agent, care este transmis in retea; nodurile isinoteaza evenimentele si nodurile care le-au detectat;la interogare se contacteaza numai nodurile care auindicat evenimentul in cauza

lucreaza bine pentru un numar mic de evenimente


Routare plata (cont.) Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA)

fiecare nod isi noteaza numarul minim de hopuri pana la statia debaza

un nou mesaj se trimite prin broadcast la toti vecinii la receptie se verifica daca nodul se afla pe calea minima; daca da

atunci transmite mai departe, daca nu atunci renunta Gradient-Based Routing

varianta a Direct diffusion; la transmiterea interesului se noteazanumarul de hopuri; “

“inaltimea nodului” – numarul minim de hopuri pana la statia de baza; diferenta dintre inaltimile a doua noduri invecinate va da gradientul

conexiunii/legaturii dintre ele informatia se va transmite pe legatura cu gradientul cel mai mare se mai folosesc tehnici suplimentare de agregare a datelor si de

balansare a traficului (in cazul unor cai multiple)

Routare plata (cont.) Minimum Cost Forwarding Algorithm (MCFA)

fiecare nod isi noteaza numarul minim de hopuri pana la statia debaza

un nou mesaj se trimite prin broadcast la toti vecinii la receptie se verifica daca nodul se afla pe calea minima; daca da

atunci transmite mai departe, daca nu atunci renunta Gradient-Based Routing

varianta a Direct diffusion; la transmiterea interesului se noteazanumarul de hopuri; “

“inaltimea nodului” – numarul minim de hopuri pana la statia de baza; diferenta dintre inaltimile a doua noduri invecinate va da gradientul

conexiunii/legaturii dintre ele informatia se va transmite pe legatura cu gradientul cel mai mare se mai folosesc tehnici suplimentare de agregare a datelor si de

balansare a traficului (in cazul unor cai multiple)


Routare plata (cont.) COUGAR

considera reteaua ca fiind o baza de date asupra careia seformuleaza interogari

promoveaza procesarea datelor in retea se construireste un nivel intermediar intre nivelul aplicatie si

nivelul retea, care solutioneaza interogarea statia de baza genereaza un plan si un flux de date care

asigura solutionarea interogarii Energy Aware Routing

o varianta de Direct diffusion, in care se mentin mai multecanale posibile si se aleg probabilistic astfel incat sa sementina cat mai mult reteaua in viata; se tine cont de nivelulde energie pe fiecare nod

reduce consumul cu 21,5% si creste durata de viata aretelei cu 44%

Routare plata (cont.) COUGAR

considera reteaua ca fiind o baza de date asupra careia seformuleaza interogari

promoveaza procesarea datelor in retea se construireste un nivel intermediar intre nivelul aplicatie si

nivelul retea, care solutioneaza interogarea statia de baza genereaza un plan si un flux de date care

asigura solutionarea interogarii Energy Aware Routing

o varianta de Direct diffusion, in care se mentin mai multecanale posibile si se aleg probabilistic astfel incat sa sementina cat mai mult reteaua in viata; se tine cont de nivelulde energie pe fiecare nod

reduce consumul cu 21,5% si creste durata de viata aretelei cu 44%


Routare ierarhica – routare bazata pe clustere util din punct de vedere al:

scalabilitatii, eficientei energetice, duratei de viata mai mare

principiu: noduri cu energie mai mare (capete de cluster) preiau

traficul de la noduri cu energie mai mica routarea vizeaza 2 probleme:

alegerea capetelor de cluster routarea mesajelor

Routare ierarhica – routare bazata pe clustere util din punct de vedere al:

scalabilitatii, eficientei energetice, duratei de viata mai mare

principiu: noduri cu energie mai mare (capete de cluster) preiau

traficul de la noduri cu energie mai mica routarea vizeaza 2 probleme:

alegerea capetelor de cluster routarea mesajelor


routarea ierarhica: protocolul LEACH – Low energy Adaptive Clustering Hierarchy

se aleg aleatoriu capete de cluster si apoi rolul este distribuit prin rotatiecelorlalte noduri, pentru a asigura consum uniform pe toate nodurile

nodul capat are rol de compactare si agregare a datelor culese din cluster pentru evitarea coliziunilor in interiorul si exteriorul clusterului se foloseste

protocolul MAC de tip TDMA/CDMA aproximativ 5% din noduri trebuie sa fie desemnate catete de cluster se preteaza pentru achizitia periodica a datelor de la senzori 2 faze de lucru:

faza de configurare (setup) – se stabilesc clusterele si nodurile capat aferente faza de functionare stabila – cand se transmit datele achizitionate

stabilirea clusterelor si a capetelor: aleatoriu se desemneaza un numar de capete, la care adera celelalte noduri

pe baza puterii semnalului radio transmis/receptionat; capatul stabileste oordine de tip TDMA pentru interogarea fiecarui nod din cluster

mesajele agregate din cluster sunt transmise de capete la statia de bazafolosind cate un alt cod din CDMA

dupa un anumit timp se aleg alte noduri capat

routarea ierarhica: protocolul LEACH – Low energy Adaptive Clustering Hierarchy

se aleg aleatoriu capete de cluster si apoi rolul este distribuit prin rotatiecelorlalte noduri, pentru a asigura consum uniform pe toate nodurile

nodul capat are rol de compactare si agregare a datelor culese din cluster pentru evitarea coliziunilor in interiorul si exteriorul clusterului se foloseste

protocolul MAC de tip TDMA/CDMA aproximativ 5% din noduri trebuie sa fie desemnate catete de cluster se preteaza pentru achizitia periodica a datelor de la senzori 2 faze de lucru:

faza de configurare (setup) – se stabilesc clusterele si nodurile capat aferente faza de functionare stabila – cand se transmit datele achizitionate

stabilirea clusterelor si a capetelor: aleatoriu se desemneaza un numar de capete, la care adera celelalte noduri

pe baza puterii semnalului radio transmis/receptionat; capatul stabileste oordine de tip TDMA pentru interogarea fiecarui nod din cluster

mesajele agregate din cluster sunt transmise de capete la statia de bazafolosind cate un alt cod din CDMA

dupa un anumit timp se aleg alte noduri capat


routarea ierarhica: protocolul PEGASIS - Power-Effcient Gathering in Sensor

Information Systems varianta optimizata a protocolului LEACH ideea de baza: dialogul se face doar cu nodurile invecinate,

transmiterea datelor la statia de baza se face alternativ de fiecarenod, pentru a echilibra consumul de energie

obiectivul: extinderea duratei de viata a retelei si reducerea latimiide banda necesare (prin dialog doar intre vecini)

nu se formeaza clustere un nod isi regleaza puterea de transmisie astfel incat sa dialogeze

doar cu cel mai apropiat vecin; se formeaza un lant pana la statiade baza

PEGASIS creste de 2 ori durata de viata a unei retele incomparatie cu LEACH

routarea ierarhica: protocolul PEGASIS - Power-Effcient Gathering in Sensor

Information Systems varianta optimizata a protocolului LEACH ideea de baza: dialogul se face doar cu nodurile invecinate,

transmiterea datelor la statia de baza se face alternativ de fiecarenod, pentru a echilibra consumul de energie

obiectivul: extinderea duratei de viata a retelei si reducerea latimiide banda necesare (prin dialog doar intre vecini)

nu se formeaza clustere un nod isi regleaza puterea de transmisie astfel incat sa dialogeze

doar cu cel mai apropiat vecin; se formeaza un lant pana la statiade baza

PEGASIS creste de 2 ori durata de viata a unei retele incomparatie cu LEACH

Protocoale bazate pe locatie nodurile sunt adresate in functie de locatie distanta dintre vecini se poate estima pe baza puterii semnalului

emis/receptionat coordonatele unui nod:

relative fata de vecini absolute, pe baza unui sistem de pozitionare (ex: GPS)

Protocolul GAF - Geographic Adaptive Fidelity protocol bazat pe locatia nodurilor si pe cunoasterea energiei folosit si in retele ad-hoc functionare:

reteaua se divide in zone nodurile colaboreaza in interiorul zonelor si isi schiba rolurile pentru reducerea consumului de energie nodurile dintr-o zona sunt

puse in starea “sleep” mai putin un nod care este activ; nodul se alege prin consens; nodul activ este responsabil pentru transmiterea datelor din zona sa

nodurile sunt adresate in functie de locatie distanta dintre vecini se poate estima pe baza puterii semnalului

emis/receptionat coordonatele unui nod:

relative fata de vecini absolute, pe baza unui sistem de pozitionare (ex: GPS)

Protocolul GAF - Geographic Adaptive Fidelity protocol bazat pe locatia nodurilor si pe cunoasterea energiei folosit si in retele ad-hoc functionare:

reteaua se divide in zone nodurile colaboreaza in interiorul zonelor si isi schiba rolurile pentru reducerea consumului de energie nodurile dintr-o zona sunt

puse in starea “sleep” mai putin un nod care este activ; nodul se alege prin consens; nodul activ este responsabil pentru transmiterea datelor din zona sa

Protocoale bazate pe locatie

Protocolul GEAR - Geographic and Energy Aware Routing utilizarea informatiei geografice in transmiterea unor

interogari ce au atribute de localitate ideea: reducerea numarului de interese din “directed

diffusion” prin directionarea catre zona de interes fiecare nod tine evidenta costului transmiterii unui mesaj prin

vecini costul se compune din distanta pana la destinatie si energia

reziduala exista un “cost invatat” care se stabileste pas cu pas in urma

transmiterii de pachete la destinatie

Protocolul GEAR - Geographic and Energy Aware Routing utilizarea informatiei geografice in transmiterea unor

interogari ce au atribute de localitate ideea: reducerea numarului de interese din “directed

diffusion” prin directionarea catre zona de interes fiecare nod tine evidenta costului transmiterii unui mesaj prin

vecini costul se compune din distanta pana la destinatie si energia

reziduala exista un “cost invatat” care se stabileste pas cu pas in urma

transmiterii de pachete la destinatie

Protocoale bazate pe locatie

protocolul SPAN se selecteaza noduri coordonator pe baza de locatie nodurile coordonator formeaza un “Backbone” pentru

transmisia informatiilor culese un nod devine coordonator daca:

doua noduri vecine nu se pot vedea direct, prin 1 sau 2coordonatori

protocolul SPAN se selecteaza noduri coordonator pe baza de locatie nodurile coordonator formeaza un “Backbone” pentru

transmisia informatiilor culese un nod devine coordonator daca:

doua noduri vecine nu se pot vedea direct, prin 1 sau 2coordonatori


Sisteme de timp real

Consideratii generale sistemele de control sunt in majoritatea cazurilor si sisteme de

timp-real sisteme de timp-real = sisteme la care timpul este un parametru

important sisteme de timp-real = sisteme care au restrictii de timp (ex.

periodicitatea executiei, timp limita de executie, intarzierimaxime admisibile, etc.)

respectarea restrictiilor de timp – prin tehnici de planificare ataskurilor/firelor de executie planificarea in sistemele uniprocesor – solutionata din punct

de vedere teoretic – solutii optime de planificare planificarea in sistemele multiprocesor (ex. sist. distribuite) –

o problema deschisa in sistemele distribuite:

planificarea taskurilor planificarea comunicatiei

sistemele de control sunt in majoritatea cazurilor si sisteme detimp-real

sisteme de timp-real = sisteme la care timpul este un parametruimportant

sisteme de timp-real = sisteme care au restrictii de timp (ex.periodicitatea executiei, timp limita de executie, intarzierimaxime admisibile, etc.)

respectarea restrictiilor de timp – prin tehnici de planificare ataskurilor/firelor de executie planificarea in sistemele uniprocesor – solutionata din punct

de vedere teoretic – solutii optime de planificare planificarea in sistemele multiprocesor (ex. sist. distribuite) –

o problema deschisa in sistemele distribuite:

planificarea taskurilor planificarea comunicatiei

Planificarea in sistemele de timp-real sistemele de calcul uzuale

sisteme de tip “best-effort”, nu garanteaza timpul de generare a unui rezultat corect metodele de demonstrare a corectitudinii programului nu au in vedere

timpul tehnicile uzuale de crestere a performantelor (cache, pipelining,

multicore, memorie virtuala) cresc gradul de nedeterminism in ceea cepriveste timpul

sistemele de control – sisteme la care timpul conteaza nu este suficient sa se obtina un timp de raspuns cat mai bun ci sunt

necesare GARANTII de timp nu conteaza timpul mediu de executie ci timpul maxim de executie

in cazul cel mai defavorabil: WCET – worst case execution time WCET poate fi cu un ordin de marime mai mare decat timpul mediu de

executie sistemele de operare de tip Windows nu ofera garantii de timp si nici

mecanisme de planificare procesoarele Intel actuale au un comportament total inprevizibil din

punct de vedere al timpului (o instructiune se poate executa sub 1nssau in mai mult de 10ms => 1:10.000.000)

sistemele de calcul uzuale sisteme de tip “best-effort”, nu garanteaza timpul de generare a unui rezultat corect metodele de demonstrare a corectitudinii programului nu au in vedere

timpul tehnicile uzuale de crestere a performantelor (cache, pipelining,

multicore, memorie virtuala) cresc gradul de nedeterminism in ceea cepriveste timpul

sistemele de control – sisteme la care timpul conteaza nu este suficient sa se obtina un timp de raspuns cat mai bun ci sunt

necesare GARANTII de timp nu conteaza timpul mediu de executie ci timpul maxim de executie

in cazul cel mai defavorabil: WCET – worst case execution time WCET poate fi cu un ordin de marime mai mare decat timpul mediu de

executie sistemele de operare de tip Windows nu ofera garantii de timp si nici

mecanisme de planificare procesoarele Intel actuale au un comportament total inprevizibil din

punct de vedere al timpului (o instructiune se poate executa sub 1nssau in mai mult de 10ms => 1:10.000.000)

Concepte de baza Definirea sistemelor de timp-real

Def.1 Un sistem de timp-real este un sistem a cărui funcţionarecorectă este direct influenţată de timp, sau mai exact desatisfacerea condiţiilor şi a restricţiilor de timp.

