Podstawy Automatyki  zaliczenie wykładu
Wiadomości wstępne
1. Co to jest obiekt sterowania?
Obiekt sterowania to jakiekolwiek urządzenie, układ lub element, na który chcemy
oddziaływać lub chcemy nim sterować.
2. Wymień przynajmniej 4 podziały obiektów sterowania.
a) Zdeterminowane i stochastyczne
b) Stacjonarne i niestacjonarne
c) Liniowe i nieliniowe
d) Ciągłe i dyskretne
e) O stałych skupionych i o stałych rozłożonych
3. Co to jest skok jednostkowy? SporzÄ…dz
rysunek.
Skok jednostkowy jest gwałtowną zmianą jednej wartości na drugą.
4. Co to są zakłócenia?
Warunki, które zmieniają normalne warunki odbioru sygnału
Zakłócenia możemy podzielić na dwie grupy:
a) addytywne  takie, których skutki działania można zastąpić dodatkowym sztucznym
sygnałem sterowania.
b) multiplikatywne  takie, które zmieniają właściwości układu, np. zmiana masy.
5. Co to jest model matematyczny obiektu?
Jest to zbiór zależności matematycznych ( układów równań i/lub nierówności) opisujących
zachowanie się badanego obiektu z pominięciem zbędnych dla rozpatrywanego problemu
szczegółów.
6. Narysuj otwartą strukturę sterowania. Opisz występujące bloki i sygnały.
¨ zad  sygnaÅ‚ zadany
ź  sygnał sterujący
Ć  sygnał wyjściowy
7. Narysuj zamkniętą strukturę sterowania. Opisz występujące bloki i sygnały.
¨ zad  sygnaÅ‚ zadany
ź  sygnał sterujący
Ć  sygnał wyjściowy
e  uchyb regulacji
Modele obiektów sterowania
8. Wymień analityczne sposoby opisu własności obiektu dynamicznego.
a) równania różniczkowe
b) transmitancje:
- La Place a (operatorowa)
- Fouriera (widmowa)
c) zmienne stanu
9. Wymień graficzne sposoby opisu własności obiektu dynamicznego.
a) charakterystyka skokowa (czasowa)
b) charakterystyki częstotliwościowe
c) rozkład zer i biegunów
10. Co to jest transmitancja operatorowa?
Jest to stosunek transformaty sygnału wyjściowego do transformaty sygnału wejściowego,
przy zerowych warunkach poczÄ…tkowych.
11. Jaki sens fizyczny majÄ… zerowe warunki poczÄ…tkowe w definicji transminancji?
Jest to brak energii wewnętrznej w obwodzie przed załączeniem zasilania.
12. Jak można uzyskać transmitancję widmową mając transmitancję La Place a?
Jest to możliwe za pomocą równania: s=jw
13. Co to oznacza, że transmitancja jest opisem obiektu typu  wejście-wyjście ?
Oznacza to, że znamy sygnały na wejściu-wyjściu układu, ale nie wiemy, co dzieje się
wewnątrz tego układu (opis typu black box). Jest to bardzo prosty opis, ale nie daje pełnych
informacji o układzie.
14. Co to są zmienne stanu? Podaj Podstawowe równania.
Zmienne stanu to zbiór wielkości fizycznych, które w pełni charakteryzują zachowanie
badanego układu. Nie może być ich za mało, muszą w pełni opisywać układ.
x = Ax + Bu
y = Cx + Du
15. Czy opis obiektu za pomocą zmiennych stanu jest także opisem typu  wejście-
wyjście ? Uzasadnij opowiedz
.
Tak, opis objektu za pomocą zmiennych stanu jest opisem typu  wejście-wyjście , ponieważ
na wejściu układu podajemy sygnał i obserwujemy interesujące nas zmienne na wyjściu
układu.
16. Który opis obiektu sterowania jest opisem najbardziej uniwersalnym i
najpełniejszym? Uzasadnij odpowiedz
.
Najbardziej uniwersalnym i najpełniejszym opisem obiektu sterowanie jest opis za pomocą
zmiennych stanu, gdyż umożliwia nam wprowadzenie dużej ilości zmiennych, które
pozwalają na znalezienie historii układu oraz opisanie układu w dowolnej chwili czasowej.
17. Czy jeden obiekt może mieć wiele róznych modeli w postaci macierzy stanu?
Uzasadnij odpowiedz
.
Tak, gdyż opis za pomocą macierzy stanu nie jest jednoznaczny i zależy od wybranych
zmiennych stanu.
