Járműinformatika villamosmérnöki megközelítésben

1. Járműinformatika villamosmérnöki megközelítésben Tematika: • Jelek csoportosítása • Jelfeldolgozás, A/D, D/A • Irányítástechnika • Szabályzókörök (PID) • Érzékelők be- és kimeneti jelei • Villamos zavarjelek

2. A jelek csoportosítása - Determinisztikus: matematikai kifejezésekkel leírható és matematikai összefüggésekkel kezelhető - Sztochasztikus: matematikai módszerekkel csak részlegesen kezelhető, statisztikai jellemzőkkel vázolható - Periodikus: T periódusidő szerint ismétlődik, Fourier sorba fejthető (szinusz és koszinusz függvények segítségével felírható) - Kvázi-periodikus: tartalmaz periodikus összetevőket - Tranziens: egyszeri, nem periodikus folyamat, melynek energiája véges

3. Jelek osztályozása folytonosságuk szerint

4. Analóg jel: analógnak nevezzük azt a jelet, amelynek az értelmezési tartománya is, az értékkészlete is folytonos, a jel minden időpillanatra értelmezett. • Mintavételezett jel: a jel értelmezési tartománya diszkrét, értékkészlete folytonos. A jel csak adott időpillanatokra értelmezett, ott viszont tetszőleges értékeket felvehet • Amplitúdóban diszkrét jel: az értelmezési tartománya folytonos, de értékkészlete diszkrét. Tetszőleges helyen lehet értéke, de ez az érték csak megadott lehet. • Digitális jel: mind értelmezési tartományában, mind pedig értékkészletében diszkrét. A digitális jelek halmazának egy fontos része a bináris jel: az ilyen jel értékkészlete a 0 és a 1.

5. Jelátalakítás Analóg-digitál átalakító (AD konverter, ADC): Olyan áramkör, amely egy analóg (vagyis nagyságában folytonos) elektromos mennyiséget - áramerősséget vagy feszültséget - digitalizál, vagyis nagyságát egy számmal fejezi ki. Digitál-analóg átalakító (DA konverter, DAC): Digitális jelből a digitális jelet képviselő analóg jelet előállító elektronikus áramkör. A digitális jel adott idő alatt beérkező impulzusszám vagy kódolt jelsorozat lehet. Az analóg jel rendszerint feszültség.

6. A/D átalakítás Az analóg-digitális átalakítás általában a következő lépéseket tartalmazza: • Egyéb fizikai jelek átalakítása elektromos jellé (szenzorok) • Analóg jel kondicionálása • Analóg jel mintavételezése • Minták kvantálása • Kódolás

7. A/D átalakítás

8. A/D átalakítás lépései

9. Jelkondicionálás (előszűrés): • A jel erősítése, csillapítása • Analóg szűrés a jel sávszélességének korlátozásához • A járulékos zaj spektrumának limitálása (nagyfrekvenciás jelek kiszűrése) • A hasznos jeltartományba eső zaj energiájának csökkentése

10. Mintavételezés és tartás (Sample & Hold): Mintavételezésnek nevezzük, ha egy folyamatos analóg jelből egy adott t0 időpillanatban vagy meghatározott időközönként (Tmv) mintát veszünk.

11. Nyquist-Shannon-féle mintavételi törvény: Egy jelből olyan gyakorisággal kell mintát venni, hogy az eredeti jel reprodukálható legyen, vagyis mintavételi frekvenciát úgy kell megválasztani, hogy az nagyobb legyen, mint a mintavételezett analóg jel legnagyobb frekvenciájú összetevőjének a kétszerese. A tartás során a mintavételezett jelet konstans állapotban megtartjuk annyi ideig, amennyire az A/D átalakítónak szüksége van ahhoz, hogy megállapítsa annak digitális értékű megfelelőjét.

12. Kvantálás: A kvantálás során az analóg jel jeltartományán belül jelszinteket állapítunk meg. Az analóg jel értékeit mindig a legközelebbi ilyen értékre kerekítjük. A mintaértéke alapján így megállapított érték ennek során adott esetben csökken, más esetben növekszik, azaz a kvantálással az eredeti jelhez zajt adunk. A kvantáltjel nem hordoz információt arról, hogy ez a hozzáadott zaj mekkora volt. A kvantumok száma meghatározza az átalakító kvantálási pontosságát. A kvantumok számát 2 hatványaként adják meg. Például egy 8 bites átalakító azt jelenti, hogy a kvantumok száma 28, azaz 256.

