1

Informacje ogólne

Podstawy Automatyki

Instytut Automatyki i Robotyki

Autorzy programu:

prof. dr hab. in

ż

. Jan Maciej Ko

ś

cielny,

dr in

ż

. Wie

ń

czysław Jacek Ko

ś

cielny

Semestr IV

Semestr IV

Liczba godzin zaj

ęć

według planu studiów:

Wykład 45

E

Ć

wiczenia 15

Laboratorium 30 (semestr V)

Liczba punktów kredytowych: 6

Ustalenia dotycz

ą

ce zaliczenia przedmiotu

2

1. Do zaliczenia przedmiotu Podstawy Automatyki wymagane jest

zaliczenie

ć

wicze

ń

tablicowych i zdanie egzaminu. W ko

ń

cowej ocenie

przedmiotu uwzgl

ę

dniana jest ocena z

ć

wicze

ń

i ocena z egzaminu.

2. Terminem zaliczania

ć

wicze

ń

tablicowych jest ostatni dzie

ń

semestru

letniego.

3. Egzamin składa si

ę

z cz

ęś

ci pisemnej i ustnej; cz

ęść

ustna nie jest

obowi

ą

zkowa.

4. Egzamin pisemny z Podstaw automatyki trwa 2 godziny zegarowe.

5. Do egzaminu ustnego mog

ą

przyst

ą

pi

ć

tylko te osoby, które uzyskały

5. Do egzaminu ustnego mog

ą

przyst

ą

pi

ć

tylko te osoby, które uzyskały

pozytywn

ą

ocen

ę

z egzaminu pisemnego i które chc

ą

zaprezentowa

ć

swoj

ą

wiedz

ę

uzasadniaj

ą

c

ą

podwy

ż

szenie oceny uzyskanej z cz

ęś

ci

pisemnej egzaminu.

6. Ocen

ę

z egzaminu mo

ż

na tak

ż

e poprawi

ć

przyst

ę

puj

ą

c ponownie do

egzaminu pisemnego.

7. Ostatnie zaj

ę

cia w semestrze przeznaczone s

ą

na dodatkowy termin

egzaminu (termin 0).

Ustalenia dotycz

ą

ce zaliczenia przedmiotu

3

8.

Do egzaminu w terminie 0 mog

ą

przyst

ą

pi

ć

tylko te osoby, które

zaliczyły

ć

wiczenia tablicowe z ocen

ą

co najmniej 4.

9.

Do egzaminu w dalszych terminach mog

ą

przyst

ą

pi

ć

tylko osoby,

które zaliczyły

ć

wiczenia tablicowe.

10. Oceny do indeksu wpisuje prof. dr hab. in

ż

. Jan Maciej Ko

ś

cielny.

11. Wzór wpisu do indeksu: Prof. Jan M. Ko

ś

cielny, Podstawy

automatyki I, liczba godz. wykł. – 3, liczba godz.

ć

wicz. 1.

12. Studenci, którzy uzyskali przed terminem rejestracyjnym tylko

zaliczenie

ć

wicze

ń

, zgłaszaj

ą

si

ę

po wpis zaliczenia

ć

wicze

ń

.

Przyj

ę

te ustalenia

4

Ustalenia dotycz

ą

ce wykładu:

• 8 wykładów trzygodzinnych – cz

ęść

dotycz

ą

ca procesów ci

ą

głych,

• 6 wykładów trzygodzinnych – cz

ęść

dotycz

ą

ca procesów

dyskretnych,

• ostatni wykład w semestrze – egzamin, termin 0.

Ustalenia dotycz

ą

ce

ć

wicze

ń

tablicowych:

• 10

ć

wicze

ń

dotyczy procesów ci

ą

głych (w tym 2 kolokwia),

• 10

ć

wicze

ń

dotyczy procesów ci

ą

głych (w tym 2 kolokwia),

• 5

ć

wicze

ń

dotyczy procesów dyskretnych (w tym 1 kolokwium).

Ustalenia dotycz

ą

ce

ć

wicze

ń

laboratoryjnych (wymiar tygodniowy

2 godz.; 30 godz. w semestrze):
• 10 terminów po 3 godz.
• 1 termin organizacyjny,
• 5

ć

wicze

ń

dotyczy procesów ci

ą

głych,

• 4

ć

wiczenia dotyczy procesów dyskretnych.

