VYSOKÉ UČENÍ ECHNICKÉ V BNĚ BNO UNIVESIY OF ECHNOLOGY FAKULA ELEKOECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH ECHNOLOGIÍ ÚSAV ELEKOMUNIKACÍ FACULY OF ELECICAL ENGINEEING AND COMMUNICAION DEPAMEN OF ELEKOMMUNICAIOS EMOELEKICKÉ ZAŘÍZENÍ S PELIEIHO ČLÁNKY HEMOELECIC DEVICE WIH PELIE ELEMENS BAKALÁŘSKÁ PÁCE BACHELO S HESIS AUO PÁCE AUHO VEDOUCÍ PÁCE SUPEVISO OMÁŠ KLÍ doc. Ing. IVAN AMPL, CSc. BNO 2007
VYSOKÉ UČENÍ ECHNICKÉ V BNĚ Fakulta elektotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Bakalářská páce bakalářský studijní obo eleinfomatika Student: omáš Klí ID: 98493 očník: 3 Akademický ok: 2008/2009 NÁZEV ÉMAU: emoelektické zařízení s Peltieiho články POKYNY PO VYPACOVÁNÍ: Navhněte elektonické zařízení využívající Peltieiho články k udžování stabilní teploty v biologickém temostatu. Podmínkou je homogenní ozložení teploty v celém objemu tepelně izolovaného postou. Zaměřte se zejména na eliminaci ychlých teplotních změn a poto použijte vhodný pincip egulátou (např. popocionálně-integačně-deivační PID eguláto). Expeimentálně ověřte funkčnost navženého zařízení. Nastavitelný ozsah teplot v postou temostatu: = (20-40) oc, Napájení: Uss = 12 V DOPOUČENÁ LIEAUA: [1] ĎAĎO, S.: Senzoy a převodníky. ISBN: 80-01-03123-3. ČVU Paha, 2006 [2] FUKÁKO,.: Detekce a měření ůzných duhů záření. ISBN: 80-7300-193-4. BEN-technická liteatua, 2006 [3] Kol. autoů: Elektonika - polovodičové součástky a základní zapojení. ISBN: 80-7300-123-3. BEN-technická liteatua, 2006 [4] BALÁŤE, J.: Automatické řízení. ISBN: 978-80-7300-148-3 / 9788073001483. BEN-technická liteatua, 2004 emín zadání: 9.2.2009 emín odevzdání: 2.6.2009 Vedoucí páce: doc. Ing. Ivan ampl, CSc. pof. Ing. Kamil Vba, CSc. Předseda oboové ady
Abstakt ato bakalářská páce obsahuje popis jednotlivých pvků biologického temostatu. Je zde popsán temoelektický jev a Peltieův článek, kteý ho využívá. V textu jsou popsány nejčastější způsoby měření teploty. Po její řízení jsou zde popsány základní typy egulátoů P, PI, PD, PID a PSD. ato páce obsahuje jak jejich teoetický popis, tak metody po stanovení jejich paametů. Dále jsou zde popsány obvodové pvky po řízení výkonu Peltieova článku a mikopocesou a popis pogamu mikopocesou. Abstact. his bachelos thesis contains desciption of paticula components of the biological temostat. hee is descibed hemoelectic effect and Peltie element, witch it use. he text descibes the most common methods of tempeatue measuement. Fo its management ae descibed basic types of egulatos - P, PI, PD, PID and PSD. his wok contains the theoetical desciption and methods fo the detemination of thei paametes. hee ae also descibed cicuit elements fo pefomance management of Peltie element and micopocesso and a desciption of contol pogam of the micopocesso. Klíčová slova emoelektický jev, Seebeckův koeficient, Peltieův koeficient, Peltieův článek, temisto, NC, PC, P, PI, PD, PID, PSD. Key wods hemoelectic effect, Seebeck coefficient, Peltie coefficient, Peltie element, temisto, NC, PC, P, PI, PD, PID, disceet PID. KLÍ,. emoelektické zařízení s Peltieiho články. Bno: Vysoké učení technické v Bně, Fakulta elektotechniky a komunikačních technologií, 2009. 51s. Vedoucí páce doc. Ing. Ivan ampl, CSc.
Pohlášení Pohlašuji, že svou bakalářskou páci na téma emoelektické zařízení s Peltieiho články jsem vypacoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské páce s použitím odboné liteatuy a dalších infomačních zdojů, kteé jsou všechny uvedeny v seznamu liteatuy na konci páce. Jako auto uvedené bakalářské páce dále pohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské páce jsem nepoušil autoská páva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autoských páv osobnostních a jsem si plně vědom následků poušení ustanovení 11 a následujících autoského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných testněpávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 testního zákona č. 140/1961 Sb. V Bně dne................................................. podpis autoa
Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské páce doc. Ing. Ivanovi amplovi, CSc. za vhodnou metodickou a odbonou pomoc při zpacování této bakalářské páce a za zajištění podmínek po měření. V Bně dne................................................. podpis autoa
OBSAH Úvod 7 1 Peltieův článek. 8 1.1 emoelektický jev 8 1.2 Peltieův článek. 10 2 eplotní senzoy.... 11 2.1 emistoy. 11 2.2 Integované teplotní senzoy. 15 3 egulátoy... 16 3.1 Analogové egulátoy 16 3.1.1 Identifikace egulované soustavy... 19 3.1.2 Stanovení paametů egulátoů.. 21 3.2 Diskétní egulátoy... 25 4 Biologický temostat.... 29 5 Mikopoceso. 31 6 Komunikační ozhaní. 33 7 egulační člen. 34 8 Výpočet paametů egulátou. 35 9 Závě.... 43 Seznam použitých zdojů... 44 Seznam použitých zkatek. 45 Seznam příloh 46 A Řídící jednotka 47 A.1 Schéma zapojení řídící jednotky... 47 A.2 Seznam součástek. 48 A.3 DPS pohled se stany spojů... 49 A.4 DPS osazovací plán... 49 A.5 DPS fotogafie zeshoa.. 50 B Obsah přiloženého CD 51
ÚVOD Biologický temostat je zařízení sloužící k zajištění konstantní teploty volitelné v učitém ozsahu. Je použitelný v oblasti biotechnologie, botaniky, potavinářství a jiných odvětvích, kde je zapotřebí postředí učitým způsobem, v našem případě udžením konstantní teploty, idealizovat. uto páci je možno ozdělit na dvě části. Na teoetickou (kapitoly 1 3) a paktickou (kapitoly 4 8). eoetická část obsahuje popis přeměny elektické enegie na tepelnou a opačně a možnosti egulace. Je zde popsán způsob přeměny elektické enegie na tepelnou pomocí Peltieova článku, především jak vzniká teplotní ozdíl na jeho stanách. Po opačný způsob, tedy měření teploty, jsou zde především popsány vlastnosti temistoů, kteé jsou po tento účel nejpoužívanější. Po možnost egulace jsou popsány analogové P, PI, PD, PID egulátoy a diskétní PSD eguláto a vybané postupy po jejich návh. Paktická část obsahuje popis obvodových pvků takovéhoto zařízení. Závě paktické části tvoří vlastní měření na biologickém temostatu a návh egulátou. 7
