Mechanizacja - zastępowanie pracy ręcznej przez maszynę, wprowadzanie maszyn i urządzeń mechanicznych. Mechanizacja w przeciwieństwie do automatyzacji nie eliminuje pracy ręcznej, jedynie ją ogranicza.

Automatyzacja to znaczne ograniczenie lub zastąpienie (proces zastępowania) ludzkiej pracy fizycznej i umysłowej przez pracę maszyn działających na zasadzie samoregulacji i wykonujących określone czynności bez udziału człowieka (czyli samoczynnych). Również zastosowanie maszyn do pracy niemożliwej do wykonania w inny sposób.

Automatyzacja jest technologią czyli działalnością natury technicznej, ekonomicznej i organizacyjnej, mającą na celu wprowadzenie praw, metod i urządzeń samoczynnych, zastępujących lub ograniczających pracę ludzką, w rozmaite dziedziny życia.

System (stgr. σύστημα systema – rzecz złożona) – obiekt fizyczny lub abstrakcyjny, w którym można wyodrębnić zespół lub zespoły elementów wzajemnie powiązanych w układy, realizujących jako całość funkcję nadrzędną lub zbiór takich funkcji (funkcjonalność). Z uwagi na fakt, że wyodrębnienie wszystkich elementów przynależących do systemu bywa w praktyce niekiedy bardzo trudne, dlatego do badania systemów wykorzystuje się ich uproszczone modele. Elementy przynależące do jednego systemu nie mogą jednak stanowić jednocześnie elementów przynależnych do innego systemu.

Za kryterium podziału przyjmując wymienialność elementów systemów, w trakcie ich działania systemy dzieli się na:

• otwarte np. organizmy biologiczne,

• domknięte np. maszyny informacyjne typu komputery,

• zamknięte np. maszyny energetyczne typu prądnica.

Sygnał to abstrakcyjny model dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie, generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy. Tak jak wszystkie zjawiska może być opisany za pomocą aparatu matematycznego, np. poprzez podanie pewnej funkcji zależnej od czasu. Ponieważ sygnał niesie informację o naturze badanych zjawisk lub systemów, w niektórych dziedzinach nauk jest on traktowany jak nośnik informacji. Sygnał oznacza zatem przepływ strumienia informacji, przy czym przepływ może odbywać się w jednym lub w wielu wymiarach.

akłóceniami w teorii sterowania nazywamy czynniki o charakterze przypadkowym, niezamierzonym, niekontrolowanym, utrudniające sterowanie.

Przyczynami zakłóceń występujących w układach automatyki mogą być:

• zmiany obciążeń urządzeń (np. silnika elektrycznego) - z reguły są to zakłócenia powolne

• błędy pomiarowe wnoszone przez czujniki (na przykład błędy statyczne spowodowane złą kalibracją)

• zmiany parametrów - przykładowo analizę i syntezę układów regulacji automatycznej prowadzi się w oparciu o modele liniowe, które są tworzone przez linearyzację w danym punkcie pracy, nieliniowych rzeczywistych obiektów i procesów. Zmiana punktu pracy powoduje zmianę parametrów obiektu rzeczywistego, które nie są uwzględnione w modelu.

• Sterowanie (regulacja) polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą sygnałów wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość.

• Z reguły jeśli oddziaływanie na obiekt jest niepożądane lub nieplanowane to zjawisko to nazywamy zakłóceniem (w takim przypadku można zastosować sterowanie odporne).

• Sterowanie może odbywać się w układzie otwartym lub zamkniętym.

• Transmitancja operatorowa (funkcja przejścia, ) – stosunek transformaty Laplace'a sygnału wyjściowego do transformaty Laplace'a sygnału wejściowego układu przy zerowych warunkach początkowych:

• .

Równania stanu są sposobem na reprezentację modelu matematycznego układu dynamicznego (zwłaszcza układu automatycznej regulacji). Znajomość stanu układu daje bardzo wiele, ale jeszcze więcej wiemy o układzie, gdy znamy związki zmiennej stanu z innymi ważnymi zmiennymi. Dlatego w opisie układu (w jego modelu matematycznym) kluczową rolę odgrywa związek rządzący zachowaniem się zmiennej stanu czyli równania stanu. Opis układu za pomocą równań stanu nazywany jest też czasami opisem w przestrzeni stanów lub modelem zmiennych stanu. Szeroką klasę układów dynamicznych, których miarą zmiany procesu w czasie jest pochodna wektora stanu, a stan procesu dla zależy tylko od stanu w chwili początkowej oraz od wymuszenia dla , można opisać równaniem z warunkiem początkowym . Jest to tak zwane równanie stanu.

wielomian charakterystyczny W algebrze liniowej każdej macierzy kwadratowej można przypisać jej wielomian charakterystyczny. Zawiera on informacje o niektórych własnościach tej macierzy, w szczególności jej wartościach własnych, wyznaczniku, i śladzie.