Prowadz

ą

cy

5

Prowadz

ą

cy wykłady:

Prof. dr hab. in

ż

. Jan M. Ko

ś

cielny – cz

ęść

dotycz

ą

ca procesów ci

ą

głych,

Dr in

ż

. Wie

ń

czysław J. Ko

ś

cielny – cz

ęść

dotycz

ą

ca procesów dyskretnych.

Prowadz

ą

cy

ć

wiczenia tablicowe w roku akad. 2011/12

Gr. 21

Pn 13.15

s.366

mgr in

ż

. Anna Sztyber

Gr. 22

Pn 15.15

s.336

mgr in

ż

. Alicja Siewnicka

Gr. 22

Pn 15.15

s.336

mgr in

ż

. Alicja Siewnicka

Gr. 23

Ś

r 11.15

s.16

mgr Zofia Łab

ę

da-Grudziak

Gr. 24

Wt 15.15

s.422

mgr in

ż

. Alicja Siewnicka

Gr. 25

Cz 15.15

s.519

dr in

ż

. Jakub Mo

ż

aryn

Gr. 26

Pt

12.15

s.519

mgr Zofia Łab

ę

da-Grudziak

Gr. 27

Pt

13.15

s.519

dr in

ż

. Jakub Mo

ż

aryn

Gr. 28

Pt

13.15

s.336

mgr in

ż

. Anna Sztyber

6

Program wykładu (cz

ęść

1)

Poj

ę

cia podstawowe: sygnał, informacja, element automatyki, układ automatyki, obiekt,

regulator. Struktury przyrz

ą

dowe i klasyfikacje układów automatyki.

Układy liniowe: opis matematyczny (równania ró

ż

niczkowe, transmitancja operatorowa,

równania stanu i wyj

ść

, podstawy opisu układów dyskretnych), linearyzacja,

przedstawianie wła

ś

ciwo

ś

ci statycznych i dynamicznych. Podstawowe człony

dynamiczne, charakterystyki cz

ę

stotliwo

ś

ciowe. Schematy blokowe.

Obiekty regulacji i regulatory przemysłowe: obiekty statyczne i astatyczne, metody

identyfikacji. Regulatory PID - realizacja mikroprocesorowa, wła

ś

ciwo

ś

ci funkcjonalne.

Wymagania stawiane układom automatyki: stabilno

ść

(podstawowe kryteria),

dokładno

ść

statyczna, jako

ść

dynamiczna i jej wska

ź

niki. Dobór nastaw regulatorów.

dokładno

ść

statyczna, jako

ść

dynamiczna i jej wska

ź

niki. Dobór nastaw regulatorów.

Struktury układów automatyki i przykładowe zastosowania: regulacja

jednoobwodowa, kaskadowa, z korekcj

ą

dynamiczn

ą

, regulacja stosunku prosta i

kaskadowa, układy zamkni

ę

to-otwarte. Zastosowania w energetyce, przemy

ś

le

chemicznym, przemy

ś

le spo

ż

ywczym.

Układy nieliniowe: typowe nieliniowo

ś

ci, układy regulacji dwu- i trój-stanowej.

Technika automatyzacji: Realizowane zadania. Struktury funkcjonalne układów

automatyki. Struktury sprz

ę

towe: systemy zintegrowane - klasy DCS, sterowniki

programowalne, systemy monitorowania - SCADA, sieci w układach automatyki,
układy blokad i zabezpiecze

ń

. Konfigurowanie układów automatyki.

7

Program

ć

wicze

ń

audytoryjnych

Ć

wiczenia audytoryjne s

ą ś

ci

ś

le skorelowane z materiałem wykładowym

i obejmuj

ą

:

- formułowanie opisu matematycznego wybranych elementów automatyki

- wyznaczanie odpowiedzi na typowe wymuszenia przy u

ż

yciu rachunku

operatorowego (przekształcenie Laplacea)

- układanie i przekształcanie schematów blokowych

- analityczne i wykre

ś

lne metody wyznaczania charakterystyk

cz

ę

stotliwo

ś

ciowych

cz

ę

stotliwo

ś

ciowych

- badanie stabilno

ś

ci układów automatyki (metody Hurwitza i Nyquista)