1. PELIEŮV ČLÁNEK 1.1 emoelektický jev emoelektický jev [3, 4] popisuje, jak může být tepelná enegie přeměněna na elektickou enegii a opačně. K poozumění jsou důležité dva nejznámější temoelektické jevy a to jev Seebeckův a Peltieův. Seebeckův jev popisuje, jak na vodiči, jehož konce mají ozdílnou teplotu, vzniká elektické napětí. oto napětí je důsledek pohybu elektonů od teplejšího konce H ke konci chladnějšímu S (ob. 1.1). Vzniklé napětí je úměné ozdílu teplot. Míu úměnosti vyjadřuje Seebeckův koeficient [3], také znám jako temoelektický. Aby však bylo možné měřit Seebeckův koeficient, je zapotřebí připojit daný mateiál k milivoltmetu, jehož přívodní kabely mají svůj Seebeckův koeficient. Měříme tedy pouze ozdíl těchto koeficientů. S H mv Ob. 1.1: Seebeckův článek Opakem Seebeckova jevu je Peltieův jev. en popisuje, jak může být tepelná enegie přenášena mezi spoji ůzných vodičů, kteými potéká poud. Převod tepelné enegie je závislý na velikosti poudu pocházejícího obvodem a jeho směu. Míu úměnosti učuje Peltieův koeficient Π [3], kteý učuje, jaké množství tepla se přenese na jednotku poudu pocházejícího obvodem. Stejně jako u Seebeckova koeficientu lze měřit pouze ozdíl koeficientů ůzných vodičů. Peltieův koeficient je mezi dvěma ůznými kovy velice malá opoti polovodičům. o je důsledek toho, že u kovů má enegie elektonů velmi blízko k Femiho enegii. Představme si, že napětí přiložené na polovodič způsobí půchod poudu o poudové hustotě: j q n e) ( v ), (1.1) ( e kde n je hustota elektonů, -e náboj elektonu a v e diftová ychlost elektonu. Nyní uvažujeme množství enegie přenesené touto poudovou hustotou. Celkovou enegii elektonu ε tvoří převážně jeho kinetická enegie. uto enegii musíme poovnat s Femiho enegií ζ. 8
. (1.2) Femiho enegie je uvažována, jelikož ozdílné vodiče mají v místě styku stejnou Femiho enegii, a tak slouží jako efeenční bod. oto vede k toku enegie j u : j u n ) ( v ). (1.3) ( e Peltieův koeficient vyjadřuje j u j q a je tedy, v tomto případě po elektony: e ( ). (1.4) e ato konstanta nabývá záponých hodnot, což znamená, že tok enegie a tok náboje jsou opačné. Po nosiče kladných nábojů je postup obdobný. Místo n dosazujeme počet dě p a v e nahadíme v n. Peltieův koeficient tedy bude mít tva: d ( ). (1.5) e V tomto případě má tok enegie shodný smě s tokem náboje. Seebeckův koeficient je definován jako: E, (1.6) kde E je intenzita vyvolaného elektostatického pole a absolutní teplota. Seebeckův koeficient a Peltieův koeficient spojuje Kelvinův vztah:. (1.7) 9
1.2 Peltieův článek Peltieův článek [4] se převážně používá po chlazení. Jeho základní zapojení je na ob. 1.2. Ob. 1.2: Základní zapojení Peltieova článku [4] Q zde značí teplo absobované, Q H teplo vyzařované, P a N jsou polovodiče s děovou a elektonovou vodivostí. K výobě se nejčastěji používají vizmut-telluidy kvůli jejich malému měnému odpou a tepelné vodivosti. Jako mateiál po spojovací můstek se převážně používá měď. Při spojení těchto dvou mateiálů však dochází k difúzi do polovodičového mateiálu, což má za následek zvýšení přechodového odpou. ím při půchodu poudu obvodem vzoste i Jouleovo teplo, kteé pak negativně ovlivňuje chladící schopnosti článku (konkétně maximální teplotní ozdíl spojů). yto elementání články se zapojují do séie ve větší celky (ob. 1.3) po dosažení většího chladícího výkonu. Keamika má zde význam izolátou. Musí mít samozřejmě velmi dobou tepelnou vodivost. Dalším kaskádním řazením lze dosáhnout vyšších teplotních ozdílů. Ob. 1.3: Peltieův článek [4] 10
2. EPLONÍ SENZOY eplotní senzoy [5, 6, 9] lze ozdělit do dvou základních skupin: - dotykové, - bezdotykové. Dotykové senzoy lze dále ozdělit na: - elektické odpoové kovové senzoy, odpoové polovodičové senzoy (temistoy), P-N senzoy, integované polovodičové senzoy, temočlánky, - dilatační kapalinové, plynové, bimetalové, - speciální akustické, magnetické, s tekutými kystaly, teploměné bavy, šumové. Bezdotykové senzoy se dělí na: - teplené bolomety, pyomety, - kvantové infačevené fotodiody, fotovodivostní detektoy epelné senzoy využívají ohřevu citlivé části senzou vlivem infačeveného záření měřeného senzou. Kvantové využívají přímé inteakce fotonů záření s polovodičovým mateiálem detektou. Bezdotykové senzoy však umožňují měření pouze povchové teploty. Po náš případ jsou nejvhodnější dotykové (neměříme teplotu povchu), elektické (není zapotřebí složitě převádět na elektický signál). V zadaném ozsahu teplot se používají nejčastěji temistoy [9]. Jejich přednosti jsou: malé ozměy a cena, velký teplotní koeficient. 2.1 emistoy Jsou to polovodičové součástky vyobené z polykystalické keamiky ze směsi oxidů a kovů. Svojí vlastnost získávají při spékání v ozmezí teplot (1000 1400) C, kdy při vytváření hanic jednotlivých zn vznikají chyby v kystalické mřížce. y pak při zvýšení teploty způsobí změnu mechanismu vedení poudu. Jejich nevýhoda je v nelineání závislosti odpou na teplotě a je tedy zapotřebí tuto závislost dodatečně lineaizovat. emistoy se, podle změny odpou v pacovní oblasti, dělí na dva typy: - NC (Negative empeatue Coefficient) temistoy nebo-li negastoy, - PC (Positive empeatue Coefficient) temistoy nebo-li pozistoy. ozdílné je také umístění pacovní oblasti. PC temisto se používá v ozmezí teplot (80 125) C. V této oblasti může jeho odpo vzůst až o 60 % na stupeň změny teploty. Po náš zadaný ozsah teplot tedy není vhodný. NC temisto má záponý teplotní koeficient a změna odpou na stupeň teploty se zmenší o (3 5,5) %. Závislost odpou na teplotě je na ob. 2.1. Vhodnější je však 11
