AUTOMATYKA
Wiadomości podstawowe
Obiekt regulacji
Automatyka jest dziedzinÄ… zajmujÄ…cÄ… siÄ™ podstawami teoretycznymi oraz praktycznÄ… budowÄ…
układów służących do automatycznego sterowania urządzeń przemysłowych. Podstawowym pojęciem w
automatyce jest obiekt, który traktujemy jako czarną skrzynkę zdolną do wykonywania określonych
czynności.
X(s) Y(s)
G(s)
Schemat blokowy obiektu: X(s) - sygnał wymuszający (wejściowy), Y(s) - sygnał wyjściowy,
G(s) - transmitancja.
Obiekt jest to urządzenie lub zespół urządzeń, w których przebiega proces technologiczny. Obiekt
regulacji jest to urządzenie, w którym przebiega proces podlegający regulacji. Pojęcie obiektu regulacji
jest bardzo ogólne: może to być reaktor chemiczny, piec, silnik elektryczny, zbiornik itp.
zakłócenia
Układ y
z x
Obiekt
sterowania
Schemat podstawowy obiektu regulacji
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Sterowanie
Większość procesów produkcyjnych w przemyśle nie może być przeprowadzona bez nadzoru i
możliwości oddziaływania na ich przebieg. Jest tak, ponieważ procesy te powinny przebiegać w ściśle
określonych warunkach, a w praktyce działa na nie wiele czynników zakłócających. Kontrolowanie i
sterowanie przebiegiem procesu produkcyjnego może być powierzone człowiekowi albo urządzeniom. W
pierwszym przypadku proces jest sterowany ręcznie, w przypadku drugim jest on sterowany
automatycznie, czyli:
" sterowanie ręczne - kontrolowanie sterowania przebiegiem procesu produkcyjnego jest
powierzone człowiekowi;
" sterowanie automatyczne - powierzamy urządzeniom obowiązki człowieka (układy regulacji
automatycznej).
W obu sterowaniach (ręcznym i automatycznym) tworzymy zamknięty krąg oddziaływań i
mówimy, że sterowanie odbywa się w układzie zamkniętym. W zamkniętym układzie regulacji występuje
sprzężenie zwrotne. Pojęciem tym określane jest oddziaływanie wsteczne (zwrotne) wielkości
regulowanej na wielkość regulującą.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układ regulacji automatycznej
Sprzężenie zwrotne występuje zarówno w układach regulacji ręcznej, jak też w układach regulacji
automatycznej. W układach regulacji ręcznej obwód sprzężenia zwrotnego zamyka się przez człowieka,
w układach regulacji automatycznej - przez urządzenie, które nazywa się regulatorem.
węzeł
sumacyjny
zakłócenia
x = z Ä… w
z x y y
Obiekt
+
y
-
w'
Układ
Układ
wykonawczy
pomiarowy
y'
w
-
y0
Układ
+
sterowania
sprzężenie
zwrotne
Rys.1.3. Schemat blokowy układu regulacji:
x-sygnał wejściowy (uchybu), y - sygnał wyjściowy (regulowany),
y0 - sygnał odniesienia (zadany), y' - sygnał pomiarowy, w - sygnał regulujący (nastawiający),
w' - przetworzony sygnał nastawiający, z-sygnał zakłócający (wejściowy) układ.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Klasyfikacja układów automatyki
Układy regulacji automatycznej najczęściej klasyfikuje się według następujących kryteriów:
Podział ze względu na zadanie, jakie spełnia układ:
" układy regulacji stałowartościowej;
" układy regulacji programowej;
" układy regulacji nadążnej (śledzące);
" układ regulacji ekstremalnej
Podział ze względu na rodzaj elementów zastosowanych w układzie:
" układy liniowe;
" układy nieliniowe
Podział ze względu na liczbę regulowanych elementów jednocześnie:
" układy o jednej wartości regulowanej;
" układy o wielu wartościach regulowanych
Podział ze względu na sposób przekazywania sygnałów w układzie:
" układy regulacji ciągłej;
" układy regulacji dyskretnej (przerywanej)
Podział ze względu na sposób realizacji:
" układy analogowe;
" układy cyfrowe;
" układy impulsowe
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji stałowartościowej
W układach regulacji stałowartościowej wielkość zadana Y0 = constans. Zadaniem układu jest
utrzymywanie stałej wartości wielkości regulowanej, mimo działających na układ zakłóceń.
Ń0 - " d" Ń d" Ń0 + "
Układ regulacji stałowartościowej poziomu cieczy:
1 - łącznik bimetaliczny, 2 - grzejnik, 3 - śruba do nastawiania wartości zadanej
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Zasadę działania regulatora utrzymującego stały poziom h cieczy w zbiorniku. Powinien być
spełniony warunek:
h0 - " d" h d" h0 + "
Układ regulacji stałowartościowej poziomu cieczy:
1 - łącznik bimetaliczny, 2 - grzejnik, 3 - śruba do nastawiania wartości zadanej,
4 - pływak, 5 - przekładnia, 6 - zawór nastawczy
Układy regulacji stałowartościowej służą do stabilizacji wielkości regulowanych.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji programowej
W układach regulacji programowej wartość zadana zmienia się według określonego z góry
programu. Na przykład obróbka termiczna elementów elektronicznych lub badania klimatyczne aparatury
mogą wymagać określonych z góry zmian temperatury w komorze badawczej.