Def. 2 Un sistem de timp-real este un sistem care trebuie săproducă un răspuns într-un timp limitat; depăşirea acestui timpduce la degradarea calităţii serviciului sau la rezultate catastrofale.

In functie de caracterul critic/necritic al restrictiilor de timp: Sistem de timp-real de tip soft - nerespectarea restricţiilor de

timp produce pagube a căror valoare este comparabilă cuvaloarea serviciului furnizat

Sistem de timp-real de tip hard - nerespectarea restricţiilor detimp produce pagube cu cel puţin un ordin de mărime mai maredecât valoarea serviciului furnizat

Sisteme de timp-real mixt – combina caracteristicile primelordoua sisteme

Definirea sistemelor de timp-real Def.1 Un sistem de timp-real este un sistem a cărui funcţionare

corectă este direct influenţată de timp, sau mai exact desatisfacerea condiţiilor şi a restricţiilor de timp.

Def. 2 Un sistem de timp-real este un sistem care trebuie săproducă un răspuns într-un timp limitat; depăşirea acestui timpduce la degradarea calităţii serviciului sau la rezultate catastrofale.

In functie de caracterul critic/necritic al restrictiilor de timp: Sistem de timp-real de tip soft - nerespectarea restricţiilor de

timp produce pagube a căror valoare este comparabilă cuvaloarea serviciului furnizat

Sistem de timp-real de tip hard - nerespectarea restricţiilor detimp produce pagube cu cel puţin un ordin de mărime mai maredecât valoarea serviciului furnizat

Sisteme de timp-real mixt – combina caracteristicile primelordoua sisteme

Tipuri de sisteme de timp-real

Cost Cost Cost

t t t

a b c

Graficul funcţiei de cost pentru:-un sistem de timp-real hard (a),-un sistem de timp-real soft (b)-un sistem de timp-real mixt (c)

Concepte Planificator de timp-real este o unitate de program care controlează

lansarea în execuţie, întreruperea temporară şi încheierea unor module-program pe baza unui algoritm prestabilit cu scopul de a satisfacerestricţiile de timp impuse planificare “off-line” sau statica – planul (de executie) se realizeaza

inainte de lansarea aplicatiei planificare sigura, dar rigida, nu ia in considerare evenimentele

(scenariile) neprevazute se foloseste in cazul unor sisteme a caror functionare este a-priori

cunoscuta planificarea taskurilor se face pe baza de timp – “time driven system”

planificare”on-line” sau dinamica – planul se genereaza in timpulexecutie programului

mai putin sigura dar mai flexibila, se poate adapta unor situatiineprevazute

se foloseste pentru sisteme a caror comportament se schimba in timp saunu este pe deplin cunoscut

planificarea se face in functie de evenimentele aparute - “event drivensystem”

Plan fezabil – un plan generat pentru un set dat de taskuri care asigurarespectarea restrictiilor de timp

Planificator de timp-real este o unitate de program care controleazălansarea în execuţie, întreruperea temporară şi încheierea unor module-program pe baza unui algoritm prestabilit cu scopul de a satisfacerestricţiile de timp impuse planificare “off-line” sau statica – planul (de executie) se realizeaza

inainte de lansarea aplicatiei planificare sigura, dar rigida, nu ia in considerare evenimentele

(scenariile) neprevazute se foloseste in cazul unor sisteme a caror functionare este a-priori

cunoscuta planificarea taskurilor se face pe baza de timp – “time driven system”

planificare”on-line” sau dinamica – planul se genereaza in timpulexecutie programului

mai putin sigura dar mai flexibila, se poate adapta unor situatiineprevazute

se foloseste pentru sisteme a caror comportament se schimba in timp saunu este pe deplin cunoscut

planificarea se face in functie de evenimentele aparute - “event drivensystem”

Plan fezabil – un plan generat pentru un set dat de taskuri care asigurarespectarea restrictiilor de timp

Concepte

Plan fezabil – un plan generat pentru un set dat detaskuri care asigura respectarea restrictiilor de timp

Algoritm de planificare optim - generează un planfezabil pentru un set oarecare de module-program,ori de câte ori un astfel de plan există exemple:

planificator static optim: Rate-Monotonic (RM) planificator dinamic optim: Earliest Deadline First

(EDF)

Plan fezabil – un plan generat pentru un set dat detaskuri care asigura respectarea restrictiilor de timp

Algoritm de planificare optim - generează un planfezabil pentru un set oarecare de module-program,ori de câte ori un astfel de plan există exemple:

planificator static optim: Rate-Monotonic (RM) planificator dinamic optim: Earliest Deadline First

(EDF)

Caracteristicile de timp ale taskurilor

Taskuri periodice executia lor se repeta in timp cu o perioada de repetitie cunoscuta caracteristici de timp:

T – perioada de repetiţie D – timpul limită maxim (deadline) - timpul până la care execuţia

taskului trebuie să se încheie ta – timp de apariţie – determină momentul în care taskul este disponibil

pentru execuţie C – timp de execuţie / calcul – durata maximă a taskului r – timp de răspuns – timpul în care execuţia taskului se încheie

Taskuri periodice executia lor se repeta in timp cu o perioada de repetitie cunoscuta caracteristici de timp:

T – perioada de repetiţie D – timpul limită maxim (deadline) - timpul până la care execuţia

taskului trebuie să se încheie ta – timp de apariţie – determină momentul în care taskul este disponibil

pentru execuţie C – timp de execuţie / calcul – durata maximă a taskului r – timp de răspuns – timpul în care execuţia taskului se încheie

T

D

ta

Cr

t

Caracteristicile de timp ale taskurilor

Taskurile aperiodice aparitia lor este aleatorie caracteristici de timp:

T – perioada minimă de repetiţie (opţional) D – timpul limită maxim (deadline) - timpul până la care

execuţia taskului trebuie să se încheie ta – timp de apariţie – determină momentul în care taskul este

disponibil pentru execuţie C – timp de execuţie/calcul – durata maximă a taskului r – timp de răspuns – timpul în care execuţia taskului se încheie

Taskurile aperiodice aparitia lor este aleatorie caracteristici de timp:

T – perioada minimă de repetiţie (opţional) D – timpul limită maxim (deadline) - timpul până la care

execuţia taskului trebuie să se încheie ta – timp de apariţie – determină momentul în care taskul este

disponibil pentru execuţie C – timp de execuţie/calcul – durata maximă a taskului r – timp de răspuns – timpul în care execuţia taskului se încheie

T

Dta0

Cr

t

Modele de planificaremetode de simplificare a problemei de planificare

problema planificarii in cazul unor sisteme reale, fara restrictiisimplificatoare este (extrem de ) dificila (complexitate non-polinomiala)

sunt necesare restrictii sau prezumtii simplificatoare: timp discret – deciziile de planificare se iau numai la momente discrete

de timp; se foloseste o cuanta minima de timp (cmmdc) taskuri preemptibile/non-preemtibile – taskurile pot fi sau nu intrerupte

de alte taskuri mai prioritare (unii algoritmi sunt optimali numai dacataskurile sunt total preemptibile)

timp neglijabil sau cunoscut pentru executia planificarii timp neglijabil pentru comutarile de context reducerea parametrilor de timp ai taskurilor- ex: D=Tp convertirea taskurilor aperiodice in taskuri periodice – creste gradul de

determinism neglijarea altor restrictii in afara celor de timp (ex: restrictii de ordonare,

lock-uri, zone critice)

problema planificarii in cazul unor sisteme reale, fara restrictiisimplificatoare este (extrem de ) dificila (complexitate non-polinomiala)

sunt necesare restrictii sau prezumtii simplificatoare: timp discret – deciziile de planificare se iau numai la momente discrete

de timp; se foloseste o cuanta minima de timp (cmmdc) taskuri preemptibile/non-preemtibile – taskurile pot fi sau nu intrerupte

de alte taskuri mai prioritare (unii algoritmi sunt optimali numai dacataskurile sunt total preemptibile)

timp neglijabil sau cunoscut pentru executia planificarii timp neglijabil pentru comutarile de context reducerea parametrilor de timp ai taskurilor- ex: D=Tp convertirea taskurilor aperiodice in taskuri periodice – creste gradul de

determinism neglijarea altor restrictii in afara celor de timp (ex: restrictii de ordonare,

lock-uri, zone critice)

Clasificarea algoritmilor de planificare

după momentul planificării: planificare statică, off-line –

planificarea se realizează înainte deexecuţia efectivă a aplicaţiei

planificare dinamică, off-line –planificarea se realizează în timpulexecuţiei aplicaţiei

după natura restricţiilor de timp restricţii hard restricţii soft restricţii mixte

după numărul de procesoare: planificare uniprocesor planificare multiprocesor planificare distribuită

după preemptibilitatea taskurilor planificare non-preemtivă planificare preemptivă cu preemptibilitate limitată (nu

permite întreruperi în zona critică) după euristica folosită

fără priorităţi cu priorităţi

după modul de atribuire apriorităţilor

după importanţa taskurilor pe baza constrângerilor de timp

după restricţiile utilizate numai restricţii de timp restricţii de timp şi de ordonare restricţii de timp şi de sincronizare

după momentul planificării: planificare statică, off-line –

planificarea se realizează înainte deexecuţia efectivă a aplicaţiei

planificare dinamică, off-line –planificarea se realizează în timpulexecuţiei aplicaţiei

după natura restricţiilor de timp restricţii hard restricţii soft restricţii mixte

după numărul de procesoare: planificare uniprocesor planificare multiprocesor planificare distribuită

după preemptibilitatea taskurilor planificare non-preemtivă planificare preemptivă cu preemptibilitate limitată (nu

permite întreruperi în zona critică) după euristica folosită

fără priorităţi cu priorităţi

după modul de atribuire apriorităţilor

după importanţa taskurilor pe baza constrângerilor de timp

după restricţiile utilizate numai restricţii de timp restricţii de timp şi de ordonare restricţii de timp şi de sincronizare

Strategii de planificareStrategii deplanificare

Sisteme uniprocesor Sistememultiprocesor

Sisteme multiprocesor

Alocare globală şiplanificare locală

Euristici de căutare înarbore

Calcul probabilistic Alg. bazaţi pe cozi deaştepatre

Strategii de planificareSisteme uniprocesor

Fără priorităţi Cu priorităţi

Nonpreemptive Preemptive PreemptiveNonpreemptive

FCFS R R TD Priorităţi pe bază deimportanţă

Priorităţi pe bază detimp

Priorităţistatice

Priorităţidinamice

Priorităţistatice

Priorităţidinamice

Algoritmieuristici

Calculimperfect SIF RM EDF HRRF

SLF

Alg. cu rezervare Serversporadic

Prioritatelimitată

Planificarea în sistemele uniprocesor

Planificarea fără priorităţi FCFS – First Come First Served – primul sosit primul

servit – presupune organizarea unei cozi de aşteptarepentru taskurile ce urmează a fi executate; taskurilevor fi executate în ordinea sosirii, fără să se permităîntreruperea taskului în execuţie.