voltampéová chaakteistika (ob. 2.2), kteá se nemění při zahřívání temistou v důsledku půchodu poudu. Nazývá se tzv. statickou chaakteistikou [9]. Je ozdělena na tři části: - pvní část je téměř lineání a teplota temistou odpovídá teplotě okolí, - v duhé části se již začne výazněji pojevovat Jouleovo teplo a zvýšením teploty klesne odpo temistou. Při učitém poudu dosáhne napětí na temistou maxima a poté klesá. - Ve třetí části je teplota temistou na teplotě okolí téměř nezávislá. (Ω) 10 1 10 0 10-1 10-2 0 100 200 300 ϑ ( C) Ob. 2.1: Závislost odpou NC temistou na teplotě 100 U (V) 10 1 0,1 1 10 100 1000 I (ma) Ob. 2.2: Voltampéová chaakteistika temistou 12
Chaakteistiku lze ovlivnit například chlazením temistou, změnou velikosti a typu povchu. yto změny ovlivňují velikost lineání části a tva chaakteistiky zůstává přibližně stejný. Pokud do temistou dodáváme konstantní elektický výkon, teplota nejdříve vzoste, ale po učité době se odvede do okolí a temisto dosáhne stacionáního stavu. Pochází-li temistoem poud, kteý způsobí jeho zanedbatelný ohřev, je vztah po výpočet odpou temistou: B A e, (2.1) Po zlogaitmování dostaneme vztah: B ln A, (2.2) kde A je konstanta závislá na geometickém ozměu, B teplotní konstanta temistou a temodynamická teplota v K. V ozsahu (0 50) C je nelineaita ±0,3 C. eplotní součinitel je definován ovnicemi: 1 d [K -1 1 d ], 100 [% K -1 ], d d 1 dt 1 dt [ C -1 ], 100 [% C -1 ]. (2.3) dt dt t t Deivováním dostaneme: B [K -1 ], (2.4) 2 B 100 [% K -1 ]. 2 Hodnota teplotního součinitele je po každou hodnotu B ůzná, jak je vidět na ob. 2.3. Vydělíme-li vztahy (2.1) a (2.2) po teploty 1 (odpo temistou 1 ) a 2 (odpo temistou 2 ), zbavíme se konstanty A. 1 2 1 1 B( 2 1 ) B( ) [ ] 1 2 1 2 2 e e, (2.5) 13
logaitmováním dostaneme: B 1 2 1. (2.6) 2 1 ln 2 8 α 10 2 (K -1 ) 7 6 5 4 3 B = 5000 2 B = 4000 B = 3000 1 B = 2000 0 20 40 60 80 100 120 t ( C) Ob. 2.3:Závislost teplotního činitele na teplotě a konstantě B Jak již bylo napsáno, temisto je zapotřebí lineaizovat. Pokud je teplota vyhodnocována mikopocesoem, není nic jednoduššího, než upavit ozhodovací úovně. Dalšími možnostmi jsou připojení jednoho či více odpoů. y lze připojit buď séiově, paalelně nebo pomocí můstkového zapojení. Můstkových zapojení temistou je mnoho a uvedu zde pouze jedno (ob. 2.4) [9]. Jsou zde zapojeny dva temistoy, což vede nejenom k lineaizaci, ale také ke zvýšení citlivosti. Můstkové napětí U M je dále zapotřebí zesílit ozdílovým zesilovačem. 1 2 U CC 3 U M 4 Ob. 2.4: Můstkové zapojení temistou 14
oto zapojení by jsem zvolil, pokud bych celé zařízení vyáběl sám. Jelikož je A/D převodník již integován v mikopocesou, je cena takovéhoto senzou i s ozdílovým zesilovačem o více než o polovinu menší. Vyáběl jsem však pouze řídící elektoniku a senzo již je integován v zapůjčeném emoboxu (viz kapitolu 4). Jedná se o integovaný senzo popisovaný v následující kapitole. 2.2 Integované teplotní senzoy Jsou to již lineaizované obvody, kteé již bývají kalibovány během výoby. Jejich jediná nevýhoda je vyšší cena. V emoboxu je integovaný senzo SM160-30 (ob. 2.5) [12]. en se vyábí ve čtyřech ůzných pouzdech (O18, O92, O220, SOIC). Jeho výstup je ealizován puslně šířkovou modulací a je možné ho přímo připojit na vstup mikopocesou. Odpadá tedy nutnost použití A/D převodníku. Další výhodou je možnost použití připojení až dvacet metů dlouhým třídátovým kabelem. ento senzo je také kalibován již během výoby. Chaakteistické vlastnosti SM160-30 jsou: - absolutní přesnost 1,2 C (v ozsahu 45 130 C ), 0,7 C (v ozsahu 40 100 C ), - nelineaita maximálně 0,2 C, - napájecí napětí 5 V, odbě 160 200µA, - výstupní fekvence 4 khz. Ob. 2.5: Integovaný teplotní senzo SM160-30 (pouzdo O92) [12]: 1 výstup, 2 +V CC, 3 GND Střída D.C. tohoto senzou je tedy lineáně závislá na teplotě t ( C) a vypočítá se podle vztahu: D. C. 0,32 0, 0047 t. (2.7) 15
3. EGULÁOY egulátoy mají za úkol zajistit co nejmenší odchylku žádané a skutečné hodnoty dané veličiny. V dnešní době se často používají diskétní egulátoy, kteé vychází z analogových. Budou zde tedy popsány analogové egulátoy a jejich převod na diskétní. Jelikož je tato poblematika velmi ozsáhlá, budou zde popsány jen základy. Více je možné se dozvědět v [8, 10, 11, 13, 16]. Laplaceova a Z tansfomace je důkladně popsána i s příklady v [2]. 3.1 Analogové egulátoy Základní zapojení řízení se zpětnou vazbou (egulace) [11, 13] je na ob. 3.1. Blok zde představuje eguláto a S egulovanou soustavu. Pokud by nebyla zapojená zpětná vazba, jednalo by se o systém přímého řízení (ovládání). Spávné sledování vstupní veličiny je potom možné dosáhnou jen pokud má eguláto spávné infomace o egulované soustavě a nepůsobí zde žádné pouchy. Díky zpětné vazbě je eguláto schopen eagovat na důsledky pouch z(t). Vstupní (řídící) veličina w(t) je poovnávána s hodnotou výstupní (egulované) veličiny y: e w y, (3.1) kde e je egulační odchylka. Podle té volí eguláto velikost akčního zásahu u(t) tak, aby výstupní veličina co nejpřesněji kopíovala vstupní. z(t) z(t) z(t) w(t) u(t) S y(t) z(t) Ob. 3.1: Základní zapojení řízení se zpětnou vazbou eguláto je možné popsat difeenciální (u diskétních egulátoů difeenční) ovnicí. Vyřešit takovouto ovnici je velmi složité a poto se převádí pomocí Laplaceovy tansfomace 16