Dla dowolnego ciała K (w szczególności mogą być to liczby rzeczywiste lub liczby zespolone) możemy rozważać macierze n×n nad tym ciałem. Wielomian charakterystyczny takiej macierzy A, oznaczany przez p_A(t), definiuje się jako

p_A(t) = det( t I − A )

Przypuśćmy że chcemy obliczyć wielomian charakterystyczny macierzy

Obliczamy wyznacznik macierzy

otrzymując

Jest to wielomian charakterystyczny A.

Charakterystyka statyczna – w automatyce, zależność między sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym w stanie ustalonym.

W odróżnieniu od wykresów charakterystyk dynamicznych (skokowej, impulsowej), wykres charakterystki statycznej nie jest zależny od czasu.

Natomiast charakterystyka statyczna normalna to charakterystyka statyczna uzyskana, gdy zakłócenia posiadają ściśle określone wartości podane w normach (polskich lub branżowych), noszace nazwę warunków odniesienia.

Charakterystyka impulsowa (odpowiedź impulsowa, funkcja odpowiedzi impulsowej ) - w teorii sterowania: jedna z charakterystyk czasowych, wraz z charakterystyką skokową stanowi podstawowy opis działania układu.

Charakterystyka impulsowa to odpowiedź układu liniowego na wymuszenie w postaci bardzo wąskiego i bardzo wysokiego impulsu o powierzchni jednostkowej, który można uznać, w przypadku układów ciągłych, za przybliżenie delty Diraca - przy zerowych warunkach początkowych (w przypadku układów dyskretnych impulsem tym jest impuls Kroneckera).

(gdzie jest transmitancją sygnału na wyjściu z obiektu opisanego transmitacją ) oraz:

(gdzie oznacza charakterystykę impulsową a odwrotną transformatę Laplace'a)

Znajomość odpowiedzi impulsowej pozwala nam przewidzieć odpowiedź układu na każde inne pobudzenie. Odpowiedź układu na dowolne pobudzenie jest bowiem splotem sygnału pobudzającego oraz odpowiedzi impulsowej układu (zob. też macierz przejścia)

Charakterystyka skokowa (odpowiedź skokowa) – w teorii sterowania: jedna z charakterystyk czasowych, wraz z charakterystyką impulsową (inną charakterystyką czasową) oraz charakterystykami częstotliwościowymi stanowi podstawowy opis działania układu regulacji.

Charakterystyka skokowa to odpowiedź układu na wymuszenie w postaci skoku jednostkowego przy zerowych warunkach początkowych. Dla wymuszenia w postaci skoku jednostkowego:

o transformacie Laplace'a :

otrzymujemy:gdzie to transmitancja sygnału na wyjściu z obiektu opisanego transmitacją , a stąd:gdzie oznacza charakterystykę skokową.

Charakterystyka skokowa przedstawia przebieg sygnału wyjściowego układu w stanie nieustalonym.

Transmitancja widmowa - pojęcie użyteczne szczególnie w teorii sterowania i w teorii przetwarzania sygnałów.

Transmitancją widmową można zdefiniować jako stosunek wartości zespolonej odpowiedzi układu wywołanej wymuszeniem sinusoidalnym, do wartości zespolonej tego wymuszenia, w stanie ustalonym. Transmitancja widmowa opisuje odtwarzanie przez dany obiekt (układ) zmieniającego się sygnału wejściowego i można otrzymać ją przechodząc z transmitancji operatorowej przez podstawienie (zamieniając na ):

Transmitancję widmową łączy z transmitancją operatorową zależność

Sinusoidalny sygnał wejściowy można zapisać

a odpowiedź jako

Ponieważ przekształcenie Fouriera stanowi szczególny przypadek przekształcenia Laplace'a dla to transmitancję widmową liniowego układu o parametrach stałych można też zdefiniować jako stosunek transformaty Fouriera sygnału wyjściowego układu do transformaty Fouriera sygnału wejściowego przy zerowych warunkach początkowych.

Charakterystyka amplitudowo-fazowa (charakterystyka Nyquista, wykres Nyquista, ang. polar plot, Nyquist plot) – w automatyce, wykres transmitancji widmowej układu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej.

Można ją wyznaczyć doświadczalnie, dokonując pomiarów (w stanie ustalonym) amplitudy oraz przesunięcia fazowego sygnału wyjściowego układu, gdy sygnałem wejściowym jest sygnał sinusoidalny o stałej amplitudzie i częstotliwości. Na wykresie umieszcza się punkty odpowiadające wartościom transmitancji widmowej dla kolejnych wartości pulsacji . Kierunek strzałki oznacza kierunek wzrostu ω. Na osi rzędnych odłożona zostaje wartość części urojonej, a na osi odciętych wartość części rzeczywistej transmitancji widmowej. Wykres charakterystyki amplitudowo-fazowej układu realizowalnego fizycznie dąży do początku układu współrzędnych.

