2º Laboratório de Sistemas e Sinais (LEIC Alameda 2008/09)

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1 2º Laboratório de Sistemas e Sinais (LEIC Alameda 2008/09) Data de realização e de entrega: aula das semanas 6-17/Abril /2009. Local da realização: Laboratório de Controlo, Automação e Robótica, localizado no piso 1 (cave) do Pavilhão de Mecânica III. Relatórios: Os relatórios seguem a estrutura descrita na secção Material de Apoio/Aulas de Laboratório (página Fénix da disciplina). Os ficheiros resultantes devem ser comprimidos num único ficheiro, cujo nome segue a norma ss_#turno_#lab_#grupo.zip ou.rar (exemplo: ss_3b_1_2.rar, onde 3b indica o 2ºturno de 3ª-feira, o 1 indica o lab1 e o 2 indica o grupo 2 ). A entrega do ficheiro é feita na própria aula. Exercício 1 (10 valores) Na Figura 1 mostra-se um exemplo de um sinal de fala e na Figura 2 o gráfico respectivo da energia do sinal. O sinal de fala é representado como uma sequência de amostras em que cada amostra é representada por um double. O gráfico da energia é obtido através da utilização de janelas sucessivas de 20 milisegundos com sobreposição de 50%, calculando a energia para essa janela (raiz quadrada da soma do quadrado das amostras em cada janela). 1

2 a) Leia o ficheiro de áudio fornecido (Lab2-teste.wav) e oiça o sinal. Transcreva o sinal de fala. (0.5 valores) b) Indique o número de amostras, a amplitude máxima, a amplitude mínima e a duração em segundos do sinal. (1 valor) c) Realize uma função que calcula a energia do sinal e represente graficamente o ficheiro de fala e a energia. (2 valores) d) Assuma que se pretende criar um sistema que distinga as zonas de fala de zonas de silêncio e de zonas de ruído. Para isso deve-se projectar um sistema de aquisição que calcula a energia do sinal de fala, e que baseado numa máquina de estados decide se é fala ou não. Adapte o algoritmo seguinte usando o conhecimento extraído da Figura 2. Considere a Fig. 3 seguinte onde está representada a energia de um sinal de fala genérico ao longo do tempo. Figura 3 L2 L1 silêncio ruído silêncio ruí. sil. fala t Verifica-se que existe uma fase inicial com silêncio, seguido de ruído e depois uma zona de fala. No algoritmo de decisão usam-se dois limiares de energia (L1 e L2) e tempos que coloquem restrições na duração. A partir do momento em que a energia do sinal passar L1 consideramos esse instante como o início do sinal de fala desde que ultrapasse L2. Se não ultrapassar L2 descarta-se esse ponto e considera-se uma zona de ruído. Depois de ultrapassar L2 considera-se Fala e a determinação do fim do sinal de fala acontece depois de ter descido abaixo de L1. Nas zonas em que a energia está abaixo de L1 considera-se silêncio. i) Apresente o diagrama de transições da máquina de estados. (2 valores) 2

3 ii) iii) Implemente a máquina de estados no Matlab e indique a sequência das zonas que encontrou no ficheiro disponibilizado no laboratório. (3 valores) Indique a descrição completa (5-tuple) da máquina de estados necessária para realizar este algoritmo. (1.5 valores) Exercício 2 (10 valores) [NOTA IMPORTANTE: A alínea d) deste exercício deve ser resolvida no laboratório.] O movimento linear cíclico, implementado por cilindros lineares pneumáticos (ver Figura 1) ou hidráulicos, é muito utilizado na indústria para redireccionamento, fixação, prensagem, etc (ver link para aplicações industriais). Sensor fim de curso, O qual só está activado (on-1) quando a haste do cilindro está recuada, caso contrário o seu estado é off-0. Esta informação é recebida pelo autómato. Sensor fim de curso, O qual só está activado (on-1) quando a haste do cilindro está recuada, caso contrário o seu estado é off-0. Esta informação é recebida pelo autómato. Movimento da haste do cilindro. Entrada / Saída do ar comprimido Figura 4. Cilindro linear pneumático. Actualmente o direccionamento da entrada e saída do fluxo de ar nos cilindros lineares pneumáticos é geralmente determinado por electro-válvulas (ver Figura 5), cujo estado é controlado por um Autómato Programável (ver Figura 6). 3

4 Entrada / Saída do ar comprimido (com ligação ao cilindro) Esta informação é enviada pelo autómato. O autómato controla o estado da electroválvula, enviando um sinal (0/1). O estado da electro-válvula define qual dos orifícios (à esquerda) envia ar comprimido e qual funciona como escape do ar que está numa das câmaras do cilindro. Escape Escape Entrada de ar comprimido vindo do compressor (cerca de a 6 a 7 vezes a pressão atmosférica) Figura 5. Electro-válvula. Módulo de entrada (informação recebida pelo AP) Módulo de saída (informação enviada pelo AP) CPU, memória, fonte de alimentação do AP, ligação série ao PC, etc Figura 6. Autómato Programável (AP ou PLC). É possível programar os APs em diferentes tipos de linguagens: diagrama de contactos, blocos funcionais, lista de instruções e Grafcet (ou melhor, uma linguagem que implementa esta norma). 4

