Transcript automatyka
Slide 1
Karol Rumatowski
d1.cie.put.poznan.pl
Karol.Rumatowski@ put.poznan.pl
Automatyka
Wykład 1
1
Slide 2
Literatura
1. Horla D., Podstawy automatyki. Ćwiczenia rachunkowe. Cz.I, WPP,
Poznań, 2008.
2. Horla D., Podstawy automatyki. Ćwiczenia rachunkowe. Cz.II, WPP,
Poznań, 2008.
3. Kaczorek T.: Teoria układów regulacji automatycznej, WNT,
Warszawa, 1977.
4. Paraskevopoulos P.N.: Modern Control Engineering, Marcel Dekker,
Inc., New York, 2002.
5. Pułaczewski J., Szacka K., Manitius A.: Zasady automatyki, WNT,
Warszawa, 1974.
6. Rumatowski K.: Podstawy automatyki. Część 1. Układy liniowe o
działaniu ciągłym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2004.
7. Rumatowski K.: Podstawy automatyki. Część 2. Układy dyskretne.
Sygnały stochastyczne, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2005.
8. Rumatowski K.: Podstawy regulacji automatycznej, WPP, 2008.
9. Żelazny M.: Podstawy automatyki, PWN, Warszawa, 1976.
2
Slide 3
Cel i zakres wykładów
Cel wykładów: zapoznanie słuchaczy z zasadami pracy, rodzajami
i własnościami układów regulacji automatycznej.
Zakres wykładów:
• Historia automatyki.
• Sterowanie i regulacja, obiekt sterowania (regulacji), urządzenie
sterujące (regulator, sterownik, kontroler), układ regulacji
automatycznej, sygnały w układach regulacji, układ automatyki
przemysłowej.
• Rodzaje układów regulacji automatycznej.
• Regulacja ciągła (analogowa).
• Regulacja dyskretna (cyfrowa i impulsowa).
• Regulacja dwu- i trójpołożeniowa.
3
Slide 4
Heron żyjący w I wieku n.e. wynalazca z Aleksandrii opisał i wykonał wiele urządzeń.
Wśród nich znajduje się automat na monety. Po wrzuceniu monety otrzymywało się
niewielką ilość wody do obmycia twarzy i rąk. Automat ten działał następująco:
moneta spadała na niewielką tacę doczepioną do końca beleczki znajdującej się w
równowadze. Pod ciężarem monety koniec belki opadał, a drugi wznosił się, otwierając
zawór i umożliwiając wypływ wody.
4
Slide 5
Regulator prędkości obrotowej Watta (1784 r.)
5
Slide 6
Pierwszym automatem obróbkowym było „dzieło” Christophera Spencera (1833 –1922)
z USA, który w 1873 roku rozbudował tokarkę rewolwerową w automatyczną
obrabiarkę Hartford i w której krzywki sterowały dźwigniami przesuwającymi obrabiane
przedmioty i zmieniały narzędzia. Automat Spencera wytwarzał w dużych ilościach śruby,
nakrętki i koła zębate do maszyn do szycia. Ponadto Spencer założył wkrótce Hartford
Machine Skrew Company, której automatyczne obrabiarki stały się przykładowymi dla
tworzącego się przemysłu budowy maszyn i przyczyniły się do rozwoju ręcznie sterowanych
obrabiarek.
Dalsze „wynalazki” automatów doprowadzają do powstania w latach dwudziestych XX
wieku nowej dyscypliny naukowej – automatyki, obejmującej teorię konstruowania
automatów i automatyzacji, tj. samodzielnego regulowania, sterowania i kontrolowania
różnych procesów i czynności.
Automatyzacja przemysłu rozwinęła się na szeroką skalę w Stanach Zjednoczonych po
I wojnie światowej – głównie w dziedzinach technologii chemicznej i przesyłania energii
elektrycznej. W 1923 roku w USA rozpoczęła pracę pierwsza automatyczna linia
produkcyjna.
6
Slide 7
Tak duży postęp w automatyce stał się możliwy w wyniku licznych odkryć i wynalazków
pozwalających na mierzenie wielkości fizycznych (np. napięcia elektrycznego, ciśnienia), a
także w wyniku rozwinięcia umiejętności łączenia mierników tych wielkości z urządzeniami
sterowania i regulacji.
Następne wynalazki, m.in. radar, półprzewodniki, urządzenia elektroniczne i izotopowe,
pozwoliły na skonstruowanie jeszcze bardziej skomplikowanych automatów, takich jak:
automatyczny pilot w lotnictwie, sternik automatyczny w żegludze oraz całe systemy, np.
układ samoczynnego hamowania pociągów na trasach kolei podziemnych o bardzo dużym
ruchu.
