Podstawy automatyki

Wykładowca: prof.dr hab.inż. Zdzisław Gosiewski

Sem. I V

2011/12

Egzamin

Automatyzacja ma na celu wyeliminowanie
bezpośredniego udziału człowieka z kontroli i sterowania
procesami technologicznymi w oparciu o zaawansowane
techniki pomiarowe, sterowniki i elementy sterujące
(wykonawcze). Proces produkcyjny w pełni
zautomatyzowany odbywa się samoczynnie. Konieczność
wprowadzanie automatyzacji wynika z:

•ciągłego postępu technicznego w zakresie procesów
technologicznych,

•dążenia do zwielokrotnienia wydajności pracy oraz do
zapewnienia lepszych jej wa runków i bezpieczeństwa,

•ograniczonych możliwości reakcji człowieka.

Historia

• J. Watt
• L. Euler
• Matematycy rosyjscy
• Massachusetts Institute of

Technology

• R. Kalman

Regulator Watt’a

Rys. 1. 2. Schemat ideowy układu sterowania prędkością obrotową maszyny parowej

Sprzężenie zwrotne

• Sterowanie automatyczne jest „cudowną” technologią wykorzystującą

sprzężenie zwrotne celem podniesienia osiągów systemów

technologicznych, począwszy od silnika parowego aż po stacje kosmiczne.

• Regulator Watta pozwolił na opanowanie działania silnika parowego i

utorował drogę dla Rewolucji Przemysłowej.

• Podstawą wszelkich systemów sterowania jest sprzężenie zwrotne, czyli

wsteczne oddziaływanie wielkości sterowanej na wielkość sterującą. Obok

układów technicznych sprzężenie występuje również w układach

biologicznych i ekonomicznych.

• Niewielkie zmiany konfiguracji i parametrów praw sterowania mogą

przynieść natychmiastowe i znaczące efekty w systemie dynamicznym.

Ale nawet właściwe czynności sterujące, podjęte w niewłaściwym czasie,

mogą prowadzić do katastrofy Uwzględniając te i inne liczne dodatkowe

efekty rozumiemy, dlaczego inżynieria i teoria sterowania jest istotna.

• Oddziaływanie dwóch układów prawie zawsze wywołuje sprzężenie

zwrotne.

• Istota sprzężenia zwrotnego zostanie przeanalizowana na wybranych

układach automatyki. Przykłady te ułatwią techniczne spojrzenie na

sterowanie w układzie zamkniętym oraz umożliwią zdefiniowanie

podstawowych pojęć w automatyce.

Układ sterowania robotem

Układy sterowania

• Rys. 1. 4. Schematy blokowe układu automatyki:

a) otwartego, b) zamkniętego.

Norma PN-88/M-42000

Automatyka pomiary przemysłowe

Przykłady

Klasyfikacja

1. Ze względu na cechę (właściwość) liniowości stosowanych elementów układy regulacji

automatycznej dzielimy na:

•

--liniowe,

•

--nieliniowe.

Układ liniowy spełnia zasadę superpozycji, tzn. odpowiedź na wymuszenie będące

kombinacją liniową wymuszeń równa się liniowej kombinacji odpowiedzi. Układy liniowe

opisane są liniowymi równaniami algebraicznymi, różniczkowymi (zwyczajnymi lub

cząstkowymi), różnicowymi, całkowymi, ogólnie – operatorami liniowymi. Warunkiem

koniecznym, ale nie dostatecznym, liniowości układu jest liniowość jego charakterystyk

statycznych. Układy regulacji automatycznej nazywać będziemy nieliniowymi, jeżeli nie

spełniają one zasady superpozycji. Wystarczy, aby w układzie jeden z jego elementów

był elementem nieliniowym, wówczas cały układ jest układem nieliniowym.

2. Ze względu na liczbę wejść i wyjść (wielkości regulowanych), układy regulacji

automatycznej dzielimy na:

•

--układy o jednym wejściu i jednym wyjściu (dla tych układów przyjął się skrót z języka

angielskiego - single input single output, SISO),

•

--układy o wielu wejściach i wielu wyjściach (z j. angielskiego - multiple input multiple

output, MIMO).

4. Ze względu na liczbę zmiennych niezależnych operatorów opisujących układy, układy

te dzielimy na:

•

--układy jednowymiarowe,

•

--układy wielowymiarowe.

