2 Co to jest i czym zajmuje się automatyka i robotyka oraz ich zadania 1 Automatyka jest nauką zajmującą się teorią i praktyczną realizacją urządzeń technicznych do samoczynnej obsługi różnych procesów technologicznych i przemysłowych w zakresie zbierania informacji, przetwarzania jej i podejmowania decyzji dotyczących sterowania. Przykładem procesów sterowanych mogą być stan rakiety kosmicznej, spawanie karoserii samochodu, utrzymanie stałych warunków klimatycznych w pomieszczeniu itp. Stworzony model pozwala na zastosowanie teorii sterowania do stworzenia układu sterującego danym obiektem lub układem lak, by ten zachowywał się w pożądany sposób. Automatyka optymalizuje i poprawia wiele wskaźników działania układów Udoskonala istniejące urządzenia Za­pewnia precyzję i bezpieczeństwo 2 Zadaniem automatyki jest określenie decyzji, jaką trzeba podjąć wobec systemu, aby otrzymać jego z góry okre­ślone właściwości. Decyzję tę podejmuje się na podstawie informacji posiadanych o tym systemie. Urządzenia pracujące automatycznie mogą pracować w oparciu o układy mechaniczne, pneumatyczne, hydrauliczne. elektryczne, elektroniczne lub najczęściej mieszane

3 Robotyka zajmuje się teorią i praktyczną realizaqą pewnej grupy automatów, nazywanymi robotami, szczególnie ich mechaniką i sterowaniem. Robot różni się od automatu przede wszystkim tym, że można go nauczyć spełniania bardzo różnych funkcji. Robotyka jest podstawą teoretyczną konstruowania robotów oraz podstawą robotyzacji 4 Mechatronika zajmuje się wykorzystaniem elektroniki i techniki komputerowej do praktycznych zastosowań stero­wania układami mechanicznymi. Jej istotą jest zastosowanie sterowania mikroprocesorowego do operowania różnymi funkcjami mechanicznymi, za pomocą różnych interfejsów elektrycznych i elek­tronicznych Z tego punktu widzenia mechatronika staje się dziś pojęciem nadrzędnym w stosunku do automatyki i robotyki 5 Przedmiotem zainteresowań i zastosowań mechatroniki są między innymi: roboty przemysłowe, układy sterowania pojazdami, nowoczesne zabawki, zaawansowany sprzęt gospodarstwa domowego, urządzenia automatyki, obrabiarki sterowane numeryczne, aparatura medyczna 6 Automatyzacja procesów produkcyjnych przynosi korzyści: zwiększenie wydajności procesu, poprawa jakości wyrobów, wydłużenie okresów między naprawczych urządzeń produkcyjnych, poprawa organizacji, bezpieczeństwa i warunków pracy człowieka

3 Podstawowe pojęcia i definicje Technicznym przykładem sterowania jest regu­lacja temperatury pomieszczenia ogrzewanego za pomocą paliwa. Układem jest w tym przykładzie pomieszczenie, a urządzeniem sterują­cym regulator odpowiedzialny za dozowanie dopływu paliwa do pieca, czyli sterujący do­pływ paliwa, a wielkością wyjściową tempera­tura pomieszczenia. Zakłóceniem może być na przykład otwarcie drzwi, które spowoduje rap­towne obniżenie temperatury pomieszczenia Należy zdawać sobie sprawę, że zakłóceniem jest tu także temperatura zewnętrzna. Żadne pomieszczenie nie jest idealnie izolowane ciepl­nie, a więc po pewnym czasie różnica pomiędzy temperaturą zewnętrzną a temperaturą pomieszczenia stanie się na tyle duża, że układ sterujący powinien dolać paliwa do pieca, aby zniwelować powstałą różnicę temperatur

1 Obiektem nazwiemy zjawisko fizyczne, układ elektryczny, układ mechaniczny lub cokolwiek, co jesteśmy w stanie opisać choćby przybliżonym równaniem. Obiekt możemy sobie też wy obrazić jako układ z wejściem i wyjściem 2 Sygnałem nazywa się dowolną wielkość fizyczną występującą w procesie sterowania, za pomocą której są przekazywane informacje Sygnał charakteryzują treści fizyczne oraz parametr informacji

Treść fizyczna sygnału określa np. ciśnienie powietrza, przepływ wody, ciśnienie oleju, natężenie prądu, napięcie, itd.

