utilizarea instrumentatiei asistate de calculator pentru antrenarea

227
D o n n a M a r i a D o n n a M a r i a 1 Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive Seminar Instrumentaţie Asistată de Calculator © Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2001 Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive Seminar © Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2003

Upload: nguyentu

Post on 08-Feb-2017

245 views

Category:

Documents


11 download

TRANSCRIPT

Page 1: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a1

Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru

Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive

Seminar

Instrumentaţie Asistată de Calculator

© Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2001

Utilizarea Instrumentaţiei Asistate de Calculator pentru

Antrenarea Capacităţilor Motrice şi Volitive

Seminar

© Vlad Marian Văleanu, Donna Maria srl, 2003

Page 2: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a2

Obiectivele Seminarului

• Din partea moderatorului

• Introducere la seminar (1)

• Introducere in paradigma informaţiei (2)

• Conducerea proceselor cu calculatorul (3)

• Măsurători şi acţiuni asistate de calculator (4)

• Sisteme avansate de control a proceselor (5)

Page 3: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a3

Din partea moderatorului

• Prezentul şir de expuneri nu este nici conferinţă nici curs.

• Preferăm denumirea de “seminar” deoarece dorim ca demersul nostru sa fie interactiv, dialogal, nu discursiv.

• Suntem reprezentaţii mai multor discipline care caută interdisciplinaritatea

• Seminarul este dedicat transmiterii unor cunoştinţe de bază dinspre Teoria şi Tehnologia Informaţiei

• “Conferenţiarul” se doreşte a fi “Moderatorul” acestui transfer.

Page 4: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a4

Introducere la seminar

(1)

Page 5: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a5

Introducere

• Intenţia

• General vs. Particular

• O sinteză interdisciplinară

• Mulţumiri

Page 6: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a6

Intenţia

• Seminarul se adresează specialiştilor din domeniul selecţiei, antrenării, evaluării şi recuperării sportivilor (şi nu numai!)

• Introducerea conceptelor legate de Instrumentaţia Asistată de Calculator (IAC)– introducerea conceptului de reacţie informaţională în

sistemul “Fiinţă Umană”;

– sistemul de calcul ca instrument de măsură şi control;

– achiziţionarea şi prelucrarea semnalelor;

Page 7: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a7

General vs. Particular

• General:– Instrumentaţia Asistată de Calulator (multe domenii de

aplicaţie în industrie, ştiinţe experimentale, medicină, etc.)

• Particular:– Abordarea informaţională în studiul abilităţilor umane,

psihologie, antrenament, recuperare;

– Introducerea IAC în “buclă de reacţie” cu subiectul uman;

– Sportul şi domeniile conexe ca beneficiar al conceptului de “reacţie informaţională”.

Page 8: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a8

O sinteză interdisciplinară

Stiinţele Omului Stiinţe Tehnice

AntropologieTehnologia Informaţiei

INFORMAŢIE

Sinteză

Page 9: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a9

Mulţumiri

• Moderatorul este în mod deosebit recunoscător şi aduce pe această cale mulţumiri Domnilor Ilie Stupineanu, Pierre Joseph de Hillerin şi Alexandru Schor pentru colaborarea extinsă pe mai mulţi ani şi pentru discuţiile incitante care au dus la cristalizarea unei concepţii integratoare si interdisciplinare.

• Moderatorul aminteşte cu pietate memoria Domnului Profesor Paul Constantinescu care a contribuit decisiv la formarea gândirii noastre în paradigmă sistemică.

Page 10: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a10

Mulţumiri

• Compania Donna Maria srl multumeşte Companiei InterNet srl, reprezentantul Keithley în România, care, prin Domnul Director Dragos Ofrim, a autorizat cu amabilitate utilizarea unor materiale grafice necesare prezentului seminar

Page 11: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a11

Introducere în paradigma informaţiei

(2)

Page 12: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a12

Informaţia

• Ce este informaţia?

• Dar ce este informatica?

• Ce are informaţia şi informatica cu sportul

Page 13: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a13

Ce este informaţia?

• Din perspectiva istoriei spiritului vom constata:– intuiţia existenţei unei valori imateriale. Aristotel:

întregul > suma părţilor;– într-un sistem constituit funcţional există “ceva” care

“face” funcţionarea lui;

• Sinergie!?– "sinergie" + componentele sistemului =

sistem funcţional cu calitate proprie

• Organizare!?

Page 14: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a14

Ce este informaţia?

• Odată cu Shannon, la mijlocul secolului XX apare teoria informaţiei care introduce precizări:– definiţia informaţiei: organizare

– măsura informaţiei: inversul entropiei

– unitatea de informaţie: BIT-ul

• Astăzi s-a renunţat la definiţie. Informaţia este o categorie filozofică în sens kantian. Nu poate fi definită. Nu are gen proxim.

Page 15: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a15

Ce este informaţia?• Intuitiv, prin confuzie de termeni, se mai acceptă

formularea informaţie = organizare

• In fapt, măsura informaţiei = măsura organizării care este inversul entropiei (unui sistem)

Page 16: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a16

Ce este informaţia?

• Reluând exemplul cu imaginile, constatăm că şi imaginea haotică conţine o informaţie: aceea că ea nu reprezintă nimic.

• Informaţia elementară: ceva este, sau nu este. Această informaţie a fost adoptată ca unitate, “BIT” care poate fi asociat cu orice variabilă care ia numai două valori:– în aritmetica booleană (binară) -> “1” şi “0”;– în logică -> “adevărat” şi “fals”;– în scheme decizionale -> “da” şi “nu”;– în circuite logice -> nivel logic 1=5V şi nivel logic 0=0V.

Page 17: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a17

Dar ce este informatica?

• Informaţia se vehiculează, este prelucrată, se stochează, este produsă, alterată, reconstituită, utilizată, pierdută, ….

• Pentru a face cele de mai sus se elaborează metode, algoritmi, scheme logice, limbaje, programe, ….

• Pentru prelucrarea …. informaţiei prin diferite metode …. sunt create maşini, medii, materiale ….

• Domeniile de activitate intelectuală şi tehnologică implicate în utilizarea pe scară largă a informaţiei constituie Tehnologia Informaţiei (şi Comunicaţiei) …. unii o mai numesc Informatică ….

Page 18: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a18

Ce are informaţia cu sportul?

?Să discutăm ...

Page 19: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a19

Cum poate fi stăpânită informaţia

• Puţină teorie

• Teoria generală clasică a sistemelor

• Formalismul clasic

• Canal informaţional

• Viziunea sistemică informaţională

Page 20: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a20

Puţină teorie

• Instrumentul care ne face stăpâni pe informaţie este Teoria Informaţiei.

• Teoria Informaţiei se sprijină în mare măsură pe Teoria Sistemelor.

• Suportul concret pentru implementarea teoriilor este Tehnologia Informaţiei (şi Comunicaţiei).

• Domeniile listate mai sus sunt vaste şi marcate puternic de interdisciplinaritate, atât în sine cât şi ca suport pentru aplicaţii în activitatea practică.

Page 21: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a21

Teoria generală clasică a sistemelor

F’Sia Sea

F

F’

R

Sia Sea

• Sistem: o porţiune din realitatea obiectivă delimitabilă pe criterii funcţionale

• Sistemele sunt ierarhizate: sisteme de ordin inferior (subsisteme), sisteme de ordin superior

Page 22: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a22

Formalismul clasic

F’ : “funcţia de transfer” a sistemului, “regula de funcţionare”F’ = F’(f’1,f’2…f’n) : proprietăţi ale sistemului (cu reacţie)

Sia : “semnal de intrare”, un “stimul” injectat de mediu, în general, este dependent de timpi1,i2…im, : proprietăţi ale mediului.

Sia = Sia (i1,i2…im,t)Sea : “semnal de ieşire”, un “răspuns” elaborat de sistem

Sea = Sea (i1,i2…im,t)Descrierea funcţională a sistemului poate fi formalizată

Sea = F < Sia >Sistemele reale prezintă o “reacţie”, care face ca un cuantum din răspunsul sistemului să fie

reinjectat la intrare, modificându-i răspunsul global.F: “funcţia de transfer fără reacţie” ; R : “factor de reacţie”

F = F(f1,f2…fn) R = R(r1,r2…rm)f1,f2…fn : proprietăţi ale sistemului (fără reacţie)r1,r2…rm : proprietăţi ale reacţieiSea = F < Sia,R < Sea > > sau Sea = F’ < Sia >F = F(F,R) sisteme staţionareF = F(F,R,t) sisteme dinamiceF = F(F,R,Sia, Sea,t) sisteme adaptive

Page 23: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a23

Canal informaţional

Canal(de comunicaţie)

Emiţătorde semnal

Codi-ficator

Decodi-ficator

Receptorde semnal

Emiţătorde informaţie

Receptorde informaţie

Canal(de transmitere a informaţiei)

• Canalul de comunicaţie transmite semnale materiale, mărimi fizice cărora li se asociază o semnificaţie;

• Canalul de transmitere a informaţiei transmite semnificaţie;• Canalul de transmiterea informaţiei are ca suport material

canalul de comunicaţie. Diferenţa constă în punct de vedere.

Page 24: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a24

Canal informaţional

Flux informaţional interferent

T0+tT0

Ambianţa informaţională Ia, Ha

Canal informaţionalIi, Hi Ie, He

Flux informaţional I prin canal

Emiţător Receptor

Flux informaţional principal

• Abordarea informaţională este mai generală şi pune în evidenţă caracteristici informaţionale ale canalului:

– permeabilitatea;– imunitatea;– viteza de transfer (diferită de cea realizabilă prin canal de comunicaţie.

Page 25: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a25

Viziunea sistemică informaţională

Iia

Iib

Iin

Ii

Iea

Ieb

Iem

Ie

• Se poate stabili o analogie formală între sisteme fizice în sens clasic şi sisteme informaţionale.

• Deosebirea şi dificultatea constă în gradul de abstractizare a abordării prin ignorarea suportului material şi concentrarea asupra “regulilor de joc” ale fluxurilor informaţionale.

Page 26: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a26

Viziunea sistemică informaţională

: “funcţia de transferninformaţională” a sistemului, “regula de funcţionare”Ii : “informaţia de intrare”, un “stimul” injectat de mediu, în general, dependent de timp

Ii = Ii (ia,ib…in,t)Ie : “informaţia de ieşire”, un “răspuns” elaborat de sistem

Ie = Ie (ia,ib…im,t)Descrierea funcţională a sistemului poate fi formalizată

Ie = < Ii > = siteme staţionare = (t) sisteme dinamice = (Ii, Ie, t) sisteme adaptive

• Funcţiile de transfer pot fi descrise ca operatori oarecare, inclusiv operatori descriptivi, nedetrminişti.

