1

Automatyka i podstawy

pomiarów

Wstęp

Akademia Górniczo-Hutnicza

Wydział Inżynierii Metali i Informatyki

Przemysłowej

Katedra Techniki Cieplnej i Ochrony Środowiska

Dr hab. inż. Dmytro Svyetlichnyy prof. AGH

B-4, pok. 14c

2

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wykłady

Środa 11

30

– 13

00

s.110, B-5

Ćwiczenia

PPM V OiK: środa 9

45

– 11

15

s.912,

B-5

IwTM V MOC: środa 13

15

– 14

45

s.912, B-

5

3

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wykłady

:

Sobota 8

00

– 10

15

s.110, B-

5

04.03, 01.04, 22.04, 06.05, 20.05, 03.06

Ćwiczenia

s.601, B-5

1

18.03

15

00

-

17

15

31.03

17

30

-

20

00

05.05

15

00

-

17

15

19.05

17

30

-

20

00

16.06

15

00

-

17

15

----------------------------

18.06

08

00

-

10

15

(s. 709)

3

04.03

17

30

-

20

00

17.03

15

00

-

17

15

31.03

15

00

-

17

15

19.05

15

00

-

17

15

02.06

17

30

-

20

00

----------------------------

18.06

10

30

-

13

00

(s. 709)

2

17.03

17

30

-

20

00

01.04

10

30

-

13

00

05.05

17

30

-

20

00

07.05

08

00

-

10

15

21.05

10

30

-

13

00

----------------------------

17.06

10

30

-

13

00

(s. 709)

4

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Literatura

Żelazny M.: Podstawy automatyki, PWN,
Warszawa 1976
Szymkat M.: Komputerowe wspomaganie
w projektowaniu układów regulacji, WNT,
Warszawa 1993
Kaczorek T.: Teoria układów regulacji
automatycznej, WNT, Warszawa 1974
Findeisen W.: Technika regulacji
automatycznej, PWN, Warszawa 1978
Brzózka J.: Ćwiczenie z automatyki w
Matlabie i Simulinku, MIKOM, Warszawa
1997

5

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Podstawowymi kierunkami ułatwienia pracy
są

mechanizacji

i

automatyzacja

prowadzenia robót. Mechanizacja pozwala
zdjąć z człowieka ciężar fizyczny, natomiast
automatyzacja zmienia w sposób zasadniczy
charakter udziału człowieka w procesie
sterowania produkcją. Ona pozwala zdjąć
część funkcji po sterowaniu mechanizmami,
agregatami i procesami i w konsekwencji
zwiększyć efektywność, wydajność i jakość
procesów.

6

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Automatyka jest dziedziną wiedzy zajmującą
się

zagadnieniami

automatycznego

sterowania procesów. Zawiera ona teorię
sterowania

automatycznego

i

automatyzację,

czyli

wprowadzenie

urządzeń realizujących to sterowanie.

7

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Materiały

(informacje)

pierwotne

Materiały

(informacje)

końcowe

Energia

Straty materiałów i

energia

Ogólnie, proces technologiczny polega na
wzajemnym oddziaływaniu wielu strumieni
materiałów i energii.

8

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Sterowanie

procesu

polega

na

oddziaływaniu na strumienie energii lub
materiałów w taki sposób, aby realizowany
został

zamierzony

przebieg

procesu.

Oddziaływanie to może być prowadzone
przez człowieka (sterowanie ręczne) lub
przez

zespól

środków

technicznych

zastępujących człowieka w czynnościach
nadzoru i wpływania na przebieg procesu
(sterowanie automatyczne).