RR – Round Robin – fiecărui task aflat în aşteptare ise alocă câte o felie de timp, într-o ordine circulară

TD – Time Division - cu divizarea timpului – fiecăruitask aflat în aşteptare i se alocă unul sau mai multeunităţi de timp; alocarea se face de obicei off-line.

Planificarea fără priorităţi FCFS – First Come First Served – primul sosit primul

servit – presupune organizarea unei cozi de aşteptarepentru taskurile ce urmează a fi executate; taskurilevor fi executate în ordinea sosirii, fără să se permităîntreruperea taskului în execuţie.

RR – Round Robin – fiecărui task aflat în aşteptare ise alocă câte o felie de timp, într-o ordine circulară

TD – Time Division - cu divizarea timpului – fiecăruitask aflat în aşteptare i se alocă unul sau mai multeunităţi de timp; alocarea se face de obicei off-line.

Planificarea în sistemele uniprocesor Planificare pe bază de priorităţi

Priorităţi pe bază de importanţă: se alocă priorităţi staticetaskurilor, funcţie de importanţa (caracterul critic) al acestora;alocarea este subiectivă, pe baza experienţei proiectantului; nu seoferă garanţii de timp

algoritmi euristici: se specifică o anumită regulă de alocare apriorităţilor care ţine cont de importanţa taskurilor (ex.: algoritmibazaţi pe cost)

calcul imprecis: algoritmi bazaţi pe căutare (inteligenţă artificială) care pot să

genereze în orice moment un rezultat parţial; rezultatul este cu atâtmai bun (precis) cu cât timpul avut la dispoziţie este mai mare; timpulalocat pentru căutare se determină pe baza distanţei până la timpullimită (deadline)

există algoritmi de prelucrare (ex.: prelucrări de imagini) care pot săgenereze în orice moment un rezultat a cărui calitate depinde detimpul utilizat; se calculează o funcţie cost în care se includemăsura calităţii rezultatului şi costurile datorită creşterii timpului derăspuns; se caută un optim (un minim de cost)

Planificare pe bază de priorităţi Priorităţi pe bază de importanţă: se alocă priorităţi statice

taskurilor, funcţie de importanţa (caracterul critic) al acestora;alocarea este subiectivă, pe baza experienţei proiectantului; nu seoferă garanţii de timp

algoritmi euristici: se specifică o anumită regulă de alocare apriorităţilor care ţine cont de importanţa taskurilor (ex.: algoritmibazaţi pe cost)

calcul imprecis: algoritmi bazaţi pe căutare (inteligenţă artificială) care pot să

genereze în orice moment un rezultat parţial; rezultatul este cu atâtmai bun (precis) cu cât timpul avut la dispoziţie este mai mare; timpulalocat pentru căutare se determină pe baza distanţei până la timpullimită (deadline)

există algoritmi de prelucrare (ex.: prelucrări de imagini) care pot săgenereze în orice moment un rezultat a cărui calitate depinde detimpul utilizat; se calculează o funcţie cost în care se includemăsura calităţii rezultatului şi costurile datorită creşterii timpului derăspuns; se caută un optim (un minim de cost)

Planificarea în sistemele uniprocesor Planificare pe bază de priorităţi (cont.)

Priorităţi pe bază de caracteristici de timp: prioritatea taskului este dată de cerinţelede răspuns în timp-real

Algoritmi statici: alocarea priorităţilor este fixă, nu se modifică pe timpul execuţieiaplicaţiei

Algoritmul „Shortest Job First” (SJF) - Se alocă prioritate mai mare taskurilor mai scurte,pentru a asigura un timp de reacţie proporţional cu complexitatea taskului; poate duce la"înfometarea" taskurilor lungi

Algoritmul „Rate Monotonic” (RM) cel mai celebru algoritm de planificare. Se foloseşte pentru planificarea taskurilor periodice; priorităţile se alocă în raport cu perioada de repetiţie a taskurilor: taskul cu

perioada cea mai mică are prioritatea maximă; este un algoritm preemptiv, adică un task mai puţin prioritar poate fi întrerupt în

orice moment de un task mai prioritar; se consideră un algoritm optimal deoarece pentru un set de taskuri găseşte o

planificare fezabilă dacă aceasta există; s-a determinat limita superioară de utilizare a procesorului pentru care algoritmul

găseşte un plan indiferent de caracteristicile de timp ale taskurilor

Umax = n*(2(1/n) -1)unde:n = numărul de taskuri din set

Umax – gradul maxim de utilizare a procesoruluiVariante RM: Priority ceiling , Sporadic Server/ Defered Server, Algoritm cu rezervare

Planificare pe bază de priorităţi (cont.) Priorităţi pe bază de caracteristici de timp: prioritatea taskului este dată de cerinţele

de răspuns în timp-real Algoritmi statici: alocarea priorităţilor este fixă, nu se modifică pe timpul execuţiei

aplicaţiei Algoritmul „Shortest Job First” (SJF) - Se alocă prioritate mai mare taskurilor mai scurte,

pentru a asigura un timp de reacţie proporţional cu complexitatea taskului; poate duce la"înfometarea" taskurilor lungi

Algoritmul „Rate Monotonic” (RM) cel mai celebru algoritm de planificare. Se foloseşte pentru planificarea taskurilor periodice; priorităţile se alocă în raport cu perioada de repetiţie a taskurilor: taskul cu

perioada cea mai mică are prioritatea maximă; este un algoritm preemptiv, adică un task mai puţin prioritar poate fi întrerupt în

orice moment de un task mai prioritar; se consideră un algoritm optimal deoarece pentru un set de taskuri găseşte o

planificare fezabilă dacă aceasta există; s-a determinat limita superioară de utilizare a procesorului pentru care algoritmul

găseşte un plan indiferent de caracteristicile de timp ale taskurilor

Umax = n*(2(1/n) -1)unde:n = numărul de taskuri din set

Umax – gradul maxim de utilizare a procesoruluiVariante RM: Priority ceiling , Sporadic Server/ Defered Server, Algoritm cu rezervare

Planificarea în sistemele uniprocesor Planificare pe bază de priorităţi (cont.)

Priorităţi pe bază de caracteristici de timp (cont.) Priorităţi dinamice: alocarea priorităţilor se face în mod dinamic, în timpul

execuţiei programului, pe baza restricţiilor de timp care se modifică în timpulexecuţiei programului (ex.: timpul rămas până la deadline)

Algoritmul „Earliest Deadline First” (EDF) - Priorităţile se acordă funcţiede timpul rămas până la timpul limită (deadline) al fiecărui task; taskul aflatcel mai aproape de deadline are prioritatea maximă. Acest algoritmîmbunătăţeşte gradul de utilizare a procesorului în comparaţie cu metodaRM ; de asemenea poate trata atât taskuri periodice cât şi taskuri aperiodice(sporadice); taskurile se consideră preemptibile (cu aceleaşi neajunsuri ca şipentru RM)

Algoritmul „Highest Responsive Ratio First” (HRRF) Prioritatea secalculează pe baza timpului de execuţie şi a timpului cât taskul s-a aflat înaşteptare

Prioritate = (Taşteptare+Texecutie)/TexecutieAlgoritmul elimină fenomenul de “înfometare”

Algoritmul „Shortest Laxity-time First” (SLF) - Algoritmul acordăprioritate maximă taskului care are timpul disponibil (laxity time) minim; acesttimp se calculează ca diferenţa între timpul limită (deadline) şi timpul deexecuţie al taskului; este o măsură a duratei pe care un task o poate petreceîn aşteptare. Acest algoritm îmbunătăţeşte probabilitatea de succes încomparaţie cu algoritmul EDF

Planificare pe bază de priorităţi (cont.) Priorităţi pe bază de caracteristici de timp (cont.)

Priorităţi dinamice: alocarea priorităţilor se face în mod dinamic, în timpulexecuţiei programului, pe baza restricţiilor de timp care se modifică în timpulexecuţiei programului (ex.: timpul rămas până la deadline)

Algoritmul „Earliest Deadline First” (EDF) - Priorităţile se acordă funcţiede timpul rămas până la timpul limită (deadline) al fiecărui task; taskul aflatcel mai aproape de deadline are prioritatea maximă. Acest algoritmîmbunătăţeşte gradul de utilizare a procesorului în comparaţie cu metodaRM ; de asemenea poate trata atât taskuri periodice cât şi taskuri aperiodice(sporadice); taskurile se consideră preemptibile (cu aceleaşi neajunsuri ca şipentru RM)

Algoritmul „Highest Responsive Ratio First” (HRRF) Prioritatea secalculează pe baza timpului de execuţie şi a timpului cât taskul s-a aflat înaşteptare

Prioritate = (Taşteptare+Texecutie)/TexecutieAlgoritmul elimină fenomenul de “înfometare”

Algoritmul „Shortest Laxity-time First” (SLF) - Algoritmul acordăprioritate maximă taskului care are timpul disponibil (laxity time) minim; acesttimp se calculează ca diferenţa între timpul limită (deadline) şi timpul deexecuţie al taskului; este o măsură a duratei pe care un task o poate petreceîn aşteptare. Acest algoritm îmbunătăţeşte probabilitatea de succes încomparaţie cu algoritmul EDF

Planificarea în sistemele distribuite

Dificultatea planificarii in sistemele multiprocesor: există constrângeri multiple, în afara constrângerilor de timp

(ex.: acces concurent la resurse, sincronizare, comunicare,încărcare uniformă, consistenţa datelor şi a timpului, etc.);

execuţia paralelă a taskurilor pe mai multe procesoare nu se cunoaşte exact starea globală momentană a

sistemului, datorită vitezei limitate de comunicaţie în reţea(efectul de relativitate)

sincronizarea ceasurilor locale se realizează cu o precizielimitată

planificarea taskurilor trebuie să se facă în corelaţie cuplanificarea comunicaţiei

erorile de comunicaţie (pierderea conectivităţii, pierdereasau deteriorarea unor mesaje) şi mecanismele derecuperare sau de mascare nu trebuie să afecteze timpul derăspuns garantat al sistemului

complexitate non-polinomială (NP)

Dificultatea planificarii in sistemele multiprocesor: există constrângeri multiple, în afara constrângerilor de timp

(ex.: acces concurent la resurse, sincronizare, comunicare,încărcare uniformă, consistenţa datelor şi a timpului, etc.);

execuţia paralelă a taskurilor pe mai multe procesoare nu se cunoaşte exact starea globală momentană a

sistemului, datorită vitezei limitate de comunicaţie în reţea(efectul de relativitate)

sincronizarea ceasurilor locale se realizează cu o precizielimitată

planificarea taskurilor trebuie să se facă în corelaţie cuplanificarea comunicaţiei

erorile de comunicaţie (pierderea conectivităţii, pierdereasau deteriorarea unor mesaje) şi mecanismele derecuperare sau de mascare nu trebuie să afecteze timpul derăspuns garantat al sistemului

complexitate non-polinomială (NP)

Planificarea în sistemele distribuite

În principiu există 3 strategii de planificare: soluţionarea globală a problemei de planificare,

printr-un algoritm off-line; în acest caz se presupuncunoscute toate situaţiile posibile şi toţi parametrii de timp aitaskurilor

alocarea statică (off-line) a taskurilor pe fiecareprocesor (nod de reţea) şi planificare locală statică saudinamică la nivelul fiecărui nod

planificarea locală cu rejecţia taskurilor care duc lasupraîncărcare şi realocarea dinamică a taskurilorrejectate

În principiu există 3 strategii de planificare: soluţionarea globală a problemei de planificare,

printr-un algoritm off-line; în acest caz se presupuncunoscute toate situaţiile posibile şi toţi parametrii de timp aitaskurilor

alocarea statică (off-line) a taskurilor pe fiecareprocesor (nod de reţea) şi planificare locală statică saudinamică la nivelul fiecărui nod

planificarea locală cu rejecţia taskurilor care duc lasupraîncărcare şi realocarea dinamică a taskurilorrejectate