(u diskétních egulátoů Z tansfomace) na tzv. přenosovou funkci, se kteou se již snadno počítá, a poté se převede zpět na difeenciální funkci. Přenosovou funkci lze poté vyjádřit pomocí zesílení jednotlivých složek či pomocí časových konstant jednotlivých složek. Nejčastěji používané egulátoy v paxi jsou složené ze tří základních složek [2, 13]: popocionální P, integační I, deivační D. Kombinací těchto základních složek pak vznikají egulátoy PD, PI a PID. Popocionální složka udává, jaký ozdíl má být mezi výstupní a vstupní veličinou. Mezi vstupní a výstupní veličinou platí přímá úměa, tato složka je tedy ealizována pouhým násobením. Její difeenciální ovnice a přenosová funkce je: u( t) 0 e( t), (3.2) F ( p) 0 K, (3.3) přičemž F je přenosová funkce egulátou, 0 a K jsou konstanty vyjadřující zesílení P složky egulátou. Použitím tohoto egulátou však nemůžeme dosáhnout nulové egulační odchylky. Integační složka při existenci egulační odchylky přičítá k akčnímu zásahu jí úměnou hodnotu, dokud odchylka nezmizí. ato složka však má negativní vliv na ychlost egulačního děje a na stabilitu obvodu. Po integační složku platí vztahy: u( t) t i 0 e( t) dt x(0), (3.4) i 1 F ( p), (3.5) p p i kde i představuje časovou integační konstantu a i zesílení integační složky. Nedostatky integační složky odstaňuje deivační složka, tzn. zvyšuje stabilitu a uychluje egulační děj. Působí jako bzda. S ychlejší změnou egulační odchylky působí více poti změně. ato složka lze použít pouze v kombinaci s předchozími typy, poto nebudu uvádět ovnice po její popis. Po PD eguláto složený z popocionální a deivační složky platí: de( t) u( t) 0 e( t) d, (3.6) dt 17
), (3.7) 1 ( ) ( 0 p K p p F D d kde d představuje zesílení deivační složky a D deivační časovou konstantu, kteá se vypočítá: 0 d D. (3.9) PI eguláto, složen z popocionální a integační složky, je chaakteizován vztahy: (0), (3.10) ) ( ) ( ) ( 0 0 x dt t e t e t u t i p p p p k p p F i i 1 1 ) ( 0, (3.11) kde i i k 1, i 0, i 0. (3.12) Nakonec PID eguláto skládající se ze všech tří složek chaakteizují ovnice: t i d x dt t e dt t de t e t u 0 0 ) (0 ) ( ) ( ) ( ) (, (3.13) p p p k p p K p p p F I D d i 1) 1)( ( ) 1 (1 ) ( 2 1 0, (3.14) kde, K 0 0 d D, i I 0, i k, D I D I I I 2 4 ( 1,2. (3.15) 18
V paxi se často místo 0 používá pásmo popocionality pp. o udává, o kolik se musí změnit vstupní veličina, aby se akční veličina změnila v celém ozsahu. 1 pp 100 (%). (3.16) 0 Výše uvedená deivační složka však nesplňuje podmínku fyzikální ealizovatelnosti, jelikož v čitateli přenosové funkce je polynom vyššího řádu než je ve jmenovateli. Poto se zavádí ealizační časová konstanta, tzv. setvačný člen. Přenosová funkce po PD eguláto potom vypadá: F ( p) K D p 1, D (3.17) p 1 a po PID eguláto: F ( p) K ( 1 p 1)( 2 p 1), p( p 1),. (3.18) 1 2 3.1.1 Identifikace egulované soustavy Po návh egulátou je většinou zapotřebí znát matematický model egulované soustavy. Zjistit jej je po většinu v paxi používaných soustav značně složité či dokonce nemožné. Po běžné a lineaizovatelné soustavy se převážně hledá přibližný model soustavy. en je možné získat buď pomocí difeenciálních či difeenčních ovnic nebo měřením statických a dynamických vlastností soustavy. Po měření vlastností soustavy se používají dva typické signály skoková změna vstupní veličiny a hamonický půběh vstupní veličiny [13]. Při použití skokové změny vstupní veličiny získáme přechodovou chaakteistiku systému. akovýto postup je vhodné použít po soustavy, jejichž časové konstanty jsou v ozmezí jednotek až tisíců sekund. Použitím hamonického vstupního signálu, jehož fekvenci budeme postupně měnit, získáme fekvenční chaakteistiku systému. ato metoda je naopak vhodnější po menší časové konstanty systému, jelikož po změně fekvence je vždy zapotřebí vyčkat na odeznění přechodového děje. Po změření těchto chaakteistik je však zapotřebí odstavit soustavu z běžného povozu, což není vždy přijatelné. Byla tedy vyvinuta řada on-line postupů, jimiž se však zabývat nebudeme. 19
Apoximace egulovaných soustav Jde o postup, během kteého se nahadí přesné hodnoty jejich přibližným odhadem. Apoximaci lze obecně uplatnit na jakýkoliv popis soustavy. Zde však bude popsána pouze apoximace přechodové chaakteistiky, kteá je i v paxi nejpoužívanější. Jedná-li se o přetlumené soustavy, používají se po ůzné soustavy jednotlivé typy apoximací. Po soustavu pvního řádu s dopavním zpožděním: F p k p 1 dp 1 ( ) e, (3.19) po soustavu duhého řádu s ůznými časovými konstantami: k F 2 ( p), (3.20) ( p 1)( p 1) 1 2 po soustavu duhého řádu s dopavním zpožděním: F k dp 3 ( p) e (3.21) ( 1 p 1)( 2 p 1) a po soustavu n-tého řádu se stejnými časovými konstantami: F 4 ( k p). (3.22) n ( p 1) Jednotlivé časové konstanty se zjistí pomocí obázku 3.2, kde se v inflexním bodě i vytvoří tečna ke křivce. n poté značí dobu náběhu a u dobu půtahu. Po přenos F 1 (p) platí = n a d = u. Apoximace přenosem typu F 3 (p) a F 3 (p) je vhodné použít po chaakteistiky, jejichž inflexní bod je nižší než 0,264. Po vyšší inflexní body je vhodný přenos F 4 (p), kde se časová konstanta učí podle tabulky 3.1. ab. 3.1: Učení řádu a časové konstanty Řád n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 u / n 0,000 0,104 0,218 0,319 0,410 0,493 0,570 0,642 0,709 n / 1,000 2,718 3,695 4,463 5,119 5,699 6,226 7,144 7,590 20
h(t) 1,0 0,8 0,6 u n 0,4 0,2 i 0 0 1 2 3 Ob. 3.2: Paamety přechodové chaakteistiky t 3.1.2 Stanovení paametů egulátoů Metody po získání paametů egulátoů lze ozdělit do skupin [11]: analytické metody, metoda pokus-omyl, inženýský postup, automatické nastavování paametů Analytické metody [2, 8, 10, 11, 13] učují paamety egulátou na základě matematického modelu. akovýchto metod je velké množství a někteé z nich budou popsány dále. Metoda pokus-omyl [8, 11], jak již název napovídá, je založena na expeimentování. Při této metodě se jednotlivé složky nastavují v pořadí P, I, D. Nejdříve eliminujeme vliv integační složky ( I nastavíme na maximum) a deivační složky ( D nastavíme na minimum). Nastavíme zesílení popocionální složky na malou hodnotu (např. 0,5) a postupně zvyšujeme dokud nedosáhneme požadovaného kompomisu mezi ychlostí odezvy a její kmitavostí. Poté postupně snižujeme integační složku, dokud egulační pochod a tvalá egulační odchylka nevyhovuje. Nakonec zvyšujeme deivační složku. Opět do doby, kdy nám již přechodová chaakteistika vyhovuje. Inženýský postup je kombinací obou předcházejících. Nejdříve se přibližně učí paamety egulátou analytickou metodou a poté se dolaďuje metodou pokus-omyl. Automatické nastavování paametů [11] je v dnešní době velmi časté. eguláto si nejpve egulovaný systém sám otestuje, převážně se používají ůzné vaianty metody 21