Układ regulacji programowej:
1 - termoelement, 2 - rezystor nastawczy, 3 - wzmacniacz, 4 - przekładnia,
5 - autotransformator, 6 - mechanizm krzywkowy.
Układ regulacji działa w taki sposób, aby uchyb regulacji sprowadzać do dostatecznie małej
wartości:
UŃ = U UŃ (t) H" U (t)
0 0
NapiÄ™cie termoelementu U¸ jest proporcjonalne do temperatury ¸ w komorze, a napiÄ™cie U0 jest
proporcjonalne do temperatury pożądanej ¸0, wiÄ™c:
UŃ (t) = KŃ(t); U0(t) = KŃ0(t)
Z powyższych równań wynika zależność:
KŃ(t) H" KŃ0(t) Ń(t) H" Ń0(t)
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji nadążnej
W układach śledzących (nadążnych) wartość zadana wielkości regulowanej zmienia się w czasie w
sposób niemożliwy do dokładnego przewidzenia. W celu wyjaśnienia działania takiego układu
posłużymy się przykładem tzw. serwomechanizmu.
Serwomechanizmami nazywamy układy regulacji położenia (liniowego lub kątowego).
Serwomechanizmy nastawiajÄ… obiekt sterowany zgodnie ze zmianami zadania.
Rozpatrzmy przykład dużego statku pasażerskiego, w którym  mostek kapitański znajduje się
kilkadziesiąt metrów od steru. W jaki sposób sterować statkiem?
I
Układ regulacji nadążnej-serwomechanizm nastawiania steru:
1 - koło sterowe, 2 - rezystor nadajnik, 3 - wzmacniacz, 4 - ster, 5 - rezystor odbiornik
Rezystory suwakowe 2 i 5 są tak połączone, że tworzą mostek Wheatstone a (rezystancje R1, R2,
R3 i R4). Mostek jest w równowadze, gdy różnica potencjałów między punktami A i B jest równa zeru
(UAB = 0), tzn. gdy jest spełniony warunek:
R1 R3
=
R2 R4
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji ekstremalnej
Regulację ekstremalną stosuje się w układach, gdy charakterystyka statyczna obiektu regulowanego
posiada ekstremum. Ma ona na celu uzyskiwanie maksymalnej lub minimalnej wartości określonego
parametru, przy czym wartość ta nie musi być znana i co więcej, może się zmieniać. Na przykład zadanie
mieszania paliw z powietrzem w takiej proporcji, by wobec zmieniającego się układu paliwa oraz
ciśnienia i wilgotności powietrza uzyskiwać z paliwa maksymalną (możliwą w danej chwili) ilość ciepła
jest zadanie regulacji ekstremalnej.
X Y
K
K
SS
Element Obiekt
wykonawczy
dx
Ts
BD
dt
Element
różniczkujący
US UL
Schemat układu regulacji ekstremalnej:
UL  układ logiczny, US  urządzenie sterujące, BD  blok dynamiczny
W układzie zastosowano element różniczkujący (niekoniecznie idealny) do pomiaru pochodnej dy dt , a
pochodną dx dt otrzymuje się samoczynnie, dzięki użyciu elementu wykonawczego o działaniu
całkującym.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy liniowe regulacji automatycznej
Układy liniowe regulacji automatycznej zawierają wyłącznie elementy liniowe opisywane
równaniami różniczkowymi liniowymi (dla tych układów obowiązuje zasada superpozycji).
Układ nazywamy liniowym, jeśli ma on następującą właściwość:
a(t) = A[K1a01 (t) + K a02 (t)] = K1 A[a01 (t)] + K A[a0a (t)]
2 2
Lewa część równania po prostu oznacza, że na pewien układ fizyczny oddziałuje sygnał składający
się z sumy funkcji a01(t) oraz a02(t) pomnożonych przez stałe współczynniki K1 oraz K2. W wyniku
działania układu (działanie to określa symbol A, który dalej będziemy nazywali operatorem), uzyskuje się
funkcję wyjściową a(t).
Ä… 0
Ä…0
; Ä…01
; Ä… 02
Ä…01
K1A[Ä…0
(t)]
0 t
0 t
Ä… Ä…(t)=K1A[Ä…01(t)]+ K2A[Ä…02(t)]
0 t
Reakcje układu liniowego:
a) sygnał wejściowy prostokątny; b) rozłożenie sygnału wejściowego na dwa sygnały skokowe;
c) sygnał wyjściowy, jako suma reakcji na sygnały skokowe.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układ nieliniowy
Układ nieliniowy to taki układ fizyczny, który zawiera przynajmniej jeden element nieliniowy (nie
spełnia zasady superpozycji).