• Este unicul mod de abordare informaţională a viului

Page 27: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a27

Puţină antropologie informaţională

• Ce se ştie din bătrâni?

• Confruntarea a două concepţii

• Care este viziunea modernă?

• Antropologie informaţională

• Determinism calitativ

• Formarea omului prin informaţie

• Protezare informaţională

Page 28: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a28

• Intuiţia insuficienţei descrierii exclusiv materiale a funcţionării viului, cu funcţii somatice şi psihice este foarte veche.

• Limbajul descrierii interacţiunii a două aspecte “material” şi “imaterial” ia forme simbolice, teologice şi/sau filozofice, după epocă.

• Discuţia şi analiza subiectului are, din ce in ce mai accentuat pe măsură ce ne apropiem de epoca modernă, aspecte ideologice care confiscă şi falsifică fondul problemei.

Ce se ştie din bătrâni?

Page 29: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a29

• Concepţie binară dihotomică - Platon;– soma diferită de psiche; psyche este prizoniera somei (Platon)

• Concepţie mecanicistă - Descartes;– corpul este o maşinărie rezultat funcţional psihicul (Descartes)

Confruntarea a două concepţii

rezultat funcţional

Page 30: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a30

• Concepţie binară integratoare - Biblia, Aristotel;– Biblia (Vechiul Testament, tradiţia iudaică): “carnea” - nephesh este

doar un cadavru fără “spirit” - ruah; impreună şi numai în totalitate se manifestă ca “fiinţă”.

– Aristotel: “spiritul informează” corpul constituindu-l în fiinţă vie; “spiritul”, ca principiu organizator, se integrează cu materia.

Confruntarea a două concepţii

corpul - suport material

psihicul - principiu integratorFiinţă

Page 31: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a31

• Complexul soma-psyche “face” omul ca fiinţă vie, constientă, care schimbă cu mediul substanţă, energie şi informaţie;

• Omul poate fi descris ca “sistem informaţional” suprapus şi în interacţie cu “sistemul material”;

• Toate manifestările psihice şi/sau somatice pot fi descrise în termeni “materiali” şi “informaţionali”. Analiza completă implică considerarea ambelor aspecte.

Care este viziunea modernă?

Page 32: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a32

Antropologie informaţională

Ii Ie

sub -

R

F

Page 33: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a33

Determinism calitativ

Page 34: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a34

• Pariul cuprins în titlul acestui ecran poate avea o conotaţie ideologică, politică sau educativă.

• Ceea ce ne propunem să discutăm aici este formarea somatică prin mijloace informaţionale, sprijinindu-ne pe complexul soma-psyche

• Postulăm că acţionând asupra, modificând şi educând fluxurile informaţionale în fiinţa umană, putem modifica funcţiile somatice în sensul creşterii performanţelor şi/sau recuperării.

Formarea omului prin informaţie

Page 35: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a35

• Intercalarea unui sistem de calcul, configurat ca sistem de control de proces, într-o buclă de reacţie, externă persoanei văzută ca sistem informaţional, permite intervenţia asupra, controlarea şi modelarea fluxului informaţional schimbat de persoană cu lumea externă.

• Utilizarea adecvată a metodologiei de control informaţional permite stabilirea unui stereotip remanent scoaterii din sistem a calculatorului.

• Această paradigmă a fost caracterizată ca “protezare informaţională” (P. J. de Hillerin).

Protezare informaţională

Page 36: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a36

Protezare informaţională

Iia

Iib

Iin

Ii

Iea

Ieb

Iem

Ie

canal de informaţie vizuală - reacţie

unele canale de informaţie:• poziţii• mărimi fizice• mărimi fiziologice

subiect uman

alte informaţii

Page 37: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a37

Protezare informaţională - evaluarea

Iia

Iib

Iin

Ii

Iea

Ieb

Iem

Ie

canal de informaţie vizuală - reacţie

unele canale de informaţie:• poziţii• mărimi fizice• mărimi fiziologice

subiect uman

alte informaţii

Page 38: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a38

Din nou!...Ce are informaţia cu sportul?

• Avem o nouă paradigmă: fiinţa umană este o “maşină” informaţională

• Deci omul poate fi privit ca sau inclus într-un sistem informaţional

• Deci putem acţiona prin mijloace informaţionale asupra funcţionării subiectului uman (privit ca “maşină” informaţională, chimică, fizică, etc.)

• De asemenea putem acţiona asupra relaţionării subiectului uman cu mediul

Page 39: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a39

... şi cu celelalte?!

• Dacă acţionăm inseamnă că schimbăm:– schimbăm comportament, răspuns la mediu, atitudine...– antrenăm, demontăm mecanisme, creem deprinderi,

corectăm mişcări;

... nu asta urmărim în demersul pregătirii sportive?!

• Dar şi în alte domenii:– social, medical, învăţământ, etc.

mai ales că, prin informaţie, influenţăm şi “maşina” bio-fizică, bio-chimică, etc.

Page 40: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a40

Ce ştim.../...intuim !!

• Prin informaţie acţionăm asupra complexului psiho-somatic !!

• Modificăm funcţia de transfer a sistemului antropo-informaţional !!

• Acţiunea este progresivă prin mecanismul adaptivităţii intrinseci a funcţiei de transfer

... se pare că este foarte eficace !

• Efectul este guvernat de determinismul calitativ

Page 41: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a41

Evident... salt calitativ

• Demersul informaţional este calitativ, nu intensiv, mizând pe dualismul informaţie vs energie

• Demersul informaţional modifică funcţia de transfer psiho (informaţională) declanşând mecanisme somatice (energetice)

• Rezultatul este modelarea funcţiei de transfer psiho-somatice creind patern-uri noi, metastabile

Page 42: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a42

Informaţie vs Energie

• Legi de conservare

• Sistem informaţional vs Sistem energetic

• Informaţie vs Energie

Page 43: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a43

• Definiţia cantităţii de informaţie ca inversul “entropiei unui sistem” face trimitere la termodinamică, legi de conservare, reversibilitate, etc. - o capcană !!

• Noţiunile de mai sus, aşa cum sunt percepute în mod comun, aparţin paradigmei Fizicii şi au un suport conceptual legat de energia în sisteme.

• Informaţia şi Energia sunt lucruri diferite

• Viziunea informaţională şi energetică sunt diferite

Legi de conservare

Page 44: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a44

• Energia şi informaţia se conservă?!

• Un sistem energetic închis este închis şi din punct de vedere informaţional?

• Într-un sistem informaţional închis se crează informaţie din “nimic”?!! Pe ce bază?

• Mecanismul energetic al creativităţii văzută ca proces de generare de nouă informaţie.

Sistem informaţional vs sistem energetic

Page 45: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a45

• Informaţia este o noţiune primară.

• Într-un cadru conceptual extins vom admite că nici informaţia, nici energia nu sunt “mărimi fizice”

• Tot ce putem spune este că:

– măsura cantităţii de informaţie este o mărime calitativă;

– măsura cantităţii de energie este o mărime intensivă;

• Fenomenul energetic este suportul fenomenului informaţional !

Informaţie vs Energie

Page 46: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a46

Exemplu - Piesele de Domino

E = h x Mtot

h

Impuls intensivO configuraţie – O informaţie

Altă configuraţie – Altă informaţie

Page 47: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a47

Exemplu - Piesele de Domino

Pe baza variaţiei energiei sistemului:

Etotal = Eimpuls + h x Mtot

S-a obţinut o variaţie de informaţie în sistem:

Itotal = Ifinal – Iiniţial

fără a se introduce informaţie explicit suplimentară.

Page 48: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a48

Exemplu - Piesele de Domino• eliberarea energiei potenţiale prin căderea fiecărei piese

transmite următoarei piese informaţia şi impulsul pentru cădere; fenomenul este în lanţ şi propagarea este de fapt a informaţiei, global în structură (sistem), prin cheltuire locală de energie.

• între starea energetică iniţială şi finală a sistemului are loc o variaţie de energie potenţială; starea iniţială şi finală informaţională se deosebeşte prin configuraţia geometrică purtătoare de informaţie.

• se pot introduce căi redundante de propagare a informaţiei astfel încât, în cazul unui deficit local de transfer de informaţie (datorat imperfecţiunii sistemului mecanic-energetic - frecări/alunecări, imperfecţiunea poziţionării pieselor, etc.) informaţia se poate "repara", per global.

Page 49: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a49

Alte exemple

Să analizăm împreună alte exemple !

• generare de informaţie:

– un matematician prizonier într-o cameră obscură;

– un pictor abstracţionist închis în atelierul său....

• degradare de informaţie:

– un disc flexibil uitat într-un sertar suferă alterarea informaţiei înscrise;

– uitarea ...

Page 50: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a50

Ce se vrea de la voi?

Exigenţa “de Hillerin”: .... să vă implicaţi !...• să căutaţi noi căi, interpretări,• să aveţi viziune• să încercaţi să “personalizaţi” o paradigmă care

vi se propune(de exemplu: cea discutată în acest seminar)– începeţi prin a încerca să o înţelegeţi;– comentaţi-o– criticaţi-o– dacă puteţi, completaţi-o sau propuneţi alta !

Page 51: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a51

Provocarea mea

Să abordăm în perspectivă informaţională alte probleme, care poate nici nu sunt, stricto-senso, de specialitatea nici unuia dintre noi:– în bio-medicină: sistemul hormonal, boala, acupunctura– în fizică teoretica/filozofie: termodinamica proceselor

ireversibile (aproape banal), principiul cauzalităţii şi dimensiunea “timp”, haosul şi determinismul calitativ

– în psihologia inconştientului: actul ratat, lapsusul, nevroza

– în economie: natura valorilor necorporale, oare banul nu este informaţie?

– în teoria cunoaşterii: natura inteligenţei, geniul..

Page 52: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a52

Conducerea proceselor cu calculatorul

(3)

Page 53: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a53

Proces fizic + tehnologie

• Ansamblul procesului controlat

• Ce caracterizează un proces

• Interfaţa de proces

• Traductori, actuatori, semnale unificate

• Blocul de achiziţie şi comenzi

Page 54: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a54

Ce înseamnă să conducem un proces

• Un proces este o activitate într-un sistem.remember!

• Sistemul + procesul = o unitate funcţională

• Sistemul este suportul fizic pe care are loc procesul

• A conduce un proces înseamnă să-i controlăm intenţional funcţionarea

• Sistem: o porţiune din realitatea obiectivă delimitabilă pe criterii funcţionale

• Sistemele sunt ierarhizate: sisteme de ordin inferior (subsisteme) în sisteme de ordin superior

Page 55: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a55

Ansamblul procesului controlat

Proces fizic

Stări ale sistemului

Comenzi

Interfaţă de proces Calculator

gazdă

Sistem controlat funcţional

Tehnologie

pentru control

Informaţie Date

Page 56: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a56

Caracteristicile unui proces

• Procesul posedă funcţionalitate şi în absenţa controlului. El este caracterizat prin:– stări, materializate prin valori ale mărimilor fizice

implicate în proces– puncte de intervenţie asupra procesului prin care

procesului i se pot da comenzi

• Funcţionalitatea procesului, în absenţa controlului, poate fi diferită de ceea ce dorim noi de la proces.