Zieglea a Nicholase (bude popsána dále), a poté nastaví příslušné paamety. oto nastavení však bývá velmi přibližné. Analytické metody Je již vypacováno velmi mnoho metod po získání požadovaného přechodového děje. Liší se jak vlastnosti egulované soustavy, ze kteých se vychází, tak i způsoby přepočtů na paamety egulátoů. Budou zde popsány pouze tři metody. Pvní z nich je metoda Zieglea a Nicholse [2, 11, 13, 16], další dvě metody využívají k získání paametů egulátoů přechodovou a statickou chaakteistiku. Metoda Zieglea a Nicholse, označovaná často jako metoda ZN, je bezpochyby jedna z nejznámějších. Byla vytvořena již v oce 1942. V té době autoři považovali za optimální přechodovou chaakteistiku chaakteistiku se třemi až čtyřmi viditelnými překmity. Ne vždy je možné akceptovat tolik překmitů a v důsledku toho vzniklo mnoho modifikací této metody. ato metoda je založená na postupném zvyšování zesílení egulátou (s eliminovaným vlivem integační a deivační složky) až do kitického zesílení K kit. Při tomto zesílení již dochází k peiodickým, netlumeným kmitům s peiodou kit. Paamety egulátou se poté zjistí podle tabulky 3.2. ato metoda je čistě empiická a dodnes zřejmě nebyla teoeticky objasněna. ab. 3.2: Stanovení paametů egulátou metodou ZN yp egulátou K I D P PI 0,5K kit 0,45K kit 0,83 kit PID 0,6K kit 0,5 kit 0,125 kit Při hledání paametů egulátou pomocí statické a přechodové chaakteistiky systému podle [2] je zapotřebí zjistit dobu půtahu a náběhu podle ob. 3.2. Dále je zapotřebí znát zesílení egulované soustavy k s. o se získá pomocí statické chaakteistiky a vzoce: k s y. (3.23) u Pomocí tabulky 3.3 se zjistí časová integační a deivační konstanta a k *, kteá značí, o kolik se přednastaví akční veličina při odchylce e = 1. Po získání K musíme ještě vypočítat y max : y max k s u max, (3.24) 22
dále hodnotu (y) učující k jaké změně odchylky musí dojít, aby se egulační ogán přednastavil o 100 %: umax ( y) (3.25) k * a pásmo popocionality: pp ( y) y max 100 (%). (3.26) Zesílení egulátou K poté bude: 1 K 100. (3.27) pp ab. 3.3: Stanovení paametů egulátou z přechodové a statické chaakteistiky egulovaného systému yp egulátou k * 0 I D P PI PD PID n 1 k u s 1 n 0,9 3,5 u u k s 1 n 1,2 0,25u u k s 1 n 1,25 2 u 0,5 u u k s Další metodou získání paametů z přechodové chaakteistiky je podle [10]. Zde se z chaakteistik odečtou hodnoty K (ob. 3.3), I / U (ob. 3.4), D / U (ob. 3.5) na základě poměu n / u a jednoduše se vypočítají časové konstanty. Po každý typ egulátou jsou však tyto chaakteistiky jiné. 23
K 10 2 10 1 10 0 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 Ob. 3.3: Učení zesílení K PID egulátou n / u I / u 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 n / u Ob. 3.4: Učení poměu I / u PID egulátou 24
D / u 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 n / u Ob. 3.5: Učení poměu D / u PID egulátou 3.2 Diskétní egulátoy Zde bude pobíán již pouze PSD eguláto [2, 11, 13, 16], zbylé typy egulátoů jsou popsány v [2]. Na ozdíl od spojitého egulátou učuje velikost akční veličiny diskétní eguláto pouze v okamžicích t=k, kde je peioda vzokování. V tento okamžik je hodnota akční veličiny shodná jako při použití analogového egulátou a je možné psát: K u( k ) K e( k ) I( k ) K D D( k ), (3.28) I kde I(k) je hodnota integálu v čase k a D(k) hodnota deivace v čase (k). Po náhadu integace se používají náhady zpětná obdélníková (ZOBD), dopředná obdélníková (DOBD) a lichoběžníková (LICHO). Po zpětnou obdélníkovou náhadu platí: t k z I( k ) e( t) dt e( i ) ˆ, (3.29) i z 0 1 1 po dopřenou: 25
I( k ) t 0 e( t) dt k 1 i0 e( i ), (3.30) a po lichoběžníkovou: t k e( i ) e[( k 1) ] I( k ) e( t) dt. (3.31) 0 i1 2 Deivace se nahazuje zpětnou difeencí pvního řádu: de( t) e( k) e[( k 1) ] z 1 D( k) ˆ. (3.32) dt z Podle těchto náhad se diskétní PID eguláto nazývá popocionálně sumačně difeenční (PSD) eguláto. Difeenční ovnice při použití ZOBD poté vypadá: u( k ) K e( k) I k i1 e( i ) D e( k) e[( k 1) ] u(0) (3.33) a přenos egulátou má tva: z D z 1 F ( z) K 1. (3.34) I z 1 z oto je tzv. polohový algoitmus. Jeho zásadní nevýhodou je nutnost uchovávat všechny hodnoty e(i). Poto se používá příůstkový algoitmus, kteý učuje pouze změnu akční veličiny opoti předchozí hodnotě: u( k) u( k) u[( k 1) ] K e ( k) e[( k 1) ] D I k i1 e( i ) e ( k) 2e[( k 1) ] e[( k 2) ] I K e ( k) e[( k 1) ] e ( k ) k 1 i1 e( i ) 26
D e ( k) 2e[( k 1) ] e[( k 2) ], (3.35) kde k e( k) e[( k 1) ] u( k) K e( k) e( i ) D, (3.36) I i1 u[( k 1) ] K e[( k 1) ] k 1 I i1 e( i ) D e[( k 1) ] e[( k 2) ]. (3.37) e(t) DOBD e(t) ZOBD 0 2 3 4 t 0 2 3 4 t e(t) LICHO e(t) Zpětná difeence 1. řádu } e(k) e[(k-1)] 0 2 3 4 t 0 2 3 4 t Ob. 3.6: Náhady integálu a deivace 27
Zavedením paametů q 0, q 1, q 2, kteé se stanoví podle tabulky 3.4, se ovnice zjednoduší na: u k ) q e( k) q e[( k 1) ] q e[( k 2) ]. (3.38) ( 0 1 2 Příůstkový algoitmus, jak je vidět z ovnice (3.34), vypočítává změnu na základě momentální, minulé a předminulé odchylky. Po akční veličinu tedy platí: u k ) q e( k ) q e[( k 1) ] q e[( k 2) ] u[( k 1) ]. (3.39) ( 0 1 2 omu odpovídá přenos egulátou: q q z 1 2 0 1 2 F ( z). (3.40) 1 1 z q z I tato metoda má však velkou nevýhodu a to v podobě velkých paametů q 0, q 1, q 2 při malé vzokovací peiodě. Řídící algoitmus tedy geneuje příliš velké hodnoty akční veličiny. Opět tedy vznikla řada modifikací. Jednou z nich je třeba podle akahashima nahazení egulační odchylky egulovanou veličinou v popocionální a deivační části: ( k ) K y( k ) y[( k 1) ] u D e( k) y( k ) 2y[( k 1) ] y[( k 2) ]. (3.41) I ab. 3.4: Výpočty paametů q 0, q 1, q 2 podle použité náhady integálu Vaianta q 0 q 1 q 2 ZOBD DOBD LICHO D K 1 D K 1 2 I K 1 D D K 1 2 I K 1 D D 2I K 1 2 2I K K K D D D 28
4. BIOLOGICKÝ EMOSA oto zařízení má za úkol udžovat konstantní nastavenou teplotu uvnitř uzavřeného postou. K vytápění, či ochlazování, tohoto postou slouží Peltieův článek. Vnitřní teplota je snímána pomocí teplotního senzou. Podmínkou je homogenní ozložení teploty po celém objemu, což zajišťuje nucený oběh vzduchu. Blokové biologického temostatu by tedy mohlo vypadat podle ob. 4.1. UZ K E PE J µp přepínání otevřeno SE Ob. 4.1: Blokové schéma zařízení K zde představuje komunikační ozhaní sloužící k nastavování a zobazování požadované teploty; μp mikopoceso, kteý bude celý systém řídit; E egulační člen Peltieova článku; J řídící jednotku; PE Peltieův článek a SE teplotní senzo. Signál přepínání slouží k přepínání funkce (topení nebo chlazení) Peltieova článku. Signál otevřeno indikuje otevřená dvířka uzavřeného postou UZ. Jelikož konstukce uzavřeného, tepelně izolovaného postou je velmi náočná, byl mi zapůjčen od Enjoy spol. s..o. již hotový emobox Lab-08N (ob. 4.2). Z tohoto výobku jsem demontoval řídící jednotku a vytvořil vlastní. V temoboxu jsem využil již integovaného Peltieova článku EC1-12704 a teplotního senzou. Nejdůležitější vlastnosti tohoto Peltieova článku jsou: maximální napájecí napětí U max = 15,4 V, maximální poud I max = 3,9 A maximální možný přenesený tepelný výkon Q max = 33,4 W 29
Ob. 4.2: emobox Lab-08N Kompletní schéma řídící jednotky je v příloze A.1 a seznam součástek v příloze A.2. Celá řídící jednotka je na jedné desce plošného spoje (příloha B). Jelikož obsahuje opoti jednotce v emoboxu navíc komunikační ozhaní, nebylo možné dodžet původní ozměy a již se nevešla do postou po ní učeného. Její ozměy jsou 167x67 mm. 30
5. MIKOPOCESO Je zde použit mikopoceso AMEL AV typ Amega16 [16, 14]. Využívá Havadské achitektuy, tj. paměť pogamu a paměť dat je oddělená. Pogam umístěný v pogamové paměti využívá pipeline. Zatím co je jedna instukce pováděna, duhá se již načítá. Mikopoceso umožňuje jak klasické paalelní pogamování, kdy je zapotřebí jej vyndat a vložit do pogamátou, i séiové pogamování přímo v obvodu díky In-System Pogammable Flash memoy (ISP). Standatně se používá konekto ML10 s daným ozmístěným signálů na pinech. V této řídící jednotce je však ozmístění signálů jiné, aby jsem mohl v případě potřeby změny pogamu během měření využít pogamáto v Enjoy spol. s..o. a vyřešit poblém přímo na místě. Standadní ozmístění pinů ISP konektou a ozmístění pinů v mém přípavku na obázku 5.1. Dále mikopoceso obsahuje tři čítače/časovače (dva 8bitové a jeden 16bitový), dvě extení přeušení a další obvody, kteé nejsou použity a nebudu je tedy vyjmenovávat. Pouze za zmínku stojí ještě A/D převodník, kteý by bylo možné využít při měření teploty pomocí temistoů. MOSI +V CC NC SCK NC GND NC MISO ESE GND +V CC MOSI SCK GND GND ESE MISO GND NC SS Ob. 5.1: ozmístění signálů ISP na konektou: vlevo standadní, vpavo zde použité Pogamovat mikopoceso lze v jazyce Assemble či v jazyce C. Napogamovat složitější pogam v Assembleu je pakticky velmi obtížné, poto je tento zdojový kód naspán v jazyce C. Po napsání zdojového kódu byl použit pogam CodeVisionAV V2.04.1 Evaluation. ento pogam obsahuje nejenom vývojové postředí, ale také kompiláto C po AV a umožňuje pogamování mikopocesou. Já sem měl ale půjčený pogamáto SK500v2, domácí výoby, se kteým tento pogam nekomunikoval. Po nahání zdojového soubou do mikopocesou jsem použil AV Studio4. V AV Studiu bylo také zapotřebí nastavit pojistky, konkétně zakázat ozhaní JAG soužící k ladění pogamu přímo v obvodu. Pogam samotný je napsán tak, aby bylo možné jej snadno použít v jiném mikopocesou. Stačí pouze změnit definice použitých I/O pinů, nastavení pinů samotných a 31
nastavení časovačů a přeušení. Každá funkční část pogamu je napsána jako jedna funkce, ty jsou: main, meeni, vypocet, stida, zobaz, nastaveni, bzuceni. Funkce main je hlavní funkcí pogamu, kteá se spustí jako pvní. Obsahuje inicializaci potřebných obvodů a nastavení I/O potů. Dále obsahuje vlastní pogam. en se skládá pouze z detekování stisknutí tlačítka. Všechny ostatní funkce jsou volány z přeušení. Funkce meeni obsahuje algoitmus po měření střídy teplotního senzou a její přepočet na teplotu. Součástí této funkce je také pojistka poti překočení teploty. a se aktivuje při překočení 70 C. Její funkce spočívá v nemožnosti nastavení spínání Peltieova článku a je tvale vypnut. Pokud teplota klesne pod tuto mez, obvod opět začne fungovat jako před vypnutím. Funkce střída se staá o spínání Peltieova článku podle nastavené střídy, pavidelné volání funkce meeni a výpočet potřebné střídy spínání Peltieova článku, tomu je věnována kapitola 8. Funkce je ozdělena na úseky po 8,192 ms. o je peioda přeušení časovače 2, kteá byla zvolena, aby bylo možné povést měření během jednoho úseku. Počet těchto úseků je nastaven na 100. Střídu tedy lze měnit s kokem 0,01. Vypocet počítá potřebnou střídu spínámí Peltieova článku pomocí PSD egulátou. aké mění paamety egulátou podle funkce Peltieova článku a přepíná jeho funkci. O zobazování hodnot na segmentovém LED displeji se staá funkce zobaz, kteá je volaná při přeušení časovače 0, tj. s peiodou 2,048 ms. Pokud je aktivní nastavování (viz dále) zobazuje se nastavená hodnota. Jinak se zobazuje aktuální teplota uvnitř temoboxu. Jejich ozlišení je zajištěno svítící desetinou tečkou při aktivním nastavování. Jelikož je možné zobazit pouze nezáponé hodnoty menší než 100, je při záponých teplotách zobazována hodnota LO a při teplotách vyšších než 100 C HI. Funkce nastavení se volá při stisknutí tlačítka a umožňuje nastavit požadovanou teplotu v ozmezí (20 40) C. Bzuceni se zavolá při otevření dvířek. V tomto případě se přeuší všechny činnosti řídící jednotky a pouze pípá. ato funkce je volána pomocí exteního přeušení 1. 32