5 Uma vez que as linguagens de programação de APs não são do âmbito da disciplina de Sistemas e Sinais, os objectivos deste exercício serão os seguintes: descrever uma máquina de estados, utilizando um diagrama de transições de estado, que implemente um dado sistema de comando; escrever em Matlab uma função que implemente essa máquina de estados; escrever em Matlab, um script que teste o funcionamento da máquina de estados implementada; testar a máquina de estados, implementada em Matlab, nas bancadas pneumáticas existentes no laboratório de Controlo, Automação e Robótica (na aula de laboratório será fornecido um programa, desenvolvido em C++, que fará a interface entre o Matlab e o Autómato Programável; neste caso o AP funcionará como uma interface entre o hardware e o Matlab). a) Considere que se pretende automatizar um processo industrial constituído por dois cilindros pneumáticos (cilindro A e cilindro B), três lâmpadas (verde, amarela e vermelha), e dois botões de pressão (verde e vermelho) [i.e., botões com mola, semelhantes aos de uma campainha]. De modo a facilitar a implementação do processo nas bancadas do laboratório assuma o seguinte: Existem 6 sensores definidos por uma matriz de dimensão [6 2], denominada sensores, em que a cada linha define cada um dos sensores. Ou seja, a primeira coluna define a sua identificação (utilizar obrigatoriamente os valores apresentados) e a segunda coluna o seu estado (0,1,2), em que 0 corresponde a off, 1 a on e 2 ao símbolo nulo ou ausente. Concretizando: sensores = Em que: sensores(1,:)-sensor fim de curso associado ao estado de recuado do cilindro A. sensores(2,:)-sensor fim de curso associado ao estado de avançado do cilindro A. sensores(3,:)-sensor fim de curso associado ao estado de recuado do cilindro B. sensores(4,:)-sensor fim de curso associado ao estado de avançado do cilindro B. Exemplo: quando o cilindro A estiver na posição mais avançada possível, a variável sensores(2,2) comuta de 0 para 1. sensores(5,:)-sensor associado ao estado do botão de pressão verde (on-1/off-0). sensores(6,:)-sensor associado ao estado do botão de pressão vermelho (on-1/off-0). 5

6 Existem 5 actuadores definidos por uma matriz de dimensão [5 2], denominada actuadores, em que a cada linha define cada um dos actuadores. Ou seja, a primeira coluna define a sua identificação (utilizar obrigatoriamente os valores apresentados) e a segunda coluna o seu estado (0,1,2), em que 0 corresponde a off, 1 a on e 2 ao símbolo nulo ou ausente. Concretizando: actuadores = Em que: A primeira coluna de "actuadores" representa a identificação dos vários sinais de saída do controlador. A segunda coluna representa o valor do comando (0- recuar/desligar;1-avançar/ligar). actuadores(1,:)- comando associado ao cilindro A. actuadores(2,:)- comando associado ao cilindro B. actuadores(3,:)- comando associado à luz verde. actuadores(4,:)- comando associado à luz amarela. actuadores(5,:)- comando associado à luz vermelha. Exemplo: quando a variável actuadores(1,2) for colocada a 1 a haste do cilindro A irá avançar; caso esta variável seja comutada para 0, a haste do cilindro A irá recuar. Apresente o diagrama de transição de estados que implemente o sistema de comando para o seguinte processo (pode resolver à mão e digitalizar a folha, ou então entregar a resolução numa folha devidamente identificada): Após premir o botão de pressão vermelho, as hastes dos cilindros A e B devem recuar e durante esta fase a luz vermelha deve ser ligada. Após as duas hastes dos dois cilindros terem recuado completamente, a luz vermelha deve ser desligada, e a luz verde ligada. Quando o botão de pressão verde for pressionado, a luz verde deve ser desligada e luz amarela ligada, assinalando que o ciclo de trabalho foi iniciado. O ciclo de trabalho deve ser o seguinte: Avanço da haste do cilindro A. Após esta estar completamente avançada, deve recuar. Após o recuo total da haste do cilindro A, a haste do cilindro B 6

7 deve avançar. Após esta estar completamente avançada, deve recuar. Após o recuo total da haste do cilindro B, a luz amarela deve ser desligada e a luz verde ligada. Quando o botão verde for novamente pressionado, a luz verde deve ser desligada, a luz amarela ligada, e o ciclo de trabalho deve ser recomeçado. NOTAS MUITO IMPORTANTES: Identifique o estado inicial como 0, e os restantes como 1, 2, etc Identifique as entradas como 100, 101, 200, etc Identifique as saídas como 1100, 1200, etc Note que os eventos possuem um duração infinitesimalmente pequena, logo a simultaneidade de dois eventos nunca se verifica! (2.5 valores) b) Escreva uma função em Matlab, obrigatoriamente denominada actualizacao, que implemente a máquina de estados definida na alínea anterior. Esta função deve possuir o seguinte cabeçalho: function [estado_seguinte,actuadores]=actualizacao(estado,sensores) NOTA MUITO IMPORTANTE: as variáveis sensores, actuadores e estado devem ser definidas tal como referido na alínea anterior. (3 valores) c) Escreva um script, em Matlab, denominado testamaquina, que permita testar a máquina de estados implementada na alínea anterior. Utilize a função input para permitir que o utilizador defina o estado dos sensores, em cada iteração. Apresente um exemplo de execução do processo descrito, i.e, as sequências de entrada, de estado e de saída. (2.5 valores) d) Apresente a resolução das alíneas b) e c) ao docente do laboratório. Caso este considere que a implementação está de acordo com o especificado no enunciado, então irá testar a máquina de estados do controlador que implementou na alínea b), numa nas bancadas do laboratório. Para tal, siga as instruções do docente. (2 valores) 7