18. Co to jest charakterystyka skokowa?
Jest to odpowiedz
układu na pobudzenie w postaci skoku jednostkowego.
19. Ile rodzajów charakterystyk częstotliwościowych występuje w opisie obiektów
sterowania?
a) amplitudowa
b) fazowa
c) Nyquista
d) logarytmiczna
20. Jakie informacje można uzyskać z charakterystyki częstotliowściowej?
Charakterystyki częstotliowściowe mówią o tym, na jakie sygnały (z jakiego pasma f) badany
obiekt będzie reagował a dla jakich nie. Mówią one też o o charakterystyce układu względem
pasma przenoszenia sygnału.
21. Co to są charakterystyki logarytmiczne obiektu? Wyjaśnić przyczynę użycia
słowa  logarytmiczna .
Charakterystyki logarytmiczne obiektu to charakterystyki Bodego tzn. zależność amplitudy
od częstotliwości i fazy od częstotliwości. Słowa logarytmiczne używa się, ponieważ oś X
(częstotliwość) wyskalowana jest logarytmicznie.
22. Co to jest rozkład zer i biegunów? Czy można z niego uzyskać transmitancje
operatorowÄ…?
Jest to rozmieszczenie zer i biegunów na płaszczyz
nie liczb zespolonych lub płaszczyz
nie  s
gdzie: zero to miejsce zerowe licznika transmitancji, a biegun to miejsce zerowe mianownika
transmitancji. W związku z powyższym, z rozkładu tego można uzyskać transmitancje
operatorowÄ….
23. Wymienić podstawowe człony dynamiczne.
a) proporcjonalny
b) całkujący idealny
c) różniczkujący idealny
d) inercyjny
e) całkujący rzeczywisty
f) różniczkujący rzeczywisty
g) oscylacyjny
h) opóz
niajÄ…cy
24. Podać transmitancję La Place a i charakterystykę skokową członu inercyjnego.
k
G (s) =ð
gdzie: k  współczynnik wzmocnienia
1+ðTs
T  stała czasowa
25. Podać transmitancję La Place a i charakterystykę skokową członu różniczkującego
rzeczywistego.
TD s
G (s) =ð
gdzie: TD - stała czasowa różniczkowania
1+ðTs
T - stała czasowa
26. Podać transmitancję La Place a i charakterystykę skokową członu oscylacyjnego.
k
G (s) =ð
gdzie: k  współczynnik wzmocnienia
T02 s2 +ðT0zð s +ð1
¾  współczynnik tÅ‚umienia
T0 - stała czasowa
0 d" Å› d" 1
27. Jaka jest główna różnica pomiędzy członem oscylacyjnym a pozostałymi,
podstawowymi członami dynamicznymi? Rozważ rolę współczynnika tłumienia.
Główną różnicą jest to, że człon oscylacyjny ma transmitancję drugiego rzędu. Współczynnik
tłumienia zawiera się w przedziale: 0 d" ś d" 1. Dla 1 otrzymamy charakterystykę skokową jak
dla członu inercyjnego, natomiast dla 0 charakterystyka skokowa jest falą sinusoidalną.
28. Co to jest stabilność obiektu? Czy zależy ona od zewnętrznych sygnałów
działających na obiekt?
Stabilność to zdolność układu do powracania do stanu równowagi po ustaniu przyczyny, która
go ze stanu równowagi wytrąciła.
Stabilność jest cechą wewnętrzną układu, nie zależy od sygnałów działających na
układ.
Wyróżniamy 3 stany:
a) asymptotycznie statyczny
b) na granicy stabilności
c) niestabilny
29. Jaki jest podstawowy warunek asymptotycznej stabilności obiektu?
Warunkiem koniecznym i dostatecznym asymptotycznej stabilności obiektu jest położenie
biegunów transmitancji w lewej, otwartej półpłaszczyz
nie liczb zespolonych.
30. Które pierwiastki: licznika czy mianownika transmitancji decydują o stabilności
obiektu ? Uzasadnij odpowiedz
.
O stabilności obiektu decydują pierwiastki mianownika transmitancji, ponieważ są to bieguny
transmitancji, a to od ich położenia w płaszczyz
nie zespolonej zależy stabilność układu.
31. Co to jest kryterium stabilności? Wymień przykładowe.
Kryterium stabilności jest to metoda pozwalająca rozstrzygnąć o tym czy układ jest stabilny
czy też nie. Przykłady:
a) analityczne: - Hurwitza
- Routha
b) graficzne: - Nyquista
32. Jeżeli stabilność możemy wnioskować na podstawie położenia biegunów
transmitancji to, po co potrzebne są kryteria stabilności?