9

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Przykład. Polowanie na

mamuta

Projektowanie „procesu technologicznego”

Materia
ł

Element
wykonawc
zy

Energi
a

10

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Przykład. Polowanie na

mamuta

Idealny „proces technologiczny”

Materia
ł
końcow
y

11

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

„Straty”

Przykład. Polowanie na

mamuta

12

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Dodatkowa

informacja

(pomiary

+

sterowanie)

Przykład. Polowanie na

mamuta

13

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Ręczne sterowanie

Przykład. Polowanie na

mamuta

14

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Sterowanie automatyczne

Przykład. Polowanie na

mamuta

15

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Procesy hutnicze są bardzo złożonym
kompleksem chemicznych i fizycznych
zjawisk, powstających w odpowiednich
agregatach,

które

są

obiektami

automatycznego sterowania. Do sterowania
procesami hutniczymi należy dysponować
wiadomościami o początkowych warunkach
produkcji (parametrach surowca, paliwa,
stanu

agregatu),

stanu

procesu

i

oczekiwanych

końcowych

wynikach.

Wszystkie te wiadomości są informacją o
danym procesie.

16

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Otrzymanie informacji i jej wykorzystanie
do sterowania procesami technologicznymi
związane są z wydatkami na zakupy,
instalację

i

eksploatację

przyrządów

kontrolno-pomiarowych,

automatycznych

regulatorów, mikroprocesorów, komputerów
oraz

urządzeń

wykonawczych.

Czym

większa

liczba

faktorów

będzie

kontrolowana,

stabilizowana,

optymalizowana,

tym

bardziej

skuteczniejszy będzie system sterowania
ale i bardziej kosztowny i mniej niezawodny
w eksploatacji.

17

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Dlatego

należy

zauważyć

następujące

polecenia.

• System automatycznego kontroli i

sterowania powinna być ekonomicznie
uzasadniony i wyznaczony racjonalny
poziom automatyzacji.

• Modeli matematyczne i algorytmy

sterowania

także

powinny

być

uzasadnione

• Utworzenie system sterowania jest

sensownie prowadzić etapowo, tworząc
systemy hierarchiczne.

18

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

Zastosowanie

automatyki

wymaga

wysokiego poziomu mechanizacji procesów
oraz dokładnej informacji o samym procesie.
Rozwój

system

kontroli,

regulacji

i

sterowania oraz stopień automatyzacji
współczesnych procesów można podzielić na
kilka etapów:
1. Wyposażenie

agregatów

technologicznych w aparaturę kontrolno-
pomiarową, czyli dążność do uzyskania
pełnej możliwej informacji o procesie.

2. Zastosowanie zdalnego i planowego

sterowania przepływem energii i/lub
surowca.

19

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

3. Wprowadzenie indywidualnych układów

automatycznej stabilizacji wybranych
parametrów procesu technologicznego
(temperatury, ciśnienia, prędkości lub
tp.).

4. Wdrożenie

lokalnych

układów

sterowania,

obejmujących

kilka

układów stabilizacji w celu polepszenia
wskaźników

jakości

dla

danego

agregatu technologicznego.

20

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Wstęp

5. Wprowadzenie

kompleksowych

systemów sterowania procesami, w
których komputer związuje i steruje
działaniem

wszystkich

lokalnych

układów regulacji w celu uzyskania
założonego celu sterowania procesem.

6. Wprowadzenie

automatyzowanych

system

sterowania

zakładu,

pozwalających racjonalnie organizować
pracę odrębnych jednostek lub całego
zakładu pracy

21

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Sygnałem

nazywamy w automatyce

dowolną wielkość fizyczną występującą
w procesie sterowania, będącą funkcją
czasu

i

wykorzystywaną

do

przekazywania informacji. Sygnałem
może być więc np. napięcie, prąd lub
częstotliwość

w

układach

elektrycznych

oraz

wielkości

pomiarowe: temperatura, ciśnienie,
prędkość itp.

Informacja

zawarta jest w wartości lub

kształcie przebiegu sygnału.

22

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Elementem

automatyki

(krócej:

elementem

lub

członem

) nazywać

będziemy dowolny podzespół, zespół,
przyrząd lub urządzenie występujące w
układach

automatyki,

w

którym

wyróżnić można sygnał wejściowy i
sygnał

wyjściowy.

Schematycznie

(„blokowo”) przedstawia się element w
postaci prostokąta, a kreski ze
strzałkami oznaczają tor i kierunek
przekazywania sygnału.