Charakterystyka częstotliwościowa - w teorii sterowania charakterystykami częstotliwościowymi ^[1]nazywa się charakterystyki otrzymane na podstawie transmitancji widmowej, jeśli potraktuje się jako zmienną niezależną, przybierającą wartości od do .

Charakterystyki częstotliwościowe mają nie tylko sens pojęciowy, lecz i pomiarowy, ponieważ wprowadzając eksperymentalnie do układu wymuszenie harmoniczne o nastawianej pulsacji można mierzyć charakterystyki częstotliwościowe na wyjściu układu.

Rozróżnia się następujące charakterystyki częstotliwościowe:

• Charakterystykę amplitudową i charakterystykę fazową . Ponadto, jeśli operuje się wykresami określa się charakterystyki częstotliwościowe logarytmiczne czyli tzw. wykresy Bodego (ang. Bode diagram). Osie i skaluje się logarytmicznie, wprowadzając tzw. moduł logarytmiczny , którego jednostką jest decybel (dB), wzmocnieniu 10-krotnemu odpowiada 20 dB, wzmocnieniu jednostkowemu 0 dB. Dla charakterystyki fazowej oś skaluje się logarytmicznie, oś pozostaje liniowa. Sposób przedstawienia w postaci częstotliwościowych charakterystyk logarytmicznych czyli w postaci tzw. wykresów Bodego stosuje się bardzo często. Charakterystyki i w skali liniowej są rzadko stosowane.

• Charakterystykę rzeczywistą i charakterystykę urojoną . Charakterystyki będące wykresami funkcji i są rzadziej stosowane, jednakże wiele specjalizowanych urządzeń podaje wyniki właśnie w tej postaci.

• Wykres na płaszczyźnie zmiennej zespolonej o osiach i gdzie uzmienniono w czyli tzw. wykres Nyquista zwany też charakterystyką amplitudowo-fazową (ang. polar plot, Nyquist plot) - współrzędne biegunowe każdego punktu na wykresie wyrażają i .

• Czasami stosuje się także tzw. charakterystykę Nicholsa (ang. Nichols plot) znaną też jako wykres Blacka stanowiącą połączenie pary charakterystyk moduł logarytmiczny i argument przy pulsacji ω traktowanej jako parametr wykresu.

• Wykresy miejsc stałej amplitudy (tzw. okręgi M), wykresy miejsc stałej fazy (tzw. okręgi N) oraz tzw. wykres Nicholsa (ang. Nichols chart) czyli wykresy okręgów M i okręgów N na płaszczyźnie, której wymiarami są moduł logarytmiczny i argument .

Stabilność układu automatycznej regulacji – niezbędny warunek pracy układu automatycznej regulacji mówiący o tym, że układ po wyprowadzeniu go ze stanu równowagi sam powraca do tego stanu. Ponieważ stan równowagi może być różnie interpretowany stosuje się także definicję stabilności wg Laplace'a, która mówi, że układ liniowy jest stabilny, jeżeli jego odpowiedź na wymuszenie (zakłócenie) o ograniczonej wartości jest ograniczona.

stabilności asymptotycznej Pewne uściślenie wprowadza pojęcie stabilności asymptotycznej. Stabilność asymptotyczna oznacza, że układ nie tylko jest stabilny, a więc jego rozwiązania są ograniczone, ale gdy czas dąży do nieskończoności, rozwiązanie swobodne dąży do zera. Oznacza to, że rozwiązanie wymuszone będzie ograniczone nawet przy wymuszeniu (ograniczonym) trwającym dość długo.

Innymi słowy jeśli dla punktu równowagi , o którym mowa powyżej, ponadto to punkt równowagi jest stabilny asymptotycznie. Co można też zapisać następująco: jeżeli istnieje taka wartość , że to .

Regulator - jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego, tak aby obiekt sterowany zachowywał się w pożądany sposób (na przykład w jak najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną).

Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub poprawy niekorzystnych własności obiektu regulowanego. Regulator może np. poprawić dynamikę obiektu regulowanego (silnik będzie szybciej osiągał żądaną prędkość). Niewłaściwe zastosowanie może prowadzić do niestabilności obwodu regulacji.

Regulatory ciśnienia bezpośredniego działania są urządzeniami regulacyjnymi, których układ pomiarowy pobiera energię niezbędną do pracy od medium i wytwarza siłę wystarczającą do przestawienia członu nastawczego. Urządzenia składają się z zaworu regulacyjnego i siłownika, który przy wzroście ciśnienia otwiera lub zamyka zawór. Są to sterowane medium regulatory proporcjonalne. Każdej odchyłce od nastawionej wartości zadanej jest przypisane określone położenie zaworu.

