1.Narysować ogólny schemat układu automatyki, nazwać elementy i sygnały oraz określić zadania regulatora w tym układzie

W układzie tym sygnał zadany w(t) porównywany jest na wejściu regulatora sygnałem regulowanym y(t). Różnica tych sygnałów e(t), nazywana uchybem lub błędem regulacji, jest wprowadzana do regulatora. Na podstawie wartości sygnału błędu e(t), regulator wytwarza odpowiedni sygnał sterujący x(t), nazywany też sygnałem nastawczym, tak aby wartość błędu została sprowadzona do zera.

Regulator wykonuje podstawową funkcję układu automatycznej regulacji. Przetwarza on sygnał uchybu na sygnał nastawiający, konieczny do wysterowania obiektu. Regulator wytwarza odpowiedni sygnał sterujący u nazywany sygnałem nastawczym tak, aby wartość uchybu była możliwie bliska zeru.

2. Różnica pomiędzy otwartym układem sterowania, a układem regulacji automatycznej (układem automatyki).

Sterowanie w układzie otwartym jest to układ w którym wymagana jest obecności człowieka. Człowiek uczestniczący w tym procesie musi mieć tak zwany wzorzec, do którego stale będzie porównywał sygnał Wyjściowy - musi oddziaływać na obiekt poprzez urządzenie sterujące tak, aby sygnał Wyjściowy był prawidłowy, czyli musi kompensować wpływ zakłóceń.

Sterowanie w układzie zamkniętym - jest to układ posiadający sprzężenie zwrotne.

Różnicą jest obecność pętli sprzężenia zwrotnego.

3. Na podst. schematu wyjaśnić co to jest sprzężenie zwrotne i jak jest ono wykorzystywane w układzie automatyki?

Idea sprzężenia zwrotnego - sprowadzenie uchybu (różnicy między sygnałem wejściowym a wyjściowym) do zera.

4. Jakie dodatkowe elementy występują na schemacie cyfrowego ukł. autom. i jakie są ich zadania?

A/C - przetwornik analogowo-cyfrowy, w którym sygnał analogowy w cyfrowy powstaje przez:

1)Próbkowanie - sygnał jest odczytywany w pewnych ściśle określonych próbach czasu (powstają impulsy), dyskretyzacja w pionie

2)Kwantowanie - dyskretyzacja w poziomie, zakres zostaje podzielony na skończoną ilość podziałów, sygnał ma wartość odpowiadającą danemu poziomowi kwantowania

C/A - przetwornik cyfrowo - analogowy -z ciągu impulsów odzyskuje sygnał analogowy

5. Jaki jest cel wprowadzania w maszynach i urządzeniach technicznych układów automatyki.

Powody stosowania układów automatyki:

• aby uwolnić człowieka od czynności, które są możliwe do wykonania przez niego, ale są trudne ze względu na nużący charakter w długim okresie

• dla sterowania, gdy człowiek nie jest w stanie sterować ręcznie takimi układami

6. Jaki układ autom. nazywamy ukł. liniowym i jego najważniejsze cechy?

Układy liniowe - układy, które zawierają wyłącznie elementy liniowe, tzn. elementy o prostoliniowych charakterystykach statycznych. Elementy i układy liniowe spełniają zasadę superpozycji.

Zasada superpozycji: zasada sumowania się skutków (suma odpowiedzi na każdy z sygnałów występujących oddzielnie)

7. Układy regulacji stałowartościowej (stabilizującej)

Sygnał wyjściowy i zadany jest stały w czasie; y₀=const y=const; źródłem uchybu jest występowanie zakłóceń (z).

(odpowiedz na sumę wymuszeń = suma odpowiedzi na poszczególne wymuszenia).

8. Układ regulacji programowej

wielkość regulowana ma się zmieniać według pewnego programu np. y₀ = f(t) - znane, programowane, źródłem uchybu są zakłócenia (z) lub zmiana wzorca y0

9. Układy nadążne

sygnał wyjściowy y ma nadążać za zmianami wielkości regulowanej - y₀, która jest nieznana, źródło uchybu y₀.