13. Kódolás: A kódolás célja a számítógépes tárolás, rögzítés. A mintavételezett és kvantáltjelet binárissá alakítani kódolással lehet megtenni: a kódoló egységgel a kvantálással kapott értékekhez bináris jelsorozatot rendelünk. Adat: Az információtartalom egysége a bit. Ha az információ tartalom igen vagy nem állapottal jellemezhető, akkor annak tartalma éppen egy bit. Az információt hordozó jelek esetében is ez a legkisebb egység, értéke 0 vagy 1 lehet. A gyakorlat számára ez nagyon kevés, ezért ennek többszörösét használják.

14. A/D átalakítók jellemzői Felbontás (Resolution): A felbontás megmondja, hogy az A/D átalakító az analóg bemenő jelet hány egyedi értékké tudja átalakítani. Mértékegysége minden esetben a bit. Kivezérlési tartomány (FullScale): Az a bemeneti analóg tartomány, amelyben az átalakító telítésmentesen működőképes. Léteznek unipoláris és bipoláris eszközök, előbbiek egy referenciafeszültség és a földpotenciál között működnek, utóbbiak a földpotenciál körül szimmetrikus tartományban. A kivezérlési tartomány függ a referenciafeszültségtől. Az abszolút pontosság legfeljebb akkora lehet, mint a referencia pontossága, tehát pontos mérésekhez pontos referenciára van szükség.

15. Mintavételi frekvencia: Az a legnagyobb mintavételi frekvencia, amivel az átalakító működni tud. Mértékegysége SPS (Sample per Second - minta másodpercenként). Konverziós idő: Egy minta átalakításához szükséges idő. Sávszélesség: A bemenet analóg részeinek aluláteresztő jellegű frekvenciafüggésében a felső határfrekvencia.

16. Az átalakítás lehetséges hibái Ofszet hiba: A karakterisztika „0” kódhoz tartozó értéke. A kivezérlési tartomány százalékában szokás megadni. Javítható!

17. Linearitási hiba: A mérési karakterisztika egyes pontjai nem egy egyenesen találhatók. A linearitási hibával határozzák meg a mérési karakterisztikától való eltérést. Nem javítható!

18. Erősítési hiba: A karakterisztikára illesztett egyenes és az ideális karakterisztika erősítésének eltérése, a kivezérlési tartomány százalékában szokás megadni. Javítható!

19. Kódkiesés: Nem javítható!

20. A/D átalakítók fajtái • Kétszeresen integráló (Dual-slope) • Jelkövető • Számláló • Fokozatos közelítésű (SAR) • Párhuzamos (Flash) • Delta-szigma

21. D/A átalakítás A D/A konverterek numerikus értéket analóg jellé alakítanak át, rendszerint feszültséggé, melynek értéke arányos a bemenetre kapcsolt bináris számmal. Elvi felépítése:

22. Az irányítástechnika Fogalma: A műszaki életben az irányítás olyan műveletsor, amely egy műszaki folyamatot elindít, annak meghatározott állapotát fenntartja vagy megváltoztatja, ill. a folyamatot leállítja. Az irányítás részműveletei: 1. Érzékelés: információszerzés az irányítandó folyamatról. 2. Ítéletalkotás: döntés az értesülés feldolgozása alapján a rendelkezés szükségességéről 3. Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra. 4. Beavatkozás: az irányított folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján.

23. Az irányított rendszer két fő része: • az irányító berendezés: Az irányító berendezés mindazon szerkezeti egységek összessége, amelyek segítségével az irányítás megvalósul. • az irányított berendezés: Az irányított berendezés az irányítás tárgyát képezi. Ez az irányítandó műszaki folyamat, amely az irányítástól függetlenül is létezik.

24. Az irányítási rendszer szerkezeti részei: • Elem: Az elem az irányítási rendszer irányítástechnikai szempontból legkisebb, tovább nem bontható szerkezeti egysége. Az elemnek egy vagy több alkatrésze lehet. • Szerv: A szerv az irányítórendszernek egy irányítási részfeladatot önállóan ellátó szerkezeti egysége. A szerv egy vagy több elemből állhat. Az irányítási rendszer lényeges szerve, pl. az információ szerzésére szolgáló szerkezeti egység, a szenzor. • Jelvivő vezeték: A jelvivő vezeték olyan összeköttetés, amely a jeleket átviszi az irányítási rendszer szervei között.