Kryteria stabilności są potrzebne, gdy nie potrafimy wyznaczyć biegunów transmitancji, oraz
gdy chcemy znać więcej informacji na temat układu, niż tylko jego stabilność.
33. Do jakich układów nie możemy stosować kryterium Nyquista?
Kryterium to nie może być stosowane do układów otwartych.
34. Co to jest zapas modułu i zapas fazy? Do czego może być przydatny?
Zapas modułu  to krotność współczynnika wzmocnienia, która przy niezmienianym
argumencie (fazie), doprowadza układ do granicy stabilności.
Zapas fazy  jest to przyrost argumentu (fazy), który przy niezmienianym współczynniku
wzmocnienia doprowadza układ zamknięty do granicy stabilności.
Oba zapasy są bardzo przydatne, ponieważ informują nas jak bardzo możemy zmodyfikować
układ, aby znalazł się na granicy stabilności.
35. Jak objawia się niestabilność w sygnale wyjściowym obiektu?
Sygnał wyjściowy układów niestabilnych rośnie wraz z czasem do nieskończoności.
Identyfikacja
36. Czym zajmuje się dział automatyki zwany identyfikacją?
Identyfikacja to droga pozwalająca zbudować model układu w wyniku eksperymentów na
tym układzie.
37. Czy proces identyfikacji kończy się na znalezieniu wartości parametrów modelu
obiektu? Uzasadnij odpowiedz
.
Nie, proces identyfikacji składa się z dwóch części. Pierwszą z nich jest znalezienie
współczynników, a drugą weryfikacja otrzymanych danych.
38. Co to są metody podstawowe identyfikacji własności dynamicznych obiektu? Co do
nich zaliczamy?
Są to metody pozwalające określić dynamiczne parametry obiektu, zaliczamy do nich:
a) metoda charakterystyki skokowej
b) metoda charakterystyk częstotliwościowych
c) metoda korelacyjna
39. Czy w metodzie charakterystyki skokowej można wyznaczyć parametry dowolnej
transmitancji, czy tylko niektórych? Uzasadnij odpowiedz
.
Nie można wyznaczyć bezpośrednio parametrów transmitancji kilku połączonych członów
inercyjnych oraz parametrów transmitancji członu oscylacyjnego, ponieważ te transmitancje
są pierwszego rzędu.
*40. Pokaż na rysunku sposób wyznaczania parametrów transmitancji członu
inercyjnego z opóz
nieniem.
Sterowanie ciągłe
41. Narysować podstawowy schemat blokowy zamkniętego układu regulacji. Opisać
występujące w nim bloki i sygnały (przyjąć, że występują w układzie, co najmniej cztery
bloki).
42. Podać wzór określający uchyb regulacji.
e = r  y
e - uchyb
r  sygnał zadany
y  sygnał wyjściowy
43. Co to są zakłócenia addytywne ? Podać przykład.
Są to zakłócenia, których skutki możemy zastąpić dodatkowym, sztucznym sygnałem
sterowania. SÄ… Å‚atwe do eliminacji.
44. Co to są zakłócenia multiplikatywne ? Podać przykład.
Są to zakłócenia zmieniające właściwości układu. Są trudne do eliminacji.
45. Co to jest kryterium jakości sterowania ? Podać przykład.
Jest to pewien wskaz
nik, którego wartość mówi nam w jakim stopniu układ regulacji spełnił
swoje zadanie, np. kryterium minimalnoczasowe,
46. Co to jest sterowanie minimalnoczasowe ? Jaka jest postać kryterium jakości
sterowania w tym przypadku ?
Jest to sterowanie w którym zależy nam na szybkości regulacji. Kryterium sterowania ma
postać:
T
1
J =ð dt
òð
T
0
*47. Czy obecność dynamiki członów wykonawczych i pomiarowych w układzie
sterowania ułatwia czy utrudnia pracę regulatora ?
Utrudnia pracę, gdyż układ robi się bardziej skomplikowany. Pogarsza się regulacja i
sterowanie, poprzez fizyczne opóz
nienia każdego członu.
48. Wymienić główne klasy (rodzaje) sterowania.
- stabilizacja
- sterowanie programowe
- sterowanie nadążne (śledzenie)
- sterowanie ekstremalne
49. Czym charakteryzuje siÄ™ stabilizacja ?
Sygnał zadany jest stały. Jest to utrzymanie pewnej wielkości na określonym zadanym
poziomie niezależnie od zakłóceń.