Duży wpływ na rozwój automatyki związanej z lotnictwem miał pierwszy bezzałogowy
lot w dniu 1 sierpnia 1947 roku. Dzięki zastosowaniu bardzo skomplikowanego automatu
samolot typu Douglas 054 Skymaster przeleciał nad Oceanem Atlantyckim trasę o długości
3840 km bez pilota. Automatyczny pilot zainstalowany na pokładzie samolotu zawierał
aparaty: utrzymujące równowagę samolotu, startu, lądowania, zdalnego sterowania falami
radiowymi oraz maszynę matematyczną. Maszyna ta odbierając sygnały radiowe stacji
sterujących, umieszczonych na trasie lotu, obliczała aktualne położenie samolotu i na tej
podstawie sterowała aparaturą pilotażu. Ta sama maszyna sterowała również rozruchem
silników, startem i końcowym lądowaniem samolotu.
Po II wojnie światowej następuje kolejny skok w poziomie automatyzacji przemysłowej –
w latach pięćdziesiątych zaczyna się wykorzystywać obrabiarki sterowane numerycznie, w
latach siedemdziesiątych roboty przemysłowe i zautomatyzowane magazyny, a w latach
osiemdziesiątych buduje się całkowicie zautomatyzowane linie produkcyjne.
7
Slide 8
Na taki rozwój automatyzacji ogromny wpływ miały urządzenia elektroniczne, a w
szczególności komputery. To one właśnie zaczęły wspomagać człowieka w sterowaniu i
kontrolowaniu złożonych procesów produkcyjnych oraz w zarządzaniu zakładami
produkcyjnymi. W dalszych latach rozwój techniki cyfrowej w zakresie przesyłania informacji
między komputerami umożliwił połączenie sterowania wytwarzaniem i transportem
materiałów z zarządzaniem produkcją – powstało zintegrowane komputerowo wytwarzanie.
Ostatnie dwadzieścia lat XX wieku, to intensywny rozwój automatyki nie tylko w przemyśle,
ale w cały naszym życiu – w domach, biurach, szpitalach, transporcie, badaniach naukowych
itp. Żelazka z termoregulatorami, pralki automatyczne, odkurzacze, aparaty fotograficzne,
zabawki, faksy, kopiarki, bankomaty, tomografy komputerowe, protezy kończyn, automatyczne
skrzynie biegów, hamulce przeciwpoślizgowe ABS, radia wyszukujące samoczynnie
stacje nadawcze, światła na skrzyżowaniach ulic, samodzielnie otwierające się drzwi
do sklepów itp. – to urządzenia, które znamy i z których korzystamy. Dzięki
automatyce możliwe było zrealizowanie odwiecznych marzeń człowieka – loty na
Księżyc oraz w kierunku Marsa, Wenus i innych planet, zajrzenie w głębie morskie i
czeluście wulkanów. Współcześni automatycy nie ustają w swoich poszukiwaniach i
wspierani przez naukowców z innych dziedzin: elektroników, nanoelektroników
(zajmujących się inżynierią operującą w skali nanometrów – miliardowych
części metra!), chemików, biologów, mechaników tworzą nowe urządzenia i
rozwijają nowe dziedziny naukowe: robotykę, mechatronikę, bionikę, domotykę.
8
Slide 9
Automatyka jest dziedziną wiedzy, która zajmuje się możliwościami
wyeliminowania lub ograniczenia udziału człowieka w czynnościach
związanych ze sterowaniem różnorodnymi procesami, głównie
technologicznymi i przemysłowymi.
Automatyka jest dziedziną nauki zajmująca się teorią i praktyczną realizacją
urządzeń sterujących procesami, głównie technologicznymi i przemysłowymi.
Automatyka zajmuje się analizą i modelowaniem matematycznym obiektów
różnej natury (np. cieplnych, chemicznych, elektrycznych, mechanicznych,
hydraulicznych, pneumatycznych). Stworzony model obiektu pozwala na
zastosowanie teorii sterowania do stworzenia urządzenia zwanego regulatorem,
(sterownikiem, kontrolerem) sterującego danym obiektem lub procesem tak, by
ten zachowywał się w pożądany sposób.
Na przestrzeni wielu lat w postępującym procesie automatyzacji w różnych
dziedzinach techniki pojawiały się praktyczne rozwiązania układów
regulujących samoczynnie (np. obroty maszyn czy ciśnienia w zbiornikach).
Analizę zachowań tych układów traktowano jako część odpowiedniej dziedziny
techniki (np. teorii maszyn czy pneumatyki), co sprawiało, że wiedza na temat
regulacji była porozrzucana pośród różnych działów nauki. Automatyka
organizuje cały ten dorobek, uogólniając go przy tym i upraszczając.
9
Slide 10
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.
Automatyzacja jest to technologia czyli działalność natury technicznej,
ekonomicznej i organizacyjnej, mająca na celu wprowadzenie praw, metod i
urządzeń automatyki w rozmaite dziedziny życia.
Technologia – całokształt wiedzy dotyczącej konkretnej metody wytworzenia
jakiegoś dobra lub uzyskania określonego efektu przemysłowego lub
usługowego.
10
Slide 11
Modelowanie matematyczne to użycie języka matematyki do opisania
zachowania jakiegoś obiektu (na przykład elektrycznego, mechanicznego,
termodynamicznego, biologicznego, ekonomicznego).