25. Az irányítás két fő csoportja: • Vezérlés Vezérlés esetén egy bemeneti jel egy berendezésen változást idéz elő. A kívánatos, és a tényleges változás különböző lehet. A vezérelt jellemzőről semmilyen visszajelzés nem jut a bemenetre. A vezérlés hatáslánca nyitott. • Szabályozás Szabályozás esetén is egy bemeneti jel egy berendezésen változást idéz elő. Ekkor azonban a tényleges érték állandó felülvizsgálata folyik egy mért, visszacsatolt és a kívánatos érték összehasonlítása révén. A szabályozás hatáslánca zárt.

26. A vezérlés hatáslánca: Az irányítási rendszer azon szerkezeti egységeinek sorozatát (láncolatát), amelyek az irányítási hatást közvetítik, hatásláncnak nevezzük.

27. Szabályozástechnika A szabályozási kör fogalma és fő egységei: A szabályozási kör a szabályozás zárt hatáslánca. Szerkezetileg két jól elkülöníthető szerkezeti egységre bontható.

28. Az irányítási rendszerek csoportosítása segédenergia szerint: • villamosenergia - ezzelműködnek a villamosszabályozók • sűrített levegő - ezzel működnek a pneumatikus szabályozók • nyomás alatt álló olaj - ezzel működnek a hidraulikus szabályozók

29. A szabályozási kör jellemzői: • Szabályozott jellemző: A szabályozott jellemző a műszaki folyamat azon jellemzője, amelyet a szabályozással a zavaró hatások ellenére az alapértéken akarunk tartani. Az alapérték az az előírt érték (vagy előírt módon változó érték), amelyet a szabályozott jellemzőnek a szabályozás révén el kell érnie. • Zavaró jellemző: Zavaró jellemző a szabályozott szakaszra ható, a szabályozástól független külső hatás, amely a szabályozott jellemző értékére károsan hat. • Módosított jellemző: A módosított jellemző a szabályozott szakasznak az a kiválasztott jellemzője, amellyel a szabályozott jellemzőt befolyásolni tudjuk.

30. A szabályozási kör jelei és szervei: • Az érzékelő szerv a szabályozási kör olyan szerve, amely a szabályozott jellemzőt méri és annak nagyságával arányos, összehasonlításra alkalmas ellenőrző jelet (xe) szolgáltat. • Az alapjel képző szerv a szabályozási kör olyan szerve, amely az alapjel (xa), vagyis az előírt érték (vagy előírt módon változó érték) külső beállítására szolgál. • A különbségképző a szabályozási kör olyan szerve, amelynek feladata az ítéletalkotás, azaz az alapjel és az ellenőrző jel különbségével arányos rendelkező jel (xr) előállítása. xr=xa-xe

31. A jelformáló-erősítő szerv feladata, hogy a rajta áthaladó jelet az előírt tőrvényszerűségek szerint módosítsa, felerősítse. A jelformáló-erősítő által kibocsátott jel a végrehajtó jel (xv). A legtöbb esetben ez kis energiájú, nem alkalmas a beavatkozó szerv működtetésére, csak a végrehajtó szerv működtetésére jó. • A végrehajtó szerv feladata a szabályozási körben létrejövő rendelkezés végrehajtása, a beavatkozó szerv mozgatása, beavatkozó jel (xb) kibocsátása. • A beavatkozó szerv a szabályozott szakaszt közvetlenül befolyásoló, a módosított jellemző értékét létrehozó szerkezeti egység (xz)

32. A szabályozókör elvi felépítése

33. A szabályozásokat többféle szempont szerint csoportosíthatjuk: • Az alapérték időbeli lefolyása szerint: - értéktartó (az alapjel állandó) - követő • A működés folyamatossága szerint: - folyamatos működésű (állandóan szabályoz) - időszakos működésű (mintavételezés alapján) • A rendszer szerkezete alapján: - egyhurkos (csak egy szabályozási kör van jelen), - többhurkos (két, vagy több szabályozási kör működik egymás mellett, egymástól függetlenül, „kaszkád”), - kapcsolt, többváltozós szabályozás (két ,vagy több szabályozási kör működik egymás mellett, melyek egymást kölcsönösen befolyásolják)

34. A szabályozástechnikai tag fogalma és jellemzése Matematikai vizsgálat esetén a szabályozási kör matematikailag vizsgált bármely részét általánosságban tagnak nevezzük. A tagot működésre késztető, a tagtól független külső jel a tag bemenőjele; a tag működése során kialakult, a tagból kilépő jel a kimenőjel. A tagban mindig egyértelmű hatásirányt tételezünk fel, tehát a kimenőjelet csak a bemenőjel és a négyszöggel jelképezett szerkezeti egység tulajdonságai hozzák létre.