50. Czym charakteryzuje siÄ™ sterowanie programowe ?
Tym, że zanim przystąpimy do procesu regulacji, z góry wiemy jak układ będzie się
zachowywał ( jak się będzie zmianiał sygnał zadany w czasie).
51. Czym charakteryzuje się sterowanie nadążne, zwane także śledzącym ?
Nie wiemy nic na temat zadanego sygnału ( jak będzie się ten sygnał zmieniał).
52. Czym charakteryzuje siÄ™ sterowanie ekstremalne ?
Jest to rodzaj sterowania, w którym regulator utrzymuje wartość wyjściową obiektu na
wartości ekstremalnej (max lub min).
53. Do jakich układów można stosować sterowanie ekstremalne ?
Może być stosowane do obiektów mających ściśle określoną zależność między sygnałem
sterującym a wyjściowym.
54. Co to jest transmitancja uchybowa ?
Transmitancja uchybowa mówi nam jak zależy uchyb od sygnału zadanego.
e 1
=ð =ð
G
e
r 1+ð GrGp Gp  transmitancja obiektu
Gr  transmitancja regulatora
55. Jaka jest różnica pomiędzy układem statycznym i astatycznym ?
Układ astatyczny ma przynajmniej jeden pierwiastek mianownika transmitancji w zerze. W
układach statycznych przebieg y(t) się ustala, natomiast w astatycznych sygnał rośnie do
nieskończoności.
56. Co to jest stan przejściowy w procesie regulacji ?
Jest to okres czasu, w którym wartość uchybu oscyluje w okolicach uchybu ustalonego (+/-
5 %) i nie przekracza tej wartości.
57. Co to jest stan ustalony w procesie regulacji ?
To czas po którym uchyb ma stały poziom.
58. Czym różni się dokładność statyczna regulacji od dokładności dynamicznej ?
Charakteryzując dokładność statyczną bierzemy pod uwagę jakość procesów regulacji w
stanie ustalonym, przy różnych typowych wymuszeniach.
Dokładność dynamiczna charakteryzowana jest dla stanów przejściowych.
59. Czym charakteryzują się układy, w których regulatory dobiera się przy założeniu
skokowych zmian sygnałów wejściowych (zadanych i zakłócających) ?
W układach tych występują stany ustalone i przejściowe.
60/61. Narysować przebieg uchybu regulacji w czasie przy wymuszaniu w postaci skoku
jednostkowego. Zaznaczyć na rysunku sposób określenia uchybu ustalonego i
przeregulowania.
e1 e2
lð =ð *100 dð =ð *100
emax e1
emax  uchyb maksymalny
eust  uchyb ustalony
t1  czas po którym układ po raz pierwszy osiąga wartość ustaloną
tr  czas regulacji, po którym uchyb wchodzi w pasek +/- 5 % i już z niego nie wychodzi.
lð ð[ð%ð]ð ð-ð przeregulowanie ð ð
dð ð[ð%ð]ð ð-ð oscylacyjność ð
62. Jaki parametr charakteryzuje dokładność styczną ?
eust  uchyb ustalony
63. Od czego zależy 100 % dokładność statyczna w układzie regulacji ?
Dokładność statyczna dotyczy stanu ustalonego. Określa zdolność układu regulacji do
utrzymania wartości regulowanej. Miarą dokładności statycznej układu są wartości uchybu
regulacji w stanie ustalonym, a więc 100 % dokładność jest gdy wartość uchybu ustalonego
jest równa 0.
64. Co to jest regulator konwencjonalny PID ? Wyjaśnić ten skrót.
Regulator konwencjonalny PID (Proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) zwany klasycznym.
W skład jego wchodzą człony: proporcjonalny, całkujący oraz różniczkujący.
65. Jakiego rodzaju zakłócenia jest w stanie kompensować regulator PID ?
Kompensuje zakłócenia addytywne.
66. Jakie są wady i zalety regulatora konwencjonalnego zawierającego człon całkujący ?
Zaletą jest uchyb ustalony równy 0, natomiast wadą jest to, żę układ zbliża się do granicy
stabilności.
67. Co nam daje zastosowanie w regulatorze PID członu różniczkującego ?
Człon różniczkujący przyspiesza reakcję układu w pierwszej chwili, ale generuje duże
sygnały na wyjściu regulatora. Układ taki jest stabilny.
68. Na czym polega metoda Zieglera-Nicholsa doboru nastaw regulatora PID ?
Metoda ta polega na wykonaniu na obiekcie eksperymentu i obliczeniu nastaw regulatora na
podstawie wyników tego eksperymentu.