Praktyka inżynierska wymagająca sterowania obiektem związana jest z analizą
jego zachowania, do czego używa się modelowania matematycznego. W
analizie inżynier buduje model obiektu i na podstawie tego modelu może
wnioskować co do wpływu potencjalnych zakłóceń na stan układu. W
sterowaniu model może posłużyć do teoretycznego wypróbowania różnych
strategii sterowania bez wpływania na rzeczywisty obiekt.
Model matematyczny opisuje dany obiekt za pomocą zmiennych.
Zmienne reprezentują pewne właściwości obiektu, na przykład zmierzone
wartości wyjść obiektu.
Właściwy model to grupa funkcji wiążących ze sobą różne zmienne i w ten
sposób opisujących powiązania między wielkościami w obiekcie.
11
Slide 12
Sterowanie polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą
sygnałów wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość.
Sterowanie procesem technologicznym polega na oddziaływaniu na strumienie
energii i materiałów w taki sposób, aby zapewnić zamierzony przebieg procesu.
Sygnał to przebieg dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie,
generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy.
Obiekt sterowania – każdy proces (np. napędzanie) lub zjawisko (np. przepływ
cieczy), podlegające regulacji.
Obiekt sterowania – zespół urządzeń, w których odbywa się proces podlegający
sterowaniu. Przykładami obiektów są: silnik, pojazd kosmiczny, okręt, reaktor
chemiczny, elektrownia, system energetyczny, zakład produkcyjny itp.
Sterowanie może być realizowane przy pomocy człowieka - sterowanie ręczne lub
za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia (regulatora) - sterowanie
automatyczne.
Regulator - jeden z elementów składających się na układ regulacji (obwód
regulacji). Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału
sterującego, aby sygnał wyjściowy obiektu regulacji w jak najkrótszym czasie
osiągał wartość zadaną.
12
Slide 13
Regulator stanowi zespół środków technicznych, za
pomocą których realizuje się sterowanie.
Obiekt sterowania i regulator powiązane ze sobą
funkcjonalnie tworzą układ regulacji.
Sygnał w automatyce – wielkość fizyczna będąca
funkcją czasu występująca w układzie sterowania
służąca do opisu właściwości układu.
Przykłady sygnałów – zmiany w czasie ciśnienia,
przepływu, temperatury, prędkości, napięcia, prądu itp.
13
Slide 14
Wartość zadana (ang. setpoint) – w układzie regulacji, wartość sygnału
wejściowego, informująca regulator o pożądanej wartości sygnału wyjściowego.
Dzięki znajomości wartości zadanej i wartości sygnału wyjściowego można
wyznaczyć błąd regulacji (uchyb regulacji), w postaci różnicy tych sygnałów.
Przykładem wartości zadanej jest temperatura ustawiana w termostacie.
Niepożądane sygnały działające na obiekt nazywamy zakłóceniami. W takim
przypadku stosuje się sterowanie odporne.
Sterowanie może odbywać się w układzie otwartym lub zamkniętym.
Sterowanie w układzie otwartym polega na takim nastawieniu wielkości
wejściowej, aby znając charakterystykę obiektu i przewidując możliwość
działania nań zakłóceń, otrzymać na wyjściu pożądaną wartość.
Sterowanie w układzie zamkniętym różni się od sterowania w układzie
otwartym tym, że regulator otrzymuje dodatkowo poprzez sprzężenie zwrotne
informacje o stanie wielkości wyjściowej. Informacja ta podana w postaci np.
napięcia do regulatora, jest używana do korygowania nastaw wielkości
wejściowej obiektu.
Sterowanie w układzie zamkniętym (regulacja automatyczna) polega na takim
oddziaływaniu na obiekt sterowania aby jego sygnały wyjściowe osiągały
wartość zadaną.
14
Slide 15
Układ automatyki (regulacji) – zespół elementów biorących udział
bezpośrednio w sterowaniu obiektem oraz elementów pomocniczych, który
jest uporządkowany na zasadzie ich wzajemnej współpracy, tzn. zgodnie z
kierunkiem przepływu sygnału.
Sygnał może być opisany za pomocą 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.
15
Slide 16
Układ otwarty – układ, w którym sygnał wejściowy nie zależy od
aktualnej wartości sygnału wyjściowego, ponieważ nie występuje
sprzężenie zwrotne, a wynika jedynie z wewnętrznego stanu obiektu.
Przebieg sygnału następuje tylko w jednym kierunku, od wejścia do
wyjścia.
Układ otwarty, jest uproszczonym układem sterowania w stosunku
do układu automatycznej regulacji. Ponieważ nie istnieje możliwość
tłumienia nieznanych zakłóceń oraz osiągnięcie wartości zadanej nie
może być zweryfikowane, układ otwarty stosowany jest w
przypadku prostych obiektów, dla których znany jest dokładny
model matematyczny. W przypadku znanej wartości zakłócenia (np.
temperatury na zewnątrz budynku, w którym znajduje się kocioł
centralnego ogrzewania) układ otwarty może być użyty do jego
kompensacji.