10.Na czym polega opis układu automatyki we współrzędnych odchyłek i jakie są tego konsekwencje przy analizie układu

W automatyce opisując układ we współrzędnych odchyłek za poziom odniesienia przyjmuje się stan ustalony. Konsekwencją tego są zerowe warunki początkowe.

11.Podaj definicje transmitancji operatorowej G(s) elementu lub układu automatyki

stosunek transformaty wielkości wyjściowej y(s) do transformaty wielkości wejściowej x(s) przy zerowych warunkach początkowych G(s)=y(s)/x(s)

y'''+2y''+4y'+6y=3x'+5x
G(s)= (3s+5)/(s³ +2s² +4s+6)

12.Charakterystyka statyczna elementu lub układu automatyki

Przedstawia zależność wielkości wyjściowej do wielkości wejściowej w stanie ustalonym. Można ja wyznaczyć z równania różniczkowego nieliniowego lub zlinearyzowanego porównując wszystkie pochodne do zera lub y/x=G(s)|s=0

13. Podać algorytm wyznaczania odpowiedzi elementu lub układu automatyki o danej transmitancji operatorowej na zakłócenia dane przebiegiem czasowym

Dane: G(s), x(t)

14. W jaki sposób wyznaczyć zastępczą transmitancję dla połączeń: szeregowego i ze sprzężeniem zwrotnym?

zeregowe Gz(s)=G₁(s)*G₂(s)*G₃(s)*...*G_n(s)


sprzężenie zwrotne : Gz(s)=G₁(s)/1 G₁(s)G₂(s)


15. W jaki sposób wyznaczyć zastępczą transmitancję dla połączeń: równoległego i ze sprzężeniem zwrotnym?

równoległe : Gz(s)= G₁(s) - G₂(s) + G₃(s)


sprzężenie zwrotne Gz(s)=G₁(s)/1 G₁(s)G₂(s)

17. Obiekt regulacji i wielkość regulowana

aspekt sprzętowy: pewne urządzenie, które podlega sterowaniu w układzie zamkniętym (ze sprzężeniem zwrotnym);

aspekt procesowy: proces podlegający regulacji, który zachodzi w pewnym urządzeniu,

Wielkość regulowana - sygnał wyjściowy z obiektu.

18. Na podstawie ogólnego schematu ukł. regul. autom. wyjaśnić co to jest uchyb i regulator.

Uchyb - różnica wartości sygnału wejściowego (zadanego) i wyjściowego (regulowanego) e(t)=x(t)-y(t)

Regulator - element który przetwarza sygnał uchybu na sygnał nastawiający, dąży do uzyskania uchyby równego zero. Są bezpośredniego i pośredniego działania, analogowe i cyfrowe, ciągłe i dyskretne.

19. Zadania regulatora w ukł. autom.

Regulator wykonuje podstawową funkcje układu automatycznej regulacji. Przetwarza on bowiem sygnał uchybu e(t) na odpowiedni sygnał, konieczny do wysterowania obiektu w sposób zapewniający przebieg procesu zgodny z przebiegiem pożądanym lub doprowadzenie i utrzymywanie wartości sygnału wyjściowego równej sygnałowi zadanemu w określonym czasie, pośrednio sprowadzenie wartości uchybu do zera.

20. Podać transmitancję regulatora PID, określić jakie operacje wykonuje on na sygnale wejściowym i jaki to sygnał oraz wskazać jego parametry związane z poszczególnymi akcjami

Wzmacniany - P - k_p

Całkowany - I - T_i parametry

Różniczkujący - D - T_d

21. Na podstawie transmitancji regulatora PID wyjaśnić w jaki sposób dysponując regulatorem PID możemy sprawić aby działał on jak regulator P

Transmitancja operatorowa regulatora PID

Kp - akcja proporcjonalna,

Ti - akcja całkująca,

Td - akcja różniczkująca.

Aby regulator PID stał się regulatorem P należy: T_iT_imax, T_dT_dmin, wtedy pozostanie tylko akcja proporcjonalna (P).