Sisteme distribuite de timp-real experimentale

MARS [Kopetz, 1998] - sistem time-triggered (controlat de timp), cu planificare off-line (statică)prin divizarea timpului

principiu: pentru garantarea satisfacerii restricţiilor de timp toate caracteristicile de timp aletaskurilor precum şi comportamentul mediului trebuie cunoscut a-priori; planificarea se face încădin faza de proiectare (off-line)

sistem predictibil dar rigid, cu comportare slabă la modificări ale mediului exterior sau laeventuale situaţii de avarie neprevăzute în faza de proiectare

are facilităţi hardware şi software care asigura toleranţa la defecte a sistemului; un defectsingular nu afectează restricţiile de timp

Spring - sistem event-triggered (controlat de evenimente), cu planificare on-line (dinamică)[Stankovik, 1991]

principiu: sistemele de timp-real sunt complexe fapt pentru care nu se pot prevedea toatesituaţiile posibile; de aceea sistemul este proiectat astfel încât să se adapteze uşor la diferitecomportamente ale mediului

sistem flexibil, adaptiv, cu garantarea restricţiilor de timp pentru situaţii normale de încărcare şicu degradare lentă a funcţiilor/serviciilor în caz de supraîncărcare

pentru asigurarea consistenţei datelor distribuite şi pentru a asigura o comunicaţie rapidă întrenoduri se foloseşte o memorie distribuită reflexivă (un set de module de memorie interconectateprintr-o reţea cu fibră optică, care asigură consistenţa datelor la nivel hardware)

CHAOS - sistem distribuit de timp-real bazat pe programare obiectuală [Gheith, 1993] principiu: descompunerea aplicaţiei în obiecte cu scopul de a controla mai bine complexitatea

sistemului paradigma de proiectare a aplicaţiei: fire de execuţie ce acţionează asupra obiectelor funcţiile implementate în obiecte au timp limitat de execuţie; există un control strict al timpului la

nivelul firelor de execuţie utilizarea firelor în locul taskurilor reduce timpul necesar pentru comutarea de context

MARS [Kopetz, 1998] - sistem time-triggered (controlat de timp), cu planificare off-line (statică)prin divizarea timpului

principiu: pentru garantarea satisfacerii restricţiilor de timp toate caracteristicile de timp aletaskurilor precum şi comportamentul mediului trebuie cunoscut a-priori; planificarea se face încădin faza de proiectare (off-line)

sistem predictibil dar rigid, cu comportare slabă la modificări ale mediului exterior sau laeventuale situaţii de avarie neprevăzute în faza de proiectare

are facilităţi hardware şi software care asigura toleranţa la defecte a sistemului; un defectsingular nu afectează restricţiile de timp

Spring - sistem event-triggered (controlat de evenimente), cu planificare on-line (dinamică)[Stankovik, 1991]

principiu: sistemele de timp-real sunt complexe fapt pentru care nu se pot prevedea toatesituaţiile posibile; de aceea sistemul este proiectat astfel încât să se adapteze uşor la diferitecomportamente ale mediului

sistem flexibil, adaptiv, cu garantarea restricţiilor de timp pentru situaţii normale de încărcare şicu degradare lentă a funcţiilor/serviciilor în caz de supraîncărcare

pentru asigurarea consistenţei datelor distribuite şi pentru a asigura o comunicaţie rapidă întrenoduri se foloseşte o memorie distribuită reflexivă (un set de module de memorie interconectateprintr-o reţea cu fibră optică, care asigură consistenţa datelor la nivel hardware)

CHAOS - sistem distribuit de timp-real bazat pe programare obiectuală [Gheith, 1993] principiu: descompunerea aplicaţiei în obiecte cu scopul de a controla mai bine complexitatea

sistemului paradigma de proiectare a aplicaţiei: fire de execuţie ce acţionează asupra obiectelor funcţiile implementate în obiecte au timp limitat de execuţie; există un control strict al timpului la

nivelul firelor de execuţie utilizarea firelor în locul taskurilor reduce timpul necesar pentru comutarea de context

Planificarea comunicatiei Procesul de planificare a comunicaţiei este îngreunat de mai mulţi

factori: planificarea transmiterii mesajelor trebuie să se facă în corelaţie cu

planificarea taskurilor emitente şi receptoare decizia de planificare se ia de cele mai multe ori la nivelul fiecărui nod

în parte fără să se cunoască gradul de încărcare al reţelei, indus decelelalte noduri

strategiile de planificare: controlul centralizat al accesului la reţea alocarea periodică a unei cuante fixe de timp de comunicare pentru

fiecare nod conectat în reţea limitarea gradului de încărcare a reţelei, pentru a asigura o rezervă de

timp pentru soluţionarea erorilor de transmisie limitarea dimensiunii pachetelor alocarea de priorităţi pentru mesaje, funcţie de importanţa sau în

raport cu cerinţele de timp

Procesul de planificare a comunicaţiei este îngreunat de mai mulţifactori: planificarea transmiterii mesajelor trebuie să se facă în corelaţie cu

planificarea taskurilor emitente şi receptoare decizia de planificare se ia de cele mai multe ori la nivelul fiecărui nod

în parte fără să se cunoască gradul de încărcare al reţelei, indus decelelalte noduri

strategiile de planificare: controlul centralizat al accesului la reţea alocarea periodică a unei cuante fixe de timp de comunicare pentru

fiecare nod conectat în reţea limitarea gradului de încărcare a reţelei, pentru a asigura o rezervă de

timp pentru soluţionarea erorilor de transmisie limitarea dimensiunii pachetelor alocarea de priorităţi pentru mesaje, funcţie de importanţa sau în

raport cu cerinţele de timp

Planificarea comunicatiei Retelele industriale de comunicatie:

ofera solutii proprii de planificare si de garantare atimpului de transmisie a mesajelor:

protocolul Profibus utilizează un mecanism de acces la reţea de tip token-buscare permite alocarea unei cuante de timp pentru fiecare nod master din reţea şi operioadă fixă de repetiţie a acestei alocări

protocolul WorldFIP propune utilizarea unui controlor central de reţea careasigură transferul mesajelor pe baza restricţiilor de timp; pentru mesajeleperiodice se utilizează un plan off-line, iar pentru mesajele sporadice transferul seface pe bază de priorităţi

protocolul P-Net foloseşte un mecanism de acces la reţea pe bază de cuante detimp; fiecare nod poate să comunice într-o fereastră de timp prestabilită; la acestprotocol sunt eliminate fenomenele de pierdere a tokenului, care ar putea săafecteze timpul de livrare al mesajelor

protocolul CAN foloseşte un mecanism de acces la reţea de tip CSMA/BA(Carrier Sense Multiple Access with Bitwise Arbitration), care în aparenţă permiteun acces liber (necontrolat) la reţea; în realitate prin alocarea de priorităţi fiecăruitip de mesaj şi prin mecanismul de detecţie a coliziunilor la nivel de bit se oferăinstrumentele necesare pentru o evaluare suficient de corectă a timpului de livrareal unui mesaj; în [Tindell, 1995] s-a propus o metodă de evaluare a timpului delivrare pentru acest protocol.

Retelele industriale de comunicatie: ofera solutii proprii de planificare si de garantare a

timpului de transmisie a mesajelor: protocolul Profibus utilizează un mecanism de acces la reţea de tip token-bus

care permite alocarea unei cuante de timp pentru fiecare nod master din reţea şi operioadă fixă de repetiţie a acestei alocări

protocolul WorldFIP propune utilizarea unui controlor central de reţea careasigură transferul mesajelor pe baza restricţiilor de timp; pentru mesajeleperiodice se utilizează un plan off-line, iar pentru mesajele sporadice transferul seface pe bază de priorităţi

protocolul P-Net foloseşte un mecanism de acces la reţea pe bază de cuante detimp; fiecare nod poate să comunice într-o fereastră de timp prestabilită; la acestprotocol sunt eliminate fenomenele de pierdere a tokenului, care ar putea săafecteze timpul de livrare al mesajelor

protocolul CAN foloseşte un mecanism de acces la reţea de tip CSMA/BA(Carrier Sense Multiple Access with Bitwise Arbitration), care în aparenţă permiteun acces liber (necontrolat) la reţea; în realitate prin alocarea de priorităţi fiecăruitip de mesaj şi prin mecanismul de detecţie a coliziunilor la nivel de bit se oferăinstrumentele necesare pentru o evaluare suficient de corectă a timpului de livrareal unui mesaj; în [Tindell, 1995] s-a propus o metodă de evaluare a timpului delivrare pentru acest protocol.

Conditii necesare si suficiente pentru asigurareaplanificabilitatii unui set de taskuri

Condiţie necesară dar nu şi suficientă:- bazat pe gradul de utilizare al procesorului (U)

U = Ci/Ti unde: Ci – timpul de execuţie al taskului tiTi – perioada taskului tin - numărul de taskuri din setul dat

- conditia necesara:U < 1 adică Ci/Ti < 1

Conditie mai restrictiva (suficienta dar nu necesara):Ti >= Cj * Ti/Tj + Ci

unde: Ti/Tj - reprezintă numărul maxim de apariţii ale taskului tj într-operioada Ti ( x reprezintă partea întreagă a lui x, rotunjită în sus)

Condiţie necesară dar nu şi suficientă:- bazat pe gradul de utilizare al procesorului (U)

U = Ci/Ti unde: Ci – timpul de execuţie al taskului tiTi – perioada taskului tin - numărul de taskuri din setul dat

- conditia necesara:U < 1 adică Ci/Ti < 1

Conditie mai restrictiva (suficienta dar nu necesara):Ti >= Cj * Ti/Tj + Ci

unde: Ti/Tj - reprezintă numărul maxim de apariţii ale taskului tj într-operioada Ti ( x reprezintă partea întreagă a lui x, rotunjită în sus)

Conditii necesare si suficiente pentru asigurareaplanificabilitatii unui set de taskuri

Timpul de raspuns al unui task “i”ri = Ci + (ri/Tj * Cj)

ri/Tj determină numărul de lansări ale taskului j (deprioritate mai mare decât i) pe durata timpului derăspuns al taskului i.

Condiţia de fezabilitate a planificării cere ca pentrufiecare task „i” timpul de răspuns maxim să fie maimic sau egal cu timpul limită:ri < Di, pentru i=1..n

Timpul de răspuns se poate determina printr-uncalcul iterativ de forma:ri(k+1) = Ci + (ri(k)/Tj * Cj)

Timpul de raspuns al unui task “i”ri = Ci + (ri/Tj * Cj)

ri/Tj determină numărul de lansări ale taskului j (deprioritate mai mare decât i) pe durata timpului derăspuns al taskului i.