Parametr informacji określa sposób jej przenoszenia oraz wartość sygnału lub zakres zmian, np wartość chwilowa

sygnału ciśnienia hydraulicznego - 1600 kPa, zakres zmian wartości amplitudy 20 do 100 kPa. Z uwagi na sposób przenoszenia informacji rozróżnia się sygnały analogowe i dyskretne 3 Układem dynamicznym nazywa się każdy układ fizyczny, którego zachowanie zmienia się w czasie Układy automatyki mogą być rozpatrywane według jednolitego schematu: wybiera się możliwe do pomiaru sygnały, są to sygnały wejściowe, które podaje się na wejście układu Znając budowę układu i rodzaj zjawisk w mm zachodzących, można leż wskazać sygnały wyjściowe

Odpowiedzią lub reakcją układu dynamicznego nazywa się przebieg sygnału wyjściowego wywołany określoną

zmianą sygnału wejściowego.

4 Własności układów liniowych i nieliniowych

Współczesną automatykę można najogólniej podzielić na automatykę liniową i nieliniową Jeśli chodzi o automatykę nieliniową to brak jest jakiejkolwiek jednolitej teorii Rozwiązywane są jedynie proste problemy automatyki nieliniowej

Automatyka liniowa charakteryzuje się tym, że w układzie pretendującym do tego miana musi być spełniona zasada

superpozycji.

Układ dynamiczny jest liniowy wówczas, gdy n-krotny wzrost sygnału wejściowego wywołuje n-krotny

Układami nieliniowymi nazywa się układy, dla których nie można w trakcie badań potwierdzić hipotezy liniowości w interesującym zakresie zmian sygnałów wejściowych i wyjściowych

5 Charakterystyki statyczne i dynamiczne

Do pełnej oceny właściwości układu dynamicznego przeprowadza się badania w stanach ustalonych i przejściowych.

czyli nieustalonych.

O stanie ustalonym mówi się wtedy, gdy sygnały wejściowe działają dostatecznie długo i sygnały wyjściowe nie

wykazują zmian.

Charakterystyką statyczną nazywa się własność układu dynamicznego określone w stanie ustalonym zależnością

y = f(u)

Stany przejściowe występują po zmianie wartości sygnału na wejściu i trwają do czasu osiągnięcia

stanu ustalonego

Do badania właściwości dynamicznych układu używa się najczęściej sygnałów standardowych skok jednostkowy.

impuls prostokątny, impuls trójkątny, kombinacja skoków jednostkowy ch o zerowej wartości średniej, sygnał sinusoidalny

Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe noszą nazwę charakterystyk dynamicznych

6 Charakterystyka czasowa graficzne lub analityczne przedstawienie przebiegu czasowego odpowiedzi układu na

standardowy sygnał wejściowy. Najczęściej jest wyznaczana charakterystyka skokowa, tzn

odpowiedź na sygnał u(t) = A* l (t)

7 Charakterystykę częstotliwościową bada się używając sygnału sinusoidalnego, wówczas zmienia się częstotliwość, a sygnał na wyjściu układu odczytuje się w stanie ustalonym. Przy określonej częstotliwości „f" wyznacza się

współczynnik wzmocnienia amplitudy i kąt przesunięcia fazowego między sygnałem wejściowym a wyjściowym

Zależność wzmocnienia i fazy od częstotliwości nazywa się odpowiednio charakterystyką amplitudową i fazową

8 Do elementów automatyki przemysłowej zaliczamy

a) regulatory b) urządzenia wykonawcze c) przetworniki d) czujniki.

4 Elementy automyki przemysłowej

1 Do elementów automatyki przemysłowej zaliczamy:

a) regulatory b) urządzenia wykonawcze c) przetworniki d) czujniki 2 Fnakcje regulatorów

-określanie uchybów regulacji przez porównanie wielkości mierzonej z wartością zadaną

-wytwarzanie sygnału wyjściowego

-zapewnienie sygnałowi odpowiedniej postaci oraz mocy niezbędnej do uruchomienia elementów wykonaw­czych

3 Regulatory dzielą się na: a) bezpośredniego działania - pobierają energię z regulowanego obiektu b) pośredniego działania - dodatkową energię potrzebną do procesu regulacji pobierają z obcego źródła 4 W zależności od rodzaju nośnika energii zewnętrznej regulatory dzielimy na: a) pneumatyczne b) hydrauliczne c) elektryczne d) elektroniczne e) mieszane