Zależność U=f(¸) przedstawiona na rysunku nie jest oczywiÅ›cie zależnoÅ›ciÄ… liniowÄ…. Funkcja
U=f(¸) jest nieciÄ…gÅ‚a w najbardziej interesujÄ…cym nas punkcie ¸=¸0. UkÅ‚ady regulacji dwustawnej należą
do grup nieliniowych układów automatyki.
Ém
Wirowanie w prawo
U
0
h0-" h0+" h
h0
Wirowanie w lewo
0
¸
¸ 0
Przykłady nieliniowych charakterystyk regulatorów:
a) dwustawnego, b)trójstawnego
Charakterystyka ta również wykazuje punkty nieścisłości, a więc jest nieliniowa. Do najczęstszych
przyczyn nieliniowości w układach regulacji należą zakrzywienia charakterystyk, spowodowane
zjawiskiem nasycenia oraz tarciem i luzami w elementach mechanicznych.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji automatycznej jednej zmiennej
Układy regulacji automatycznej, o których mówiliśmy do tej pory, były układami o jednej
wielkoÅ›ci regulowanej. Na przykÅ‚ad, w przypadku termostatu interesowaÅ‚a nas tylko temperatura ¸, a w
przypadku serwomechanizmu kąt położenia steru.
3
L 2
1
UW
Ém
U
f
Schemat blokowy układu regulacji.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji automatycznej wielu zmiennych
W wielu przypadkach urządzenia przemysłowe wymagają sterowania nie jednego, lecz kilku
regulatorów. Występują przypadki, w których wielkości regulowane wzajemnie i silnie oddziałują na
siebie. Mówimy wówczas, że w obiektach regulacji występuje interakcja między wielkościami
regulowanymi.
Z
Y
Układ regulacji
Y0
Układy regulacji automatycznej wielu zmiennych
U0
Regulator
napięcia
Uw PrÄ…dnica i turbina U
Z
f
l
Regulator
częstotliwośc
i
f0
Schemat układu regulacji dwóch zmiennych regulowanych U oraz f.
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy regulacji ciągłej
W układach regulacji automatycznej ciągłej wszystkie elementy działają w sposób ciągły i mogą
przybierać wszystkie wartości z obszaru ich zmienności.
Układy regulacji dyskretnej
W układach regulacji dyskretnej elementy dyskretne mogą przyjmować tylko niektóre wybrane
wartości sygnałów (dyskretyzacja w poziomie) lub też odpowiednie sygnały występujące tylko w
pewnych wybranych chwilach czasu (dyskretyzacja w czasie).
Układy regulacji automatycznej analogowe
Rozróżniamy trzy rodzaje sygnałów:
" ciągłe
" dyskretno-ciągłe
" dyskretne
f
f1
t0 t1 t2 t
Wykres sygnałów ciągłych
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Õ,f
Õ
f
t0 t 1 t2 t
t3 tn
Wykres sygnałów dyskretno-ciągłych.
È,f
È
f
t0 t1 t2 t3 tn t
Wykres sygnałów dyskretnych.
Zasadę działania przetwornika cyfrowo-analogowego
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
A
+
4V
0
-
Sygnał B
1
cyfrowy
0 1 1
1
Sygnał
+
analogowy
U=3V
2V
-
C
+
1V
-
Przetwornik analogowo-cyfrowy
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Do przetwornika dociera sygnał 011 w dwójkowym systemie liczenia, co oznacza również, że
napięcie elektromagnesu A wynosi 0, natomiast napięcie uzwojeń pozostałych elektromagnesów jest na
tyle wysokie, że można uruchomić przełączniki. W ten sposób zostają szeregowo włączone napięcia
2V+1V=3V. Sygnał cyfrowy 011 został więc przetworzony w sygnał analogowy równy 3V.
c
011 U=3V
a
Symbol blokowy przetwornika cyfrowo-analogowego.
Układy regulacji cyfrowej
Sygnały cyfrowe występują w cyfrowych układach regulacji.
Zakłócenia
Elemeny Obiekt Wielkość regulowana
wykonawczy regulacji
Elemeny
pomiarowy
Regulator
a
a
Zadanie
Układ regulacji cyfrowej
Wiadomo ci podstawowe
AUTOMATYKA
Układy impulsowe
h0
Zespół
U
µn UkÅ‚ad Serwo- µ
Dozownik
pomiarowy pamiętający mechanizm
h(t)
Dopływ
Odpływ
Schemat układu regulacji impulsowej
µn
0
t
Tp
U
0
t
µ1
µn
µ0
t
Układ regulacji impulsowej poziomu cieczy:
a) schemat realizacji układu, b) sygnał uchybu o modulacji amplitudy, c) sygnał wyjściowy
układu pamiętającego, d) przesunięcia zasuwy dozownika
Wiadomo ci podstawowe