Condiţia de fezabilitate a planificării cere ca pentrufiecare task „i” timpul de răspuns maxim să fie maimic sau egal cu timpul limită:ri < Di, pentru i=1..n

Timpul de răspuns se poate determina printr-uncalcul iterativ de forma:ri(k+1) = Ci + (ri(k)/Tj * Cj)



Solutii distribuite in aplicatii de control

In viziune clasica: sistem de control = sistem centralizat argumente:

cooordonare si control unitar determinism si predictibilitate lant ierarhizat al responsabilitatilor

Intr-o viziune mai noua: sistem de control = sistem complex, cu multe functionalitati

indeplinite in regim autonom, prea complexe pentru o solutie“monolit”

argumente: natura distribuita a procesului controlat si implicit a elementelor

de automatizare fiabilitate sporita si toleranta la defecte (prin solutii redondante) posibilitati de comunicare si control de la distanta, inclusiv prin

internet

In viziune clasica: sistem de control = sistem centralizat argumente:

cooordonare si control unitar determinism si predictibilitate lant ierarhizat al responsabilitatilor

Intr-o viziune mai noua: sistem de control = sistem complex, cu multe functionalitati

indeplinite in regim autonom, prea complexe pentru o solutie“monolit”

argumente: natura distribuita a procesului controlat si implicit a elementelor

de automatizare fiabilitate sporita si toleranta la defecte (prin solutii redondante) posibilitati de comunicare si control de la distanta, inclusiv prin

internet

Caracteristicile unuisistem distribuit de control Tipuri de distributie:

distributia echipamentelor distributia datelor distributia controlului (a programelor)

Sistem distribuit v.s. Sistem paralel (multiprocesor) sistem paralel = corelatie stransa intre componente atat la nivel

fizic cat si la nivel logic fizic: magistrala, memorie, resurse comune pentru procesoare; timp de

comunicatie neglijabil logic: solutioneaza in paralel o anumita problema

sistem distribuit = corelare stransa la nivel logic dar relaxata la nivel fizic fizic: conexiune prin retea (timp de comunicatie comparabil cu timpul de

procesare a datelor) logic: sistemul rezolva a problema comuna (legatura stransa intre componentele

logice ale aplicatiei) Sisteme distribuite v.s. Retele de calculatoare

la retele lipseste obiectivul/celul comun la sisteme distribuite: un obiectiv comun (ex: controlul unei fabrici)

Tipuri de distributie: distributia echipamentelor distributia datelor distributia controlului (a programelor)

Sistem distribuit v.s. Sistem paralel (multiprocesor) sistem paralel = corelatie stransa intre componente atat la nivel

fizic cat si la nivel logic fizic: magistrala, memorie, resurse comune pentru procesoare; timp de

comunicatie neglijabil logic: solutioneaza in paralel o anumita problema

sistem distribuit = corelare stransa la nivel logic dar relaxata la nivel fizic fizic: conexiune prin retea (timp de comunicatie comparabil cu timpul de

procesare a datelor) logic: sistemul rezolva a problema comuna (legatura stransa intre componentele

logice ale aplicatiei) Sisteme distribuite v.s. Retele de calculatoare

la retele lipseste obiectivul/celul comun la sisteme distribuite: un obiectiv comun (ex: controlul unei fabrici)

Functii specifice aleunui sistem distribuit de control Mecanism uniform, unitar şi transparent de acces la resursele sistemului

identificarea univoca (fara ambiguitati a elementelor sistemului) – prinidentificator unic (ex: adresa MAC, IP, URL, URI, etc.)

accesul (logic) la resurse prin nume simbolice ex: “temperatura cuptor 1” in loc de adresa fizica not+adresa registru in

cadrul nodului asigura transferul transparent al unor functii de la un nod defect la unul

nou mai usor de inteles pentru operatorul uman

utilizarea unor standarde/protocoale de comunicatie specifice pentruanumite dispozitive:

nivelul 8 (utilizator) la retelele industriale, cu “profile” definite pentrufiecare categorie de echipamente (ex: motoare, senzori, etc.)

accesul trebuie sa mascheze redondanta datelor sau intarzierile sierorile de comunicatie

reconfigurarea automata a sistemului in cazul inlocuirii unorcomponente defecte

a se vedea mecanismul de inlocuire a nodurilor la protocolul ASi Solutie posibila: implementarea conceptului de “Dispozitiv virtual de

control” modalitate uniforma de acces la resurse indiferent de natura

acestora sau de pozitia lor in sistem

Mecanism uniform, unitar şi transparent de acces la resursele sistemului identificarea univoca (fara ambiguitati a elementelor sistemului) – prin

identificator unic (ex: adresa MAC, IP, URL, URI, etc.) accesul (logic) la resurse prin nume simbolice

ex: “temperatura cuptor 1” in loc de adresa fizica not+adresa registru incadrul nodului

asigura transferul transparent al unor functii de la un nod defect la unulnou

mai usor de inteles pentru operatorul uman utilizarea unor standarde/protocoale de comunicatie specifice pentru

anumite dispozitive: nivelul 8 (utilizator) la retelele industriale, cu “profile” definite pentru

fiecare categorie de echipamente (ex: motoare, senzori, etc.) accesul trebuie sa mascheze redondanta datelor sau intarzierile si

erorile de comunicatie reconfigurarea automata a sistemului in cazul inlocuirii unor

componente defecte a se vedea mecanismul de inlocuire a nodurilor la protocolul ASi

Solutie posibila: implementarea conceptului de “Dispozitiv virtual decontrol”

modalitate uniforma de acces la resurse indiferent de naturaacestora sau de pozitia lor in sistem

Functii specifice ale unuisistem distribuit de control Mecanisme de sincronizare

necesar pentru cooperarea intre componentele sistemului: controlul accesului la resurse partajate imprimarea unor dependenţe între taskuri (inclusiv de ordonare

intre taskuri) armonizarea unor actiuni concurente

mecanisme clasice de sincronizare: clasice: cutii poştale, indicatoare de condiţie, zone critice,

monitor, etc referinta la un ceas de timp global: prin sincronizarea ceasurilor

locale necesar pentru ordonarea evenimentelor stabilirea relatiilor de cauzalitate intre evenimente (care a fost

cauza si care a fost efectul) stabilirea ordinii de accesare a unor resurse partajate (ex: FCFS –

primul sosit primul servit)

Mecanisme de sincronizare necesar pentru cooperarea intre componentele sistemului:

controlul accesului la resurse partajate imprimarea unor dependenţe între taskuri (inclusiv de ordonare

intre taskuri) armonizarea unor actiuni concurente

mecanisme clasice de sincronizare: clasice: cutii poştale, indicatoare de condiţie, zone critice,

monitor, etc referinta la un ceas de timp global: prin sincronizarea ceasurilor

locale necesar pentru ordonarea evenimentelor stabilirea relatiilor de cauzalitate intre evenimente (care a fost

cauza si care a fost efectul) stabilirea ordinii de accesare a unor resurse partajate (ex: FCFS –

primul sosit primul servit)

Functii specifice ale unuisistem distribuit de control Mecanisme de replicare

necesar pentru: cresterea fiabilitatii prin replicarea componentelor critice cresterea vitezei de acces la date prin replicarea acestora in

mai multe puncte Administrarea evenimentelor

sistemele de control sunt prin excelenta sisteme “reactive” careraspund la diverse evenimente (ex: avertizari, avarii, etc.)

administrarea globala a evenimentelor este mult maicomplexa in cazul sistemelor distribuite (fenomenul derelativitate, datorat vitezei limitate de transmisie a mesajelor)

solutie posibila: server de evenimente modelarea conceptului de eveniment:

atribute: nume, conditia de generare, conditia de stergere, listataskurilor care trebuie atentionate, lista taskurilor care trebuieactivate, etc.

Mecanisme de replicare necesar pentru:

cresterea fiabilitatii prin replicarea componentelor critice cresterea vitezei de acces la date prin replicarea acestora in

mai multe puncte Administrarea evenimentelor

sistemele de control sunt prin excelenta sisteme “reactive” careraspund la diverse evenimente (ex: avertizari, avarii, etc.)

administrarea globala a evenimentelor este mult maicomplexa in cazul sistemelor distribuite (fenomenul derelativitate, datorat vitezei limitate de transmisie a mesajelor)

solutie posibila: server de evenimente modelarea conceptului de eveniment:

atribute: nume, conditia de generare, conditia de stergere, listataskurilor care trebuie atentionate, lista taskurilor care trebuieactivate, etc.

Functii specifice ale unuisistem distribuit de control Achiziţia periodică a unor parametri de proces si

generarea de comenzi majoritatea functiilor de control au un caracter ciclic trebuie sa se respecte perioada de achizitie si de

generare, altfel erori de calcul Reprezentare grafica a sistemului

vizualizarea parametrilor de proces: numeric si grafic vizualizarea schemei logice a procesului posibilitatea de a transmite comenzi specifice de catre

operatorul uman vizualizarea evolutiei in timp a unor parametri de

proces si a evenimentelor

Achiziţia periodică a unor parametri de proces sigenerarea de comenzi majoritatea functiilor de control au un caracter ciclic trebuie sa se respecte perioada de achizitie si de

generare, altfel erori de calcul Reprezentare grafica a sistemului

vizualizarea parametrilor de proces: numeric si grafic vizualizarea schemei logice a procesului posibilitatea de a transmite comenzi specifice de catre

operatorul uman vizualizarea evolutiei in timp a unor parametri de

proces si a evenimentelor

Structurarea datelor de proces moduri de structurare:

pe baza poziţiei fizice ocupate în sistem (ex.: aparţin de unanumit dispozitiv sau echipament),

pe baza unor criterii de funcţionalitate (ex.: parametrii uneibucle de reglaj să constituie o structură unică),

pe bază de importanţă sau priorităţi pe baza nivelului ierarhic de control de care aparţin (ex.:

nivelul buclei de reglaj, nivelul coordonării procesului saunivelul administrativ)

tipuri de date din punct de vedere a persistentei datelor: date privind starea curenta a procesului (imaginea de

moment a procesului): au o valabilitate limitata in timp se va specifica momentele in care se face achizitia si durata de

valabilitate a datelor date privind evolutia procesului: “date logate”

moduri de structurare: pe baza poziţiei fizice ocupate în sistem (ex.: aparţin de un

anumit dispozitiv sau echipament), pe baza unor criterii de funcţionalitate (ex.: parametrii unei

bucle de reglaj să constituie o structură unică), pe bază de importanţă sau priorităţi pe baza nivelului ierarhic de control de care aparţin (ex.:

nivelul buclei de reglaj, nivelul coordonării procesului saunivelul administrativ)

tipuri de date din punct de vedere a persistentei datelor: date privind starea curenta a procesului (imaginea de

moment a procesului): au o valabilitate limitata in timp se va specifica momentele in care se face achizitia si durata de

valabilitate a datelor date privind evolutia procesului: “date logate”

Implementarea unei aplicatii de controlcomplexe Solutia monolitica

fiecare componenta are o functie bine definita si ocupa o anumitapozitie ierarhica

avantaje: asigura o vedere generala si unitara asupra sistemului dezavantaje:

fiabilitate redusa, defectarea unei componente duce la oprireasistemului

proiectare dificila: trebuie sa se tina cont de toate aspectele pe care leimplica sistemul

Solutia distribuita: aplicatia = set de componente autonome care indeplinesc diferite

functionalitati ale sistemului; avantaje:

fiabilitate marita: oprirea/defectarea unei componente nu implicaoprirea celorlalte componente; pot fi construite simplu schemeredondante si tolerante la defecte

scalabilitate: pot fi adaugate noi componente fara modificareacomponentelor existente

dezavantaje: aplicatia trebuie descompusa in componente autonome care lucreaza

in regim concurent/paralel

Solutia monolitica fiecare componenta are o functie bine definita si ocupa o anumita

pozitie ierarhica avantaje: asigura o vedere generala si unitara asupra sistemului dezavantaje:

fiabilitate redusa, defectarea unei componente duce la oprireasistemului

proiectare dificila: trebuie sa se tina cont de toate aspectele pe care leimplica sistemul

Solutia distribuita: aplicatia = set de componente autonome care indeplinesc diferite

functionalitati ale sistemului; avantaje:

fiabilitate marita: oprirea/defectarea unei componente nu implicaoprirea celorlalte componente; pot fi construite simplu schemeredondante si tolerante la defecte

scalabilitate: pot fi adaugate noi componente fara modificareacomponentelor existente

dezavantaje: aplicatia trebuie descompusa in componente autonome care lucreaza

in regim concurent/paralel

Model conceptual al unui sistem distribuitde control bazat pe servicii Specificatii:

tipurile de servicii necesare într-un sistem de control modul de interacţiune a serviciilor facilităţile oferite de fiecare serviciu (interfaţa serviciului) modul de implementare a serviciilor

Principii constructive: gruparea funcţiilor de control în entităţi - astfel încât fiecare

entitate să poată să fie dezvoltată ca o aplicaţie autonomă; reducerea fluxului de informaţii între entităţi - cu scopul de a

reduce timpul consumat pentru schimbul de date şi pentru asimplifica interfaţa dintre entităţi

reducerea traficului în reţea - prin structurarea şi amplasareacorespunzătoare a datele

replicarea datelor - pentru creşterea eficienţei şi reducereatimpului de reacţie

reducerea numărului de nivele ierarhice, pentru a minimizatimpul de reacţie al sistemului

Specificatii: tipurile de servicii necesare într-un sistem de control modul de interacţiune a serviciilor facilităţile oferite de fiecare serviciu (interfaţa serviciului) modul de implementare a serviciilor