Sterownik mikroprocesorowy to sterownik, którego architektura oparta jest na mikrokontrolerze pełniącym kluczową rolę w jego działaniu. Taki mikrokontroler np. MCS-51 jest odpowiedzialny za operacje numeryczne i logiczne związane ze sterowaniem.

Przykładami sterowników mikroprocesorowych są np. Sterownik PLC, Regulator PID, Sterownik CNC, Sterownik PAC, Sterownik PAD

Funkcją boolowską (funkcją logiczną) nazywamy dowolne odwzorowanie , gdzie B = {0, 1}, X jest podzbiorem Bⁿ, zaś Y jest podzbiorem B^m.

Jeżeli funkcja boolowska jest określona dla każdego elementu zbioru Bⁿ (czyli X = Bⁿ), to nazywamy ją funkcją zupełną. Analogicznie, jeśli X jest właściwym podzbiorem Bⁿ, to funkcja jest nazywana niezupełną lub też nie w pełni określoną.

Liczba wszystkich n-argumentowych funkcji zupełnych jest równa:

Układ kombinacyjny jest jednym z rodzajów układów cyfrowych. Charakteryzuje się tym, że stan wyjść zależy wyłącznie od stanu wejść; stan wyjść opisują funkcje boolowskie - w przeciwieństwie do układów sekwencyjnych, których stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzedniego stanu wyjść. W układach kombinacyjnych nie występuje sprzężenie zwrotne.

W układach cyfrowych ma miejsce niekorzystne zjawisko, nazwane hazardem, którego podłożem jest niezerowy czas propagacji (przenoszenia) sygnałów. W układach synchronicznych zjawisko hazardu praktycznie nie występuje.

Funkcjonalne bloki kombinacyjne:

• Komutatory - multiplekser, demultiplekser

• Konwertery kodów - koder, dekoder, transkoder

• Bloki artymetyczne - sumator, komparator, ALU

Układ sekwencyjny jest jednym z rodzajów układów cyfrowych. Charakteryzuje się tym, że stan wyjść y zależy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu, zwanego stanem wewnętrznym, pamiętanego w zespole rejestrów (pamięci).

Jeżeli stan wewnętrzny nie ulega zmianie pod wpływem podania różnych sygnałów X, to taki stan nazywa się stabilnym.

Rozróżnia się dwa rodzaje układów sekwencyjnych:

1. asynchroniczne

2. synchroniczne

W układach asynchronicznych zmiana sygnałów wejściowych X natychmiast powoduje zmianę wyjść Y. W związku z tym układy te są szybkie, ale jednocześnie podatne na zjawisko hazardu i wyścigu. Zjawisko wyścigu występuje, gdy co najmniej dwa sygnały wejściowe zmieniają swój stan w jednej chwili czasu (np. ). Jednak, ze względu na niezerowe czasy przełączania bramek i przerzutników, zmiana jednego z sygnałów może nastąpić [trochę] wcześniej niż innych, powodując trudne do wykrycia błędy. Dlatego też w analizie układów asynchronicznych uznaje się, że jednoczesna zmiana kilku sygnałów jest niemożliwa.

W układach synchronicznych zmiana stanu wewnętrznego następuje wyłącznie w określonych chwilach, które wyznacza sygnał zegarowy (ang. clock). Każdy układ synchroniczny posiada wejście zegarowe oznaczane zwyczajowo symbolami C, CLK lub CLOCK. Charakterystyczne dla układów synchronicznych, jest to, iż nawet gdy stan wejść się nie zmienia, to stan wewnętrzny - w kolejnych taktach zegara - może ulec zmianie.

Ponieważ w przypadku układu synchronicznego zrealizowanego jako automat Moore'a wyjście układu jest funkcją stanu wewnętrznego, może ono zmieniać się tylko w chwili nadejścia taktu, co daje gwarancję, że odpowiedni stan wyjść utrzyma się przez cały takt. W przypadku automatu Mealy'ego zmiana wyjścia układu może nastąpić także w momencie zmiany wejścia.

Jeśli układ reaguje na określony stan (logiczny) zegara, to mówi się że układ jest statyczny (wyzwalany poziomem), jeśli zaś układ reaguje na zmianę sygnału zegarowego jest dynamiczny (wyzwalany zboczem). Układ dynamiczny może być wyzwalany zboczem (ang. edge) opadającym lub narastającym, albo impulsem.

Jeśli układ synchroniczny nie ma wejść, a jedynie charakteryzuje go stan wewnętrzny, to taki układ nazywany jest autonomicznym (dobrym przykładem takich układów są liczniki stosowane w popularnych zegarkach elektronicznych).