Układ zamknięty – układ, w którym przebieg sygnału następuje w dwóch
kierunkach. Od wejścia do wyjścia przebiega sygnał realizujący wzajemne
oddziaływanie elementów, natomiast od wyjścia do wejścia przebiega sygnał
sprzężenia zwrotnego.
16
Slide 17
Układ zamknięty z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, zwany układem
automatycznej regulacji, jest alternatywą do sterowania w układzie otwartym.
Poprawia wskaźniki jakościowe procesu regulacji oraz lepiej sprawdza się w
przypadku tłumienia nieznanych zakłóceń, których pojawienie się powoduje
zmianę błędu regulacji, co skutkuje powstaniem odpowiedniego sygnału
wejściowego obiektu (sygnału sterującego).
Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu
końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały
referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o
własnym działaniu (o wartości wyjściowej).
Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm
samoregulacyjny. Ma ono za zadanie utrzymanie wartości sygnału wyjściowego
układu regulacji na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek
zaburzenia powodujące odchylenie wartości tego sygnału w od zadanej wartości
w którąkolwiek stronę powodują działania prowadzące do zmiany wartości
sygnału w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do kompensacji
efektu tego odchylenia.
Regulacja to sterowanie w układzie zamkniętym z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym tzn., że sygnały z wyjścia obiektu oddziałują na sygnały wejściowe
układu.
17
Slide 18
Ogólny schemat blokowy układu regulacji
automatycznej (układu zamkniętego).
z(t)
w(t) +
e(t)
–y(t)
Regulator
u(t)
Obiekt
sterowania
y(t)
tor sprzężenia zwrotnego
Sygnały występujące w układzie regulacji jednej zmiennej to:
w(t) sygnał zadany (wejściowy), określa zadanie sterowania,
y(t)
sygnał wyjściowy, zwany także sygnałem regulowanym,
u(t)
sygnał sterujący (nastawiającym)
e(t)
sygnał uchybu regulacji (w układzie z idealnym regulatorem
uchyb powinien przyjmować wartość 0)
z(t)
sygnał zakłócający
Regulator w układzie regulacji może być urządzeniem analogowym lub cyfrowym.
18
Slide 19
Przykłady układów regulacji.
Regulacja napięcia obcowzbudnego generatora prądu stałego przez
zmianę strumienia magnetycznego
i
+
2 = const
1 = const
u0
_
u
uw = ke
uz
e = u0- u
G
u = kgn
u
Robc
n
=1+ 2
19
Slide 20
uz
Dzielnik
napięcia
iob n
u0
u0 – u
Wz.
uw
c
Prądnica
u
–u
20
Slide 21
Regulacja napięcia turbogeneratora prądu stałego przez zmianę dopływu pary
Regulator
odśrodkowy
z1
Zawór
= const
Ciśnienie
Temperatura
Generator
R (Z2)
Turbina
21
Slide 22
Schemat blokowy układu regulacji w ujęciu
przemysłowym
z(t)
y(t)
Obiekt
regulacji
Element
wykonawczy
Nastawnik
Czujnik
Siłownik
Przetwornik
e(t) _
u(t)
Regulator
Element
pomiarowy
+ w(t)
y(t) - sygnał regulowany (wielkość regulowana),
w(t) - sygnał zadany (wartość zadana) wielkości regulowanej,
e(t) - sygnał błędu (uchybu) regulacji,
u(t) - sygnał sterujący (sterowanie),
z(t) - sygnał zakłócający (zakłócenie).
22
Slide 23
Schemat blokowy nowoczesnego układu
regulacji w ujęciu przemysłowym
z(t)
Element
wykonawczy
Element
pomiarowy
Obiekt
y(t)
Obiekt sterowania
C/A
A/C
Komputer
Regulator (sterownik)
Wejście
operatora
23
Slide 24
Zagadnienie dotyczące układów regulacji mogą być rozpatrywane w zakresie:
• analizy układów regulacji,
• syntezy układów regulacji.
Analiza obejmuje badanie układów regulacji (regulatorów i obiektów)
przy pomocy metod stosowanych do badania układów dynamicznych.
Wynikiem analizy jest identyfikacja układów regulacji.
Synteza to szereg kolejnych działań niezbędnych dla zaprojektowania
układu regulacji.
Działania te obejmują:
• opis matematyczny obiektu,
• opis zadania sterowania, czyli charakterystyki sygnału
zadanego,
• opis zakłóceń,
• dobór wskaźników jakości regulacji,
• założenia dotyczące sygnałów układu regulacji i struktury
regulatora.
Wymagania stawiane układom automatycznej regulacji to:
• dokładność regulacji,
• stabilność regulacji,
• wymagania odnoszące się do wskaźników jakości regulacji.