- badanie dokładno

ś

ci statycznej układów automatyki

- identyfikacja obiektów regulacji na podstawie zarejestrowanych

odpowiedzi skokowych obiektu lub charakterystyk cz

ę

stotliwo

ś

ciowych

- dobór nastaw regulatora do przykładowych obiektów regulacji

8

Literatura do wykładu (cz

ęść

1)

•

Ż

elazny M.: Materiały pomocnicze do wykładu: Podstawy Automatyki

•

Ż

elazny M.: Podstawy Automatyki. WNT, Warszawa 1976

• Ko

ś

cielny W.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki. Oficyna

Wydawnicza PW, Warszawa 2001, wyd. III

• Malinowski K, Tatjewski P.: Podstawy Automatyki. Preskrypt, PW.

• Kaczorek T.: Teoria układów regulacji automatycznej/ WNT, Warszawa, 1974

• W

ę

grzyn S.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa, 1980

• Gessing R.: Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki

Ś

l

ą

skiej, 2001

• Mazurek J., Vogt H.,

Ż

ydanowicz W.: Podstawy automatyki. Oficyna Wydawnicza

PW, Warszawa 2002

• D

ę

bowski A.: Automatyka. Podstawy teorii. WNT, Warszawa 2008.

• Rumatowski K. Podstawy regulacji automatycznej. Wyd. Politechniki Pozna

ń

skiej,

Pozna

ń

2008

• Holejko D., Ko

ś

cielny W., Niewczas W.: Zbiór zada

ń

z podstaw automatyki.

Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, 1985, wyd. VIII

Literatura do wykładu (cz

ęść

2)

9

• Zieli

ń

ski C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych. PWN, Warszawa, 2003

• Traczyk W.: Układy cyfrowe automatyki. WNT, Warszawa 1974

• Misiurewicz P.: Podstawy techniki cyfrowej. WNT, Warszawa 1982

• Majewski W.: Układy logiczne. WNT, Warszawa 1999

• Ko

ś

cielny W.: Podstawy automatyki, cz. 2. WPW, Warszawa 1984

• Barczyk J.: Automatyzacja procesów dyskretnych. Oficyna Wydawnicza PW,

Warszawa 2003

• Kowalowski H. i inni: Automatyzacja dyskretnych procesów przemysłowych. WNT,

• Kowalowski H. i inni: Automatyzacja dyskretnych procesów przemysłowych. WNT,

Warszawa 1984

• Mikulczy

ń

ski T.: Automatyzacja procesów produkcyjnych. WNT, Warszawa 2006

Politechnika Warszawska

Instytut Automatyki i Robotyki

Prof. dr hab. in

ż

. Jan Maciej Ko

ś

cielny

PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

1. Wprowadzenie, poj

ę

cia podstawowe

11

Plan wykładu

11

• Definicja automatyki jako dziedziny nauki i techniki

• Krótki rys historyczny

• Poj

ę

cia podstawowe: sygnał, informacja, element

automatyki, układ automatyki, obiekt, regulator

• Procesy ci

ą

głe i dyskretne

• Sterowanie i regulacja

• Sterowanie i regulacja

• Klasyfikacje układów automatyki

12

Definicja automatyki

Mechanizacja – uwolnienie człowieka od roli

ź

ródła energii niezb

ę

dne do

Automatyka – dziedzina nauki i techniki zajmuj

ą

ca si

ę

zagadnieniami

samoczynnego (automatycznego) sterowania i automatycznej kontroli

Sterowaniem nazywa si

ę

celowe oddziaływanie na dany proces, w

sposób zamierzony, maj

ą

cy doprowadzi

ć

do spełnienia okre

ś

lonego celu.

Proces, na który wywiera si

ę

oddziaływanie steruj

ą

ce, nazywa si

ę

obiektem sterowania

Mechanizacja – uwolnienie człowieka od roli

ź

ródła energii niezb

ę

dne do

realizacji procesu, a pozostawienie mu jedynie funkcji kontroli
i sterowania

Automatyzacja – wyeliminowanie pracy człowieka (umysłowej

i fizycznej) przez zast

ą

pienie go automatem

Automat – urz

ą

dzenie działaj

ą

ce samoczynnie

13

Historia - staro

ż

ytno

ść

Zegar wodny – Ktesibios (285-222 przed Chr.)