Principii constructive: gruparea funcţiilor de control în entităţi - astfel încât fiecare

entitate să poată să fie dezvoltată ca o aplicaţie autonomă; reducerea fluxului de informaţii între entităţi - cu scopul de a

reduce timpul consumat pentru schimbul de date şi pentru asimplifica interfaţa dintre entităţi

reducerea traficului în reţea - prin structurarea şi amplasareacorespunzătoare a datele

replicarea datelor - pentru creşterea eficienţei şi reducereatimpului de reacţie

reducerea numărului de nivele ierarhice, pentru a minimizatimpul de reacţie al sistemului

Model conceptual al unui sistem distribuitde control bazat pe servicii Principii constructive:

evitarea implementării unor funcţii de control echivalenteîn mai mult de o entitate – pentru evitarea inconsistenţei şi asituaţiilor ambigue

fiecare serviciu (entitate de control) va include mecanismede identificare a componentelor distribuite ale serviciuluirespectiv şi de reconfigurare dinamică a serviciului

se va asigura un mecanism special (simplificat) de acces ladispozitivele cu resurse limitate

fiecare serviciu va asigura un nivel de fiabilitate, impus denatura funcţiilor implementate

serviciile trebuie să includă mecanisme explicite deadministrare a informaţiilor de timp

se va utiliza un mecanism unitar de acces la diferitele tipuride servicii

Principii constructive: evitarea implementării unor funcţii de control echivalente

în mai mult de o entitate – pentru evitarea inconsistenţei şi asituaţiilor ambigue

fiecare serviciu (entitate de control) va include mecanismede identificare a componentelor distribuite ale serviciuluirespectiv şi de reconfigurare dinamică a serviciului

se va asigura un mecanism special (simplificat) de acces ladispozitivele cu resurse limitate

fiecare serviciu va asigura un nivel de fiabilitate, impus denatura funcţiilor implementate

serviciile trebuie să includă mecanisme explicite deadministrare a informaţiilor de timp

se va utiliza un mecanism unitar de acces la diferitele tipuride servicii

Modelul arhitectural al unui serviciu distribuit de control

Aplicaţie

Serviciul x

Alte servicii

Interfaţa dereţea

Nod de reţea

........

Aplicaţie

Serviciul x

Alte servicii

Interfaţa dereţea

Nod de reţea

Aplicaţie

Serviciul x

Alte servicii

Interfaţa dereţea

Nod de reţea

Interfaţa dereţea

....

Noduri cu resurse limitate

Interfaţa dereţea

Interfaţa dereţea

Interfaţa dereţea

Executiv

Aplicaţie

Interfaţa dereţea

Executiv

Aplicaţie

Interfaţa dereţea

Executiv

Aplicaţie

Modelul arhitectural al unui serviciudistribuit de control Principii de functionare:

Un serviciu este suma serviciilor locale de acelaşi tip implementate la nivelulfiecărui nod de reţea.

Un serviciu local interacţionează cu celelalte servicii în vederea îndepliniriifuncţiilor specifice de control.

O aplicaţie de control dezvoltată deasupra serviciilor de control interacţioneazădirect cu serviciul local în vederea obţinerii funcţiei dorite.

Dacă aplicaţia solicită accesul la o resursă dintr-un alt nod al reţelei atuncisolicitarea este rezolvată de serviciul local, prin dialog cu serviciul echivalent dinnodul unde se află resursa.

Din considerente de eficienţă şi timp de execuţie, în anumite cazuri aplicaţiapoate să ia legătura direct cu serviciul local al nodului vizat.

Anumite dispozitive a căror resurse computaţionale nu permit implementarealocală a tuturor serviciilor, vor fi integrate în sistem prin intermediul unor noduride administrare (noduri “proxi”).

Această soluţie este adecvată în multe aplicaţii de control, unde un dispozitiv decomplexitate medie (ex.: regulator, controlor logic programabil) poate săgestioneze un set de elemente mai simple de automatizare (senzori şi elementede execuţie).

Între nodul proxi şi nodurile simple va exista un protocol de comunicaţiesimplificat, mai uşor de implementat într-un microsistem minimal. Nodul proxi vagestiona toate resursele nodurilor simple care i-au fost ataşate.

Principii de functionare: Un serviciu este suma serviciilor locale de acelaşi tip implementate la nivelul

fiecărui nod de reţea. Un serviciu local interacţionează cu celelalte servicii în vederea îndeplinirii

funcţiilor specifice de control. O aplicaţie de control dezvoltată deasupra serviciilor de control interacţionează

direct cu serviciul local în vederea obţinerii funcţiei dorite. Dacă aplicaţia solicită accesul la o resursă dintr-un alt nod al reţelei atunci

solicitarea este rezolvată de serviciul local, prin dialog cu serviciul echivalent dinnodul unde se află resursa.

Din considerente de eficienţă şi timp de execuţie, în anumite cazuri aplicaţiapoate să ia legătura direct cu serviciul local al nodului vizat.

Anumite dispozitive a căror resurse computaţionale nu permit implementarealocală a tuturor serviciilor, vor fi integrate în sistem prin intermediul unor noduride administrare (noduri “proxi”).

Această soluţie este adecvată în multe aplicaţii de control, unde un dispozitiv decomplexitate medie (ex.: regulator, controlor logic programabil) poate săgestioneze un set de elemente mai simple de automatizare (senzori şi elementede execuţie).

Între nodul proxi şi nodurile simple va exista un protocol de comunicaţiesimplificat, mai uşor de implementat într-un microsistem minimal. Nodul proxi vagestiona toate resursele nodurilor simple care i-au fost ataşate.

Modelul arhitectural al unui serviciudistribuit de control

Definirea serviciilor de control: serviciul de timp serviciul de replicare serviciul de gestiune a resurselor serviciul de gestiune a evenimentelor serviciul de planificare a taskurilor serviciul de configurare şi alocare a sarcinilor set de componente grafice pentru interfaţa

utilizator

Definirea serviciilor de control: serviciul de timp serviciul de replicare serviciul de gestiune a resurselor serviciul de gestiune a evenimentelor serviciul de planificare a taskurilor serviciul de configurare şi alocare a sarcinilor set de componente grafice pentru interfaţa

utilizator

Modelul arhitectural al unui serviciudistribuit de control

Gestiuneaevenimentelor

Gestiunearesurselor

Serviciul deplanificare

Componente grafice Serviciul deconfigurare

Aplicaţia de control

Serviciul de timp Serviciul de replicare

Gestiuneaevenimentelor

Gestiunearesurselor

Serviciul deplanificare

Interfaţa de reţea (nivelele 1-4)

Structura ierarhică a serviciilor de control la nivelul unui nod de reţea

Serviciul de timp functia principala – asigurarea unei referinte unice de timp pentru intregul sistem necesara pentru:

sincronizarea componentelor lansarea unor taskuri periodice stabilirea relatiilor de cauzalitate intre evenimente

mecanisme de sincronizare a ceasurilor locale: solutie centralizata - algoritmul lui Christian

server central de timp care răspunde aplicaţiilor client care solicită oreferinţă de timp

se tine cont de timpul mediu de transmisie a mesajului de sincronizare;se calculeaza si precizia de sincronizare

solutie distribuita – se genereaza o referinta de timp ca o medie aceasurilor locale

periodic se genereaza cereri de resincronizare mai fiabil decat varianta centralizata

la aplicatiile de control: ajustarea ceasului local se va face treptat (incuante de ajustare adaptate preciziei de calcul a agoritmului de reglaj)si niciodata nu se va da ceasul inapoi; altfel erorile de calcul pot generacomenzi gresite (ex: la regulator cu factor derivativ)

functia principala – asigurarea unei referinte unice de timp pentru intregul sistem necesara pentru:

sincronizarea componentelor lansarea unor taskuri periodice stabilirea relatiilor de cauzalitate intre evenimente

mecanisme de sincronizare a ceasurilor locale: solutie centralizata - algoritmul lui Christian

server central de timp care răspunde aplicaţiilor client care solicită oreferinţă de timp

se tine cont de timpul mediu de transmisie a mesajului de sincronizare;se calculeaza si precizia de sincronizare

solutie distribuita – se genereaza o referinta de timp ca o medie aceasurilor locale

periodic se genereaza cereri de resincronizare mai fiabil decat varianta centralizata

la aplicatiile de control: ajustarea ceasului local se va face treptat (incuante de ajustare adaptate preciziei de calcul a agoritmului de reglaj)si niciodata nu se va da ceasul inapoi; altfel erorile de calcul pot generacomenzi gresite (ex: la regulator cu factor derivativ)

Serviciul de replicare functia principala: evidenta resurselor replicate si asigurarea consistentei

acestora necesitatea:

pentru a asigura toleranta la defecte prin multiplicarea elementelorcritice

pentru a inbunatati timpul de acces la anumite resurse ce se replica:

resurse fizice: senzori, elemente de calcul, elemente de stocare servicii de control: serviciu de gestiune a evenimentelor, serviciu de

acces la date, etc. serviciul este responsabil pentru:

identificarea dispozitivelor conectate în sistem identificarea resurselor de care dispune fiecare dispozitiv al

sistemului configurarea şi alocarea sarcinilor detecţia defectelor şi mascarea acestora prin reconfigurarea

sistemului

functia principala: evidenta resurselor replicate si asigurarea consistenteiacestora

necesitatea: pentru a asigura toleranta la defecte prin multiplicarea elementelor

critice pentru a inbunatati timpul de acces la anumite resurse

ce se replica: resurse fizice: senzori, elemente de calcul, elemente de stocare servicii de control: serviciu de gestiune a evenimentelor, serviciu de

acces la date, etc. serviciul este responsabil pentru:

identificarea dispozitivelor conectate în sistem identificarea resurselor de care dispune fiecare dispozitiv al

sistemului configurarea şi alocarea sarcinilor detecţia defectelor şi mascarea acestora prin reconfigurarea

sistemului

Serviciul de gestiune a resurselor functia de baza: de a asigura un acces uniform, unitar şi transparent la resursele

distribuite ale sistemului serviciul este responsabil pentru:

determinarea componentelor sistemului şi a configuraţiei acestora (dispozitive fizice,componente program, etc.)

determinarea parametrilor de proces disponibili achiziţia şi stocarea periodică a valorilor parametrilor de proces transmisia periodică de comenzi către elementele de execuţie citirea şi scrierea aleatoare a unor parametri, la solicitarea expresă a aplicaţiei de

control marcarea datelor achiziţionate cu o referinţă de timp şi verificarea perisabilităţii

datelor menţinerea unei baze de date cu imaginea curentă a procesului controlat înregistrarea evoluţiei unor parametrii de proces, specificaţi de aplicaţia de control

Model conceptual bazat pe ideea de “Dispozitiv virtual de control” promovat de standardul MMS (Manufacturing Message Specification) dispozitiv virtual de control = obiect care grupează un set de resurse, organizate sub

forma mai multor liste. Fiecare listă grupează resurse de un anumit tip (ex: variabile de proces, proceduri,

evenimente). un dispozitiv virtual modelează un dispozitiv real şi grupează resursele acestuia. există posibilitatea grupării unor resurse în raport de funcţionalitatea pe care o

îndeplinesc în sistem.

functia de baza: de a asigura un acces uniform, unitar şi transparent la resurseledistribuite ale sistemului

serviciul este responsabil pentru: determinarea componentelor sistemului şi a configuraţiei acestora (dispozitive fizice,

componente program, etc.) determinarea parametrilor de proces disponibili achiziţia şi stocarea periodică a valorilor parametrilor de proces transmisia periodică de comenzi către elementele de execuţie citirea şi scrierea aleatoare a unor parametri, la solicitarea expresă a aplicaţiei de

control marcarea datelor achiziţionate cu o referinţă de timp şi verificarea perisabilităţii

datelor menţinerea unei baze de date cu imaginea curentă a procesului controlat înregistrarea evoluţiei unor parametrii de proces, specificaţi de aplicaţia de control

Model conceptual bazat pe ideea de “Dispozitiv virtual de control” promovat de standardul MMS (Manufacturing Message Specification) dispozitiv virtual de control = obiect care grupează un set de resurse, organizate sub

forma mai multor liste. Fiecare listă grupează resurse de un anumit tip (ex: variabile de proces, proceduri,

evenimente). un dispozitiv virtual modelează un dispozitiv real şi grupează resursele acestuia. există posibilitatea grupării unor resurse în raport de funcţionalitatea pe care o

îndeplinesc în sistem.