24
Slide 25
Control System Design
Lecture Notes for ME 155A
Karl Johan Åström
Department of Mechanical and Environmental Engineering
University of California
Santa Barbara
© 2002 Karl Johan Åström
25
Karol Rumatowski
d1.cie.put.poznan.pl
Karol.Rumatowski@ put.poznan.pl
Automatyka
Wykład 1
1
Slide 2
Literatura
1. Horla D., Podstawy automatyki. Ćwiczenia rachunkowe. Cz.I, WPP,
Poznań, 2008.
2. Horla D., Podstawy automatyki. Ćwiczenia rachunkowe. Cz.II, WPP,
Poznań, 2008.
3. Kaczorek T.: Teoria układów regulacji automatycznej, WNT,
Warszawa, 1977.
4. Paraskevopoulos P.N.: Modern Control Engineering, Marcel Dekker,
Inc., New York, 2002.
5. Pułaczewski J., Szacka K., Manitius A.: Zasady automatyki, WNT,
Warszawa, 1974.
6. Rumatowski K.: Podstawy automatyki. Część 1. Układy liniowe o
działaniu ciągłym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2004.
7. Rumatowski K.: Podstawy automatyki. Część 2. Układy dyskretne.
Sygnały stochastyczne, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2005.
8. Rumatowski K.: Podstawy regulacji automatycznej, WPP, 2008.
9. Żelazny M.: Podstawy automatyki, PWN, Warszawa, 1976.
2
Slide 3
Cel i zakres wykładów
Cel wykładów: zapoznanie słuchaczy z zasadami pracy, rodzajami
i własnościami układów regulacji automatycznej.
Zakres wykładów:
• Historia automatyki.
• Sterowanie i regulacja, obiekt sterowania (regulacji), urządzenie
sterujące (regulator, sterownik, kontroler), układ regulacji
automatycznej, sygnały w układach regulacji, układ automatyki
przemysłowej.
• Rodzaje układów regulacji automatycznej.
• Regulacja ciągła (analogowa).
• Regulacja dyskretna (cyfrowa i impulsowa).
• Regulacja dwu- i trójpołożeniowa.
3
Slide 4
Heron żyjący w I wieku n.e. wynalazca z Aleksandrii opisał i wykonał wiele urządzeń.
Wśród nich znajduje się automat na monety. Po wrzuceniu monety otrzymywało się
niewielką ilość wody do obmycia twarzy i rąk. Automat ten działał następująco:
moneta spadała na niewielką tacę doczepioną do końca beleczki znajdującej się w
równowadze. Pod ciężarem monety koniec belki opadał, a drugi wznosił się, otwierając
zawór i umożliwiając wypływ wody.
4
Slide 5
Regulator prędkości obrotowej Watta (1784 r.)
5
Slide 6
Pierwszym automatem obróbkowym było „dzieło” Christophera Spencera (1833 –1922)
z USA, który w 1873 roku rozbudował tokarkę rewolwerową w automatyczną
obrabiarkę Hartford i w której krzywki sterowały dźwigniami przesuwającymi obrabiane
przedmioty i zmieniały narzędzia. Automat Spencera wytwarzał w dużych ilościach śruby,
nakrętki i koła zębate do maszyn do szycia. Ponadto Spencer założył wkrótce Hartford
Machine Skrew Company, której automatyczne obrabiarki stały się przykładowymi dla
tworzącego się przemysłu budowy maszyn i przyczyniły się do rozwoju ręcznie sterowanych
obrabiarek.
Dalsze „wynalazki” automatów doprowadzają do powstania w latach dwudziestych XX
wieku nowej dyscypliny naukowej – automatyki, obejmującej teorię konstruowania
automatów i automatyzacji, tj. samodzielnego regulowania, sterowania i kontrolowania
różnych procesów i czynności.
Automatyzacja przemysłu rozwinęła się na szeroką skalę w Stanach Zjednoczonych po
I wojnie światowej – głównie w dziedzinach technologii chemicznej i przesyłania energii
elektrycznej. W 1923 roku w USA rozpoczęła pracę pierwsza automatyczna linia
produkcyjna.
6
Slide 7
Tak duży postęp w automatyce stał się możliwy w wyniku licznych odkryć i wynalazków
pozwalających na mierzenie wielkości fizycznych (np. napięcia elektrycznego, ciśnienia), a
także w wyniku rozwinięcia umiejętności łączenia mierników tych wielkości z urządzeniami
sterowania i regulacji.
Następne wynalazki, m.in. radar, półprzewodniki, urządzenia elektroniczne i izotopowe,
pozwoliły na skonstruowanie jeszcze bardziej skomplikowanych automatów, takich jak:
automatyczny pilot w lotnictwie, sternik automatyczny w żegludze oraz całe systemy, np.
układ samoczynnego hamowania pociągów na trasach kolei podziemnych o bardzo dużym
ruchu.