5 Urządzenia wykonawcze są to przeważnie siłowniki, silniki elektryczne, elektromagnesy, przekaźniki itp

6 Przetworniki służą do przetwarzania sygnałów powstających w czujnikach na inny ich rodzaj oraz kierowanie tych sygnałów do regulatorów. Przykłady przetworników: a) przetwarzający silę na sygnał ciśnienia b) przetwarzający ciśnienie na prąd elektryczny c) obrotowo-impulsowy, itp. 7 Czujniki służą do wytwarzania wartości wielkości regulowanej np. ciśnienia, temperatury, strumienia objętości, siły, przesunięcia liniowego, kątowego, prędkości obrotowej, napięcia elektrycznego, poziomu cieczy, światła, hała­su, położenia, itp.

5 Podział czujników i ich zastosowanie

Przyśpieszenie Indukcyjne, piezokryształy

Przemieszczenie Potencjometry pomiarowe, tensometryczne, indukcyjne, piezokryształy

Grubość, odległość Indukcyjne, pojemnościowe, optoelektronika,

Pomiary liczby obrotów Indukcyjne, optoelektronika

Ściskanie, rozciąganie Tensometryczne, indukcyjne, potencjometry pomiarowe, piezokiyształy

Pomiar przepływu Termistory NTC, czujniki indukcyjne

Pomiar wilgotności Czujniki pojemnościowe, chemikalia, higrometry

Poziom (napełnienie) Termistory PTC, potencjometry pomiarowe, indukcyjne, pojemnościowe, detektory promieniowania

Pomiar głośności Mikrofony

Pomiar światła Optoelektronika,

Pomiar współczynnik pH Optoelektronika, ogniwa elektrolityczne, chemikalia

Pomiar gazów spalinowych Optoelektronika, ogniwa elektroniczne - sondna lambda

Technika obliczeniowa Potencjometry pomiarowe, optoelektronika, chemikalia

Sterowanie napięciowe Termistory NTC, warystory, optoelektronika

Sterowanie światłem Detektory promieniowania, piezokiyształy

Sterowanie prądowe Termistory PTC, Termistory NTC, warystory, optoelektronika

Pomiar temperatury Termistory PTC, Termistory NTC, tensometry

6 Podstawowe prawa elektroniki 1 Napięcie między dwoma punktami jest to wydatek energii, konieczny do przeniesienia jednost­kowego ładunku dodatniego z punktu o niższym potencjale do punktu o wyższym potencjale. Jednostką miary napięcia jest 1V. Aby ładunek jednego kulomba pokonał różnicę poten­cjałów jednego wolta, należy wykonać pracę jednego dżula. Napięcie oznaczane jest symbolem U. Napięcie między punktami A i B jest oznaczane jako U_AB. Już dawno uzgod­niono, że napięcie u_ab jest dodatnie, gdy punki A jest dodatni względem punktu B, a U_BA jest ujemne, gdy punkt A jest ujemny względem punktu B. Obowiązane również następująca zależność u_ab=-U_BA

2 Prąd wyraża szybkość przepływu ładunku elektrycznego obok pewnego punktu. Jednostką miary jest 1A (amper) Można więc powiedzieć, że prąd jednego ampera jest równy przepływowi ładunku jednego kulomba na sekundę. Prąd oznaczany jest symbolem I, a kierunek jego przepływu zanacza się strzałką na przewodzie. Uzgodniono, że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego, mimo że faktyczny kierunek przepływu elektronów jest przeciwny

3 Prawo Ohma mówi, że wartość prądu I przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalna do napięcia U i odwrotnie proporcjonalna do jego rezystancji R To sprowadza się do stwierdzenia, że napię­cie U na końcach przewodnika, przez który płynie prąd o natężeniu l jest iloczynem natężenia prądu i rezystancji R tego przewodnika, czyli U = I*R.

