Kuczmann Miklós

Lineáris rendszerek és szabályozások Arduino UNO mikrovezérlővel

IV.1.3. A vizsgálatokat vezérlő program kerete

A nyílt hurkú analízist és a szabályozási körök vizsgálatát a következő keretprogram segítségével végezzük el. A részleteket lépésről lépésre a későbbiekben mutatjuk be.

Az Arduino UNO impulzusszélesség-modulációt (PWM – pulse width modulation) használó kimenetével lehet a motor kapocsfeszültségét beállítani. Ez a kimenet itt

(3. digitális port). A fordulatszám mérésére szolgál a 2. digitális bemenet:

, amelyhez itt megszakítás is társul. Az áram mérése az

analóg bemeneten történik.

függvényben megadjuk a soros adatátvitel sebességét, definiáljuk a kimeneti és a bemeneti digitális csatlakozási pontokat, beállítjuk a

időzítőhöz kapcsolt PWM-gerjesztés frekvenciáját a maximális értékre, definiáljuk a fordulatszám mérésére szolgáló megszakítást, és végül, példaképp, beállítjuk a PWM értékét 150-re. Az Arduino UNO PWM-kimenetével lehet a motor kapocsfeszültségét beállítani. A kimenet 8 bites, azaz a PWM-érték az

függvényben 0 és 255 közötti egész érték lehet, így határozva meg a kitöltési tényező értékét, azaz a motort meghajtó armatúrafeszültséget.

függvényben valósíthatók meg a különféle mérések, és maga a szabályozási hurok is. Az idő mérésére szükség van, ez a

változó. A fordulatszám mérése megszakítással történik, emiatt szükséges a

keret, hogy az éppen mért értéket ne írja felül egy időközben beérkező megszakítás, amíg a mikrokontroller a hibát számítja. A mért érték birtokában a hiba egyszerűen számítható (a hibát itt rad/s egységben kapjuk):

float error = (Ref - Fordulatszam)/60.0*2*3.1415;

azaz az RPM-ben definiált

referenciaértékből le kell vonni a szintén RPM-ben mért fordulatszámértéket (

). Ezt követi a beavatkozó jel meghatározása a szabályozó algoritmus segítségével, majd a tényleges beavatkozás az

függvényen keresztül (itt a 150-es érték csak példaként szolgál, a későbbiekben ez az érték a szabályozó algoritmusa által számított beavatkozó jel lesz). Bizonyos változókat ezután frissíteni szükséges, a számunkra érdekes változókat pedig el kell menteni a soros porton keresztül. A részleteket később mutatjuk be. Ebben a programrészletben mutatjuk meg, hogy mérjük az áramot az árammérő szenzor segítségével.

A megszakításban előforduló változókat

kulcsszóval kell deklarálni.

#define PWM_OUT 3

#define SPEED_IN 2

volatile unsigned long t0;

volatile bool start=false;

volatile float Fordulatszam=0;

float Ref=1000;

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(PWM_OUT, OUTPUT);

pinMode(SPEED_IN, INPUT);

TCCR2B = TCCR2B & 0b11111000 | 0x01;

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(SPEED_IN),MEASURE_ISR,RISING);

analogWrite(PWM_OUT, 150);

}

void loop() {

unsigned long t1 = micros();

noInterrupts();

// 1.) Fordulatszám mérése

// 2.) Hibaszámítás

interrupts();

// 3.) Beavatkozó jel számítása

// 4.) Beavatkozás

analogWrite(PWM_OUT, 150);

float v = (5.0/1024.0)*analogRead(A1);

float Aram = (v+0.01-2.5)/0.066;

// 5.) Változók felülírása és soros porton történő továbbítása

Serial.print(t1);

Serial.print(',');

Serial.print(Fordulatszam);

Serial.print(',');

Serial.print(Aram);

Serial.print('\n');

}

void MEASURE_ISR()

{

if (!start){

start = true;

t0 = micros();

}

else{

unsigned long t1 = micros();

unsigned long dt = t1-t0;

t0 = t1;

Fordulatszam = 60.0e6 / dt / 8.0;

}

függvény a fordulatszám mérésére szolgál, és abban a pillanatban hívódik meg, amikor a tárcsa egy-egy fekete csíkja eléri az optokaput. A megszakítás két csík elhaladása közt eltelt

időt méri, és abból számítja ki a percenkénti fordulatszámot.