23

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

W praktyce spotyka się zaznaczenia

elementów, w których można wyróżnić
kilka

sygnałów

wejściowych

i

wyjściowych, ale najczęściej elementy
mają tylko jeden sygnał wejściowy i
jeden sygnał wyjściowy.

x

1

x

2

x

n

:

y

1

y

2

y

n

:

x

y

24

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Jeżeli

należy

porównywać

sygnały,

dodawać

lub

odejmować

kilka

sygnałów wykorzystują elementy lub
węźle sumujące, który ma następujący
wygląd:

x

1

x

2

x

n

¯

y

25

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Zasadę

sterowania

dowolnym
procesem

można

przedstawić

w

sposób
schematyczny.
Urządzenie

w

którym

przebiega

rozważany proces
technologiczny,
nosi nazwę

członu

,

układu

lub

obiektu

sterowania

albo

regulacji

.

u

1

u

i

y

1

y

l

z

1

z

m

OBJEKT

Urządzenie

sterujące

x

1

x

j

26

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Wielkości oddziałujące

na

obiekt

(lub

proces) sterowania
od

urządzenia

sterującego
stanowią

sygnały

wejściowe

lub

sterowania

u

i

(t)

.

u

1

u

i

y

1

y

l

z

1

z

m

OBJEKT

Urządzenie

sterujące

x

1

x

j

27

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

u

1

u

i

y

1

y

l

z

1

z

m

OBJEKT

Urządzenie

sterujące

x

1

x

j

Współrzędnymi obiektu
na-zywa się te wielkości,
które

charakteryzują

zachowanie się obiektu w
czasie.

Najmniejszy

liczebnie

zbiór

współrzędnych,
wystarcza-jący

do

przewidywania
zachowania się obiektu w
przyszłości

jest

nazywany

stanem

obiektu.

Przy

czym

dowolny element

x

j

(t)

nosi

nazwę

zmiennej

(współ-rzędnej) stanu

.

28

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Współrzędne, które

działają na inne
obiekty

lub

procesy, są to

sygnały
wyjściowe

y

l

(t)

.

Te z nich, które
są wykorzystane
do

sterowania,

mają

nazwę

zmiennych
obserwowanych

.

u

1

u

i

y

1

y

l

z

1

z

m

OBJEKT

Urządzenie

sterujące

x

1

x

j

29

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

POJĘCIA PODSTAWOWE

Na

każdy

proces

działają

również

pewne

sygnały

zewnętrzne

lub

wewnętrzne, które
wpływają

na

przebieg procesu.
Takie

sygnały

nazywamy

zakłóceniami

z

m

(t)

.

u

1

u

i

y

1

y

l

z

1

z

m

OBJEKT

Urządzenie

sterujące

x

1

x

j

30

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Podstawowe zasady

sterowania

1. Sterowanie w układzie otwartym

O

US(R)

W

X

Z

Y

O

– obiekt, sterowania

(regulacji),

US(R)

– urządzenie

sterujące (regulator),

Y

– wielkość

regulowana
(sterowana),

W

– wartość zadana

wielkości regulowanej
(sterowanej),

E

– odchylenie regulacji,

X

– sygnał nastawiający,

Z

– zakłócenia.

31

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Podstawowe zasady

sterowania

2. Sterowanie w układzie otwartym

według zakłóceń

O

– obiekt, sterowania

(regulacji),

US(R)

– urządzenie

sterujące (regulator),

Y

– wielkość

regulowana
(sterowana),

W

– wartość zadana

wielkości regulowanej
(sterowanej),

E

– odchylenie regulacji,

X

– sygnał nastawiający,

Z

– zakłócenia.

O

US(R)

W

X

Z

Y

32

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Podstawowe zasady

sterowania

3. Sterowanie w układzie zamkniętym,

sterowanie według błędu (regulacja)

O

– obiekt, sterowania

(regulacji),

US(R)

– urządzenie

sterujące (regulator),

Y

– wielkość

regulowana
(sterowana),

W

– wartość zadana

wielkości regulowanej
(sterowanej),

E

– odchylenie regulacji,

X

– sygnał nastawiający,

Z

– zakłócenia.