Page 57: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a57

Interfaţa de proces

condiţio-nări de semnal

traductori

actuatori

bloc de achiziţie şi comenzi

semnale unificate

lum

e fiz

ică

real

ă

calculatorul gazdă

• Lumea fizică reală - procesul controlat

• Calculator gazda - entitatea “inteligentă” capabilă să controleze procesul în mod intenţional

Page 58: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a58

Traductori, actuatori, semnale unificate

• Traductori – dispozitive care transformă mărimi fizice care reflectă stări ale procesului în mărimi electrice

• Actuatori – dispozitive care transformă mărimi electrice în mărimi fizice capabile să influenţeze, să acţioneze asupra procesului

• Condiţionarea semnalelor – aducerea la semnale unificate (standard)

– aducerea mărimilor electrice furnizate de traductori în limite standard acceptabile de blocul de achiziţie şi comenzi

– aducerea marimilor electrice standard generate de blocul de achiziţie şi comenzi în parametri acceptaţi de actuatori

Page 59: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a59

Exemple de condiţionare• Termocuplul: 0..100 mV => 0..10 V;• Puntea tensometrică: –50..+50 mV => -5..+5 V• Traductorul de rotaţie: impulsuri optice => 0/5 V impulsuri TTL

• Frâna electrodinamică: 1.. 500 imp/sec TTL => 0..100 N• Avertizare optică: 5 V nivel 1 TTL => 20 mA curent în LED• Încălzitor de lichid: 0..10 V => 0..50 W în spira de încălzire

Notă: de regulă condiţionarea semnalului este inclusă în construcţia traductorului/actuatorului

Page 60: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a60

Blocul de achiziţie şi comenzi

Ce face blocul de achiziţie şi comenzi?• Achiziţionează informaţie despre starea

procesului prin măsurarea unor parametri din proces prezenţi la intrarea blocului sub forma semnalelor (unificate) furnizate de traductori.

• Emite comenzi sub forma unor semnale (unificate) pe baza cărora actuatorii influenţează starea sau evoluţia stării procesului

Page 61: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a61

Blocul de achiziţie şi comenzi

Ce face blocul de achiziţie şi comenzi?• Transmite informaţia despre starea

procesului către calculatorul gazdă• Recepţionează deciziile calculatorului gazdă

şi implementează comenzile către proces în vederea aplicării deciziilorBlocul de achiziţie şi comenzi se comportă ca un periferic al calculatorului gazdă

Page 62: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a62

Reacţia informaţională în proces

• Bucla de reglaj a procesului

• Entitatea care guvernează controlul

• Rezidenţa programului de control al procesului

Page 63: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a63

Bucla de reglaj a procesuluiPe ce bază emite comenzi blocul de achiziţie şi comenzi?Pe baza interpretării stărilor, şi în consecinţă, a elaborării unor decizii intenţionale şi anticipative despre felul cum va trebui să se comporte procesul mai departe, ce stări va trebui procesul să manifeste.Se crează astfel o buclă de reglaj a procesului care, iterativ, prin măsurări de stare, decizii, comenzi dirijează funcţionarea procesului.

starestare deciziedecizie

achiziţieachiziţie

comandăcomandă

Page 64: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a64

Cine guvernează controlul procesului ?

Procesul are stări...Procesul acceptă comenzi...Unde este “inteligenţa” care evaluează starea şi decide comanda?În algoritmul de control al procesului elaborat şi parametrat de operator, algoritm care se concretizează în programul de aplicaţie pentru controlul procesului.

Page 65: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a65

Cine execută programul ?

In cadrul unui model tehnologic de control al procesului ca cel descris de noi, programul poate fi implementat:– în blocul de achiziţie şi comenzi (în subsistemul de

control) care poate avea inteligenţă incorporată (microcontroller + program)

– în calculatorul gazdă care preia informaţie de la blocul de achiziţie şi comenzi şi îi transmite instrucţiuni pentru efectuarea comenzilor (acţiuni asupra procesului)

– în amblele, prin implementarea unor programe care-şi partajează sarcinile

Page 66: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a66

• Achiziţionarea stării (stărilor) procesului

• Analiza stărilor şi elaborarea deciziilor

• Emiterea comenzilor către proces

• Extragerea şi exploatarea informaţiei

Ce este, deci, controlul unui proces

Page 67: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a67

În mod general, controlul procesului este posibil prin intervenţia oricărei entităţi capabile de decizii intenţionale şi anticipative care are la dispoziţie mijloace de:

• evaluare a procesului;

• mijloace de acţiune asupra procesului.

De exemplu: o persoană care controlează umplerea unei sticle cu apă de la robinet

Un exemplu simplu !?

Page 68: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a68

În situaţii în care:– procesul este complicat– are mulţi parametri– fenomenele sunt rapide– cantitatea de informaţie este mare– este necesară o prelucrare intensivă a unui volum mare

de date– datele trebuie arhivate în beneficiul urmăririi istoriei

evoluţiei procesuluisoluţia este automatizarea controlului procesului

Dar dacă situaţia este mai complicată !?

Page 69: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a69

Sunt, şi au fost utilizate mai multe metode.

La stadiul actual al tehnologiei cea mai evidentă soluţie de automatizare a controlului procesului este utilizarea unui calculator şi a perifericelor sale care:

• efectuează măsurători asupra procesului

• acţionează asupra procesului

conform unui plan conceput de om

Cum facem să automatizăm?

Page 70: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a70

Măsurări şi acţiuni asistate de calculator

(4)

Page 71: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a71

Achiziţionarea stărilor din proces

• Ce fel de stări are procesul

• Problema măsurării şi implicaţia mărimii timp

• Cum asimilează calculatorul stările procesului

• Măsurarea stărilor cu expresie analogică

• Măsurarea stărilor cu expresie logică

• Stări exprimate prin număr de evenimente

• Cazul frecvenţei

Page 72: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a72

Stări (semnale) analogice

• Stări cu semnificaţie cantitativă vehiculate de semnale “analogice”– în cazul stărilor analogice semnalele furnizate de

traductori “urmăresc”, în evoluţia valorii, evoluţia parametrului măsurat;

– semnalul de la traductor este “analog” în evoluţie cu parametrul măsurat

• Pentru măsurarea parametrului din proces este suficient să măsurăm semnalul de la traductor

Page 73: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a73

Stări (semnale) logice

• Stări cu semnificaţie calitativă vehiculate de semnale “logice”– stările cu semnificaţie calitativă (starea este sau nu

este) sunt transformate de traductori în semnale logice cu două valori cu semnificaţia adevarat/fals, da/nu, 0/1;

– stările logice se mai numesc si “binare” deoarece iau două valori

– urmărirea unei stări logice echivalează cu extragerea din proces a unei cantităţi de informaţie de 1 bit

Page 74: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a74

Configuraţia stărilor logice

• La un moment dat, procesul este caracterizat de un set (configuraţie) de stări logice ale mai multor parametri– configuraţia semnalelor logice care reproduc

configuraţia stărilor se numeşte “cuvânt de stare”

– cuvântul de stare de fapt un număr binar format din atâţia biţi câte stări se urmăresc

– cuvântul de stare este “fotografia” stărilor calitative ale procesului la un moment dat

Page 75: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a75

Stări (semnale) cu semnificaţie câte?

• Stări cu semnificaţie de număr sunt vehiculate de semnale logice numai că, în cazul acesta, este important numărul acestor stări “elementare”– căte stări de un anumit fel (0 sau 1) se află la un

moment dat?

– de câte ori un parametru este într-o anumită stare (0 sau 1) într-un interval de timp

Page 76: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a76

Numărare

• Numărarea este înregistrarea numărului de stări de acelaşi tip (0 sau1) ale unui parametru calitativ, într-un interval de timp– numărarea este asociată cu numărul de evenimente;

– numărul de evenimente are sens numai raportat la un interval de timp

• Numărarea se face cu numărătoare de semnale logice

Page 77: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a77

Rata (frecvenţa) de producere

• Dacă evenimentul este repetitiv şi timpul de numărare fixat se evaluează rata (frecvenţa) de producere a evenimentului– repetitiv în sensul de rată constantă trebuie înţeles în

mod relativ;

– numărarea şi evaluarea ratei pot fi echivalente sau foarte diferite ca semnificaţie, funcţie de contextul procesului

• Rata (frecvenţa) în contextul de aici nu trebuie confundate cu frecvenţa în sensul fenomenelor armonice

Page 78: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a78

Dinamica procesului. Timpul

• In discuţia despre evaluarea diferitelor tipuri de parametri fenomenul variabilităţii în timp a fost subînţeles

• Funcţie de tipul de parametru achiziţionat dinamica procesului are semnificaţii şi ridică probleme specifice care vor fi reluate unde este cazul

• Timpul este un parametru important care nu este parametru al procesului dar care este implicat în funcţionarea procesului

Page 79: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a79

Timpul. Ceasul de timp real

• Timpul sincronizează procesul cu “restul lumii”

• Timpul este un parametru de raportare al procesului la alte procese, inclusiv la observatorul procesului sau la cel care controlează procesul

• Timpul trebuie măsurat şi gestionat în controlul de proces

• In controlul de proces avem nevoie de un ceas de timp real

Page 80: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a80

Procese controlate în timp real• Pentru a controla un proces trebuie să sesizăm

schimbările din proces

• Pentru a controla un proces trebuie să reacţionăm la schimbări prin comenzi

• Reuşim să facem acest lucru numai dacă ciclul implicat în bucla de reglaj este scurt în raport cu viteza aşteptată pentru modificarea stărilor procesului– Dacă dacă este respectată condiţia de mai sus avem un

sistem de control de proces în timp real– Noţiunea de control în timp real este relativă la natura

procesului

Page 81: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a81

Cum asimilează calculatorul stările

• Calculatorul este, prin excelenţă, un dispozitiv care percepe informaţia de intrare sub formă de valori numerice, elaborează deciziile prin calcul şi emite comenzi sub forma de valori numerice

• Rolul interfeţei de proces este să medieze schimbul de informaţie între proces şi calculator sub formă de semnale (pe partea procesului fizic) şi sub formă de numere (pe partea calculatorului)