35. A PID szabályozás osztályozása és jellemzői • arányos tagok (P) • integráló tagok (I) • differenciáló tagok (D) • összetett tagok: - PI - PD - PID

36. Az egyszerű arányos (P) tag Arányos tagnak nevezzük azt a tagot, amelynek kimenőjele a bemenőjel változásával arányosan változik. Ezeket a szakaszokat önbeálló szabályozott tagoknak is nevezik.Az arányos működésre az Ap arányos átviteli tényező a jellemző, amely megmondja, hogy a kimenőjel nagyságának megváltozása hányszorosa a bemenőjel nagyságváltozásának. Az arányos szabályozó a zavaró jellemző hatását maradó szabályozási eltéréssel szünteti meg. Gyors, mindig van maradó hiba.

37. Az integráló tag (I) Integráló tagok esetében a tag kimenőjelének sebessége változik arányosan bemenőjel megváltozásával, ahol Ai az integrálási átviteli tényező, Ti az integrálási idő. A szabályozási idő hosszú, mert kis eltérés esetén a kimenőjel csak lassan változik. Maradó hiba nincs, mert a szabályozó mindaddig működik, míg be nem állt az alapérték. Az integráló szabályozó a zavaró jellemzők hatását úgy szünteti meg, hogy hatásuk következtében megváltozott szabályozott jellemzőt visszaállítja az alapértékre. Lassú, lengésre hajlamos, nincs maradó hiba.

38. A differenciáló tag (D) A differenciáló tag kimenőjele a bemenőjel differenciálhányadosával, azaz a bemenőjel sebességével arányos. Differenciáló szabályozó önállóan nem alkalmazható, mert kimenőjelet csak akkor ad, ha a bemenőjele megváltozik. A differenciáló tag gyors bemenőjel változás esetén nagymértékű beavatkozással megakadályozza a nagymértékű szabályozási eltérés létrejöttét.

39. Az összetett tagok A szabályozás minőségének javítása, a szabályozási idő lerövidítése érdekében az alaptípusú szabályozásokból kombinált PI, PD, vagy PID jellegű szabályozókat is lehet alkalmazni. Ezek az egyes szabályozó tagok tulajdonságait egyesítik. Ha van, akkor először a D, majd a P és végül az I hatás érvényesül. A szabályozók típusától függően az alábbi beállítási lehetőségeket találjuk: -Arányos átviteli tényező: Ap (erősítés). -Integrálási idő: Tn (utánállásiidő). -Differenciálási idő: Tv (elébevágási idő).

40. PI szabályozó tag A PI szabályozó átmeneti függvénye az arányos és az integráló szabályozó kimenőjelének matematikai összegzésével szerkeszthető meg. A szabályozó működésében az első pillanatban az arányos hatás érvényesül, majd ezt követően az integráló. A PI szabályozó jellemző adata az arányos tag erősítésének mértékére jellemző Aparányos átviteli tényező, az integráló tag erősítésének mértékére jellemző Ai integrál átviteli tényező és az integráló hatás gyorsaságára jellemző Tnutánállási idő. Az utánállási idő az az időtartam, amely eltelik addig, amíg az integráló tag kimenőjelének változása ugyanakkora lesz, mint az arányos tag kimenőjelének változása az első pillanatban. Viszonylag gyors, nincs maradó hiba.

41. PD szabályozó tag Önműködő szabályozáskor sokszor a szabályozás minőségi követelményei megkívánják, hogy figyelembe vegyük a szabályozott jellemző változásának gyorsaságát, a változás sebességét. Ilyenkor differenciáló tagot építünk be a szabályozóba. Az első pillanatban bekövetkező nagymértékű kimenőjel-változás a növekvő visszacsatoló hatás következtében fokozatosan csökken az arányos változásnak megfelelő szintre. A PD szabályozó jellemző adata az Ap arányos átviteli tényező, az Ad differenciál átviteli tényező és a differenciáló hatásra jellemző Tv, elébevágásiidő. Az elébevágási idő az az időtartam, amely eltelik addig, amíg az arányos tag kimenőjelének változása ugyanakkora lesz, mint a differenciáló tag kimenőjelének változása az első pillanatban.