22. Co nazywamy charakterystyką amplitudowo-fazową elementu lub układu automatyki i w jaki sposób możemy określić wzmocnienie i przesunięcie fazowe dla danej wartości pulsacji?

Charakterystyką amplitudowo-fazową nazywamy graficzne przedstawienie (wykres) transmitancji widmowej układu.

Moduł transmitancji widmowej określa wzmocnienie, a
określa kąt przesunięcia.

23. Dla częstości sygnału wejściowego równej 2 wzmocnienie układu wynosi 5, a przesunięcie fazowej -π/4. Jeśli sygnał wejściowy określony jest zależnością x(t)= 4 sin 2t, to jaką zależnością będzie określony sygnał wyjściowy po dostatecznie długim czasie? Uzasadnić

w = 2, ϕ(w) = π/4, A₁(w)=4 A₂(w)=5*A1(w) w=ω=2π/T=2πf
x(t)=A₁(w)sinwt x=4sin2t

y(t)=A₂(w)sin[wt+ϕ(w)]   y=20sin(2t+π/4)

24. Jakie charakterystyki częstotliwościowe elementu lub układu automatyki nazywamy charakterystykami logarytmicznymi i do czego są one wykorzystywane?

Są to graficznie przedstawione zależności wzmocnienia i przesunięcia fazowego od pulsacji na skalach logarytmicznych. Mogą służyć do wzmocnienia pasma przenoszenia, określenia stabilności zapasu modułu i fazy.

25. Sposób wyznaczania częstotliwościowych charakterystyk logarytmicznych układu elementów połączonych szeregowo.

Uzyskuje się je poprzez dodanie charakterystyk poszczególnych elementów, co wynika z transmitancji zastępczej elementów połączonych szeregowo oraz z własności logarytmów.

26. Co to jest stabilność układu i dlaczego ta stabilność decyduje o jego przydatności?

Stabilność jest cechą układu, która polega na powrocie układu (po ustaniu zakłócenia) do położenia, z którego został wytrącony. Układ niestabilny nie jest w stanie sprowadzić uchybu do zera, a jest to podstawowe zadanie układu automatyzacji.

27. Włączamy układ stabilizacji temp. z regulatorem PID. Jak zmienia się uchyb w tym układzie, jeśli ukł. będzie stabilny i niestabilny?

Przy stabilnym układzie wartość uchybu zostanie sprowadzona do zera lub do wartości błędu statystycznego, natomiast przy układzie niestabilnym wartość uchybu będzie się stale zwiększała (w rzeczywistości do punktu, w którym zadziałają bezpieczniki lub układ się rozpadnie).

28.Ogólny warunek stabilności (na prostym przykładzie)

Układ jest stabilny asymptotycznie (wraca do tego samego położenia, z którego został wytrącony) jeśli wszystkie jego bieguny mają ujemne części rzeczywiste. Układ jest stabilny nie asymptotycznie jeśli jeden z jego biegunów jest zerowy a pozostałe mają ujemne części rzeczywiste. Przykład:


s1= -1; s2= -2; s3= -3; układ stabilny asymptotycznie.
29.Kryterium Hurwitza(stabilność asymptotyczna)

1.Wszystkie współczynniki mianownika muszą być większe od zera (an,an-1,...,a1,a0>0) Przykład:

nie ma s² więc s₂=0 - układ niestabilny
s⁴+3s³+2s²+5s=0

s(s³+3s²+2s+5)=0 jeśli stabilny to nie asymptotycznie (zbadać wyrażenie w nawiasie)


Przykład

s⁴+3s³+2s²+5s=0 <=> s(s³+3s²+2s+5)=0

30.Wielkości wykorzystywane do oceny jakości regulacji

- błąd (odchyłka) statystyczna -jest to różnica pomiędzy wartością zadaną a wartością wyjściową w stanie ustalonym;

-przeregulowanie bezwzględne - jest to maksymalne odchylenie odpowiedzi układu od wartości w stanie ustalonym tej odpowiedzi; przekroczenie zadanej wartości dopuszczalnej.