Duży wpływ na rozwój automatyki związanej z lotnictwem miał pierwszy bezzałogowy
lot w dniu 1 sierpnia 1947 roku. Dzięki zastosowaniu bardzo skomplikowanego automatu
samolot typu Douglas 054 Skymaster przeleciał nad Oceanem Atlantyckim trasę o długości
3840 km bez pilota. Automatyczny pilot zainstalowany na pokładzie samolotu zawierał
aparaty: utrzymujące równowagę samolotu, startu, lądowania, zdalnego sterowania falami
radiowymi oraz maszynę matematyczną. Maszyna ta odbierając sygnały radiowe stacji
sterujących, umieszczonych na trasie lotu, obliczała aktualne położenie samolotu i na tej
podstawie sterowała aparaturą pilotażu. Ta sama maszyna sterowała również rozruchem
silników, startem i końcowym lądowaniem samolotu.
Po II wojnie światowej następuje kolejny skok w poziomie automatyzacji przemysłowej –
w latach pięćdziesiątych zaczyna się wykorzystywać obrabiarki sterowane numerycznie, w
latach siedemdziesiątych roboty przemysłowe i zautomatyzowane magazyny, a w latach
osiemdziesiątych buduje się całkowicie zautomatyzowane linie produkcyjne.
7
Slide 8
Na taki rozwój automatyzacji ogromny wpływ miały urządzenia elektroniczne, a w
szczególności komputery. To one właśnie zaczęły wspomagać człowieka w sterowaniu i
kontrolowaniu złożonych procesów produkcyjnych oraz w zarządzaniu zakładami
produkcyjnymi. W dalszych latach rozwój techniki cyfrowej w zakresie przesyłania informacji
między komputerami umożliwił połączenie sterowania wytwarzaniem i transportem
materiałów z zarządzaniem produkcją – powstało zintegrowane komputerowo wytwarzanie.
Ostatnie dwadzieścia lat XX wieku, to intensywny rozwój automatyki nie tylko w przemyśle,
ale w cały naszym życiu – w domach, biurach, szpitalach, transporcie, badaniach naukowych
itp. Żelazka z termoregulatorami, pralki automatyczne, odkurzacze, aparaty fotograficzne,
zabawki, faksy, kopiarki, bankomaty, tomografy komputerowe, protezy kończyn, automatyczne
skrzynie biegów, hamulce przeciwpoślizgowe ABS, radia wyszukujące samoczynnie
stacje nadawcze, światła na skrzyżowaniach ulic, samodzielnie otwierające się drzwi
do sklepów itp. – to urządzenia, które znamy i z których korzystamy. Dzięki
automatyce możliwe było zrealizowanie odwiecznych marzeń człowieka – loty na
Księżyc oraz w kierunku Marsa, Wenus i innych planet, zajrzenie w głębie morskie i
czeluście wulkanów. Współcześni automatycy nie ustają w swoich poszukiwaniach i
wspierani przez naukowców z innych dziedzin: elektroników, nanoelektroników
(zajmujących się inżynierią operującą w skali nanometrów – miliardowych
części metra!), chemików, biologów, mechaników tworzą nowe urządzenia i
rozwijają nowe dziedziny naukowe: robotykę, mechatronikę, bionikę, domotykę.
8
Slide 9
Automatyka jest dziedziną wiedzy, która zajmuje się możliwościami
wyeliminowania lub ograniczenia udziału człowieka w czynnościach
związanych ze sterowaniem różnorodnymi procesami, głównie
technologicznymi i przemysłowymi.
Automatyka jest dziedziną nauki zajmująca się teorią i praktyczną realizacją
urządzeń sterujących procesami, głównie technologicznymi i przemysłowymi.
Automatyka zajmuje się analizą i modelowaniem matematycznym obiektów
różnej natury (np. cieplnych, chemicznych, elektrycznych, mechanicznych,
hydraulicznych, pneumatycznych). Stworzony model obiektu pozwala na
zastosowanie teorii sterowania do stworzenia urządzenia zwanego regulatorem,
(sterownikiem, kontrolerem) sterującego danym obiektem lub procesem tak, by
ten zachowywał się w pożądany sposób.
Na przestrzeni wielu lat w postępującym procesie automatyzacji w różnych
dziedzinach techniki pojawiały się praktyczne rozwiązania układów
regulujących samoczynnie (np. obroty maszyn czy ciśnienia w zbiornikach).
Analizę zachowań tych układów traktowano jako część odpowiedniej dziedziny
techniki (np. teorii maszyn czy pneumatyki), co sprawiało, że wiedza na temat
regulacji była porozrzucana pośród różnych działów nauki. Automatyka
organizuje cały ten dorobek, uogólniając go przy tym i upraszczając.
9
Slide 10
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.
Automatyzacja jest to technologia czyli działalność natury technicznej,
ekonomicznej i organizacyjnej, mająca na celu wprowadzenie praw, metod i
urządzeń automatyki w rozmaite dziedziny życia.
Technologia – całokształt wiedzy dotyczącej konkretnej metody wytworzenia
jakiegoś dobra lub uzyskania określonego efektu przemysłowego lub
usługowego.
10
Slide 11
Modelowanie matematyczne to użycie języka matematyki do opisania
zachowania jakiegoś obiektu (na przykład elektrycznego, mechanicznego,
termodynamicznego, biologicznego, ekonomicznego).