• In interfaţa de proces are loc conversia numerică specifică fiecarui parametru

Page 82: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a82

Aide memoire de aritmetică binară

• Numerele vehiculate în dialogul cu calculatorul sunt exprimate în format binar– formatul familiar (baza 10)

an*10n + an-1*10n-1 + ... + a1*101 + a0*100

– formatul binar (baza 2)

bn*2n + bn-1*2n-1 + ... + b1*21 + b0*20

doisprezece = 1*101 + 2*100 = 1*23 + 1*22 + 0*21 + 0*20

doisprezece = 1210 = 11002

Page 83: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a83

Limitările notării poziţionale

• Numărul de semne distincte necesare pentru a scrie un număr în baza m este m

• În calculator nu putem folosi decât baza 2 din restricţii tehnologice. Semnele “0” cu semnificaţia de mulţime vidă şi “1” cu semnificaţia de mulţime cu un element.

adică cele două “stări” ale circuitelor electronice care alcătuiesc calculatorul

• Valoarea maximă exprimabilă în notare poziţională cu m poziţii în baza n este

nm – 1 În format binar, un număr cu 8 poziţii poate reţine 28 –1valori distincte

Page 84: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a84

Limbajul calculatorului

• Cu calculatorul vorbim în numere exprimate în baza 2

• Fiecare poziţie în scrierea în baza 2 are două valori posibile “0” sau “1”

• “0” sau “1”, “adevărat” sau “fals”, “este” sau “nu este” sunt tocmai valoarea de 1 bit

• Cu calculatorul vorbim in BIŢI

Numărul 100110012 are 8 biţi, reprezintă valoarea 15310

Page 85: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a85

Biţi şi baytes

11 00 00 113 2 1 0bit-ul

MSB LSB

– valori întregi 0..15; în exemplu: 910

00 00 11 113 2 1 0bit-ul

MSB LSB

11 00 00 117 6 5 4

– valori întregi 0..255; în exemplu: 14710

– poziţia bit-ului este “rangul” în notarea poziţională în baza 2; adică “puterea la care se ridică 2;

– MSB “most significant bit”– LSB “least significant bit”– BYTE număr binar (în baza 2) cu lungime fixă 8 biti

Page 86: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a86

Întregi şi semne

– valori întregi 0 ... 255 (implicit pozitiv)– valori întregi -128 ... +127 (cu semn)

• etc....– exprimarea întregilor pozitivi este ”naturală”– exprimarea întregilor cu semn este “codificată”

– MSB reţine, codificat, semnul– complement faţă de “1” (offset binary)– complement faţă de “2” (two’s complement)

7 0

MSB LSB

– valori întregi 0 ... 65535 (implicit pozitiv)– valori întregi -32768 ... +32767 (cu semn)

7 0

LSB

15 8

MSB

Page 87: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a87

Numere reale: mantisa şi exponent

• Notare exponenţială: mantisa * baza exp

• În zecimal - “notaţia ştiinţifică”:– 0.258863 * 10-3 = 0.000258863– 0.1668977 * 105 = 16689.77semnul îl poartă mantisa

• regula economică:– mantisa < 1 dar nu < 10-1 (adică nu < decât baza-1)– înseamnă: la mantisă, cifra întregilor = 0, prima cifră

după “.” (punctul sau virgula”zecimală”) diferită de 0!

• regula uniformităţii:– mantisa şi exponentul în format cu “lungime” fixă

Page 88: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a88

Păi... merge şi în “binar” (baza 2)!

• Notare exponenţială: +/- mantisa * baza exp

• Numere reale se exprimă prin– mantisa: ca un întreg cu semn (numai partea de după

“virgulă”), cu lungime fixă, de ex. 3 bytes– exponent: ca un întreg cu semn, cu lungime fixă, de ex.

1 byte

Exemplu:

7 0

MSB LSB

7 0

LSB

15 823 16

MSB

în total 4 bytes sau 32 biţi care pot reţine numere cu semn în domeniul: (+/-) 3.4 * 10-38 ... 3.4 * 1038

Page 89: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a89

De ce “regula uniformităţii”

cu alte cuvinte:– de ce “lungime fixă”?– de ce lungime egală cu multiplu de bytes?

deoarece, în calculator, numerele sunt prelucrate şi memorate în “unităţi”, “calupuri” de 1 sau mai mulţi bytes.De ce? ... din multe motive printre care:

• istoria dezvoltării tehnicii de calcul• un anumit compromis între economie şi

complexitate

Page 90: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a90

De ce aritmetică binară

• De ce “aide memoire de aritmetică binară” în contextul măsurării asistate de calculator?!

– rezultatul măsurătorii din proces trebuie să-l prezentăm în forma inteligibilă de către calculator;

– pentru aceasta trebuie să înţelegem noi ce îi dăm calculatorului şi care sunt limitările

– performanţa măsurătorii (rezoluţie, precizie, acurateţe) este strâns corelată cu biţii şi baiţii (sorry! .. bytes)

Page 91: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a91

Revenim la achiziţia parametrilor

Achiziţia parametrilor se reduce la:

– achiziţia de semnale analogice– achiziţia de semnale logice– numărare

Să vedem cum se face !

Page 92: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a92

Adaptarea (condiţionarea) semnalului de

intrare

Achiziţie: semnal cu semnificaţie analogică

+/-10V

Domeniu de variaţie continuă

standardLumea reală. Mărimi fizice

ADC Procesor Digital

Date in format

numeric

Interfaţa analogică de

intrareTraductor

Transformare din mărime fizică oarecare in

mărime electrică (semnal)

Conversie analog

numerică (digitală)

Interpretare şi decizie

Tensiune sau curent

comenzi pentru parametri de achiziţie

Page 93: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a93

Achiziţie: semnal cu semnificaţie logică

Adaptarea (condiţionarea) semnalului de

intrare

Transformare din mărime fizică oarecare in

mărime electrică (semnal)

Achiziţionare valori logice “0” sau “1”

Interpretare şi decizie

0 sau 5 V

Domeniu de variaţie binar

standardLumea reală. Mărimi fizice

I/(O) Procesor Digital

Date in format

numeric

Interfaţa logică de

intrareTraductor

Tensiune sau curent

comenzi pentru parametri de achiziţie

Page 94: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a94

Achiziţie: semnal cu semnificaţie număr/rată

0 şi 5 V

Domeniu de variaţie binar

standardLumea reală. Mărimi fizice

Numărător Procesor Digital

Date in format

numeric

Interfaţa logică de

intrare

Adaptarea (condiţionarea) semnalului de

intrare

Traductor

Transformare din mărime fizică oarecare in

mărime electrică (semnal)

Achiziţionare secvenţială valori logice

“0” şi “1”

Interpretare şi decizie

Tensiune sau curent

comenzi pentru parametri de achiziţie

Page 95: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a95

Măsurarea stărilor analogice

• Conversia analog-digitala (ADC)

• Parametri caracteristici ai ADC

• Surse de eroare ale ACD

• Probleme legate de dinamica stărilor

• Evaluarea globală a acurateţii măsurătorii

Page 96: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a96

Inportanţa măsurării stărilor analogice

• Importanţa particulară:– sunt cele mai “rafinate” măsurători din proces– sunt cele mai scumpe măsurători şi trebuiesc bine

înţelese pentru optimizarea raportuluinecesitate/preţ

• Importanţa generală în contextul controlului de proces– înţelegerea noţiunilor implicate este hotărâtoare pentru

controlul procesului cu calculatorul (şi nu numai!)– noţiunile implicate sunt folosite şi în măsurarea stărilor

logice (de orice natură)– noţiunile implicate sunt folosite şi în generarea

comenzilor către proces

Page 97: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a97

Ce măsurăm şi cum

+/-10VLumea reală. Mărimi fizice

ADC Procesor Digital

Interfaţa analogică de

intrareTraductor

Parametru Semnal analogic unificat

Exprimarea numerică a valorii semnalului, deci a

parametrului

II IIII

Page 98: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a98

Factorul de conversie (gain) - faza I

• Presupunem un parametru: forţă• Presupunem un traductor: punte tensometrică• Presupunem o condiţionare a semnalului care

realizează o corespondenţă forţă - tensiune de forma:

U (V) = k * F (dN)o lege liniară de conversie a mărimii forţei în tensiune Cum arată aceasta grafic?

Page 99: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a99

Factorul de conversie (gain)

U( V )

F( dN)

0

100

10

valoare parametru

valoare citită

valoarea citită este interpretată ca valoare a forţei după regula:

U (v) = k * F (dN)

k este factorul de conversie

Page 100: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a100

Obţinerea exprimării numerice - faza II

• Trebuie să obţinem o conversie analog - numerică (digitală)

• Remarci importante:– semnalul variază continuu (analogic)– exprimarea numerică este discretă (cuantificată)

• înseamnă că trebuie să atribuim valori numerice discrete unei mărimi care ia valori continui

• înseamnă că trebuie să împărţim domeniul de variaţie al mărimii analogice în cât mai multe intervale (canale) egale şi să atribuim tuturor valorilor continui dintr-un interval una şi aceeaşi valoare numerică

Page 101: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a101

Conversia Analog Numerică: principiu

U( V )= k * F(dN)

N = 16 (n=4)

10

14

1213

11

456789

15

0123

0 10

Page 102: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a102

Factorul de conversie al ADC

• Adică, trebuie să obţinem o ecuaţie de conversie de forma:

V (valoare numerică) = N * vmin

unde: N aparţine mulţimii {0,1,2,3,... 2n-1}şi, în consecinţă:

F (valoare numerică) = N * Fmin

unde: Fmin = vmin/k• Am obţinut valoarea forţei ca o exprimare

numerică discretă• Valoarea măsurată a forţei este un număr întreg

de cuante Fmin

Page 103: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a103

Cuvinte cheie în conversia AD

• Rezoluţie: vmin, Fmin (lărgimea intervalului)• Nmax = număr de intervale = 2n

Dacă avem de exemplu:– n =10– k =10-1 V/dN (10V pe domeniul de măsură de 100dN)obţinem:– Nmax = 1024– vmin = 10V/1024 = 0.98 mV– Fmin = vmin/k = 0.098 dN

şi spunem că măsurăm forţa în domeniul 0... 100 dN cu rezoluţie de 10 biţi

Page 104: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a104

Rezoluţie

• Rezoluţia = Puterea de separarecea mai mică valoare măsurabilă prin care poate fi caracterizat semnalul (“unitatea digitală”)

• Definită de convertorul analog digital (ADC)

• exprimată în:– biţi: n biţi = 1 parte din 2n (ex:12 biţi = 1 parte din 4096)

– digiţi: n 1/2 digiţi = 1 parte din 2*10n

Page 105: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a105

Diferite rezoluţii ADC

Procente

6.25%

0.39%

0.098%

0.025%

0.0015%

Biţi

4

8

10

12

16

Canale

16

256

1024

4096

65536

Părţi din domeniu

1 din 16

1 din 256

1 din 1024

1 din 4096

1 din 65536

Părţi din 10V

625 mV

3.9 mV

0.98 mV

0.25 mV

0.015 mV

– rezoluţie joasă, rapid, economic, 1 byte

– rezoluţie medie, relativ rapid, nu prea scump, 2 bytes

• Rezoluţia este o măsură a “fineţei” cu care se poate măsura un parametru de proces

Page 106: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a106

Sensibilitatea măsurătorii

• Sensibilitate = Cea mai mică valoarecea mai mică valoare măsurabilă efectiv

• Definită de convertorul analog digital (ADC), traductor şi circuitele de condiţionare

• exprimată în:– biţi: n biţi = 1 parte din 2n (ex:12 biţi = 1 parte din 4096)

– valoare minimă detectabilă a mărimii de măsurat (forţă, temperatură, deplasare)

Page 107: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a107

Sensibilitatea absolută/relativă

• Sensibilitate absolută = Cea mai mică valoare care poate fi detectată deasupra valorii “zero”

• Sensibilitate relativă = Cea mai mică schimbare de valoare care poate fi detectată

Page 108: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a108

Sensibilitatea digitală

• Sensibilitatea este o măsură a “gradului de detectabilitate” a mărimii respective sau a schimbărilor care pot surveni în evoluţia mărimii respective (parametru de proces)

• EVIDENT !!! sensibilitatea, la nivelul rezultatului conversiei analog digitale, nu poate fi mai “fină” decât rezoluţia ADC

• Dar mai “grosieră”?