6. KOMUNIKAČNÍ OZHANÍ Po zobazení nastavené a skutečné teploty uvnitř zařízení slouží dvoumístný sedmi segmentový LED displej. Jsou dva způsoby zobazení infomace na vícemístných displejích. Pvní je statické buzení. Při tomto způsobu je každý segmet každého místa připojen zvlášť k mikopocesou a všechny místa displeje zobazují současně. Jeho výhodou je jednoduchost řídícího pogamu. Nevýhody jsou veliká spotřeba a především nutnost velkého počtu výstupních pinů mikopocesou, díky čemuž se pakticky nepoužívá. Další způsob je dynamické buzení. Využívá neschopnosti lidského oka vnímat ychlé blikání a setvačnosti LED segmentů. Odpovídající segmenty jednotlivých míst jsou popojeny společně k mikopocesou. Jednotlivá místa jsou přepínána budícími tanzistoy a během aktivní doby jsou na výstupních pinech mikopocesou hodnoty odpovídající danému místu. Je nutné zajistit dostatečně ychlé přepínání míst, aby nebylo pozoovatelné blikání displeje. ato ychlost se odvíjí od počtu míst a použitého displeje. V mém případě blikání vymizelo při peiodě přepínání v řádu honích jednotek milisekund. Schématické zapojení tohoto typu buzení je na obázku 6.1. Nastavování teploty se povádí pomocí dvou tlačítek. Po stisku tlačítka však není poces stisknutí ustálený, ale dochází zde k několika přeskokům (ob. 6.2). Několikanásobnému nechtěnému stisku tlačítka je možné zamezit podlevou v řídícím pogamu (přibližně 10 ms) nebo připojením C členu. Ob. 6.1: Dynamické buzení LED displeje 33
10 20 30 t (ms) Ob. 6.2: Půběh stisknutí tlačítka 7. EGULAČNÍ ČLEN Pomocí tohoto členu mikopoceso ovládá výkon Peltieova článku. Zde jsou opět dvě možné řešení. Výkon je možné egulovat poměnným zdojem poudu. akovéto zdoje s přijatelnou účinností jsou však velmi složité. Jako další možnost je dvoustavové řízení, kdy je článek střídavě připojován a odpojován od pevného zdoje. Změnou střídy se pak mění i výkon Peltieova článku. ento typ egulace se používá u podávaných egulátoů výkonu Peltieova článku a je použit i v tomto zařízení. Fekvence přepínání běžně podávaných egulátoů bývá až 1MHz a teplotní stabilita 0,001 C. Jelikož zde dochází ke spínání velmi velkého poudu, je použit výkonový unipolání tanzisto MOSFE ( 5 ) [7] s velmi malým přechodovým odpoem, v našem případě s P- kanálem. K jeho sepnutí však nestačí pouze 5 V, kteé jsou na výstupu mikopocesou, a je poto spínán dalším unipoláním tanzistoem s N-kanálem (1), na jehož hadlo je přivedeno napětí U. MOSFE je tedy spínán 12 V. Další funkcí egulačního členu je změna polaity Peltieova článku. o je uskutečněno dvoukontaktním elé spínaným napětím U F pomocí tanzistou 2. Schéma zapojení celého egulačního členu i s Peltieovým článkem je na obázku 7.1. 34
U U F Ob. 7.1: Schématické zapojení egulačního členu 8. VÝPOČE PAAMEŮ PSD EGULÁOU Jelikož větší časová konstanta emoboxu je v řádu tisíců, je po nás vhodné získat paamety egulátou pomocí přechodové a statické chaakteistiky emoboxu. K jejich získání jsem manuálně nastavoval výkon Peltieova článku pomocí řídící jednotky. K získání statické chaakteistiky (ob. 8.2, 8.4) jsem postupně zvyšoval střídu spínání a po odeznění přechodového děje odečetl teplotu uvnitř emoboxu. Po získání přechodové chaakteistiky (ob. 8.1, 8.3) jsem nastavil plný výkon Peltieova článku a zaznamenával půběh teploty. V případě topení je změřena pouze část chaakteistiky, aby nedošlo ke zničení článku kvůli příliš vysoké teplotě. eplotu jsem u obou typů měření vždy přepočítával na střídu, kteou má při dané teplotě senzo v emoboxu, jelikož vstupní a výstupní veličina systému musí mít stejné jednotky. Při postupu podle [2] po chlazení jsem z gafů (ob. 8.1, ob. 8.2) odečetl hodnoty 380 s, 1920 s a 0,094. Následně jsem vypočítal paamety PID egulátou: n n k S 2 2 380 760 s, I u D 0,5 0,5 380 190 u s. 35
n 1 1920 1 k * 1,25 1,25 67, 19, k 380 0,094 u s y k s u 0,094 1 0,094, max max umax 1 ( y ) 0,0149, k * 67,19 pp ( y) y max 0,0149 100 *100 15,85 0,094 %, 1 1 K 100 100 6,3. pp 15,85 Výsledná ovnice po PSD eguláto je potom: 0,8192 u ( k) u[( k 1) ] 6,3e( k) e[( k 1) ] e( k) 760 190 0,8192 e ( k) 2 e[( k 1) ] e[( k 2) ]. 0,45 0,43 0,41 DCsenzo (-) 0,39 0,37 0,35 0,33 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 t (min) Ob. 8.1: Přechodová chaakteistika chlazení 36
0,44 0,42 0,4 DCsenzo (-) 0,38 0,36 0,34 0,32 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 DC PE (-) Ob. 8.2: Statická chaakteistika chlazení Obdobným způsobem jsem postupoval i po topení. Přechodová chaakteistika je na ob. 8.3 a statická na ob. 8.4. Aby nedošlo k poškození zařízení, změřil jsem jen část chaakteistiky, kteá je ale po nalezení tečny v inflexním bodě dostačující. Jelikož je statická chaakteistika lineání, lze předpokládat, že se k ustálení by došlo při střídě senzou 0,77778. u n DC senzo omu odpovídají časové konstanty 49 s a 2297 s. Zesílení egulovaného systému je k S 0,3431. Paamety PID egulátou tedy jsou: 2 2 49 98 s, I u D 0,5 0,5 49 24,5 u s. n 1 2297 1 k * 1,25 1,25 170,7, k 49 0,3431 u s y k s u 0,34311 0,3431, max max umax 1 ( y ) 0,005858, k * 170,7 37
pp ( y) y max 0,005858 100 *100 1, 7 %, 0,3431 1 1 K 100 100 58,82. pp 1,7 Výsledná ovnice po PSD eguláto je potom: 0,8192 u ( k) u[( k 1) ] 58,82e( k) e[( k 1) ] e( k ) 98 24,5 0,8192 e ( k) 2 e[( k 1) ] e[( k 2) ]. 0,57 0,55 0,53 DC senzo (-) 0,51 0,49 0,47 0,45 0,43 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t (min) Ob. 8.3: Přechodová chaakteistika topení 38
