1
Program
Podstawy Automatyki
Instytut Automatyki i Robotyki
Autorzy programu:
prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny, doc. dr inż. Marek Żelazny
Semestr IV-V
Semestr IV-V
Liczba godzin zajęć według planu studiów:
Wykład 30E
Ćwiczenia 15
Laboratorium 30
Liczba punktów kredytowych: 6
2
Program wykładu
Pojęcia podstawowe: sygnał, informacja, element automatyki, układ automatyki, obiekt,
regulator. Struktury przyrządowe i klasyfikacje układów automatyki.
Układy liniowe: opis matematyczny (równania różniczkowe, transmitancja operatorowa,
równania stanu i wyjść, podstawy opisu układów dyskretnych), linearyzacja,
przedstawianie właściwości statycznych i dynamicznych. Podstawowe człony
dynamiczne, charakterystyki częstotliwościowe. Schematy blokowe.
Obiekty regulacji i regulatory przemysłowe: obiekty statyczne i astatyczne, metody
identyfikacji. Regulatory PID - realizacja mikroprocesorowa, właściwości funkcjonalne.
Wymagania stawiane układom automatyki: stabilność (podstawowe kryteria),
dokładność statyczna, jakość dynamiczna i jej wskaz
niki. Dobór nastaw regulatorów.
dokładność statyczna, jakość dynamiczna i jej wskaz
niki. Dobór nastaw regulatorów.
Struktury układów automatyki i przykładowe zastosowania: regulacja
jednoobwodowa, kaskadowa, z korekcjÄ… dynamicznÄ…, regulacja stosunku prosta i
kaskadowa, układy zamknięto-otwarte. Zastosowania w energetyce, przemyśle
chemicznym, przemyśle spożywczym.
Układy nieliniowe: typowe nieliniowości, opis matematyczny, rodzaje stabilności, metody
Lapunowa. PÅ‚aszczyzna fazowa. Metoda funkcji opisujÄ…cej.
Technika automatyzacji: Realizowane zadania. Struktury funkcjonalne układów
automatyki. Struktury sprzętowe: systemy zintegrowane - klasy DCS, sterowniki
programowalne, systemy monitorowania - SCADA, sieci w układach automatyki,
układy blokad i zabezpieczeń. Konfigurowanie układów automatyki.
3
Program ćwiczeń audytoryjnych
Ćwiczenia audytoryjne są ściśle skorelowane z materiałem wykładowym
i obejmujÄ…:
- formułowanie opisu matematycznego wybranych elementów automatyki
- wyznaczanie odpowiedzi na typowe wymuszenia przy użyciu rachunku
operatorowego (przekształcenie Laplacea)
- układanie i przekształcanie schematów blokowych
- analityczne i wykreślne metody wyznaczania charakterystyk
częstotliwościowych
częstotliwościowych
- badanie stabilności układów automatyki (metody Hurwitza i Nyquista)
- badanie dokładności statycznej układów automatyki
- identyfikacja obiektów regulacji na podstawie zarejestrowanych
odpowiedzi skokowych obiektu lub charakterystyk częstotliwościowych
- dobór nastaw regulatora do przykładowych obiektów regulacji
- analiza nieliniowych układów automatyki metodą płaszczyzny fazowej
- badanie stabilności nieliniowych układów automatyki rozszerzoną metodą
Nyquista (wykorzystanie funkcji opisujÄ…cej)
4
Literatura do wykładu
Żelazny M.: Materiały pomocnicze do wykładu: Podstawy Automatyki
Żelazny M.: Podstawy Automatyki. WNT, Warszawa 1976
Kościelny W.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki. Oficyna
Wydawnicza PW, Warszawa 1997
Gessing R.: Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, 2001
Mazurek J., Vogt H., Zydanowicz W.: Podstawy automatyki. Oficyna Wydawnicza
PW, Warszawa 2002
PW, Warszawa 2002
Pułaczewski J, Szacka K. Manitius A.: Zasady automatyki. WNT, Warszwa, 1974
Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa, 1980
Kaczorek T.: Teoria układów regulacji automatycznej. WNT, Warszawa, 1974
Pełczewski W.: Teoria sterowania. Ciągłe stacjonarne układy liniowe. WNT,
Warszawa1980
Dorf R., Bishop R.: Modern Control Systems. Addison-Wesley Publishing Company,
1995
5
Literatura do ćwiczeń audytoryjnych
Holejko D., Kościelny W., Niewczas W.: Zbiór zadań z podstaw automatyki. Oficyna
Wydawnicza PW, Warszawa 1985