• wykorzystuje układ regulacji nat

ęż

enia przepływu wody

• pływak G utrzymuje stały poziom wody w zbiorniku BCDE, dzi

ę

ki

czemu strumie

ń

wypływaj

ą

cy z tego zbiornika jest stały.

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

Historia - staro

ż

ytno

ść

14

Automat do otwierania drzwi teatrzyku marionetek – Heron (I/II w.)

Woda przelewa si

ę

z okr

ą

głego zbiornika do naczynia poprzez rurk

ę

zakrzywion

ą

w kształcie litery „U”. Naczynie staje si

ę

ci

ęż

sze i poci

ą

ga

za sob

ą

link

ę

, której mechanizm działania nie wymaga ju

ż

komentarzy.

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

Historia –

Ś

redniowiecze, Odrodzenie

15

Ś

redniowiecze:

Androidy (np. gadaj

ą

ca głowa)

- Roger Bacon (1214-1292),

-

Ś

w. Albert Wielki (ok. 1200-1280)

Odrodzenie:

Automatyczne krosno tkackie, łód

ź

podwodna, samopowtarzalna

katapulta, lataj

ą

cy

ż

elazny orzeł, sztuczna mucha

katapulta, lataj

ą

cy

ż

elazny orzeł, sztuczna mucha

- Leonardo da Vinci (1492 -1519), Johannes Muller (1436 – 1476)

Rysunek przyrz

ą

dów do d

ź

wigania wody, 1480-82

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

Historia - XVIII wiek

16

Magiczne automaty - androidy graj

ą

ce, pisz

ą

ce itp.,

ś

piewaj

ą

ce ptaki

teatry magiczne, zegary z ruchomymi figurkami:

- Jacgues de Vaucanson (1709 -1782),

- Pierre Jaguet – Droz (ok. 1721-1790)

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

Klawikordzistka

Rysownik

Kaczka

Historia - XVIII wiek

17

Regulator pr

ę

dko

ś

ci obrotowej maszyny parowej – J. Watt, 1736 -1819)

http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf

Historia - XX wiek

18

Automatyka jako nauka teoretyczna

1892 – Lapunow – stabilno

ść

punktu równowagi

1895 – Routh i Hurwitz – kryterium stabilno

ś

ci

1922 – Minorsky – regulator PID (pierwsza publikacja)

1932 – Nyquist – kryterium stabilno

ś

ci

1936 – Ziegler i Nichols – regulator PID

1942 – Ziegler i Nichols – reguły doboru nastaw regulatora PID

1956 – Pontriagin – zasada maksimum

1956 – Bellman – programowanie dynamiczne

19

• W 1923 roku w USA rozpocz

ę

ła prac

ę

pierwsza automatyczna linia

produkcyjna

• W 1947 roku pierwszy bezzałogowy lot samolotu typu Douglas 054

• W latach pi

ęć

dziesi

ą

tych: obrabiarki sterowane numerycznie

• 1969 – mikroprocesor

• 1969 - Pierwszy sterownik programowalny Modicon 084 opracowany

przez Dicka Morleya

Historia - XX wiek

przez Dicka Morleya

• 1974 – pierwszy system DCS

• W latach siedemdziesi

ą

tych roboty przemysłowe i zautomatyzowane

magazyny,

• W latach osiemdziesi

ą

tych buduje si

ę

całkowicie zautomatyzowane linie

produkcyjne.

• Komputery – gwałtowny rozwój automatyzacji

Stan aktualny

20

Przykład zautomatyzowanej linii produkcyjnej

Stan aktualny

21

Sterownia w zakładach chemicznych

Stan aktualny

22

Distributed

Control

System

(DCS)

Struktura systemu automatyzacji

przedsi

ę

biorstwa

23

Poj

ę

cia podstawowe

Sygnał - przebieg zmian w czasie okre

ś

lonej wielko

ś

ci fizycznej,

wyra

ż

aj

ą

cy w umowny sposób informacj

ę

.

24

Poj

ę

cia podstawowe

Element automatyki (człon) - podzespół, zespół, przyrz

ą

d lub urz

ą

dzenie,

w którym mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

sygnał wej

ś

ciowy i sygnał wyj

ś

ciowy -

rys. a, lub sygnały wej

ś

ciowe i wyj

ś

ciowe - rys. b.