Praktyka inżynierska wymagająca sterowania obiektem związana jest z analizą
jego zachowania, do czego używa się modelowania matematycznego. W
analizie inżynier buduje model obiektu i na podstawie tego modelu może
wnioskować co do wpływu potencjalnych zakłóceń na stan układu. W
sterowaniu model może posłużyć do teoretycznego wypróbowania różnych
strategii sterowania bez wpływania na rzeczywisty obiekt.
Model matematyczny opisuje dany obiekt za pomocą zmiennych.
Zmienne reprezentują pewne właściwości obiektu, na przykład zmierzone
wartości wyjść obiektu.
Właściwy model to grupa funkcji wiążących ze sobą różne zmienne i w ten
sposób opisujących powiązania między wielkościami w obiekcie.
11
Slide 12
Sterowanie polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą
sygnałów wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość.
Sterowanie procesem technologicznym polega na oddziaływaniu na strumienie
energii i materiałów w taki sposób, aby zapewnić zamierzony przebieg procesu.
Sygnał to przebieg dowolnej mierzalnej wielkości zmieniającej się w czasie,
generowanej przez zjawiska fizyczne lub systemy.
Obiekt sterowania – każdy proces (np. napędzanie) lub zjawisko (np. przepływ
cieczy), podlegające regulacji.
Obiekt sterowania – zespół urządzeń, w których odbywa się proces podlegający
sterowaniu. Przykładami obiektów są: silnik, pojazd kosmiczny, okręt, reaktor
chemiczny, elektrownia, system energetyczny, zakład produkcyjny itp.
Sterowanie może być realizowane przy pomocy człowieka - sterowanie ręczne lub
za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia (regulatora) - sterowanie
automatyczne.
Regulator - jeden z elementów składających się na układ regulacji (obwód
regulacji). Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału
sterującego, aby sygnał wyjściowy obiektu regulacji w jak najkrótszym czasie
osiągał wartość zadaną.
12
Slide 13
Regulator stanowi zespół środków technicznych, za
pomocą których realizuje się sterowanie.
Obiekt sterowania i regulator powiązane ze sobą
funkcjonalnie tworzą układ regulacji.
Sygnał w automatyce – wielkość fizyczna będąca
funkcją czasu występująca w układzie sterowania
służąca do opisu właściwości układu.
Przykłady sygnałów – zmiany w czasie ciśnienia,
przepływu, temperatury, prędkości, napięcia, prądu itp.
13
Slide 14
Wartość zadana (ang. setpoint) – w układzie regulacji, wartość sygnału
wejściowego, informująca regulator o pożądanej wartości sygnału wyjściowego.
Dzięki znajomości wartości zadanej i wartości sygnału wyjściowego można
wyznaczyć błąd regulacji (uchyb regulacji), w postaci różnicy tych sygnałów.
Przykładem wartości zadanej jest temperatura ustawiana w termostacie.
Niepożądane sygnały działające na obiekt nazywamy zakłóceniami. W takim
przypadku stosuje się sterowanie odporne.
Sterowanie może odbywać się w układzie otwartym lub zamkniętym.
Sterowanie w układzie otwartym polega na takim nastawieniu wielkości
wejściowej, aby znając charakterystykę obiektu i przewidując możliwość
działania nań zakłóceń, otrzymać na wyjściu pożądaną wartość.
Sterowanie w układzie zamkniętym różni się od sterowania w układzie
otwartym tym, że regulator otrzymuje dodatkowo poprzez sprzężenie zwrotne
informacje o stanie wielkości wyjściowej. Informacja ta podana w postaci np.
napięcia do regulatora, jest używana do korygowania nastaw wielkości
wejściowej obiektu.
Sterowanie w układzie zamkniętym (regulacja automatyczna) polega na takim
oddziaływaniu na obiekt sterowania aby jego sygnały wyjściowe osiągały
wartość zadaną.
14
Slide 15
Układ automatyki (regulacji) – zespół elementów biorących udział
bezpośrednio w sterowaniu obiektem oraz elementów pomocniczych, który
jest uporządkowany na zasadzie ich wzajemnej współpracy, tzn. zgodnie z
kierunkiem przepływu sygnału.
Sygnał może być opisany za pomocą 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.
15
Slide 16
Układ otwarty – układ, w którym sygnał wejściowy nie zależy od
aktualnej wartości sygnału wyjściowego, ponieważ nie występuje
sprzężenie zwrotne, a wynika jedynie z wewnętrznego stanu obiektu.
Przebieg sygnału następuje tylko w jednym kierunku, od wejścia do
wyjścia.
Układ otwarty, jest uproszczonym układem sterowania w stosunku
do układu automatycznej regulacji. Ponieważ nie istnieje możliwość
tłumienia nieznanych zakłóceń oraz osiągnięcie wartości zadanej nie
może być zweryfikowane, układ otwarty stosowany jest w
przypadku prostych obiektów, dla których znany jest dokładny
model matematyczny. W przypadku znanej wartości zakłócenia (np.
temperatury na zewnątrz budynku, w którym znajduje się kocioł
centralnego ogrzewania) układ otwarty może być użyty do jego
kompensacji.