O

US(R)

W

X

Z

Y

E

_

33

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Podstawowe zasady

sterowania

4. Sterowanie kombinowane

O

– obiekt, sterowania

(regulacji),

US(R)

– urządzenie

sterujące (regulator),

Y

– wielkość

regulowana
(sterowana),

W

– wartość zadana

wielkości regulowanej
(sterowanej),

E

– odchylenie regulacji,

X

– sygnał nastawiający,

Z

– zakłócenia.

O

US(R)

W

X

Z

Y

E

_

34

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Klasyfikacja układów

automatyki

1. Podział ze względu na zadanie układu

Układy stabilizujące

, tzn. układy regulacji

stałowartościowej, w którym

w=const

. Zadaniem

układu jest więc utrzymanie stałej wartości
wielkości regulowanej, mimo działających zakłóceń.

Układy programowe

, w których wartość zadana

jest z góry określoną funkcją czasu

w=w(t).

35

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Klasyfikacja układów

automatyki

1. Podział ze względu na zadanie układu

Układy nadążne (śledzące)

, są to zamknięte

układy sterowania, w których wartość zadana jest
nieznaną funkcją czasu. Zadaniem układu jest
spowodowanie nadążania wielkości sterowanej za
zmianami wartości zadanej.

Przykładem

układu

nadążnego jest układ sterowania zużyciem powietrza pieca
grzewczego według zmian zużycia paliwa.

Układ

sterowania

optymalnego

(ekstremalnego)

. Zadanie układu polega na

maksymalizacji lub minimalizacji funkcji wielu
zmiennych, która ma zwykle taki sens techniczny
lub ekonomiczny, jak wydajność produkcji, zysk,
koszt produkcji, zużycie paliwa itp. Takie układy są
zwykle

złożonymi

układami

automatyki

kompleksowej.

36

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Klasyfikacja układów

automatyki

2. Podział ze względu na sposób

działania elementów układu.

Układu o działaniu ciągłym

– wszystkie elementy

układu działają w sposób ciągły w czasie i w
poziomie, tzn. że wszystkie sygnały są funkcjami
ciągłymi i mogą przybierać każdą wartość (od
najmniejszej do największej).

37

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Klasyfikacja układów

automatyki

2. Podział ze względu na sposób

działania elementów układu.

Układy o działaniu dyskretnym (przerywnym)

– jeden element (lub więcej) układu działa w sposób
dyskretny, tzn. jego sygnały mogą przyjmować tylko
niektóre,

wybrane

wartości

(

układy

przekaźnikowe

) lub występują tylko w niektórych,

wybranych chwilach czasu (

układy impulsowe

).

Ostatni mogą mieć zmienną szerokość (czas
trwania) impulsu lub wysokość (amplituda). Znane
są też układy z modulacją częstotliwości sygnału,
kiedy zmienny jest okres impulsowania i on właśnie
jest

nośnikiem

informacji.

Istnieją

również

przekaźnikowo-impulsowe układy

, do których

można zaliczyć

układy cyfrowe

.

38

Pomiary w Technice Cieplnej

Dmytro Svyetlichnyy prof.

AGH

Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Cieplnej i Ochrony Środowiska

Klasyfikacja układów

automatyki

3. Inne podziały

•

System

niesamoprzystosowujący

i

samoprzystosowujący lub układ adaptacyjny (z
korekcją

automatyczną,

samonastrajalny,

samouczący

się,

autonomy.

Analityczne

i

iteracyjne).

• Liniowe i nieliniowe.
• Wyznaczone i statystyczne lub stochastyczne
(losowe).

• Opisane przez równania różniczkowe,
różniczkowo-różnicowe lub całkowe.

• Z parametrami skupionymi i rozłożonymi.
• Stacjonarne (ustalone) i nie ustalone.