Serviciul de gestiune a evenimentelor

functii de baza: detectarea evenimentelor notificarea unor componente privind aparitia unor evenimente inregistrarea evenimentelor lansarea de taskuri ca reactie la un anumit eveniment

serviciul va gestiona numai evenimentele care au fost definite inprealabil !!! definirea unui eveniment:

o expresie logică alcătuită din variabile de proces şi constante, care,dacă este adevărată determină apariţia unui eveniment

un anumit comportament privind marcarea apariţiei, păstrarea şiştergerea evenimentului

o listă de taskuri care trebuie notificate la apariţia evenimentului o listă de taskuri care trebuie activate în urma apariţiei unui evenimen

detectia evenimentelor: pe baza de intreruperi si rutine de tratare a intreruperilor modul special de verificare periodica a conditiilor de activare prin receptia unui mesaj care indica un anumit eveniment

functii de baza: detectarea evenimentelor notificarea unor componente privind aparitia unor evenimente inregistrarea evenimentelor lansarea de taskuri ca reactie la un anumit eveniment

serviciul va gestiona numai evenimentele care au fost definite inprealabil !!! definirea unui eveniment:

o expresie logică alcătuită din variabile de proces şi constante, care,dacă este adevărată determină apariţia unui eveniment

un anumit comportament privind marcarea apariţiei, păstrarea şiştergerea evenimentului

o listă de taskuri care trebuie notificate la apariţia evenimentului o listă de taskuri care trebuie activate în urma apariţiei unui evenimen

detectia evenimentelor: pe baza de intreruperi si rutine de tratare a intreruperilor modul special de verificare periodica a conditiilor de activare prin receptia unui mesaj care indica un anumit eveniment

Serviciul de planificare a taskurilor

functia de baza: lansarea în execuţie ataskurilor unei aplicatii, cu respectarearestrictiilor de diferite tipuri (de timp, desincronizare, de ordonare, etc.)

strategii de planificare (a se vedea cursul anterior):

fara prioritati: FCFS, RR cu prioritati:

in functie de importanta in functie de restrictiile de timp: RM, EDF, SLF

functia de baza: lansarea în execuţie ataskurilor unei aplicatii, cu respectarearestrictiilor de diferite tipuri (de timp, desincronizare, de ordonare, etc.)

strategii de planificare (a se vedea cursul anterior):

fara prioritati: FCFS, RR cu prioritati:

in functie de importanta in functie de restrictiile de timp: RM, EDF, SLF

Serviciul de configurare şi alocare a sarcinilor

functia de baza: configurarea sistemului de control in regim dinamic rolul: adaptarea unei configuratii generice la particularitatile unui proces

tehnologic ce se configureaza:

numarul si tipul dispozitivelor conectate in sistem functia fiecarei componente parametrii asociati dispozitivelor fizice limite admisibile si limite de avertizare/avarie scheme de inlocuire automata a dispozitivelor defecte tipurile de evenimente acceptate in sistem frecventa de achizitie a datelor

alocarea sarcinilor tine cont de: disponibilitatea componentelor de a indeplini o anumita functie gradul de incarcare a dispozitivelor restrictiile de timp impuse

functia de baza: configurarea sistemului de control in regim dinamic rolul: adaptarea unei configuratii generice la particularitatile unui proces

tehnologic ce se configureaza:

numarul si tipul dispozitivelor conectate in sistem functia fiecarei componente parametrii asociati dispozitivelor fizice limite admisibile si limite de avertizare/avarie scheme de inlocuire automata a dispozitivelor defecte tipurile de evenimente acceptate in sistem frecventa de achizitie a datelor

alocarea sarcinilor tine cont de: disponibilitatea componentelor de a indeplini o anumita functie gradul de incarcare a dispozitivelor restrictiile de timp impuse

Set de componente grafice pentruinterfaţa utilizator

functii de baza: vizualizarea grafica a datelor transmiterea de comenzi ale operatorului uman

Tipuri de elemente grafice: obiect grafic simplu – obiect care nu se conectează la o variabilă de proces, are doar rolul

de a sugera imaginea reală a unei componente de proces (ex.: cabluri de legătură, conducte,rezervoare, etc.)

variabilă digitală de intrare – obiect care reprezintă starea unui senzor bipoziţional variabilă digitală de ieşire – obiect care reprezintă starea unui element de execuţie

bipoziţional variabilă analogică de intrare – obiect care reprezintă un senzor analogic variabilă analogică de ieşire – obiect care reprezintă un element de execuţie controlat

printr-un semnal analogic grafic – obiect care reprezintă evoluţia în timp a unei variabile de proces

atributele unui obiect grafic: o listă de imagini – care simbolizează o componentă fizică de proces, în mai multe stări o referinţă către o variabilă de proces – a cărei valoare sau stare se vizualizează o valoare de afişare – care păstrează valoarea afişată o variabilă de stare – care indică dacă obiectul este vizibil sau nu o referinţă către o funcţie de vizualizare – care generează imaginea obiectului grafic o referinţă către o funcţie de conversie – care transformă valoarea variabilei de proces

într-o valoare de afişare o referinţă către o funcţie de modificare a valorii variabilei de proces alte atribute şi funcţii specifice pentru diferite tipuri de obiecte

functii de baza: vizualizarea grafica a datelor transmiterea de comenzi ale operatorului uman

Tipuri de elemente grafice: obiect grafic simplu – obiect care nu se conectează la o variabilă de proces, are doar rolul

de a sugera imaginea reală a unei componente de proces (ex.: cabluri de legătură, conducte,rezervoare, etc.)

variabilă digitală de intrare – obiect care reprezintă starea unui senzor bipoziţional variabilă digitală de ieşire – obiect care reprezintă starea unui element de execuţie

bipoziţional variabilă analogică de intrare – obiect care reprezintă un senzor analogic variabilă analogică de ieşire – obiect care reprezintă un element de execuţie controlat

printr-un semnal analogic grafic – obiect care reprezintă evoluţia în timp a unei variabile de proces

atributele unui obiect grafic: o listă de imagini – care simbolizează o componentă fizică de proces, în mai multe stări o referinţă către o variabilă de proces – a cărei valoare sau stare se vizualizează o valoare de afişare – care păstrează valoarea afişată o variabilă de stare – care indică dacă obiectul este vizibil sau nu o referinţă către o funcţie de vizualizare – care generează imaginea obiectului grafic o referinţă către o funcţie de conversie – care transformă valoarea variabilei de proces

într-o valoare de afişare o referinţă către o funcţie de modificare a valorii variabilei de proces alte atribute şi funcţii specifice pentru diferite tipuri de obiecte

Ce se urmareste prin modelul distribuit propus?

fiabilitate ridicată – prin caracterul distribuit al serviciilor scalabilitate – prin posibilitatea adăugării de noi servicii pe lângă

cele existente, fără modificarea celor existente reconfigurabilitate dinamică – prin identificarea automată şi

periodică a configuraţiei de sistem şi realocarea dinamică asarcinilor în cazul unor defecţiuni

toleranţă la defecte – prin existenţa unor componenteredondante şi prin reconfigurarea automată a sistemului în cazde defect

timp de reacţie mai scurt – prin distribuirea “inteligenţei” şi aresponsabilităţii decizionale

transparenţa comunicaţiei în reţea – prin funcţii de acces laresursele distribuite oferite de serverul local

fiabilitate ridicată – prin caracterul distribuit al serviciilor scalabilitate – prin posibilitatea adăugării de noi servicii pe lângă

cele existente, fără modificarea celor existente reconfigurabilitate dinamică – prin identificarea automată şi

periodică a configuraţiei de sistem şi realocarea dinamică asarcinilor în cazul unor defecţiuni

toleranţă la defecte – prin existenţa unor componenteredondante şi prin reconfigurarea automată a sistemului în cazde defect

timp de reacţie mai scurt – prin distribuirea “inteligenţei” şi aresponsabilităţii decizionale

transparenţa comunicaţiei în reţea – prin funcţii de acces laresursele distribuite oferite de serverul local


Sisteme informatice industriale

Obiective integrarea diferitelor componente functionale ale unei unitati

productive intr-un sistem informatic unitar facilitatea schimbului de informatii intre compartimente

functionale achizitia, stocarea si vizualizarea in timp-real a informatiilor ce

vizeaza activitatile unei intreprinderi control mai bun al resurselor (materiale, financiare, umane);

informatia in sine devine o resursa de valoare (eng. asset) suport pentru decizii manageriale cale de optimizare a proceselor: reducerea costurilor, cresterea

productivitatii, utilizarea mai eficienta a resurselor eliminarea informatiilor si a activitatilor conexe (achizitie,

stocare, procesare) redondante flexibilitate si mobilitate in procesele de fabricatie prin

posibilitatea reconfigurarii dinamice a fluxurilor de productie o mai buna adaptare la piata

integrarea diferitelor componente functionale ale unei unitatiproductive intr-un sistem informatic unitar

facilitatea schimbului de informatii intre compartimentefunctionale

achizitia, stocarea si vizualizarea in timp-real a informatiilor cevizeaza activitatile unei intreprinderi

control mai bun al resurselor (materiale, financiare, umane);informatia in sine devine o resursa de valoare (eng. asset)

suport pentru decizii manageriale cale de optimizare a proceselor: reducerea costurilor, cresterea

productivitatii, utilizarea mai eficienta a resurselor eliminarea informatiilor si a activitatilor conexe (achizitie,

stocare, procesare) redondante flexibilitate si mobilitate in procesele de fabricatie prin

posibilitatea reconfigurarii dinamice a fluxurilor de productie o mai buna adaptare la piata

Evolutia conceptului desistem informatic industrial firma industriala = retea de activitati ce se interconditioneaza reciproc si

care interactioneaza intre ele interactiune = schimb de informatii

primele realizari (anii 1960-70) aplicatii specifice pentru fiecare tip deactivitate: evidenta materialelor (gestiunea materialelor), evidenta personalului (pontaj si salarizare) evidenta contabila, lansarea in productie si evidenta costurilor de fabricatie controlul proceselor de fabricatie, etc. evidenta proceselor de intrare/iesire (aprovizionare si desfacere

MRP – Material Requirements Planning planificarea productiei si a necesarului de materiale pe baza

comenzilor existente MRP II – varianta extinsa a MRP

adauga planificarea capacitatilor de productie si a personalului

firma industriala = retea de activitati ce se interconditioneaza reciproc sicare interactioneaza intre ele interactiune = schimb de informatii

primele realizari (anii 1960-70) aplicatii specifice pentru fiecare tip deactivitate: evidenta materialelor (gestiunea materialelor), evidenta personalului (pontaj si salarizare) evidenta contabila, lansarea in productie si evidenta costurilor de fabricatie controlul proceselor de fabricatie, etc. evidenta proceselor de intrare/iesire (aprovizionare si desfacere

MRP – Material Requirements Planning planificarea productiei si a necesarului de materiale pe baza

comenzilor existente MRP II – varianta extinsa a MRP

adauga planificarea capacitatilor de productie si a personalului

Evolutia conceptului desistem informatic industrial (continuare)

ERP – Enterprise Resource Planning extensie a MRP prin functii suplimentare:

managementul calitatii vinzare si distribuite managementul personalului managementul proiectelor

extensii in afara firmei: managementul lantului de aprovizionare (supply chain) comunicatia inter-firme (B2B – business to business) comert electronic

MES - Manufacturing Execution System se ocupa de urmarirea productiei (ERP se ocupa numai de “planificarea”

productiei) Functii de baza:

dispecerizarea si monitorizarea productiei planificarea detaliata a fazelor/proceselor de productie achizitia si stocarea datelor de productie (imagine de moment a starii

procesului de fabricatie analiza calitatii productiei inregistrarea pe termen lung a datelor de productie

ERP – Enterprise Resource Planning extensie a MRP prin functii suplimentare:

managementul calitatii vinzare si distribuite managementul personalului managementul proiectelor

extensii in afara firmei: managementul lantului de aprovizionare (supply chain) comunicatia inter-firme (B2B – business to business) comert electronic

MES - Manufacturing Execution System se ocupa de urmarirea productiei (ERP se ocupa numai de “planificarea”

productiei) Functii de baza:

dispecerizarea si monitorizarea productiei planificarea detaliata a fazelor/proceselor de productie achizitia si stocarea datelor de productie (imagine de moment a starii

procesului de fabricatie analiza calitatii productiei inregistrarea pe termen lung a datelor de productie