Page 109: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a109

Exactitatea măsurătorii

• Exactitate = concordanţa între valoarea măsurată şi valoarea măsurată de un instrument standard, certificat metrologic

• Exactitatea este o măsură a “gradului de încredere” în măsurătoarea efectuată asupra parametrului de proces

• Exactitatea nu poate fi decât absolută !

Page 110: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a110

Repetabilitatea măsurătorii

• Repetabilitate = concordanţa între rezultatele succesive obţinute prin măsurarea unui parametru de proces, cu acelaşi instrument de măsură, presupunând că valoarea parametrului rămâne constantă

• Repetabilitatea este o măsură a “stabilităţii” pe termen scurt sau pe termen lung a instrumentului de măsură

• Repetabilitatea nu poate fi decât relativă !

Page 111: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a111

Rezoluţie, Exactitate, Repetabilitate

înaltă înaltă înaltă înaltă joasă înaltă joasă joasă înaltă joasă joasă joasă

Rezoluţie Exactitate Repetabilitate

o privire intuitivă !

Page 112: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a112

Conversia Analog Digitală. Cazul ideal

N este mare Rezoluţie mare

>10 biţi

U( V )

N( canale ) (de ex: 4096)

0 10

Valoare reală

Valoare măsurată

coincidenţă în limitele rezoluţiei

ideal

Page 113: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a113

Erori sistematice ale ADC

• Erorile sistematice de măsurătoare provin din imperfecţiuni constructive şi principiale ale traductorilor, circuitelor de condiţionare sau ale circuitelor care implementează principiul conversiei analog digitale:–Eroarea de nelinearitate integrală (gain offset)

–Eroarea de nelinearitate diferenţială

–Eroarea de nul (offset)

Page 114: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a114

Nelinearitatea integrală

Nelinearitate Integrală

(Gain)

U( V )

N( canale ) (de ex: 4096)

0 10

Valoare reală

Valoare măsurată

eroare

Page 115: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a115

Sursa nelinearităţii integrale

• circuitele de condiţionare a semnalului au un factor de conversie k inconstant

• nu avem concordanţă între k şi lărgimea intervalului elementar al conversiei analog digitale (“prea multe sau prea putine canale/intervale”)

• aceasta se traduce în următoarea situaţie:– avem un convertor analog digital de 12 biţi (4096 intervale)

destinat măsurătorii temperaturii în domeniul 0... 100 oC– valoarea 50 oC corespunde valorii numerice 2050 (în loc

de 2047 (!) cât ar trebui să fie jumătatea domeniului)

Page 116: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a116

Nelinearitatea diferenţială

Nelinearitate Diferenţială

U( V )

N( canale ) (de ex: 4096)

0 10

Valoare reală

Valoare măsurată

eroare

Page 117: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a117

Sursa nelinearităţii diferenţiale

• convertorul analog digital are intervalele elementare neuniforme ca lărgime

Page 118: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a118

Eroarea de nul

Eroare de nul

(Offset)

U( V )

N( canale ) (de ex: 4096)

0 10

Valoare reală

Valoare măsurată

eroare

Page 119: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a119

Sursa erorii de nul

• circuitele de condiţionare prezintă o valoare reziduală continuă, constantă, la intrarea convertorului analog digital

Page 120: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a120

Aspecte economice• Convertorul analog digital şi circuitele de

condiţionare aferente măsurării stărilor analogice sunt cele mai scumpe dintr-un sistem de măsură al unui control de proces

• Trebuie economie!–Multiplexăm “canalele” de conversie analog

digitale–Cunoscând exact aplicaţia şi pretenţiile reale de

măsură nu căutăm caracteristici superioare de care nu avem nevoie

Page 121: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a121

Multiplexarea canalelor

Traductor + condiţionare

Lumea reală. Mărimi fizice

ADC Procesor Digital

n Parametri

Semnale analogice unificate

Exprimarea numerică a valorii semnalelor, deci a

parametrilor

(prelevate pe rând)

Traductor + condiţionare

Traductor + condiţionare

Page 122: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a122

Analiza performanţă/preţ pentru ADC• Trebuie sa facem economie de canale de

măsură analogice şi economie la performante!- nu masurăm parametri de care nu este neaparată nevoie;- nu supra-măsurăm (economie de preformanţe);

• rezoluţia mare, timpul de conversie mic şi simultaneitatea de prelevare,

• sensibilitatea, acurateţea şi exactitatea mare,• linearitatea (integrală şi diferenţială)

.... sunt scumpe!

Soluţia: analiza “la sânge” a necesităţilor aplicaţiei şi compromis realist între performanţe şi preţ

Page 123: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a123

Dinamica măsurării mărimilor analogice

• Eşantionare, prelevare

• Teorema eşantionrii

• Descompunerea armonică a semnalelor

• Dinamica indusă de ACD

• Dinamica multiplexării canalelor

• Eroarea de nesimultaneitate

Page 124: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a124

• Valoarea mărimilor analogice variază în timp;

• Măsurarea se face discret;

• Se prelevează valori la anumite momente de timp ti

• Te = ti+1 - ti ; perioada de eşantionare;

• fe = 1/Te ; rata de eşantionare.

Eşantionare, prelevare valoare

Page 125: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a125

Rata de eşantionare

t

P

0ti ti+1 tj tj+1

Page 126: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a126

• Intuiţia ne sugerează că, pentru sesizarea unor variaţii mai fine, mai rapide, a mărimii măsurate, este bine să eşantionăm cât mai “fin” adică:

Te , implică, fe !

• Dar cât, pentru că .... costă!;

Cum trebuie să fie rata de eşantionare ?

Page 127: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a127

• Problemă: Cât de des trebuie să eşantionăm pentru a obţine o serie de valori care să reproducă, rezonabil de fidel, variaţia în timp a semnalului (parametrului măsurat)?

• Răspuns: Perioada de eşantionare trebuie să respecte “teorema eşantionării” (Nyquist)rata minimă de eşantionare 1/Te > 2 * fmax

• Dar ce este fmax ?

Teorema eşantionării (Nyquist)

Page 128: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a128

Dacă presupunem f(t): o funcţie periodică, de perioadă T0

cu f0=1/T0 numită frecvenţa fundamentală, atunci:f(t) = A0/2 + Re{Anejnt} cu n = 1...

unde:A0 este amplitudinea “componentei” de frecvenţă f0,An este amplitudinea “componentei” de frecvenţă fn;

Putem spune, simplificat: un semnal periodic, poate fi reprezentat prin (sau este) suprapunerea unei serii de semnale armonice, de frecvenţă din ce în ce mai mare, cu amplitudine din ce în ce mai mică (“descompunere” în serie Fourier)

“Descompunerea” semnalelor periodice

Page 129: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a129

Fără să intrăm în subtilităţi matematice afirmăm:Dacă semnalul nu este periodic, prin trecere la limită, suma de mai înainte se transformă în integrală iar seria discretă de componente se transformă într-un spectru continuu de frecvenţe din ce în ce mai mari, cu amplitudine (contribuţie) din ce în ce mai mică:De la o anumită componentă încolo (frecvenţe mai mari), putem neglija contribuţia acestora la reconstituirea semnalului original, în limitele unei fidelităţi acceptabile.

Şi dacă semnalul nu este periodic ?

Page 130: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a130

Ca să măsurăm corect un semnal oarecare, este suficient să ne asigurăm că îi măsurăm corect cea mai mare frecvenţă, pe care o considerăm încă semnificativă (în limitele unei erori previzibile).Adică să prelevăm, prin eşantionare, corect, această ultimă componentă de frecvenţă fmax deoarece, componentele de frecvenţă inferioară sunt oricum eşantionate “mai fidel”, adică “mai des”.Această fmax, este cea din teorema eşantionării:

femin = 2 * fmax

Reformulăm teorema eşantionării

(reformulată)

Page 131: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a131

O privire intuitivă: fantome (aliases)

.. deci totul se reduce la eşantionarea corectă a unui semnal armonic. Cum putem greşi la eşantionare?

asta măsurăm (fe prea mică)

asta ni se pare că măsurăm

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7

şi ...

Page 132: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a132

Care este contribuţia ADC ?