- czas regulacji - nazywamy czas liczony od chwili przyłożenia wymuszenia do chwili, po której odchylenie regulacji jest stale mniejsze od dopuszczalnych granic

31. Na podstawie przykładowego przebiegu uchybu wyjaśnić, co nazywamy przeregulowaniem i czasem regulacji.

Przeregulowanie względne χ definiuje się wzorem

Gdzie e_m - to odchylenie maksymalne regulacji

Im silniej tłumione są przebiegi oscylacyjne, tym mniejsza jest wartość przeregulowania. Przeregulowanie rośnie w miarę zbliżania się do granicy stabilności, aby osiągnąć 100% na tej granicy.

Czas regulacji - to czas jaki upłynął od momentu wystąpienia skokowej zmiany wartości zadanej (lub zakłócenia) do ustalenia się uchybu e(t) od 2 do 5% amplitudy e_m wokół wartości uchybu ustalonego (w zakresie dopuszczalnej tolerancji uchybu).

Przykład:

250°C ± 10°C

e_n = 8°C - dobrze, e_n = 20°C - źle

32. Wartość zadana - 520K, wartość ustalona - 500K. Czy wystąpiła odchyłka.

Tak, 20K.

33.W ukł regulacji temperatury wartość zadana wynosiła 520K, zaś ustalona wartość temp wyniosła 500K. Czy wystąpiła tu odchyłka statyczna?a jeśli tak to ile ona wynosi?,

x(t)=520K; y(t)=500K;

Odchyłka wynosi 20K.

34. Na czym polega ocena jakości układu automatyki z wykorzystaniem kryteriów całkowych?

Jakość układu regulacji ocenić można na podstawie wielkości pola regulacji, tzn. pola zawartego pomiędzy krzywą regulacji i asymptotą do której dąży ta krzywa. Pole to można wyznaczyć za pomocą całkowych kryteriów jakości.




35.Na czym polega dobór parametrów regulatora metody Zieglera-Nicholsa

Dobór nastaw regulatorów wymaga czynności:

1)nastawienia regulatora tylko na działanie P (Ti=Ti max, Td=Tdmin) kp=kpmin

2)zwiększenie k_P aż do kp krytycznego (oscylacje niegasnące). Tosc - okres oscylacji

Na podstawie ustalonego k_Pkri T_oscmozna wyznaczyć wartość nastaw dla poszczególnych regulatorów.

36. Jaki element pełni rolę regulatora w układzie regulacji dwustawnej i na czym polega jego działanie?

Układ regulacji dwustawnej to taki układ, w którym regulator może nastawać tylko dwie wielkości sterujące obiektem regulacji. W układach regulacji dwustawnej zadania regulatora spełnia przekaźnik dwupołożeniowy. W najbardziej typowym przypadku zastosowania do regulacji temperatury działania regulatora idealnego można opisać następująco.: jeżeli temp. obiektu jest mniejsza od zadanej y < y₀ - to regulator załącza obwód grzejny, a jeżeli zachodzi y > y₀ to wyłącza.

37. Jak możemy rozpoznać na podstawie przebiegu wielkości regulowanej w stanie quasi ustalonym, że w układzie regulacji, np. temperatury zastosowano regulator dwupołożeniowy a nie np. regulator PID?

Przebieg wielkości regulowanej w stanie quasi ustalonym dla regulatora dwustawnego jest periodyczny (okresowy), natomiast dla regulatora PID dąży do wartości zadanej.

38. W układzie regulacji dwustawnej temperatury obiektem jest element inercyjny I rzędu, zaś przekaźnik ma histerezę o szerokości +/-20^oC. Ile wyniesie amplituda oscylacji ustalonych?

Amplituda oscylacji wyniesie 20.

39. W jaki sposób można zmniejszyć amplitudę drgań ustalonych wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej z regulatorem z histerezą i jak wówczas zmieniać się będzie częstotliwość przełączeń przekażnika?

Im mniejsza histereza tym mniejsze oscylacje (a więc i amplituda), tym częściej musi się przełączać przekaźnik.

mniejsza histereza mniejsza amplituda (oscylacje) częstsze przełączanie przekaźnika

1

---