Fluxul de informatii intr-un sisteminformatic de intreprindere

Comenzi Previziuni

PlanificareInventarul de

materialeInventarul

capacitatii deproductie

Retete defabricatie

MRP/ERPInventarulcapacitatii de

productie

Necesarul demateriale si

echipamente

Urmarireoperativa

Bonuri deconsum

Pontaje

Rapoarteeconomice

Rapoarte deproductie

Cereri demateriale

Plan deproductie

MES

Structura ierarhica a unuisistem informatic industrial

Nivelul 5 DistributieTransportControl lant de distributiePrevizionare cereri

Nivelul 4 IntreprindereProcesare comenziAprovizionarePlanificare generala

ERP

Contabilitate

Nivelul 3 Proces defabricatie

Nivelul 3 Celula/liniede fabricatie

Nivelul 3 Echipamentde fabricatie

Admin. materialelorMentenantaPlanificare locala

Contabilitate

Controlul calitatiiCoordonare/secventiere activitati

Monitorizare si controlManagementul evenimentelor

Control digitalReglaj in buclaSenzori si elemente de actionare

MES

DCC,SCADA

DCS – Direct Computer Control

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition

Ierarhizarea pe baza nivelelor de comunicatie

Comunicatiain lantul dedistributie

Comunicatiala nivelul de

Business

Comunicatiala nivelulproductiei

Retea locala industriala

Comenzi Achizitii Contabilitate Inginerie ProiectareBaza de datea

intreprinderii

Aplicatie de Monitorizare si control

Componentele unui sistem informaticindustrial (SII) Managementul relatiei cu clientii Managementul realizarii comenzilor Managementul depozitelor Managementul calitatii Managementul resursei umane (personal) Managementul contabil si financiar Managementul distributiei si a lantului de

aprovizionare

Managementul relatiei cu clientii Managementul realizarii comenzilor Managementul depozitelor Managementul calitatii Managementul resursei umane (personal) Managementul contabil si financiar Managementul distributiei si a lantului de

aprovizionare

Managementul relatiei cu clientii contine o BD si o aplicatie care:

tine evidenta clientilor administreaza vanzarile face marketing ajuta clientii in utilizarea produselor (hotline) gestioneaza garantia si eventualele reparatii monitorizeaza starea comenzilor

starea de fabricatie (in asteptare, lansat in productie,produs finit, produs livrat)

starea platiilor (neplatit, partial platit, leasing, etc.) monitorizeaza frecventa comenzilor in vederea

adoptarii unor strategii de vanzare sau de productie(ex: previzionare productie, reclama selectiva sidirectionata)

contine o BD si o aplicatie care: tine evidenta clientilor administreaza vanzarile face marketing ajuta clientii in utilizarea produselor (hotline) gestioneaza garantia si eventualele reparatii monitorizeaza starea comenzilor

starea de fabricatie (in asteptare, lansat in productie,produs finit, produs livrat)

starea platiilor (neplatit, partial platit, leasing, etc.) monitorizeaza frecventa comenzilor in vederea

adoptarii unor strategii de vanzare sau de productie(ex: previzionare productie, reclama selectiva sidirectionata)

Managementul realizarii comenzilor

o functie de baza a SII ce incorporeaza urmatoarele: primirea comenzilor controlul fazelor de productie aprovizionarea managementul inventarului de materiale livrarea

o functie de baza a SII ce incorporeaza urmatoarele: primirea comenzilor controlul fazelor de productie aprovizionarea managementul inventarului de materiale livrarea

Managementul depozitelor tine evidenta materiilor prime, a semifabricatelor si a produselor

finite functii:

codarea unica a tipurilor de materiale evidenta cantitativa si valorica a materialelor evidenta starii materialelor (ex. termen de valabilitate,

conditii de pastrare) evidenta miscarii materialelor si a transformarilor suferite genereaza rapoarte privind materialele disponibile si

necesarul de materiale probleme de evidenta:

aceleasi produse achizitionate la preturi diferite deteriorarea unor produse, imbatranirea morala

tine evidenta materiilor prime, a semifabricatelor si a produselorfinite

functii: codarea unica a tipurilor de materiale evidenta cantitativa si valorica a materialelor evidenta starii materialelor (ex. termen de valabilitate,

conditii de pastrare) evidenta miscarii materialelor si a transformarilor suferite genereaza rapoarte privind materialele disponibile si

necesarul de materiale probleme de evidenta:

aceleasi produse achizitionate la preturi diferite deteriorarea unor produse, imbatranirea morala

Managementul calitatii sistem de verificare, documentare si garantare a calitatii

produselor implementeaza standarde de evidenta a calitatii produselor (ex:

ISO 9001) asigura etichetarea unica a produselor, inregistrarea conditiilor

de productie si a parametrilor de functionare verificarea calitatii:

individual pe fiecare produs verificare statistica pe loturi de produse

trasabilitatea produselor: sistem care permite refacerea lantului de productie si livrare

a produselor, in vederea identificarii unor surse de risc deosebit de important in industria alimentara (vezi

standardul HACCP)

sistem de verificare, documentare si garantare a calitatiiproduselor

implementeaza standarde de evidenta a calitatii produselor (ex:ISO 9001)

asigura etichetarea unica a produselor, inregistrarea conditiilorde productie si a parametrilor de functionare

verificarea calitatii: individual pe fiecare produs verificare statistica pe loturi de produse

trasabilitatea produselor: sistem care permite refacerea lantului de productie si livrare

a produselor, in vederea identificarii unor surse de risc deosebit de important in industria alimentara (vezi

standardul HACCP)

Managementul resursei umane(personal) Aceasta componenta se ocupa de:

administrarea datelor privind angajatii: date de identificare date demografice data privind calificarea si nivelul de salarizare

evidenta pontajelor si a salarizarii personalului in acord cu reglementarile in vigoare (in permanenta

modificare) calculul contributiilor si a impozitelor (fond de pensii,

CAS, somaj, ajutorare handicapati, impozit pe salar) evidenta diverselor sporuri (conditii periculoase, stres,

vechime, de conducere, de confidentialitate, etc.) evidenta concediilor evidenta programelor de perfectionare a personalului

Aceasta componenta se ocupa de: administrarea datelor privind angajatii:

date de identificare date demografice data privind calificarea si nivelul de salarizare

evidenta pontajelor si a salarizarii personalului in acord cu reglementarile in vigoare (in permanenta

modificare) calculul contributiilor si a impozitelor (fond de pensii,

CAS, somaj, ajutorare handicapati, impozit pe salar) evidenta diverselor sporuri (conditii periculoase, stres,

vechime, de conducere, de confidentialitate, etc.) evidenta concediilor evidenta programelor de perfectionare a personalului

Managementul contabil si financiar

realizeaza evidenta contabila a intreprinderiiin conformitate cu reglementarile in vigoare: evidenta dubla: analitic si sintetic evidenta veniturilor si a cheltuielilor evidenta fluxurilor de numerar si a lichiditatilor evidenta incasarii facturilor plata periodica a impozitelor, accizelor si a

contributiilor generarea de rapoarte periodice catre

Finantele statului

realizeaza evidenta contabila a intreprinderiiin conformitate cu reglementarile in vigoare: evidenta dubla: analitic si sintetic evidenta veniturilor si a cheltuielilor evidenta fluxurilor de numerar si a lichiditatilor evidenta incasarii facturilor plata periodica a impozitelor, accizelor si a

contributiilor generarea de rapoarte periodice catre

Finantele statului

Managementul distributiei si a lantuluide aprovizionare tine evidenta produselor pe lantul de achizitie si vanzare verigile unui lant de achizitie si vanzare:

furnizor linia de fabricatie centru de distributie central centru de distributie regional centru de distributie local firma intermediara de vanzari consumator

functii: urmarirea comenzilor prin distribuitori managementul depozitelor pe lantul de aprovizionare urmarirea produselor in punctele de vanzare schimbul de informatii in lantul de aprovizionare optimizarea stocurilor

metode de evidenta automata a produselor: cod de bare sistem RFID sisteme standardizate de identificare unica a produselor

tine evidenta produselor pe lantul de achizitie si vanzare verigile unui lant de achizitie si vanzare:

furnizor linia de fabricatie centru de distributie central centru de distributie regional centru de distributie local firma intermediara de vanzari consumator

functii: urmarirea comenzilor prin distribuitori managementul depozitelor pe lantul de aprovizionare urmarirea produselor in punctele de vanzare schimbul de informatii in lantul de aprovizionare optimizarea stocurilor

metode de evidenta automata a produselor: cod de bare sistem RFID sisteme standardizate de identificare unica a produselor

Sistem suport pentru decizii foloseste informatii din SII in vederea generarii de

prognoze si informatii sintetice necesare in procesulde luare a deciziilor

se utilizeaza diversi algoritmi de procesare statistica,analiza si prognozare a evolutiilor viitoare

se folosesc modele de predictie, de simulare,planificare, etc.

tehnici de inteligenta artificiala pentru: identificarea unor modele (patternuri) evaluarea diferitelor scenarii posibile (tehnici de

cautare) luarea unor decizii pe baza unui set de reguli indicate

empiric sau generate in urma unui proces de invatare(ex: logica Fuzzy)

foloseste informatii din SII in vederea generarii deprognoze si informatii sintetice necesare in procesulde luare a deciziilor

se utilizeaza diversi algoritmi de procesare statistica,analiza si prognozare a evolutiilor viitoare

se folosesc modele de predictie, de simulare,planificare, etc.

tehnici de inteligenta artificiala pentru: identificarea unor modele (patternuri) evaluarea diferitelor scenarii posibile (tehnici de

cautare) luarea unor decizii pe baza unui set de reguli indicate

empiric sau generate in urma unui proces de invatare(ex: logica Fuzzy)

Clasificarea proceselor de fabricatie

in functie de modul de realizare a produselor si de posibilitatilede modelare informatica se disting 3 tipuri de procese defabricatie: procese mecanice de fabricatie

produsele se obtin prin transformari mecanice (ex: turnare,aschiere, deformare, asamblare, etc.)

procese fizico-chimice – de alta natura decat cele mecanice(ex: realizarea de produse chimice, alimentare,farmaceutice, etc.)

produsele se obtin prin transformari cu preponderenta chimice procese generatoare de servicii – sunt firme care furnizeaza

unul sau mai multe servicii, ca de exemplu: servicii financiare, servicii medicale sau de analiza servicii de comunicatie, transport servicii de logistica

in functie de modul de realizare a produselor si de posibilitatilede modelare informatica se disting 3 tipuri de procese defabricatie: procese mecanice de fabricatie

produsele se obtin prin transformari mecanice (ex: turnare,aschiere, deformare, asamblare, etc.)

procese fizico-chimice – de alta natura decat cele mecanice(ex: realizarea de produse chimice, alimentare,farmaceutice, etc.)

produsele se obtin prin transformari cu preponderenta chimice procese generatoare de servicii – sunt firme care furnizeaza

unul sau mai multe servicii, ca de exemplu: servicii financiare, servicii medicale sau de analiza servicii de comunicatie, transport servicii de logistica

Procese mecanice de fabricatie moduri de organizare a

procesului de fabricatie: functionala sau “job shop” linie de fabricatie celula de fabricatie sistem flexibil de productie

moduri de organizare aprocesului de fabricatie: functionala sau “job shop” linie de fabricatie celula de fabricatie sistem flexibil de productie

Procese fizico-chimice

in functie de modul de realizare in timp aproduselor se clasifica in: procese continue de fabricatie

flux continuu de materii prime si de produse finite exemple: productia de energie electrica, termica,

procese de fabricatie in loturi (batch) productia se desfasoara in sarje, cicluri, un ciclu necesita o anumita compozitie de materii

prime (reteta) si se genereaza un numarpredefinit de produse finite

in functie de modul de realizare in timp aproduselor se clasifica in: procese continue de fabricatie

flux continuu de materii prime si de produse finite exemple: productia de energie electrica, termica,

procese de fabricatie in loturi (batch) productia se desfasoara in sarje, cicluri, un ciclu necesita o anumita compozitie de materii

prime (reteta) si se genereaza un numarpredefinit de produse finite

Procese generatoare de servicii

Date post:	09-Aug-2015
Category:	Documents
Upload:	manuela88
View:	225 times
Download:	18 times

Informatica Industriala Curs

Documents