• Caracteristici dinamice ale ADC:–Ta - apertura

intervalul de timp în care ADC-ul “se uită” la semnal

–Tc - timpul de conversieintervalul de timp în care are loc efectiv conversia analog numerică

–Te - intervalul (perioada de eşantionare)intervalul de timp după care se poate iniţia o nouă conversie analog numerică (are semnificaţia şi importanţa de mai înainte, dar, aici ne referim la perioada de eşantionare impusă de ADC; este influenţată de timpul necesar ADC-ului de a furniza rezultatul mai departe - de ex.: procesorului digital)

Page 133: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a133

Limitările dinamice induc erori

iniţierea conversiei

apertura

timpul de conversie

terminarea transferului datelor

de aici încolo putem iniţia o

nouă conversie

asta credem că măsurăm

în tot acest timp semnalul

variază

t

P

Page 134: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a134

De fapt, ce măsurăm ?!

t

P fără precauţii speciale:

probabil o medie

cu Sample-and-Hold (SaH)

valoarea de la inceput

apertura

Page 135: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a135

Dinamica achiziţiei multiplexateExemplu: Eşantionare cu frecvenţa de 1kHz a 4 canale multiplexate folosind un ADC cu Tc = 0.01 ms

o trecere

CH1CH2CH3CH4

o trecere

0.01ms

1ms

0.25ms

1ms

baleiaj “la rînd” baleiaj în mod pachet

Page 136: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a136

Eroarea de nesimultaneitate

pachet

Eroare de ne-simultaneitate

CH1

CH2CH3

CH4

CH1

CH2CH3

CH4

Simultan

pachetfără memorare (SaH) cu memorare (SaH)

Page 137: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a137

Acurateţea globală a măsurătorii

• O măsurătoare este “bună” funcţie de pretenţiile aplicaţiei şi cuprinde estimarea contribuţiei ponderate a factorilor de eroare de mai jos:

• Acurateţea asupra valorii mărimii:– rezoluţie, sensibilitate, exactitate, repetabilitate– liniaritate (integrală, diferenţială)– eroare de nul

• Acurateţea asupra evoluţiei (dinamicii) mărimii:– rată de eşantionare– eroare de nesimultaneitate (sincronizarea valorilor)

Page 138: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a138

Măsurarea stărilor logice

• Semnificaţia măsurării stărilor logice

• Pragul de sesizare

• Utilizarea stărilor logice pentru controlul de proces

• Configuraţia stărilor logice

• Dinamica stărilor logice

• Intreruperi

• Măsurători prin numărare

• Dinamica măsurătorilor prin numărare

Page 139: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a139

Stările logice se măsoară ?• Remember:

Stări cu semnificaţie calitativă sunt vehiculate de semnale “logice”. Stările cu semnificaţie calitativă (starea este sau nu este) sunt transformate în valori binare cu semnificaţia adevarat/fals, da/nu, 0/1;

• Stările logice se măsoară? DA!Determinarea stării logice este echivalentă şi, în cele mai multe cazuri este o conversie analog digitală cu rezoluţia de 1 (un) bit!

Să vedem!

Page 140: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a140

Un canal “logic”

Lumea reală. Mărimi fizice

Procesor Digital

Interfaţa analogică de

intrareTraductor

Parametru cu semnificaţie

calitativă

Exprimarea logică a existenţei stării

Comparator

prag (comandat)

aceste componente pot constituti, pur şi simplu, traductorul 0/1

prag (fixat prin construcţie) sau

Page 141: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a141

Factorul de conversie

T (oC)0

1

100

prag

Alarmă (valoare logică 0/1)

valoarea citită este interpretată ca stare după regula:

Alarma = k * T (oC)k = 0 dacă T < pragk = 1 dacă T > prag

40

0O.K.

alarmă

Page 142: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a142

Aşa să fie ?!

• Nu vă lăsaţi înşelaţi! Întotdeauna este aşa !– la un sensor de “capăt de cursă” pragul este

stabilit prin mărimea forţei de apăsare !– la un sensor de proximitate pragul este stabilit

prin efect termic !– la un sensor de presiune pragul este stabilit

prin constantă elastică !– la un sensor de “acces în arie” pragul este

stabilit prin nivel luminos !– etc., etc.

Page 143: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a143

Ce facem cu stările logice ?• ... le constatăm

în sensul că se ia cunoştinţă de aceste stări pentru a afla starea sistemului (procesului) şi a se elabora decizii în consecinţă

• ... le numărămîn sensul că modificarea unei stări este asociată cu un eveniment care are loc în proces:– câte evenimente de un anumit tip au loc în timp ce ...– câte evenimente de un anumit tip au loc între două

evenimente de un alt tip– câte evenimente de un anumit tip au loc în unitatea de

timp

Page 144: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a144

Configuraţia stărilor• stările individuale (1 bit)• ansamblul stărilor “cuvânt de stare” (n biţi)

Lumea reală. Mărimi fizice

1 bit

Procesor Digital

Traductor + condiţionare

1 bit

Traductor + condiţionare

cuvânt de stare

00 11 11 11s3 s2 s1 s0

MSB LSB

11 00 XX XXs7 s6 s5 s4

• cuvântul de stare: intreg de 8 biţi (sau multiplu)• “rangul” este asociat logic cu starea si

• X - unele stări pot fi nedefinite

Page 145: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a145

Dinamica stărilor• o “configuraţie a stărilor” este fotografia stării

procesului la momentul achiziţionării cuvântului de stare de către procesorul digital

• succesiunea stărilor la momente diferite reconstituie dinamica de stare a procesului

• intervalul de timp la care se achiziţionează cuvântul de stare este perioada de eşantionare a stărilor– stările se pot achiziţiona periodic sau, doar la nevoie

Page 146: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a146

Întreruperi

• Anumite stări din proces pot avea o semnificaţie privilegiată în logica aplicaţiei de control a procesului. Ca urmare:– schimbarea stării nu este supravegheată prin

eşantionare– schimbarea stării declaşează o reacţie specială

a aplicaţiei care este forţată să-şi întrerupă cursul normal pentru a lua o decizie, sau a declanşa o acţiune imediată, ca urmare a modificării stării respective

Page 147: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a147

Numărarea stărilor • Numărarea stărilor poate avea următoarele

semnificaţii: – câte schimbări de stare au loc într-un interval definit– reflectă o mărime cantitativă măsurată

– aceasta este o variantă a cazului anterior care echivalează cu o conversie analog digitală (cazul tipic: TIRO)

– de câte ori se schimbă starea în unitatea de timp (frecvenţă/rată)

Lumea reală. Mărimi fizice

numărător Procesor Digital

Traductor + condiţionare

Page 148: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a148

Numărarea ca măsurătoare cantitativă

• Numărătorul conţine un număr proporţional cu deplasarea X

x

senzor de lumină

numărător

TIRO

Page 149: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a149

Dinamica măsurării prin numărare

• Numărătorul conţine un număr proporţional cu deplasarea X, deci se comportă ca un ADC

• “Rata” de citire a numărătorului este echivalentă cu o rată de eşantionare a unei mărimi cu semnificaţie cantitativa, (deplasarea) care variază în timp

• Cazul este echivalent cu eşantionarea unei mărimi analogice

Page 150: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a150

Măsurători de rată/frecvenţă• Dacă numărătorul numără evenimente

repetitiv/periodice şi intervalul la care se citeşte numărătorul este constant şi cunoscut, se poate calcula:

rata = număr de evenimente / timp• Evenimentele pot fi asociate cu un moment

caracteristic unui fenomen armonic (de ex: valoarea maximă)În acest caz:

rata = frecvenţa

Page 151: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a151

Emiterea comenzilor către proces

• Comenzi analogice

• Comenzi logice

• Dinamica comenzii

• Comenzile trebuiesc elaborate

Page 152: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a152

Comenzi către proces

• A comanda un proces înseamnă a avea abilitatea de a modifica parametrii procesului (cel puţin, unii)

• Rămâne valabilă distincţia privitoare la parametri:

– analogici, cu semnificaţie cantitativă;

– logici, cu semnificaţie calitativă;

Page 153: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a153

Comenzi înseamnă semnale

Comanda parametrilor se reduce la:

– emiterea de semnale (comenzi) analogice– emiterea de semnale (comenzi) logice

Să vedem cum se face !

Page 154: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a154

Adaptarea (condiţionarea) semnalului de

ieşire

Comandă: semnal cu semnificaţie analogică

+/-10V

Domeniu de variaţie continuă

standardLumea reală. Mărimi fizice

DAC Procesor Digital

Date in format

numeric

Interfaţa analogică de

ieşireActuator

Transformare din mărime electrică in mărime fizică

oarecare (acţiune)

Conversie numeric (digital)

analogică

Decizie şi acţiune

Tensiune sau curent

comenzi pentru parametri de acţiune

Page 155: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a155

Transformare din mărime electrică in mărime fizică

oarecare (acţiune)

Comandă: semnal cu semnificaţie logică

0 sau 5 V

Domeniu de variaţie binar

standardLumea reală. Mărimi fizice

(I)/O Procesor Digital

Date in format

numeric

Interfaţa logică de

ieşire

Adaptarea (condiţionarea) semnalului de

ieşire

Actuator

Emiterea de valori logice “0” sau “1”

Interpretare şi decizie

Tensiune sau curent

comenzi pentru parametri de acţiune

Page 156: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a156

Comenzi analogice

• Comenzi analogice tip DAC

• Erori ale conversiei de tip DAC

• Dinamica comenzilor analogice de tip DAC

• Comenzi analogice tip “timp/frecvenţă”

• Erori ale conversiei tip “timp/frecvenţă”

• Evaluarea globală a acurateţii comenzii

• Domeniul de aplicabilitate a tipurilor de comenzi

Page 157: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a157

Comenzi de tip DAC

• Parametrul analogic trebuie comandat prin semnal analogic elaborat de convertorul digital analogic (DAC)

• De ex: temperatura, în incinta în care are loc procesul, se comandă prin puterea injectată într-un “fierbător”

• DAC “reconstituie” o variaţie continuă a parametrului (semnalului de comandă) prin valori discrete comandate numeric

Page 158: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a158

Ce face, de fapt, DAC-ul ?

Răspuns: o operaţie INVERSĂ conversiei analog digitale care a fost utilizată la achiziţia semnalelor (parametrilor) analogici– avem un factor de conversie !– avem eşantioane !– variaţia semnalului-comandă se descrie prin

descompunere armonică !

Page 159: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a159

Adică... cum ?!

+/-10VLumea reală. Mărimi fizice

DAC Procesor Digital

Interfaţa analogică de

ieşireActuator

Parametru Semnal analogic unificat

Exprimarea numerică a valorii semnalului, deci a

parametrului

IIIIII

Page 160: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a160

Factorul de conversie al DAC

T(oC)

N = 16 (n=4)

10

14

1213

11

456789

15

0123

0 10

T (valoare analogică) = N * Tmin

Page 161: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a161

Erori ale conversiei DAC

• Aceleaşi ca şi la ADC:– Eroarea de nelinearitate integrală (gain offset)

– Eroarea de nelinearitate diferenţială

– Eroarea de nul (offset)

Page 162: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a162

Dinamica conversiei DAC

• Actualizare (refresh) – inversul eşantionăriievoluţia parametrului se reconstituie din eşantioane ale comenziiTeorema eşantionării rămâne valabilă !

• Limitări impuse de DAC– timpul de transfer din calculator în DAC– Tc = timpul de conversie al DAC– Ts = timpul de stabilire a valorii

Page 163: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a163

“Reconstituirea” parametrului

t

T

0ti ti+1 tj tj+1

“Reconstituirea” se face printr-o histogramăau loc actualizări a valorii

ZOOM

Page 164: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a164

“Reconstituirea” parametrului (zoom)

iniţierea comenzii

timpul de stabilire

timpul de conversie

terminarea transferului datelor

vechea valoare

t

T noua valoare

noua valoare este efectivă

de la iniţierea comenzii pînă la actualizarea

valorii

Page 165: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a165

Principiul comenzii “timp/frecvenţă”

V

t

t

aceeaşi valoare medie

“ondulaţie” diferită

– frecvenţă diferită– acelaşi factor de umplere

R

C

Page 166: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a166

Modulare în frecvenţă

– frecvenţă diferită– durata impulsului fixă– factor de umplere diferit

V

t

valoare medie diferită

t

R

C

Page 167: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a167

Modulare în durată - PWM

V

t

t

valoare medie diferită

– frecvenţă fixă– durata impulsului diferită– factor de umplere diferit

R

C

Page 168: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a168

Comanda “timp/frecvenţă” are probleme !