Amborski K., Marusak A.: Teoria sterowania w ćwiczeniach. PWN, Warszawa 1978
Politechnika Warszawska
Instytut Automatyki i Robotyki
Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny
PODSTAWY AUTOMATYKI
PODSTAWY AUTOMATYKI
część 1
Pojęcia podstawowe, klasyfikacja układów sterowania
7
Pojęcia podstawowe
Mechanizacja  uwolnienie człowieka od roli z
ródła energii niezbędne do
realizacji procesu, a pozostawienie mu jedynie funkcji kontroli i
sterowania
Automatyzacja  wyeliminowanie pracy człowieka (umysłowej i fizycznej)
przez zastÄ…pienie go automatem
Automat  urządzenie działające samoczynnie
Automatyka  dziedzina nauki i techniki zajmujÄ…ca siÄ™ zagadnieniami
samoczynnego (automatycznego) sterowania i automatycznej kontroli
8
Historia
" Starożytność  Heron   Teatr automatów  np. automat do otwierania
drzwi świątyni
" Åšredniowiecze  automaty zabawki
" 18  wiek (powstaje wiele urządzeń automatycznych)
" 20 wiek, okres 2 wojny światowej  automatyka jako nauka teoretyczna
9
Pojęcia podstawowe
Sygnał - wielkość fizyczna występująca w procesie sterowania będąca
nośnikiem informacji
Sygnały:
" ciągłe - będące ciągłą funkcją czasu
" dyskretne (wielostanowe)  wartości należą do dyskretnego
(przeliczalnego) zbioru
Szczególnym przypadkiem sygnałów dyskretnych są sygnały binarne
 {0,1})
10
Pojęcia podstawowe
Sygnały dyskretne (wielostanowe) można otrzymać z sygnału ciągłego
w wyniku kwantowania wartości
Dyskredytacja wartości - kwantowanie
Dyskredytacja w czasie - próbkowanie
y
y
4
3
2
1
t
0
t
Tp
Informacja - wartość lub kształt przebiegu sygnału
11
Pojęcia podstawowe
Element automatyki (człon) - podzespół, zespół, przyrząd lub urządzenie,
w którym można wyróżnić sygnał wejściowy i sygnał wyjściowy -
rys. a, lub sygnały wejściowe i wyjściowe - rys. b.
Układ automatyki - zespół wzajemnie powiązanych elementów biorących
udział w sterowaniu automatycznym danego procesu
(uporządkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów)
Sterowanie automatyczne - oddziaływanie na proces, którego
zamierzony przebieg chcemy uzyskać, bez udziału człowieka, za
pomocą urządzeń nazywanych ogólnie aparaturą automatyki.
12
Pojęcia podstawowe
Wielkości Wielkości
wejściowe wyjściowe
Hamowanie
Położenie
Samochód
Przyspieszanie
Przyspieszanie
jako obiekt sterowania
jako obiekt sterowania
Prędkość
Kierowanie
13
Pojęcia podstawowe
Procesy:
" ciągłe  ciągłe sygnały
" dyskretne (binarne)  dyskretne (binarne) wartości sygnałów
Układy sterowania :
" procesami ciągłymi
" procesami dyskretnymi (odrębny wykład)
" procesami dyskretnymi (odrębny wykład)
Układy sterowania procesami ciągłymi:
" otwarte
" zamknięte (ze sprzężeniem zwrotnym)
-------------------
" ciągłe
" dyskretne (kwantowane w czasie)
14
Sterowanie w układzie otwartym
w - wartość zadana wielkości sterowanej
u - sygnał sterujący
y - wielkość sterowana
z - sygnał zakłócający
US - urzÄ…dzenie sterujÄ…ce
O  obiekt (proces) podlegajÄ…cy sterowaniu
15
Sterowanie w układzie otwartym
y
y
u
w
Silnik
Układ
skokowy
sterujÄ…cy
16
Sterowanie w układzie otwartym
Sterownik
w
ręczne
automatyczne
u
Zadajnik
e
ciśnienia
p
ps
ps
kd
Ae
kd
Ae
Ae
ks
ks
z
z
y
y
17
Sterowanie w układzie zamkniętym
Układ ze sprzężeniem zwrotnym,
y - wielkość regulowana
w - wartość zadana wielkości regulowanej
e  odchyłka regulacji
u - sygnał sterujący
z - sygnał zakłócający
US - regulator
O -obiekt regulacji (proces regulowany)
18
Sterowanie w układzie zamkniętym
Układ regulacji automatycznej
Układ regulacji automatycznej
Tor główny wskazuje zawsze zasadniczą wielkość wejściową układu
(w tym przypadku w) i wielkość wyjściową y. Tor ten ilustruje zwykle
przepływ głównego strumienia materiału lub energii w układzie.
Tor sprzężenia zwrotnego służy do przekazywania informacji.
Zapotrzebowanie energetyczne tego toru jest zwykle pomijanie małe.