Układ automatyki - zespół wzajemnie powi

ą

zanych elementów bior

ą

cych

udział w sterowaniu automatycznym danego procesu

(uporz

ą

dkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów)

Poj

ę

cia podstawowe

25

Proces, na który wywiera si

ę

oddziaływanie steruj

ą

ce, nazywa si

ę

obiektem sterowania

Sterowanie automatyczne - oddziaływanie na proces, którego

zamierzony przebieg chcemy uzyska

ć

,

bez udziału człowieka, za

pomoc

ą

urz

ą

dze

ń

nazywanych ogólnie aparatur

ą

automatyki.

Sygnały w układach automatyki

26

Sygnałem jest przebieg zmian w czasie okre

ś

lonej wielko

ś

ci fizycznej, wyra

ż

aj

ą

cy

w umowny sposób informacj

ę

. Sygnał charakteryzuj

ą

tre

ś

ci fizyczne oraz parametr

informacji:

Tre

ść

fizyczna sygnału okre

ś

la rodzaj wielko

ś

ci fizycznej jak

ą

jest ten sygnał. (np.

ci

ś

nienie spr

ęż

onego powietrza, ci

ś

nienie oleju, nat

ęż

enie pr

ą

du stałego itd.)

Parametr informacji okre

ś

la sposób przenoszenia informacji oraz warto

ść

sygnału

lub zakres zmian, np. chwilowa warto

ść

sygnału ci

ś

nieniowego hydraulicznego -

1600 kPa, zakres zmian warto

ś

ci amplitudy sygnału ci

ś

nieniowego

1600 kPa, zakres zmian warto

ś

ci amplitudy sygnału ci

ś

nieniowego

pneumatycznego – 20 ÷100 kPa

Sygnał analogowy charakteryzuje si

ę

tym,

ż

e warto

ś

ci wielko

ś

ci sygnalizowanej

s

ą

jednoznacznie i w sposób ci

ą

gły odwzorowywane na warto

ś

ci parametru

informacji, sygnał mo

ż

e by

ć

ci

ą

gły i nieci

ą

gły.

Sygnał dyskretny charakteryzuje si

ę

okre

ś

lon

ą

liczb

ą

dyskretnych warto

ś

ci

parametru informacji. Szczególnym przypadkiem sygnałów dyskretnych s

ą

sygnały

binarne – {0,1})

27

Sygnały w układach automatyki

Sygnały dyskretne (wielostanowe) mo

ż

na otrzyma

ć

z sygnału ci

ą

głego

w wyniku kwantowania warto

ś

ci

y

y

Dyskredytacja warto

ś

ci - kwantowanie

Dyskredytacja w czasie - próbkowanie

Informacja - warto

ść

lub kształt przebiegu sygnału

t

0

1

2

3

4

t

T

p

Sygnały analogowe

28

Przykłady sygnałów analogowych:

a) sygnał ci

ą

gły, parametrem

informacji jest bie

żą

ca warto

ść

amplitudy y,

b) sygnał przerywany,

c) sygnał impulsowy, parametrem
informacji jest amplituda impulsów,

d) sygnał impulsowy, parametrem
jest szeroko

ść

impulsów,

e) sygnał impulsowy, parametrem
jest przesuni

ę

cie fazowe impulsów

wzgl

ę

dem chwil próbkowania

Standardowe sygnały analogowe w UA

29

Rodzaj sygnału

Wielko

ść

fizyczna

Parametr

informacji

Warto

ść

lub

zakres zmian

warto

ś

ci sygnału

Pneumatyczny

ci

ś

nienie

spr

ęż

onego powietrza

amplituda

20

÷÷÷÷

100

kPa

Hydrauliczny

ci

ś

nienie oleju

zasilaj

ą

cego

urz

ą

dzenie

amplituda

1.0 MPa

6.0 MPa

10.0 MPa

urz

ą

dzenie

10.0 MPa

16.0 MPa

Elektryczny

nat

ęż

enie pr

ą

du

stałego

amplituda

0

÷

5 mA

0

÷

10 mA

0

÷

20 mA

4

÷÷÷÷

20

mA

napi

ę

cie pr

ą

du

stałego

amplituda

0

÷

5 V

0

÷

10 V

1

÷÷÷÷

5

V

30

Sterowanie realizowane mo

ż

e by

ć

przez człowieka i mówi si

ę

wówczas

o sterowaniu r

ę

cznym lub za pomoc

ą

urz

ą

dze

ń

samoczynnie steruj

ą

cych

procesem i wówczas mówimy o sterowaniu automatycznym.

Sterowaniem nazywa si

ę

celowe oddziaływanie na dany proces, w

sposób zamierzony, maj

ą

cy doprowadzi

ć

do spełnienia okre

ś

lonego celu.

Proces, na który wywiera si

ę

oddziaływanie steruj

ą

ce, nazywa si

ę

obiektem sterowania

Sterowanie

Czynniki o charakterze przypadkowym, niezamierzonym,

niekontrolowanym,

utrudniaj

ą

ce

sterowanie nazywa si

ę

zakłóceniami

Wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe

Wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowe

obiekt sterowania

Zakłócenia

31

Samochód jako obiekt sterowania

Hamowanie

Przyspieszanie

Kierowanie

Kierunek

Pr

ę

dko

ść

Wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe

Wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowe

Samochód

jako obiekt sterowania

Zakłócenia

Klasyfikacja procesów

32

Procesami ci

ą

głymi nazywamy procesy, do opisu których niezb

ę

dne

s

ą

sygnały ciagłe (np. procesy regulacji temperatury, ci

ś

nienia, napi

ę

cia,

składu). Przedmiotem zainteresowa

ń

automatyki procesów ci

ą

głych s

ą

głównie układy automatycznej regulacji.

Procesami dyskretnymi nazywamy procesy, do opisu których
wykorzystuje si

ę

zmienne o sko

ń

czonej liczbie warto

ś

ci; przewa

ż

nie s

ą

to

zmienne dwuwarto

ś

ciowe.

zmienne dwuwarto

ś

ciowe.

Procesy, do opisu których wykorzystuje si

ę

zmienne dwuwarto

ś

ciowe

nazywaj

ą

si

ę

procesami binarnymi. Informacje o stanie takich procesów

przekazywane s

ą

za pomoc

ą

sygnałów dwuwarto

ś

ciowych (binarnych).

33

Klasyfikacja układów sterowania

Układy sterowania procesami ci

ą

głymi:

• otwarte

Układy sterowania :

• procesami ci

ą

głymi

• procesami dyskretnymi

• otwarte

• zamkni

ę

te (ze sprz

ęż

eniem zwrotnym)

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

• ci

ą

głe

• dyskretne (kwantowane w czasie)

Układy sterowania logicznego

34

Układy sterowania procesami dyskretnymi o binarnych sygnałach
wyj

ś

ciowych i wej

ś

ciowych - przetwarzaj

ą

ce binarne sygnały wej

ś

ciowe na

binarne sygnału wyj

ś

ciowe, nazywane s

ą

układami sterowania logicznego

(sterowania binarnego).

Układy sterowania logicznego s

ą

tematem 2 cz

ęś

ci wykładu

1

x

2

x

n

x

1

y

2

y

m

y

układ

sterowania

logicznego

Binarne
sygnały
wej

ś

ciowe

Binarne
sygnały
wyj

ś

ciowe

Rodzaje układów sterowania procesów ci

ą

głych

35

Sterowanie realizowane mo

ż

e by

ć

w układzie otwartym lub w układzie

zamkni

ę

tym (czyli w układzie ze sprz

ęż

eniem zwrotnym). Sterowanie

w układzie zamkni

ę

tym nazywane jest regulacj

ą

.

Sprz

ęż

enie zwrotne w układzie regulacji jest sprz

ęż

eniem zwrotnym

ujemnym.

36

Sterowanie w układzie otwartym

w - warto

ść

zadana wielko

ś

ci sterowanej

u - sygnał steruj

ą

cy

y - wielko

ść

sterowana

z - sygnał zakłócaj

ą

cy

US - urz

ą

dzenie steruj

ą

ce

O – obiekt (proces) podlegaj

ą

cy sterowaniu

37

Sterowanie w układzie otwartym

p

s

A

e

k

d

Zadajnik

ci

ś

nienia

r

ę

czne

automatyczne

Sterownik

p

s

A

e

k

d

e

p

u

w

k

s

z

y

k

s

A

e

z

y

38

Sterowanie w układzie zamkni

ę

tym

Układ ze sprz

ęż

eniem zwrotnym,

y - wielko

ść

regulowana

w - warto

ść

zadana wielko

ś

ci regulowanej

e – odchyłka regulacji
u - sygnał steruj

ą

cy

z - sygnał zakłócaj

ą

cy

US - regulator
O -obiekt regulacji (proces regulowany)

39

Sterowanie w układzie zamkni

ę

tym

Układ regulacji automatycznej

Układ regulacji automatycznej

Tor główny wskazuje zawsze zasadnicz

ą

wielko

ść

wej

ś

ciow

ą

układu

(w tym przypadku w) i wielko

ść

wyj

ś

ciow

ą

y. Tor ten ilustruje zwykle

przepływ głównego strumienia materiału lub energii w układzie.

Tor sprz

ęż

enia zwrotnego słu

ż

y do przekazywania informacji.

Zapotrzebowanie energetyczne tego toru jest zwykle pomijanie małe.

40

Sterowanie r

ę

czne w układzie zamkni

ę

tym

Po

żą

dany

kierunek

ruchu

Rzeczywisty

kierunek ruchu

Układ kierowca – samochód

41

•

Cel:

sterowa

ć

kierunkiem

i szybko

ś

ci

ą

•

Sygnały wej

ś

ciowe - obserwacje:

rzeczywisty kierunek i szybko

ść

samochodu

•

Sygnały steruj

ą

ce:

poło

ż

enie

pedałów gazu i hamulca, k

ą

t skr

ę

cenia

kierownicy

•

Ograniczenia:

znaki drogowe,

przepisy ruchu

•

Zakłócenia

: powierzchnia drogi

•

Zakłócenia

: powierzchnia drogi

i nachylenie, wiatr, przeszkody

Hamowanie

Przyspieszanie

Kierowanie

Kierunek

Pr

ę

dko

ść

Wielko

ś

ci

wej

ś

ciowe

Wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowe

Samochód

jako obiekt sterowania

Zakłócenia

Układ kierowca – samochód

42

zmysły

→

czujniki

Układ kierowca – samochód

43

ko

ń

czyny

→

urz

ą

dzenia wykonawcze

Układ kierowca – samochód

44

mózg

→

regulator (komputer pokładowy)

Wielkie zawody DARPA

45

46

Sterowanie r

ę

czne w układzie zamkni

ę

tym

Regulacja ręczna temperatury wody w układzie zamkniętym

Realizacja

algorytmu

sterowania

Oddziaływanie

Pomiar temperatury

47

Regulacja automatyczna – struktura aparaturowa

Regulator

Obiekt

regulacji

Przetwornik

pomiarowy

Element

wykonawczy

u

y

y

m

w

48

Regulacja automatyczna – struktura aparaturowa

Układ regulacji poziomu wody

Element wykonawczy

Obiekt regulacji:
proces zmian

Przetwornik pomiarowy

Regulator

proces zmian
poziomu w zbiorniku

y

m

u

49

Regulacja automatyczna

p

s

k

s

A

e

k

d

Regulator

Warto

ść

zadana

y

m

w

F

n

y

y

m

50

Klasyfikacja układów regulacji automatycznej

Ze wzgl

ę

du na zadanie realizowane przez układ wyró

ż

nia si

ę

:

• układy stabilizuj

ą

ce (układy regulacji stałowarto

ś

ciowej), w=const

• układy programowe (regulacji programowej), w=w(t)

• układy nad

ąż

ne (serwomechanizmy), w=w[

ϕ

(t)]

• inne

51

Układy stabilizuj

ą

ce

Zadaniem układu jest utrzymanie mo

ż

liwie stałej, po

żą

danej warto

ś

ci

wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej oraz minimalizacja wpływu zakłóce

ń

na t

ę

wielko

ść

.

Cz

ę

sto główne zakłócenia wchodz

ą

wraz ze strumieniem materiału lub

energii na obiekt, tworz

ą

c tor główny od z

1

do y.

Przykłady: regulacja ci

ś

nienia, poziomu cieczy,

nat

ęż

enia przepływu, pH itd.

52

Układy regulacji programowej

Zadaniem układu jest uzyskanie przewidzianych okre

ś

lonym programem

czasowym zmian wielko

ś

ci regulowanej (sterowanej)

Przykłady:
• programowa regulacja temperatury w budynku mieszkalnym
• programowa regulacja temperatury w piecu hartowniczym
• programowa regulacja jednej lub kilku wielko

ś

ci w procesie rozruchu

(stopniowe dochodzenie do nominalnego stanu pracy)

53

Układy nad

ąż

ne

Zadaniem układu jest nad

ąż

anie wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej y za zmieniaj

ą

c

ą

si

ę

w nieznany nam sposób warto

ś

ci

ą

zadan

ą

w

Przykłady:
• sterowanie poło

ż

eniem y dział przeciwlotniczych wg wskaza

ń

radaru

okre

ś

laj

ą

cego poło

ż

enie w samolotu

• sterowanie poło

ż

eniem y pisaka rejestratora wg aktualnej warto

ś

ci w

mierzonej i rejestrowanej wielko

ś

ci fizycznej

54

Układy sterowania optymalnego

Zadaniem układu jest utrzymywanie wielko

ś

ci regulowanej na warto

ś

ci

ekstremalnej.

Poło

ż

enie ekstremum zazwyczaj nie jest stałe i zale

ż

y od warto

ś

ci

sygnałów zakłócaj

ą

cych

Optymalizacja przebiegu procesów - np. minimalizacja zu

ż

ycia energii,

minimalizacja kosztów lub maksymalizacja zysku przy zało

ż

onych

ograniczeniach

z=a

z=b

z=v

y

u

55

Układy ci

ą

głe i dyskretne w czasie

Układy ci

ą

głe – zmiany wej

ś

cia obiektu oraz obserwacje (pomiary) wyj

ś

cia

mog

ą

odbywa

ć

si

ę

w ka

ż

dym momencie t .

W opisie układu wyst

ę

puj

ą

wtedy funkcje czasu u(t), y(t), itp.

Układy dyskretne (w czasie) – zmiany wej

ś

cia obiektu oraz obserwacje

Układy dyskretne (w czasie) – zmiany wej

ś

cia obiektu oraz obserwacje

(pomiary) wyj

ś

cia mog

ą

odbywa

ć

si

ę

w

ś

ci

ś

le okre

ś

lonych

chwilach, zwykle równoodległych -

∆

t

W opisie układu wyst

ę

puj

ą

wtedy dyskretne funkcje czasu, czyli ci

ą

gi: u(k),

y(k), itp., gdzie k oznacza numer kolejnego taktu

Sterowanie komputerowe ma charakter dyskretny.

56

Układy liniowe i nieliniowe

układu fizycznego na

Układy liniowe – układy, które zawieraj

ą

wył

ą

cznie elementy liniowe, tzn.

elementy o liniowych charakterystykach statycznych, opisywane

za pomoc

ą

liniowych równa

ń

ró

ż

niczkowych lub ró

ż

nicowych

Spełniaj

ą

zasad

ę

superpozycji: odpowied

ź

układu fizycznego na

kilka wymusze

ń

, równa si

ę

sumie odpowiedzi na ka

ż

de

wymuszenie z osobna.

Rzeczywiste układy s

ą

nieliniowe, ale w wielu przypadkach z

Rzeczywiste układy s

ą

nieliniowe, ale w wielu przypadkach z

zadawalaj

ą

cym przybli

ż

eniem mo

ż

na opisa

ć

działanie układu nieliniowego,

linearyzuj

ą

c jego charakterystyki w otoczeniu nominalnego punktu pracy

Układy nieliniowe – układy, które zawieraj

ą

chocia

ż

jeden element

nieliniowy

57

Układy jedno- i wielowymiarowe

Układy jednowymiarowe – układy o jednym wej

ś

ciu i jednym wyj

ś

ciu

Układy wielowymiarowe – wielko

ś

ci u oraz y s

ą

wektorami (wiele wej

ść

i wiele wyj

ść

)

Obiekt

Reg. 1

Reg. 2

Reg. 3

u

1

u

2

u

3

y

1

y

2

y

3

58

Układ sterowania jako system informacyjny

Systemy informacyjne (5P):

• Pozyskiwanie informacji (pomiary)

• Przesyłanie informacji (sieci Fieldbus, LAN i WAN)

• Przechowywanie informacji (bazy danych relacyjne i czasu

rzeczywistego – historiany)

• Przetwarzanie informacji (sterowniki, komputery)

• Przetwarzanie informacji (sterowniki, komputery)

• Prezentacja informacji (wizualizacja – panele i stacje operatorskie)

Systemy sterowania s

ą

systemami informacyjnymi (5P), a tak

ż

e

systemami informatycznymi.