• Comenzile analogice “timp/frecvenţă” sunt afectate principial de erori dinamice:– precizia valorii şi dinamica stabilirii comenzii

depinde de intervalul în care variază frecvenţa (modulaţie în frecvenţă)

– precizia valorii şi dinamica stabilirii comenzii depinde de frecvenţa utilizată (modulaţie în durată)

– ondulaţia comenzii analogice generate poate induce o instabilitate în comandă;

Page 169: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a169

Acurateţea globală a comenzii analogice

• O măsurătoare este “bună” funcţie de pretenţiile aplicaţiei şi cuprinde estimarea contribuţiei ponderate a factorilor de eroare de mai jos:

• Acurateţea asupra valorii mărimii:– rezoluţie, liniaritate (integrală, diferenţială), eroare de

nul (pentru DAC)– frecvenţă (pentru modulaţia în frecvenţă şi durată)

• Acurateţea asupra evoluţiei (dinamicii) mărimii:– rată de actualizare a valorii - inversul eşantionării, timpul

de stabilire (pentru DAC)– frecvenţă (pentru modulaţia în frecvenţă şi durată)

Page 170: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a170

Ce metodă folosim... şi când ?

• Comanda tip DAC este recomandabilă când se comandă un parametru cu “inerţie” mică şi se doreşte o comandă cât mai “netedă”– comanda frecvenţei de acord la un receptor radio

• Comanda tip “timp-frecvenţă” este recomandabilă când se comandă un parametru cu “inerţie” intrinsecă mare şi se poate conta pe o “netezire” inerţială a comenzii– comanda vitezei unui motor– comanda unei frâne electromagnetice– comanda unui încălzitor

• Decidem, după necesităţi sau după posibilităţi

Page 171: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a171

Comenzi logice

• Comenzi logice

• Dinamica comenzilor logice

Page 172: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a172

Configuraţia comenzilor logice• comenzi individuale (1 bit)• ansamblul comenzilor “cuvânt de comandă” (n biţi)

Lumea reală. Mărimi fizice

1 bit

Procesor Digital

Actuator + condiţionare

1 bit

Actuator + condiţionare

cuvânt de comandă

00 00 XX 11c3 c2 c1 c0

MSB LSB

XX 00 11 11c7 c6 c5 c4

• cuvântul de comandă: întreg de 8 biţi (sau multiplu)• “rangul” este asociat logic cu comanda ci

• stările pot fi comandate individual• X - unele comenzi pot fi neutilizate

Page 173: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a173

Dinamica comenzilor logice• o “configuraţie a comenzilor” este fotografia

stării dorite, pentru unii parametri ai procesului, la momentul emiterii cuvântului de comandă de către procesorul digital

• succesiunea comenzilor logice, la momente diferite, reconstituie dinamica de modificare comandată a stărilor procesului

• intervalul de timp la care se emite cuvântul de comandă este perioada de actualizare a stărilor– stările se pot actualiza periodic sau, doar la nevoie

Page 174: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a174

Comenzile trebuiesc elaborate

• Controlăm procesul achiziţionând stări• Controlăm procesul emiţând comenzi• Comenzile se elaborează pe baza informaţiei

achiziţionate din proces• Elaborarea comenzilor se face după un plan

(algoritm) care constituie logica aplicaţiei• Acest plan este PROGRAMUL implementat

în procesorul digital (oricare ar fi acela)

Page 175: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a175

Programul

• Planul după care se controlează procesul

• Cine face programul

• Cine execută programul

• Ce este o aplicaţie

Page 176: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a176

Algoritmul de control a procesului

• Planul de desfăşurare a evenimentelor în sistem după dorinţa utilizatorului:– strategia de achiziţie a informaţiei din sistem– strategia de aplicare a comenzilor

• Identificarea necesităţilor de decizie

• Identificarea modalităţilor de acţiune

• Stabilirea metodologiei de prelucrare a informaţiei şi de elaborare a deciziilor

Page 177: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a177

Cine face programul ?

• Este nerelevant cine face programul– utilizatorul sistemului controlat ?– o entitate diferită, specializată în programare ?

• Este relevant cui foloseşte programul– EVIDENT!.. utilizatorului sistemului controlat– utilizatorul înţelege şi ştie ce vrea să facă– utilizatorul elaborează, pentru sine sau pentru

terţi, specificaţia programului de control

Page 178: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a178

Cine execută programul ?

• Programul este executat de un automat programabil, asimilat în discuţia anterioară cu “procesorul digital”

• Procesorul digital poate fi, după tipul şi gradul de complexitate a controlului, fie:– un microcontrolor, microprocesor sau DSP,

incluse în interfaţa de proces– un calculator PC, calculator industrial, PDA,

etc., denumit în general, “calculator gazdă”– o combinaţie ierarhică a celor de mai sus

Page 179: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a179

Ce este aplicaţia ?

• Aplicaţia este ansamblul de echipamente (hardware) şi programe (software) care lucrează în cooperare pentru:

– conducerea (controlul) procesului

– exploatarea informaţiei din proces, conform cu necesităţile utilizatorului

Page 180: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a180

Exploatarea informaţiei din aplicaţie

• Extragerea informaţiei vizuale

• Prelucrarea off-line şi arhivarea informaţiei

• Exploatarea globală a aplicaţiei

• Interacţiunea aplicaţiei cu utilizatorul

• Parametrare

Page 181: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a181

Extragerea informaţiei vizuale

• Poate fi necesar ca informaţii culese din proces, sau rezultate ale unor prelucrări, să fie vizualizate:– grafic– alfa-numeric– simbolic

în folosul unui operator care face sau nu face parte din proces:– în timpul desfăşurării controlului procesului– în afara desfăşurării controlului procesului

Page 182: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a182

Folosirea off-line a informaţiei

• Informaţia din proces nu este, de regulă, vizuală

• Informaţia vizuală este, de regulă, rezultatul unei prelucrări

• Totalul informaţiei culeasă din proces poate fi memorată şi utilizată, în totalitate sau parţial, pentru:– prelucrări ulterioare, planificate sau nu;– arhivare în scopul reconstituirii istoriei sau

reprelucrării.

Page 183: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a183

Interacţia aplicaţiei cu utilizatorul

• Utilizatorul foloseşte aplicaţia• Pentru a o folosi trebuie să interacţioneze

cu aceasta:– o supraveghează;– o modifică pe parcurs;– îi stabileşte diferite regimuri de lucru;

• Pentru ca utilizatorul să poată interacţiona cu aplicaţia, aceasta trebuie să fie parametrabilă

Page 184: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a184

Parametrarea aplicaţiei

• O aplicaţie este parametrabilă pentru a fi flexibilă– în scopul intervenţiei asupra derulării (on-line)– în scopul de a o folosi în aplicaţii similare care

alcătuiesc o clasă de aplicaţii (off-line)• Parametrarea poate fi efectuată:

– în timpul derulării aplicaţiei (on-line)– de la o sesiune de lucru la alta (off-line)

• Parametrabilitatea se pate referi la hard sau la soft

• Este preferabilă parametrabilitatea soft

Page 185: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a185

Sisteme avansate de control a proceselor

(5)

Page 186: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a186

Sisteme avansate de măsură şi control

• Măsurătoare vs control

• Caracterisiticile sistemelor avansate

• Strategii de implementare hard

• Strategii de implementare soft

• Mai multe despre “timp real”

• Instrumentaţie virtuală

• Concluzii

Page 187: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a187

Măsurăm sau controlăm ?

• măsurătoare: extragere de informaţie din proces;

• control: acţiune asupra procesului funcţie de ceea ce s-a măsurat:– control, modificare, în timp real (on-line);– control, modificare, pe termen lung (off-line)

Note:– “on” şi “off” – line nu se exclud; pot coexista!– asupra “timpului real” vom reveni!

Page 188: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a188

Caracteristicile sistemelor avansate

• versatilitate (mai multe clase de aplicaţii);

• parametrabilitate (mai multe aplicaţii în cadrul unei clase sau mai multe situaţii în cadrul unei aplicaţii);

• interactivitate cu operatorul;

• putere mare de calcul/decizie (on-line);

• putere mare de stocare, arhivare (off-line);

Page 189: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a189

Strategii de implementare hard

• Magistrale de instrumentaţie

• Adaptoare specializate în calculator

• Periferice specializate pentru calculator

• Structuri integrate achiziţie, comanda, decizie, interacţie

Page 190: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a190

Magistrale de instrumentaţie

• serial, GPIB, IEEE-488

Page 191: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a191

Adaptoare specializate în calculator

• ISA, PCI, PCMCIA

PCI sau ISA

PCMCIA

Page 192: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a192

Periferice specializate pentru calculator

• serial, USB, LPT

ACTOReX

ATRACTOR

SIMON 3D

Page 193: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a193

Sau ... combinaţii

GPIB

PCI

SIMON 3D

serial RS232

ACTOReX

DVM

USB

Page 194: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a194

De exemplu: ERGOSIM (nou)

ATRACTOR

ERGOSIM(hard) ERGOSIM

(soft)

Page 195: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a195

Structuri integrate de control

• pilot automat

• achiziţie, comanda, decizie, interacţie

Page 196: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a196

Strategii de implementare soft

• Relaţia “master/slave”

• Periferice inteligente şi control ierarhizat

• Timp real

• Firmware pe interfaţa de proces

• Sistemul de operare pe calculatorul gazdă

• Interacţia aplicaţiei cu sistemul de operare

Page 197: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a197

Structura software

rece

pţio

nare

a di

rect

ivel

or

gazd

ei şi

as

igur

area

co

mun

icaţ

ieinivelul

comenzilor soft pentru resursele blocului (metode)

driver de

interfaţă

calculatorul gazdă

aplicaţie

sistem de operare pe calculatorul gazdă

interfaţa de proces

FIRMWARE

SOFT pt. INTERFAŢĂ

DRIVER + ActiveX

SOFT pt. APLICAŢIE

Către proces

Către utilizator

Page 198: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a198

Cine este “comandantul”

• Calculatorul gazdă (pe el rulează aplicaţia)atunci avem un “master” (calculatorul gazdă, şi un “slave” (interfaţa de proces);

• Dar dacă interfaţa de proces este “inteligentă” şi poate prelua sarcini de control la nivel local ?atunci avem un “control ierarhizat” bazat pe coordonarea calculatorului gazdă şi autonomie a interfeţei de proces pentru executarea anumitor sarcini

• Dar dacă interfaţa de este “foarte inteligentă” ?atunci nu are nevoie de calculator gazdă şi rulează singură aplicaţia - este master!