Układ zamknięty – układ, w którym przebieg sygnału następuje w dwóch
kierunkach. Od wejścia do wyjścia przebiega sygnał realizujący wzajemne
oddziaływanie elementów, natomiast od wyjścia do wejścia przebiega sygnał
sprzężenia zwrotnego.
16
Slide 17
Układ zamknięty z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, zwany układem
automatycznej regulacji, jest alternatywą do sterowania w układzie otwartym.
Poprawia wskaźniki jakościowe procesu regulacji oraz lepiej sprawdza się w
przypadku tłumienia nieznanych zakłóceń, których pojawienie się powoduje
zmianę błędu regulacji, co skutkuje powstaniem odpowiedniego sygnału
wejściowego obiektu (sygnału sterującego).
Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu
końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały
referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o
własnym działaniu (o wartości wyjściowej).
Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm
samoregulacyjny. Ma ono za zadanie utrzymanie wartości sygnału wyjściowego
układu regulacji na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek
zaburzenia powodujące odchylenie wartości tego sygnału w od zadanej wartości
w którąkolwiek stronę powodują działania prowadzące do zmiany wartości
sygnału w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do kompensacji
efektu tego odchylenia.
Regulacja to sterowanie w układzie zamkniętym z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym tzn., że sygnały z wyjścia obiektu oddziałują na sygnały wejściowe
układu.
17
Slide 18
Ogólny schemat blokowy układu regulacji
automatycznej (układu zamkniętego).
z(t)
w(t) +
e(t)
–y(t)
Regulator
u(t)
Obiekt
sterowania
y(t)
tor sprzężenia zwrotnego
Sygnały występujące w układzie regulacji jednej zmiennej to:
w(t) sygnał zadany (wejściowy), określa zadanie sterowania,
y(t)
sygnał wyjściowy, zwany także sygnałem regulowanym,
u(t)
sygnał sterujący (nastawiającym)
e(t)
sygnał uchybu regulacji (w układzie z idealnym regulatorem
uchyb powinien przyjmować wartość 0)
z(t)
sygnał zakłócający
Regulator w układzie regulacji może być urządzeniem analogowym lub cyfrowym.
18
Slide 19
Przykłady układów regulacji.
Regulacja napięcia obcowzbudnego generatora prądu stałego przez
zmianę strumienia magnetycznego
i
+
2 = const
1 = const
u0
_
u
uw = ke
uz
e = u0- u
G
u = kgn
u
Robc
n
=1+ 2
19
Slide 20
uz
Dzielnik
napięcia
iob n
u0
u0 – u
Wz.
uw
c
Prądnica
u
–u
20
Slide 21
Regulacja napięcia turbogeneratora prądu stałego przez zmianę dopływu pary
Regulator
odśrodkowy
z1
Zawór
= const
Ciśnienie
Temperatura
Generator
R (Z2)
Turbina
21
Slide 22
Schemat blokowy układu regulacji w ujęciu
przemysłowym
z(t)
y(t)
Obiekt
regulacji
Element
wykonawczy
Nastawnik
Czujnik
Siłownik
Przetwornik
e(t) _
u(t)
Regulator
Element
pomiarowy
+ w(t)
y(t) - sygnał regulowany (wielkość regulowana),
w(t) - sygnał zadany (wartość zadana) wielkości regulowanej,
e(t) - sygnał błędu (uchybu) regulacji,
u(t) - sygnał sterujący (sterowanie),
z(t) - sygnał zakłócający (zakłócenie).
22
Slide 23
Schemat blokowy nowoczesnego układu
regulacji w ujęciu przemysłowym
z(t)
Element
wykonawczy
Element
pomiarowy
Obiekt
y(t)
Obiekt sterowania
C/A
A/C
Komputer
Regulator (sterownik)
Wejście
operatora
23
Slide 24
Zagadnienie dotyczące układów regulacji mogą być rozpatrywane w zakresie:
• analizy układów regulacji,
• syntezy układów regulacji.
Analiza obejmuje badanie układów regulacji (regulatorów i obiektów)
przy pomocy metod stosowanych do badania układów dynamicznych.
Wynikiem analizy jest identyfikacja układów regulacji.
Synteza to szereg kolejnych działań niezbędnych dla zaprojektowania
układu regulacji.
Działania te obejmują:
• opis matematyczny obiektu,
• opis zadania sterowania, czyli charakterystyki sygnału
zadanego,
• opis zakłóceń,
• dobór wskaźników jakości regulacji,
• założenia dotyczące sygnałów układu regulacji i struktury
regulatora.
Wymagania stawiane układom automatycznej regulacji to:
• dokładność regulacji,
• stabilność regulacji,
• wymagania odnoszące się do wskaźników jakości regulacji.
24
Slide 25
Control System Design
Lecture Notes for ME 155A
Karl Johan Åström
Department of Mechanical and Environmental Engineering
University of California
Santa Barbara
© 2002 Karl Johan Åström
25