69. Jakie sÄ… wady i zalety tej metody ?
Zaletą jest to, ża mamy szybki układ i nie musimy nic wiedzieć o obiekcie. Wadą natomiast
jest to, że mamy duże oscylacje.
70. Na czym polega metoda tablicowa doboru nastaw regulatora PID ?
Metoda ta polega na wyznaczeniu nastaw regulatora na podstawie parametrów podanych w
tablicach.
71. Która z metod: Zieglera-Nicholsa czy tablicowa daje przebiegi uchybu regulacji o
większej oscylacyjności ?
Metoda Zieglera-Nicholsa.
Elementy automatyki
72. Jakie są wady i zalety układów pneumatycznych stosowanych w automatyce ?
Zalety:
- brak zagrożenia pożarowego
- odporność na zakłócenia i zanieczyszczenia
- prostota i niska cena
Wady:
- ograniczony stopień komplikacji regulatora (max PID)
- ograniczony dystans przesyłu sygnału ( do 100 m )
- konieczność stosowania stacji uzdatniania powietrza
73. Jakie są wady i zalety układów hydraulicznych stosowanych w automatyce ?
Zalety:
- duże siły i momenty uzyskiwane z małej masy
- duża trwałość
Wady:
- duży koszt
- ograniczony stopień komplikacji regulatora (max PID)
74. Określić z punktu widzenia automatyki, niepożądane własności urządzeń
wykonawczych na przykładzie maszyny sterowej ?
Bezwładność siłowników oraz zapowietrzanie się pomp siłowników.
75. Co to są regulatory dwustawne ? Podać przykład.
O charakterystyce przekaz
nikowej, którego wyjście może przybrać tylko dwie wartości (0 lub
1 ). Stosuje się je tam gdzie występuje ubytek sygnału wyjścia. Regulatory dwustawne służą
do stabilizacji (np. ciśnienia, temperatury). Działanie można śledzić na wykresach czasowych
(np.  ubytek malenie temp.) Przykład: zamykanie włącznika lub zaworu.
76. Od czego zależy jakość sterowania przy zastosowaniu regulatora dwustawnego ? Jak
ją można poprawić ?
Dokładność regulacji mierzy się amplitudą, która zależy od szerokości pętli histerezy, jednak
nie zawsze stabilizuje tę wartość, o którą nam chodzi. Próby poprawy regulacji dwustanowej
polegają na działaniu w kierunku zmniejszania amplitudy oscylacji.
77. Co to jest regulator krokowy ?
Jest to regulator trójpołożeniowy, w którym członem wykonawczym jest człon całkujący.
Układy dyskretne
78. Jakie są główne grupy (rodzaje) sterowań dyskretnych ?
Sterowanie asynchroniczne  logiczne
Sterowanie synchroniczne  cyfrowe
79. Co to jest sterowanie logiczne ? Podaj przykład okrętowy.
Jest to sterowanie polegające na włączaniu i wyłączaniu określonych urządzeń, poprzez
podejmowanie decyzji na podstawie praw logiki matematycznej. Jest ono realizowane za
pomocą programowalnych sterowników logicznych PLC. Na przykład: utrzymywanie statku
w dokładnych położeniu; reakcja na zmiany stanu morza.
80. Podaj podstawowe zadania sterowania logicznego.
- sterowanie procesami
- zbieranie i obróbka pomiarów
- przesyłanie informacji do innych sterowników
- diagnostyka(sprawdzanie drożności kanałów), samotestowanie (sprawdzanie przy włączeniu)
81. Opisz główne cechy sterowania logicznego, dzięki którym jest ono tak popularne.
Podstawową cechą sterowania logicznego jest włączanie i wyłączanie określonych urządzeń.
Działanie wynika ze sprawdzenia pewnych określonych warunków logicznych.
82. Co to sÄ… sterowniki PLC ?
Są to programowalne sterowniki logiczne, zawierające mikroprocesor, układ wejścia 
wyjścia oraz pamięć ROM do której wprowadzamy program.
83. Co to są układy SCADA ?
Są to systemy sterujące nadrzędnie i zbierające dane. Służą do obróbki informacji (bazy
danych, archiwizatory). Układy te są w stanie pobrać dane dla użytkownika ( np. zużycie
energii ) oraz umożliwiają wskazanie procesów awaryjnych.
84. Do czego służą sieci przemysłowe typu PROFIBUS lub MODBUS.