Hangsúlyozzuk, hogy a szabályozó bemenetének mértékegysége

, a referenciajelet és a mért fordulatszámot viszont RPM egységben értjük. A hibajel számításánál emiatt kell a

értékű szorzó.

Lineáris rendszerek és szabályozások Arduino UNO mikrovezérlővel

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 238 9

Műszaki tudományok

A könyv a lineáris rendszerek és lineáris szabályozások témaköreit dolgozza fel azzal a céllal, hogy az elméleti ismereteket egyszerűen kivitelezhető gyakorlati problémák megoldásával támassza alá, különös hangsúlyt fektetve ezért az Arduino UNO mikrovezérlő használatára. Fontos célunk, hogy a bemutatott demonstrációs eszközök egyszerűen kivitelezhetőek legyenek, így az eredmények könnyen rekonstruálhatóak, ugyanakkor jó alapot biztosítanak a továbblépéshez, bonyolultabb berendezések építéséhez, és az elmélet helyes alkalmazásához.

Az első rész a felhasznált hardvereket és szoftvereket mutatja be. A Matlab alapvető jelentőségű rendszerek analízisében, szabályozások tervezésében, és a különféle szimulációkban. A könyvbeli példákat Matlab környezetben dolgoztuk ki. Ezek bemutatása nagyon részletes, a példák nagyban segítik az elmélet megértését. Az Arduino UNO mikrovezérlőre és a hozzá kapcsolható egyéb hardverekre egyszerűségük és kedvező áruk miatt esett a választás. A Matlab környezetben tervezett szabályozókat, illetve a méréseket ezzel a mikrovezérlővel valósítjuk meg.

Számos nagyon jó könyv létezik, amelyek a szükséges mélységben vezetik be az Olvasót a Jelek és rendszerek, illetve a Szabályozástechnika témakörökbe. Néhányat a könyv végén található irodalomjegyzékben megadunk. Szándékosan csak magyar nyelvű könyveket sorolunk itt fel, a témakör hazai és nemzetközi irodalma óriási.

A második részben a Jelek és rendszerek témakörét dolgozzuk fel, ahol az elméleti háttér mellett illusztratív példákat hozunk, melyek segítségével könnyebben érthetővé válnak a tárgyalt fogalmak és módszerek. A témában számos kiváló irodalom fellelhető, melyekre hivatkozva tömör összefoglalását adjuk a témakörnek.

A harmadik rész a Szabályozástechnika területét járja körbe, ismét csak nagyon tömören, a klasszikus PID szabályozóktól az állapottér alapú szabályozásokig mutatjuk be a módszereket. Az elméleti alapokat egy konkrét példa illusztrálja.

A negyedik rész két esettanulmányt tárgyal nagyon részletesen. Az első egy egyenáramú motor, melynek modellezését, paramétereinek méréseken alapuló identifikálását és fordulatszámának szabályozását mutatjuk be. A másik egy instabil rendszer, egy lejtőn guruló golyó stabilizálását valósítja meg. Elvégezzük a demonstrációs eszközök aprólékos matematikai modellezését, a szabályozási körök elméleti tervezését, majd gyakorlati megvalósítását.

Reményeink szerint a könyv az Olvasó segítségére lesz a lineáris rendszerek és szabályozások megismerésében, valamint gyakorlatban való alkalmazásukban. A könyv jól használható az egyetemi mérnöki és informatikus oktatásban, különösen a témakörbe vágó szakdolgozatok, diplomamunkák és a hallgatói kutatómunka területén.

A közölt mintaprogramok szabadon felhasználhatók, továbbfejleszthetők.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kuczmann-linearis-rendszerek-es-szabalyozasok-arduino-uno-mikrovezerlovel//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero