© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

1

PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

Prowadzący

Prowadzący

:

:

dr ing. Sebastian

dr ing. Sebastian

Kula

Kula

e-mail: [e-mail]

e-mail: [e-mail]

Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w

Bydgoszczy

wykład I

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

2

zajęcia realizowane są w ramach

projektu pt. “Mechatronika

kierunkiem przyszłości –

dostosowanie oferty edukacyjnej

Uniwersytetu Kazimierza

Wielkiego do potrzeb rynku

pracy”, Działanie 4.1.1, Programu

Operacyjnego Kapitał Ludzki,

współfinansowanego ze środków

Europejskiego Funduszu

Społecznego”.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

3

Plan wykładów (1)

• Wstęp
• Rodzaje i struktury układów sterowania.
• Elementy układów regulacji.
• Modele układów dynamicznych i sposoby ich

analizy.

• Transmitancja operatorowa i widmowa.
• Badanie stabilności.
• Projektowanie liniowych układów regulacji w

dziedzinie częstotliwości.

• Regulator PID – dobór nastaw.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

4

Plan wykładów (2)

• Rodzaje robotów i ich konstrukcje.
• Kinematyka

i

dynamika

robotów

–

wyznaczanie

trajektorii,

metody

przetwarzania informacji z czujników.

• Napędy,

sterowanie

pozycyjne,

serwomechaniz-my.

• Chwytaki i ich zastosowania.
• Podstawy programowania robotów.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

5

Literatura:

•STEFAN

WĘGRZYN

„Podstawy

automatyki”.

•PHILIPPE de LARMINAT „Automatyka

układy liniowe”.

•WŁADYSŁAW FINDEISEN, „Technika regu-

lacji automatycznej”.

•JERZY MAZUREK „Podstawy automatyki”.
•RYSZARD

ZDANOWICZ

„Robotyzacja

proce-sów technologicznych”.

•Internet, wikipedia

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

6

Wstęp (1)

Czym jest automatyka?

Automatyka

to

dziedzina

inżynierska

wykorzystująca teorie sterowania do tworzenia
systemów o przewidywalnym zachowaniu.
Systemy są tworzone w oparciu o analizy i
modele matematyczne układów różnej natury
(np. cieplnych, chemicznych, elektry-cznych,
mechanicznych,

hydraulicznych,

pneumaty-

cznych).
Jednym z celów automatyki jest ograniczenie
lub też zminimalizowanie udziału czynnika
ludzkiego w procesie sterowania.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

7

Przykłady

układów

automatyki:

prom

kosmiczny

Wstęp (2)

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

8

Wstęp (3)

łazik marsjański

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

9

Wstęp (4)

wózki samosterujące

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

10

Wstęp (5)

roboty

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

11

Wstęp (6)

proteza ramienia

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

12

Wstęp (7)

windy

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

13

Rodzaje i struktury układów

sterowania (1)

Sterowanie polega na takim oddziaływaniu na

obiekt sterowania, za pomocą sygnałów

wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe

osiągnęły pożądaną wartość.

W przypadku procesów technologicznych

sterowa-nie polega na takim kierowaniu,

poprzez sygnały pracą wielu układów i

urządzeń, biorących udział w tych procesach

aby zgodnie z założonym algorytmem zapewnić

dopływ do realizowanego procesu właści-wych

surowców i materiałów oraz ich prawidłową

obróbkę.

Sygnały są fizycznymi nośnikami informacji.

Informacje mogą być kodowane w formie

analogowej, lub cyfrowej.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

14

Rodzaje i struktury układów

sterowania (2)

Podział układów sterowania

Ze względu na rodzaj wykorzystywanej energii

roboczej sygnału sterującego, który jest

konieczny do realizacji zdania sterowania

rozróżniamy:

1. Sterowanie elektryczne

2. Sterowanie hydrauliczne

3. Sterowanie pneumatyczne

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

15

Rodzaje i struktury układów

sterowania (3)

Sterowanie

elektryczne - w

tym

rodzaju

sterowania

nośnikiem

energii

jest

prąd

elektryczny.

Jego

wykorzystanie jako

nośnika pozwala na

prace

takich

układów i urządzeń

jak:

przekaź-niki,

styczniki,

silniki

elektryczne,

elektroza-wory

i

serwomechaniz-my.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

16

Sterowanie hydrauliczne - nośnikiem energii

jest

odpowiednia

ciecz.

Wypełnia

ona

przestrzenie robocze takich układów jak

siłowniki hydrauliczne.

Rodzaje i struktury układów

sterowania (4)

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

17

Rodzaje i struktury układów

sterowania (5)

Sterowanie pneumatyczne - nośnikiem

energii jest powietrze pod odpowiednim

ciśnieniem roboczym, układem wykonawczym

jest siłownik pneumatyczny.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

18

Rodzaje i struktury układów

sterowania (6)

Bez względu na rodzaj czynnika roboczego,

który bierze udział w realizacji sterowania

rozróżniamy:

1. Sterowanie w układzie otwartym -

polegało na oddziaływaniu na urządzenie

sterujące tak, aby pomimo wystąpienia

zakłóceń

w

czasie

realizacji

procesu

przemysłowego uzyskać pożądana wartość

wielkości określonej jako wyjściowa.

2. Sterowanie w układzie zamkniętym -

wprowadzi-ło tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego,

która stała się torem informacyjnym o

zmianach wielkości wyjściowej, zaś role

człowieka

zastąpił

regulator.

Regulator

porównuje wartości wielkości sterowanej z

zadaną i wypracowuje odpowiedni sygnał

sterujący.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

19

Rodzaje i struktury układów

sterowania (7)

Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

20

Rodzaje i struktury układów

sterowania (8)

Układy sterowania: otwarty oraz zamknięty.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

21

Rodzaje i struktury układów

sterowania (9)

W

zależności

od

spełnianej

funkcji

technologicznej

rozróżniamy

następujące

rodzaje sterowania w układzie zamkniętym:

1. Sterowanie programowe - sygnał

zadający jest ustalany według przygotowanego

programu (algorytmu), opartego na tzw.

przekaźnikach programowych przy sterowaniu

stykowym lub w kodzie programu w urządzeniu

cyfrowym.

2. Sterowanie stałowartościowe - parametr

techno-logiczny (np. ciśnienie w rurociągu)

utrzymywane jest w granicach dopuszczalnego

uchybu (zakresu zmian ciśnienia).

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

22

Rodzaje i struktury układów

sterowania (10)

3. Sterowanie nadążne - wartość sygnału

wyjścio-wego

przebiega

analogicznie

jak

wartość sygnału wejściowego.

Kontroler kompaktowy z opcją sterowania

nadążnego.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

23

Rodzaje i struktury układów

sterowania (11)

Biorąc pod uwagę rodzaj zastosowanych

podzespołów

realizujących

sterowanie

procesem możemy dokonać podziału na:

1. Sterowanie stykowe - rozumiane jako

sterowanie z fizycznie zamykającymi się

stykami (przekaźniki styczniki itp.)

2. Sterowanie bezstykowe - realizowane

poprzez użycie łączników półprzewodnikowych

(tyrystory tranzystory, triaki).

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

24

Rodzaje i struktury układów

sterowania (12)

Sterowanie procesami przemysłowymi może

być realizowane w sposób ciągły (sterowanie

ciągłe), w którym wartość wielkości wyjściowej i

wielkości zadanej, mają postać sygnału

ciągłego w czasie (analogowego), lub w sposób

nieciągły. Najczęściej sterowanie nieciągłe

można podzielić na:

1. Sterowanie dwustanowe (binarne) -

polega ono na wykorzystaniu dwóch stanów

sygnału: „1" - oznaczającego działanie „0" -

oznaczającego nie działanie.

2. Sterowanie dwuwartościowe - wartość

sterowana zmienia się w sposób nieciągły

między

dwoma

wartościami

granicznymi

różnymi od zera.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

25

Rodzaje i struktury układów

sterowania (13)

3. Sterowanie wielostanowe - jest to

sterowanie,

które

przebiega

w

sposób

stopniowy.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

26

Rodzaje i struktury układów

sterowania (14)

W zależności od lokalizacji w strukturze

sterowania

procesu

przemysłowego

rozróżniamy:

1. Sterowanie lokalne - wykonywane w

obiekcie

sterowania

i

określone

jako

indywidualne.

2. Sterowanie zintegrowane - jest to

sterowanie z jednego miejsca wielu urządzeń

procesu przemysłowego.

3. Sterowanie zdalne - jest to sterowanie

stosowane w przypadku istnienia większych

odległości między urządzeniem sterującym i

sterowanym.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

27

Rodzaje i struktury układów

sterowania (15)

Dla sterowania zintegrowanego i zdalnego

należy przyjąć kryteria ilości i rozległości

terytorialnej obsługiwanych układów oraz

urządzeń automatyki, biorących udział w

realizacji

sterowania

procesami

przemysłowymi. Najczęściej konstrukcja takich

układów

sterowania

sprowadza

się

do

wyróżnienia czterech warstw spełniających

właściwą funkcje w systemie.

Następny

slajd

przedstawia

przykład

rozwiązania

sterowania

rozproszonym

procesem przemysłowym w oparciu o cztery

warstwy, gdzie jako urządzenia sterujące w

warstwie zerowej występują sterowniki logiczne

PLC.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

28

Rodzaje i struktury układów

sterowania (16)

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

29

Rodzaje i struktury układów

sterowania (17)

Funkcje każdej z warstw są następujące:

* Warstwa zerowa - jej zadaniem jest obsługa

poszczególnych

układów

i

urządzeń

zainstalowanych bezpośrednio w procesie

przemysłowym np. na linii technologicznej. Z

tego powodu do każdego fragmen-tu tej linii

przypisane jest oddzielne urządzenie steru-jące,

które realizuje sterowanie indywidualne.

* Warstwa pierwsza - jej zadaniem jest

analiza funkcji realizowanych przez pojedyncze

urządzenia

sterujące,

zainstalowane

w

procesie, oraz analiza obsługiwanego przez te

urządzenia fragmentu procesu, czyli kontrola

sprawności programowej oraz sprzętowej

urządzeń.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

30

Rodzaje i struktury układów

sterowania (18)

* Warstwa druga - jej zadaniem prezentacja

(analiza) wyników obrazujących funkcjonowanie

procesu

przemysłowego

jako

całości,

najczęściej przez użycie tzw. systemów

wizualizacyjnych typu SCADA (Supervisory

Control and Data Aquisition).

* Warstwa trzecia - jej zadaniem jest kontrola

kompleksowa

przebiegu

procesu

przemysłowego. Wymaga to rozwiązania wielu

problemów związanych z komunikacją różnych

systemów

sterowania

procesem

przemysłowym.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

31

Elementy układów regulacji

(1)

Obiekt

sterowania

to

jakiekolwiek

urządzenie, układ lub element, na który

chcemy oddziaływać lub chcemy nim sterować.

Oznacza

to,

że

trzeba

dysponować

odpowiednimi urządzeniami - elementami

automatyki, które odpowiednio przetworzą

posiadaną informację i sterując strumieniem

energii dostarczanej do obiektu będą w sposób

pożądany wpływać na jego stan.

Schemat obiektu sterowania z dwoma

wejściami i jednym wyjściem.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

32

Elementy układów regulacji

(2)

Z obiektem sterowania związane są trzy rodzaje

sygnałów:

· sterowane

· sterujące

· zakłócające

Sygnałami

sterowanymi

są

wielkości

podlegające sterowaniu. Sygnałami sterującymi

są sygnały oddziaływujące na obiekt sterowania

w celu zapewnienia pożądanych przebiegów

sygnałów

sterowanych.

Sygnały

przeciwdziałające

utrzymaniu

pożądanych

przebiegów

sygnałów

sterowanych

są

sygnałami zakłócającymi.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

33

Elementy układów regulacji

(3)

Urządzenie sterujące (regulator) stanowi

zespół środków technicznych, za pomocą

których realizuje się sterowanie.

Obiekt sterowania i urządzenie sterujące

powiązane ze sobą funkcjonalnie tworzą układ

sterowania (regulacji). Są jego zasadniczymi

elementami. W celu zilustrowania powiązań

miedzy obiektem sterowania i urządzeniem

sterującym

występujących

w

układzie

sterowania

posługujemy

się

schematami

blokowymi.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

34

Elementy układów regulacji

(4)

Otwarty układ sterowania, sterowanie

prądnicą.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

35

Elementy układów regulacji

(5)

Układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

36

Elementy układów regulacji

(6)

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

37

Elementy układów regulacji

(7)

Układ sterowania z jednostkowym sprzężeniem

zwrotnym na przykładzie sterowania

prądnicy.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

38

Elementy układów regulacji

(8)

Przykładowy wielowymiarowy układ sterowania

ze sprzężeniem zwrotnym.

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

39

Elementy układów regulacji

(9)

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

40

•Thank you !

•Vielen Dank !

•Cпасибо !

•Dziękuje !