Układy jednowymiarowe są opisywane operatorami jednej zmiennej niezależnej, którą

zwykle jest czas ciągły (układy ciągłe, układy ciągło-czasowe) lub dyskretny (układy

dyskretne w czasie, układy dyskretno-czasowe).

Klasyfikacja 2

4. Ze względu na charakter sygnałów układy regulacji automatycznej dzielimy na:

•

--układy analogowe (ciągło-czasowe),

•

--układy cyfrowe (dyskretno-czasowe).

Układami ciągłymi nazywamy układy, w których sygnały mają charakter ciągły w czasie.

Dynamika układów ciągłych jest zwykle opisana równaniami różniczkowymi zwyczajnymi

lub cząstkowymi. Układami dyskretno-czasowymi nazywamy układy, w których

przynajmniej jeden sygnał ma charakter dyskretny w czasie. Ponieważ coraz częściej

stosuje się jako regulatory sterowniki mikroprocesorowe, to układy z takimi regulatorami

nazywamy układami cyfrowymi. Sygnał dyskretno-czasowy charakteryzuje się zazwyczaj

skończoną liczbą wartości w danym przedziale czasowym. Dynamika układów dyskretno-

czasowych jest zwykle opisana równaniami różnicowymi. Czasami, ale coraz rzadziej,

rozważa się sygnały dyskretne w dziedzinie innej niż czas zmiennej niezależnej – na

przykład – w dziedzinie częstotliwości.

5. Obecnie, w odróżnieniu od układów dyskretno-czasowych, za układy dyskretne uważa

się układy sterowane zdarzeniami. Oczywiście, jednym ze zdarzeń może być upłynięcie

dowolnie zadanego przedziału czasowego. Reprezentantami takich układów są automaty

skończone. Tematyka automatów skończonych jest rozważana przy okazji automatyzacji

procesów dyskretnych.

6. Ze względu na zadanie, jakie mają spełniać, układy regulacji automatycznej dzielimy na:

•

--układy regulacji stałowartościowej (stabilizacji automatycznej),

•

--układy regulacji programowej,

•

--układy regulacji nadążnej,

•

--układy regulacji ekstremalnej.

Klasyfikacja 3

1.Ze względu na zdolność do samoczynnego dopasowywania parametrów i

charakterystyk

do zmieniających się

właściwości obiektów i zakłóceń, układy regulacji automatycznej dzielimy na:

układy adaptacyjne,

układy zwykłe (nieadaptacyjne),

układy odporne.
1.Przyjmując za kryterium jakości (wskaźnik jakości) układów regulacji

automatycznej funkcję lub wielkość skalarną ,

możemy układy podzielić na:

•

optymalne,

•

nieoptymalne.

2. Ze względu na sposób realizacji sterowania układy dzielimy na:

•

układy jednowarstwowe,

•

układy wielowarstwowe.

Proces automatyzacji

Projektowanie i realizacja układów sterowania składa się z wielu etapów:

•--Ocena układu (obiektu) sterowanego pod kątem sformułowania zadań dla układu
sterowania.

•--Modelowanie systemu i jeśli zachodzi potrzeba, to uproszczenie (dyskretyzacja,
redukcja, linearyzacja, rozprzęganie) modelu.

•--Analiza otrzymanego modelu; określenie jego właściwości.

•--Określenie zmiennych, którymi należy sterować.

•--Określenie zmiennych, które należy mierzyć i które należy przekształcać; należy
więc określić jakie elementy pomiarowe i wykonawcze zostaną użyte i w których
miejscach systemu zostaną umieszczone.

•--Wybór konfiguracji układu sterowania.

•--Określenie typu regulatora.

•--Przyjęcie kryteriów jakości układu sterowania w oparciu o cele systemu.

•--Projektowanie algorytmów (praw) sterowania według przyjętej metody.

•--Badanie otrzymanego systemu sterowania celem sprawdzenia czy przyjęte
założenia konstrukcyjne zostały spełnione. Jeśli nie zostały spełnione, to
zaproponowanie innego typu regulatora.

•--Symulacja komputerowa lub badania prototypu całego układu w różnych
przewidywanych warunkach pracy.

•--Jeśli zachodzi taka potrzeba powtórzenie całej procedury od kroku 2.

•--Wybór rozwiązań sprzętowych i programowych celem ostatecznej implementacji
sterownika.

•--Testowanie i walidacja systemu sterowania; jeśli jest konieczne, dostrojenie
regulatora do warunków eksploatacyjnych.