42. PID szabályozó tag A PID szabályozó megvalósításakor az arányos szabályozóhoz hozzáépítjük az integráló és a differenciáló hatást biztosító szerkezeti egységeket. A szabályozót úgy kell beállítani, hogy az integráló hatás csak a differenciáló hatást kővető arányos egyensúlyi állapot beállása után érvényesüljön. Arányos, integráló és differenciáló (PID) szabályozókat alkalmazunk, ha nagyok a követelmények a szabályozás jóságára vonatkozóan. Az arányos tag biztosítja a stabil, a differenciáló a gyors működést, az integráló tag pedig eltünteti a maradó hibát.

43. Érzékelők, be-és kimeneti jelek Hagyományos érzékelők

44. Intelligens érzékelők Manapság a járművekben alkalmazott nagy számú szenzort egyre gyakrabban látják el intelligenciával, a fizikai jellemző mérése és feldolgozása a szenzoron belül történik mikroprocesszor segítségével, és a buszillesztőn keresztül a kommunikációs buszra már csak a digitalizált szenzorjelek kerülnek. Ezzel tehermentesíteni lehet a járművezérlő elektronikát.

45. Folyamatjelek A folyamatjelek csoportosításának alapja az irányítás szempontjából betöltött szerepe és a mikroprocesszoros feldolgozás módja. Az irányítás szempontjából megkülönböztetjük a bemeneti és a kimeneti jeleket. Bemeneti jel: A számítógépbe belépő folyamatjel, információ. Analóg bemeneti jelek: Az érzékelők által szolgáltatott, egységes jeltartományú, további feldolgozásra alkalmas jelek. • egyenáram: 0-5mA, 0-20mA, 4-20mA • egyenfeszültség: 0-5V és 0-10V stb. • Ellenállás • Frekvencia

46. Digitális bemeneti jelek: A jármű szenzorhálózatából érkező bináris jelek. • állapotjel (statikus): pl. kétállású kapcsoló • impulzusjel (dinamikus): pl. nyomógomb • összefüggő bitcsoportok: pl. üzenetek Kimeneti jel: A számítógépből kilépő folyamatjel. Az analóg és digitális kimeneti jelek a bemeneti jelekhez hasonlóan alakulnak, csak az irányuk más. Vezérlést vagy kommunikációt valósítanak meg.

47. Villamos zavarjelek mérőrendszerekben A zavarjelek a mérőkörben jeltorzulást okoznak, melynek információvesztés lehet a következménye. A csatolás lehet: • konduktív • kapacitív • induktív

48. A zavarjelek típusai • Időbeni változás szerint: • egyenfeszültségű • váltakozó feszültségű • tranziens • Keletkezési hely szerint: • normál vagy soros • azonos fázisú vagy párhuzamos

49. Egyenfeszültségű zavarjel Amennyiben a hasznos jelnek és a zavarjelnek is van egyenáramú/feszültségű komponense, akkor a zavarjel kiszűrhetetlen, csak a keletkezés okát lehet megszüntetni. Váltakozó feszültségű zavarjel: A váltakozó feszültségű zavarjelek között a leggyakoribb a mérőkörbe induktív úton bejutó hálózati zavarfeszültség. A zavarjelek csökkentésének módszerei: • sodrott vezeték alkalmazása: a vezetékben kialakuló hurkok mágneses terei nagy mértékben kioltják egymás hatását • árnyékolt vezeték alkalmazása: alacsony frekvenciájú mágneses zavaró hatások kiküszöbölésére alkalmazzák, 10 kHz felett hatékonysága csökken.

50. ECU (EngineControl Unit) Feladata A motor terhelésétől függően a mindenkori optimális üzemanyag keverékkel történő ellátása. Ehhez kommunikálnia kell a hozzá kapcsolódó szenzorokkal, amelyek adatai alapján precízen tudja szabályozni a benzin-levegő keveréket, illetve a időzíteni a gyújtást. Manapság a motor összes paraméterét elektronika figyeli és szabályozza. Ennek köszönhetően nagyobb teljesítmény, alacsonyabb fogyasztás és környezetkímélő működés érhető el. A rendszerek bonyolultsága miatt azonban az előforduló hibák száma is megnőtt.