0,62 0,60 0,58 0,56 DCsenzo (-) 0,54 0,52 0,50 0,48 0,46 0,44 0,42 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 DC PE (-) Ob. 8.4: Statická chaakteistika topení Při těchto hodnotách však byl eguláto velmi nestabilní. Docházelo k neustálému přepínání chlazení a topení. Peltieův článek byl stále nastaven na maximální výkon. Po odstanění tohoto jevu jsem snižoval integační časovou konstantu až na hodnotu 0,0076 s po chlazení a 0,098 s I po topení, tento jev vymizel. Půběh teploty při tomto nastavení je na ob. 8.5. Nejdříve byla nastavena hodnota 20 C ( DC 0,414) po ověření egulace chlazení a následně 35 C ( DC 0, 4845) po ověření egulace topení. eguláto se mi senzo však nepovedlo lépe vyladit a poto jsem vyzkoušel jiný postup získání paametů. Při získání paametů podle [10] jsem pomocí gafů (ob. 3.3, 3.4, 3.5) získal hodnoty K 3,76, I 0,0073 s, D 0,000657 s po chlazení a K 35, I 0,0734 s a D 0,00532 s. Časové konstanty jsou již podobné upaveným konstantám z minulého postupu. Zesílení je zase naposto odlišné. Časový půběh egulace (ob. 8.6) je však velmi podobný. Bohužel ani v tomto případě se mi nepodařilo eguláto vyladit. Jako další postup po získání paametů egulátou bych použil metodu pokus-omyl, kteá zaučeně vede ke spávnému výsledku. ato metoda ale vyžaduje velké množství pokusných měření a to v kombinaci s délkou jednoho měření klade velmi velkou časovou náočnost. Kvůli této nevýhodě již nebylo možné tuto metodu použít. senzo I 39
( C) 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 t (min) 0,50 0,49 0,48 0,47 DCsenzo (-) 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 t (min) Ob. 8.5: Dosažená egulace při získání paametů podle [2] 40
38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 ( C) t (min) 0,50 0,49 0,48 0,47 DCsenzo (-) 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 t (min) Ob. 8.6: Dosažená egulace při získání paametů podle [10] K měření jsem použil: emobox Lab-08N s vlastní řídící jednotkou, teplomě Comet D0321 Měřící pomůcky a postoy (fotogafie je na ob. 8.7) mi byly zapůjčeny Enjoy spol. s..o. 41
Ob. 8.7: Pacoviště po měření 42
9. ZÁVĚ Na základě teoetických poznatků jsem sestojil schéma řídící jednotky biologického temostatu. Následně jsem tuto jednotku ealizoval. Po obvodové stánce nebyl žádný poblém. Přesvědčil jsem se o vhodnosti použití integovaného senzou teploty. en svou jednoduchostí plně kompenzuje svojí cenu. Poblém však nastal při učování paametů egulátou. Po změření příslušných chaakteistik se mi nepodařilo pomocí inženýské metody vyladit eguláto tak, aby teplota uvnitř biologického temostatu nekolísala. Při nejlepším dosaženém výsledku kolísala teplota v ozmezí přibližně 1C. Použitím metody pokusomyl, v paxi velmi často používané, by bylo možné paamety vyladit. ato metoda je však při takto velkých hodnotách doby náběhu velmi časově náočná. 43
SEZNAM POUŽIÝCH ZDOJŮ [1] AMEL Datasheet Amega16 [online]. UL: http://www.atmel.com/dyn/esouces/pod_documents/doc2466.pdf [2] BALÁĚ, J. Automatické řízení. 2003, ISBN 80-7300-020-2. [3] DOOAGHI, A.: Applications of the hemoelectic Effect [online]. UL: http://physics.ucsd.edu/students/couses/winte2007/physics152a/themo.pdf [4] DŘÍNEK, M.: Peltieovy temobateie [online].1999. UL: http://hw.cz/eoie-a-paxe/dokumentace/a652-peltieovy-temobateie.html [5] ĎAĎO, S.: Senzoy a převodníky. 2006, ISBN: 80-0103123-3. [6] FUKÁKO,.: Detekce a měření ůzných duhů záření. 2006, ISBN: 80-7300-193-4. [7] FOH, M. a kol. Elektonika polovodičové součástky a základní zapojení. 2006, ISBN 80-7300-123-4. [8] KLÁN, P. Modení metody nastavení PID egulátoů [online]. 2000. UL: http://www.mybox.cz/valte/pdf/modeni_nastav_pid.pdf [9] KEIDL, M.: Měření teploty senzoy a měřící obvody. 2005, ISBN:80-7300-145-4. [10] KUKAL, J. O volbě paametů PI a PID egulátoů [online]. 2006, UL: http://www.automatizace.cz/aticle.php?a=1017 [11] PIVOŇKA, P. Číslicová řídící technika. Skiptum, FEK VU v Bně, 2003 [12] SMAEC Datesheet SM 160-30 [online]. 2005, UL: http://www.smatec.nl/pdf/dssm16030.pdf [13] VAVŘÍN, P. BLÁHA, P. Řízení a egulace I. Skiptum, FEK VU v Bně. [14] VÁŇA, V. Mikokontoléy AMEL AV popis pocesoů a instukční soubo. 2003, ISBN: 80-7300-083-0. [15] VÁŇA, V. Mikokontoléy AMEL AV pogamování v jazyce C. 2003, ISBN: 80-7300-102-0. [16] VELEBA, V. Číslicová řídící technika počítačová cvičení. Skiptum. VU v Bně 2005. 44
SEZNAM POUŽIÝCH ZKAEK A/D analogově digitální D deivační složka egulátou DOBD dopředná obdélníková náhada integálu I integační složka egulátou I/O vstupní a výstupní ISP pogamování v obvodu K komunikační ozhaní LICHO lichoběžníková náhada integálu MOSFE unipolání tanzisto se stuktuou kov-oxid-polovodič NC záponý teplotní koeficient P popocionální složka egulátou, popocionální eguláto PD popocionálně deivační eguáto PE Peltieův článek PI popocionálně integační eguláto PID popocionálně integačně deivační eguláto PSD popocionálně sumačně difeenční eguláto PC kladný teplotní koeficient eguláto E egulační člen J řídící jednotka S egulovaná soustava SE teplotní senzo µp mikopoceso UZ uzavřený posto ZOBD zpětná obdélníková náhada integálu 45
SEZNAM PŘÍLOH A Řídící jednotka A.1 Schéma zapojení řídící jednotky A.2 Seznam součástek A.3 DPS pohled ze stany spojů A.4 DPS osazovací plán A.5 DPS fotogafie seshoa B Obsah přiloženého CD 46
A ŘÍDÍCÍ JEDNOKA A.1 Schéma zapojení řídící jednotky 47
A.2 Seznam součástek Označení Kusů Hodnota/Označení Součástka (pouzdo) X1 1 8 MHz Kystal (nízký) 1, 2, 3, 4 4 BS-170 Unipolání tanzisto (O92) 5 1 IF-4905 Unipolání tanzisto (O220) 1, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 8 120 ezisto 2, 11, 12, 13, 4 10 k ezisto 6 1 4,7 k ezisto C 1, C 2, C 4, C 6, C 7 5 100 nf Kondenzáto (M 5mm) C 5, C 8 2 27 pf Kondenzáto (M 5mm) C 3 1 330 nf Kondenzáto (M 5mm) D 1 1N4148 Dioda DIS1 1 DA56-11GWA Segment. LED displej S 1, S 2 2 P-B1720D lačítko FAN 1, FAN 2, OPEN, PELIE 4 PSH02-02WG Konekto SENZO 1 PSH02-03WG Konekto ISP 1 ML10 Konekto POWE 1 AK300V-2P Svokovnice E 1 ELEF0452-12 elé SG1 1 KPE242 Siéna IC 1 1 Amega16 Mikopoceso (DIL40) IC 2 1 7805-SM Stabilizáto (O220) 48
A.3 DPS pohled ze stany spojů A.4 DPS osazovací plán 49
A.5 DPS fotogafie zeshoa 50
B OBSAH PŘILOŽENÉHO CD /meeni.xls tabulky a gafy získané při měření /pogam.c zdojový pogam po mikopoceso napsaný v CodeVisionAV 2 /xklit00.pdf elektonická veze bakalářské páce 51