Page 199: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a199

Controlul ierarhizat vs timp real

• Alegerea soluţiei, între cele două extreme ale relaţiei master/slave sumarizate în slide-ul precedent, este strâns legată de noţiunea de control în timp real

• Deci... din nou despre timp real

Page 200: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a200

Timp real

starestare deciziedecizie

achiziţieachiziţie

comandăcomandă

• Noţiunea de timp real este relativă la viteza de desfăşurare a procesului şi viteza necesară de răspuns a controlului pentru a se putea modifica parametrii procesului în timp util.

• Nu toate răspunsurile trebuie să fie în timp real

Page 201: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a201

Să analizăm bucla de reglaj !

starestare deciziedecizie

achiziţieachiziţie

comandăcomandă

• tachiziţie = tmăsură + ttransmisie

• tdecizie = tprelucrare + tdecizie

• tcomandă = ttransmisie + tacţionare

• treacţie = tachiziţie + tdecizie + tcomandă

• Condiţia de timp real este atunci când: treacţie < timpul necesar de răspuns

• Buclele de reglaj sunt multiple• Buclele de reglaj sunt imbricate

să analizăm un exemplu simplu !

Page 202: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a202

Interfaţa de proces este “inteligentă”

stare (tn)

achiziţie

prelucrare

stare (tn+1)

prelucraredecizie

comandă

date

proces

prelucrare

interfaţă de achiziţie

calculator gazdă

B1B2

transmisie

Page 203: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a203

Interfaţa de proces nu este “inteligentă”

stare (tn)

achiziţie

prelucrare

stare (tn+1)

prelucraredecizie

comandă

date

proces

prelucrare

interfaţă de achiziţie

calculator gazdă

B1B2

transmisie

Page 204: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a204

Timpul de reacţie

• În exemplul de mai sus:– B1 este o buclă “critică”, se parcurge frecvent– B2 este o buclă “ocazională”

• Cu ce se pierde timp:– cu transmisia datelor între interfaţă si gazdă– cu prelucrarea, decizia, stocarea– cu interacţia cu operatorul uman

• Varianta cu interfaţă inteligentă este mai rapidă. Face economie de comunicaţie.

Page 205: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a205

Control “jos” sau “sus” ?

• Control “jos” înseamnă control aproape de proces - în interfaţa de proces

• Control “sus” înseamnă control departe de proces - în calculatorul gazdă

• Buclele de reglaj critice, frecvente, care necesită timp de răspuns scurt este bine să fie mutate “jos”

• Rezultatul: scăderea timpului de răspuns global a controlului de proces

Page 206: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a206

Control în interfaţa de proces

• Control “jos” implică, în general:– resurse de memorie, putere de calcul,

capacitate de stocare, interacţiune cu operatorul (în general) mici;

– viteză de reacţie mare, chiar pentru procesoare relativ lente, deoarece...

– programare în asamblare sau C (firmware)– pe microprocesoare, microcontroloare, DSP (caz de

mare performanţă)

Page 207: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a207

Control în calculatorul gazdă

• Control “sus” implică, în general:– resurse de memorie, putere de calcul, capacitate

de stocare, interacţiune cu operatorul (în general) mari;

– programare în C++, Java, medii Vizual, medii complexe şi performante de dezvoltare de aplicaţii

– viteză de reacţie mică, chiar pentru calculatoare “rapide”, deoarece...

– toată activitatea depinde de comunicaţie– toată activitatea este mediată de sistemul de operare

Page 208: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a208

Sisteme de operare

• DOS:– simplu, acces uşor şi controlat la resurse, control bun

asupra sincronăzării aplicaţiilor (timing), sărac în medii de dezvoltare, şi.... nu mai este la modă (adică standard)

• Linux– relativ simplu, acces uşor şi controlat la resurse, control

bun asupra sincronizării aplicaţiilor (timing), relativ sărac în medii de dezvoltare; deşi nu este “agreat”, este atât de performant şi ieftin încât, uneori, este inevitabil

• Windows– complex, acces dificil la resurse, nu există control asupra

sincronăzării aplicaţiilor (timing), extrem de bogat în medii de dezvoltare, la modă, standard şi... scump

Page 209: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a209

Sisteme de operare (comparaţie)

răspuns în timp

Comoditate:– interacţie bună cu utilizatorul

– medii de dezvoltare performante (OOL)

– facilităţi pentru aplicaţii avansate (reţea, Internet, etc.)DOS

Linux

Windows

Comoditate

solutii Linux şi Windows pot fi mixate

Page 210: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a210

Windows este un standard de facto

• Avantaje multiple:– interacţiune bună cu operatorul–medii de dezvoltare aplicaţii bogate–posibilitate de incorporare a aplicaţiilor existente

(EMBEDDED applications)–extrem de popular

• Dezavantaje:–control slab la resurse (evitat - pe cât posibil -

prin tehnologia ActiveX)–control inexistent asupra timing-ului (inevitabil)

Page 211: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a211

servicii în restaurante, garaje, administraţie; servicii cu interfaţă umană, etc. aplicaţii INCS, controlul temperaturii, automatizări de securitate în arie, etc. aplicaţii INCS (1kHz), standuri de testare, linii de producţie, procese industriale, etc.aplicaţii INCS (50-500kHz-?), evaluare şi control în timp real (cu condiţia utilizări sistemelor DSP şi RISC)

Windows vs timp real

Avantaje Windows

• Interfaţă utilizator confortabilă

• Multitasking

• Funcţii de reţea

• Standardizare

• Minute:

• Secunde:

• Millisecunde:

• Microsecunde:

Dezavantaje Windows

• Timing imprecis

• Stabilitatea programului negarantată

• Lipsa facilităţilor de timp real (întreruperi)

• Nu se pot utiliza periferice simple

Page 212: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a212

Instrumentaţie virtuală

• Conceptul “instrumentaţie virtuală”

• Medii de dezvoltare de aplicaţii IV

• Exemple IV

• Facilităţi de incorporare (embedded applications)

• Aplicaţii de reţea (networking)

• Aplicaţii pe suport web (Internet)

Page 213: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a213

Conceptul IV• Posibilitatea de a construi şi utiliza un echipament

condus de calculator care se comportă, “virtualmente”, ca un echipament construit din elemente hard (ca un aparat).

• Echipamentul, în sine, este foarte real !• Utilizatorul vede, prin “interfaţa de utlizator”, un

echipament virtual care permite:– comanda facilă prin interfeţe umane (mouse, tastatură)– vizualizarea, prelucrarea şi stocarea datelor, doar prin

comenzi ale unui “panou virtual”– parametrarea prin acelaşi “panou virtual”

Page 214: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a214

Facilităţile IV

• Posibilitatea de a construi, pe baza aceluiaşi set de echipamente hard, diferite echipamente virtuale, schimbând numai aplicaţia care rulează pe calculator

• Posibilitatea de a vedea şi utiliza un echipament aflate la distanţă “ca şi cum” te-ai afla lângă elPentru a profita de aceste facilităţi, aplicaţiile IV trebuie dezvoltate

Page 215: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a215

Medii de dezvoltare de aplicaţii IV

• Aplicaţii specializate pentru IV

– TestPoint (Keithley)

– LabView (National Instruments)

– DriverLINX, ExceLINX, VisualSCOPE

• ... sau medii de dezvoltare “normale” OOL:

– Visual C++, VB, .Net, etc.

Page 216: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a216

Interfaţa utilizator pentru dezvoltare

Page 217: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a217

Simon 3D

Page 218: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a218

Simon 3D (Embedded Excel)Sesiune:Coment:Tact[ms]: 100K[m/ct]: 0 0 0 0Timp[s]Ora: 17:40:21Ora: 17:40:31

0 123 234 345 4560.1 123 234 345 4560.2 123 234 345 4560.3 123 234 345 4560.4 123 234 345 4560.5 123 234 345 4560.6 123 234 345 4560.7 123 234 345 4560.8 123 234 345 4560.9 123 234 345 456

1 123 234 345 456Ora: 17:40:38

0 123 234 345 4560.1 123 234 345 4560.2 123 234 345 4560.3 123 234 345 4560.4 123 234 345 4560.5 123 234 345 4560.6 123 234 345 456

Page 219: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a219

ERGOSIM (nou) – Aplicaţia de evaluare

Page 220: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a220

Exemplu de aplicaţie în reţea locală

ERGOSIM(hard)

ERGOSIM(soft-reţea)

ERGOSIM(hard) ERGOSIM

(hard)

Intranet

Page 221: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a221

Exemplu de aplicaţie de control prin web

Server (undeva)

e-ACTOReX SIMON 3D

Antrenor la INCS

Sala la Bacău (?)

Antrenorul “vede” aplicaţia care se derulează la Bacău

Inte

rnet

Internet

Page 222: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a222

Asta vede antrenorul prin Internet

Page 223: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a223

Concluzii

• Tendinţe actuale

• Optimizarea soluţiei

• Analiza CPRS

Page 224: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a224

• adaptarea strategiei hard şi soft la aplicaţie

• echilibru între interacţie locală/centrală

• utilizarea tehnologiilor de programare OOL

• utilizarea tehnologiilor de programare Visual

• utilizarea tehnologiilor de reţea

• utilizarea tehnologiilor web

Tendinţe actuale de implementare

Page 225: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a225

• Optimizarea funcţie de aplicaţie–evaluarea corectă a pretenţiei “timp real” vs

“non-timp real”–analiza costurilor–analiza capacităţii de implementare a aplicaţiei–analiza capacităţii de utilizare a aplicaţiei

• Nu toate canalele sau buclele de control trebuie să fie “de timp real”–hibridarea hardware-ului–utilizarea strategiei adecvate pentru aplicaţie

(control distribuit, ierarhizarea controlului, etc.)

Soluţia optimă

Page 226: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

D o n n a M a r i aD o n n a M a r i a226

Analiza CPRS

• Factorul CPRS (Critical Performance RequirementS)• Indentificarea corectă a componentelor CPRS

– Ce doriţi să măsuraţi? Ce doriţi să acţionaţi?– Care sunt necesităţile de precizie, exactitate şi

repetabilitate?– Cât de rapid este procesul controlat? Este de timp real?– Câte canale de măsură/acţiune sunt necesare? Sunt ele

Multiplexabile?– Ce prelucrări de date sunt necesare?– Care este orizontul de timp pentru implementarea

sistemului?– Care este plafonul bugetului pentru sistemul respectiv?– Este necesară multiplicarea? Câte exemplare se produc?

Page 227: Utilizarea Instrumentatiei Asistate de Calculator pentru Antrenarea

Mulţumesc pentru răbdare!