19
Sterowanie ręczne w układzie zamkniętym
Kierunek aktualny
Kierunek zadany
20
Sterowanie ręczne w układzie zamkniętym
Regulacja ręczna temperatury wody w układzie zamkniętym
Realizacja
algorytmu
sterowania
Oddziaływanie
Pomiar temperatury
21
Regulacja automatyczna  struktura aparaturowa
u y
Obiekt
Regulator Element
regulacji
wykonawczy
w
ym Przetwornik
pomiarowy
22
Regulacja automatyczna  struktura aparaturowa
Układ regulacji poziomu wody
Element wykonawczy
Obiekt regulacji:
proces zmian
proces zmian
poziomu w zbiorniku
u
ym
Przetwornik pomiarowy
Regulator
23
Regulacja automatyczna
w
Wartość
zadana
Regulator
ps
kd
Ae
ks
ym
ym
Fn
y
24
Klasyfikacja układów regulacji automatycznej
Ze względu na zadanie realizowane przez układ wyróżnia się:
" układy stabilizujące (układy regulacji stałowartościowej), w=const
" układy programowe (regulacji programowej), w=w(t)
" ukÅ‚ady nadążne (serwomechanizmy), w=w[Õ(t)]
" inne
25
Układy stabilizujące
Zadaniem układu jest utrzymanie możliwie stałej, pożądanej wartości
wielkości wyjściowej oraz minimalizacja wpływu zakłóceń na tę
wielkość.
Często główne zakłócenia wchodzą wraz ze strumieniem materiału lub
energii na obiekt, tworząc tor główny od z1 do y.
Przykłady: regulacja ciśnienia, poziomu cieczy, natężenia przepływu, pH itd.
26
Układy regulacji programowej
Zadaniem układu jest uzyskanie przewidzianych określonym programem
czasowym zmian wielkości regulowanej (sterowanej)
Przykłady:
" programowa regulacja temperatury w budynku mieszkalnym
" programowa regulacja temperatury w piecu hartowniczym
" programowa regulacja jednej lub kilku wielkości w procesie rozruchu
(stopniowe dochodzenie do nominalnego stanu pracy)
27
Układy nadążne
Zadaniem układu jest nadążanie wielkości wyjściowej y za zmieniającą się
w nieznany nam sposób wartością zadaną w
Przykłady:
" sterowanie położeniem y dział przeciwlotniczych wg wskazań radaru
określającego położenie w samolotu
" sterowanie położeniem y pisaka rejestratora wg aktualnej wartości w
mierzonej i rejestrowanej wielkości fizycznej
28
Układy sterowania optymalnego
Zadaniem układu jest utrzymywanie wielkości regulowanej na wartości
ekstremalnej.
Położenie ekstremum zazwyczaj nie jest stałe i zależy od wartości
sygnałów zakłócających
Optymalizacja przebiegu procesów - np. minimalizacja zużycia energii,
minimalizacja kosztów lub maksymalizacja zysku przy założonych
ograniczeniach
y
z=a z=b
z=v
u
29
Układy ciągłe i dyskretne w czasie
Układy ciągłe  zmiany wejścia obiektu oraz obserwacje (pomiary) wyjścia
mogą odbywać się w każdym momencie t .
W opisie układu występują wtedy funkcje czasu u(t), y(t), itp.
Układy dyskretne (w czasie)  zmiany wejścia obiektu oraz obserwacje
Układy dyskretne (w czasie)  zmiany wejścia obiektu oraz obserwacje
(pomiary) wyjścia mogą odbywać się w w ściśle określonych
chwilach, zwykle równoodległych - "t
W opisie układu występują wtedy dyskretne funkcje czasu, czyli ciągi: u(k),
y(k), itp., gdzie k oznacza numer kolejnego taktu
Sterowanie komputerowe ma charakter dyskretny.
30
Układy liniowe i nieliniowe
Układy liniowe  układy, które zawierają wyłącznie elementy liniowe, tzn.
elementy o liniowych charakterystykach statycznych, opisywane
za pomocą liniowych równań różniczkowych lub różnicowych
Spełniają zasadę superpozycji: odpowiedz
układu fizycznego na
układu fizycznego na
kilka wymuszeń, równa się sumie odpowiedzi na każde
wymuszenie z osobna.
Rzeczywiste układy są nieliniowe, ale w wielu przypadkach z
zadawalającym przybliżeniem można opisać działanie układu
nieliniowego, linearyzujÄ…c jego charakterystyki w otoczeniu
nominalnego punktu pracy
Układy nieliniowe  układy, które zawierają chociaż jeden element
nieliniowy
31
Układy jeno- i wielowymiarowe
Układy jednowymiarowe  układy o jednym wejściu i jednym wyjściu
Układy wielowymiarowe  wielkości u oraz y są wektorami (wiele wejść
i wiele wyjść)
Obiekt
u1 y1
Reg. 1
u2
y2
Reg. 2
u3
y3
Reg. 3