Jest to prawo, z którego bardzo często korzysta się, gdy musimy obliczyć prąd lub napięcie, czy też wyliczyć właściwą dla danego układu wartość rezystora 4 Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływają­cych z niego lub inaczej, że suma wszystkich prądów w węźle jest równa zeru 5 Drugie prawo Kirchhoffa mówi, że w obwodzie zamkniętym suma wszystkich napięć jest równa zeru 6 Twierdzenie Thevenina mówi, że dowolny dwuzaciskowy układ, składający się z kombinacji źródeł napięcia i rezystorów można zastąpić szeregowo połączonymi ze sobą pojedynczego rezystora i pojedynczego źródła napię­ciowego

7 Rodzaje sygnałów 1 Sygnał sinusoidalny Wzór opisujący ten sygnał wygląda następująco: U=U_Msin2nft gdzie: U-skuteczne U_M-amplituda f-częstotliwość wyrażona w hercach (Hz) t-czas w sekundach 2 Szum przedstawiony na rysunku jest nieodłącznym towarzyszem sygnałów użytecznych i jest czymś niepożądanym

w układach elektronicznych, a w szczególności w układach pomiarowych o dużej czułości. Najczęstszym rodzajem szumów jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory.

3 Sygnał prostokątny ma kształt pokazany na rysunku i podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością, z tą różnicą, że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest równa jej amplitudzie. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T=1/f 4 Sygnał piłokształtny Faktycznie przypomina on zęby piły. Jest to sygnał o przebiegu liniowym, czyli takim, w którym napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością do określonej wartości i powtarzany jest okresowo 5 Impulsy mogą przybierać kształty przedstawione na rysunku. Najczęściej nie są to sygnały okresowe, to znaczy nie powtarzają się w sposób regularny w czasie. Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsu 6 Skoki i szpilki są w zasadzie sygnałami, które nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych, nadają się za to znakomicie do ich analizowania i opisu 7 Przedrostki W elektronice posługujemy się jednostkami takimi jak wolt, ohm, amper, ale chyba jeszcze częściej ich tysięcznymi czy milionowymi częściami lub wielokrotnościami.

Termistor NTC jest nieliniowym rezystorem, którego rezystancja zależna jest silnie od temperatury materiału oporowe­go. Tennistor ten posiada ujemny współczynnik temperaturowy, tzn. rezystancja maleje ze wzrostem temperatury Ter­mistory NTC są zbudowane z polikrystalicznych półprzewodników, które stanowią mieszaniny związków chromu, man­ganu, żelaza, kobaltu, niklu i miedzi. Są zmieszane z plastycznym środkiem wiążącym. Stosuje się je do pomiarów i regulacji temperatury, kompensaqi temperaturowej, opóźnienia czasowego i ograniczenia prądów rozruchu. Termistor PTC ma dodatni współczynnik temperaturowy, tzn. jego rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Produkowane są one w podobny sposób jak termistory NTC.

8 Symbole graficzne elementów elektronicznych

Rezystory to elementy dwukońcówkowe o właściwości dającej się opisać równaniem R=U/I Jeżeli U wyrazi się w woltach V, a I w amperach a to R będzie wyrażone w omach n Na schematach ideowych rezystor jest zwykle przedstawiany tak jak na rysunku Potencjometr jest to rezystor o zmiennej rezystancji. Jest to element o trzech końcówkach. Trzecia końcówka, jest wyjściem potencjometru. Potencjometr zwykle pełni funkcje regulowanego dzielnika napięcia, Mogą być suwakowe i obrotowe, zastosowanie sprzęt video Cewka indukcyjna jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Szyb­kość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia Kondensator przy symbolu kondensatora bardzo często jest umieszczana wartość dopuszczalnego napięcia pracy Kondensator spolaryzowany to kondensator elektrolityczny lub tantalowy. Kondensator taki ma okładki oznaczone znakami + lub -. Nie można takiego kondensatora podłączać w układzie odwrotnie niż wskazuje jego polaryzacja tzn. plus do potencjału wyższego, a minus do niższego jeśli podłączysz odwrotnie to kondensator ulegnie uszkodzeniu Kondensator zmienny te kondensatory są stosowane najczęściej w obwodach częstotliwości radiowej np. do­strajając się do stacji w odbiorniku radiowym posługujesz się właśnie takim kondensatorem Dioda jej symbol przypomina swoim kształtem strzałkę, która wyznacza kierunek przepływu prądu gdy diod jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia Dioda Zenera jej normalnym stanem pracy jest polaryzacja w kierunku zaporowym dzięki czemu uzyskuje się na niej tzw. napięcie zenera. Diody te wykorzystuje się jako np. najprostsze źródła napięć referencyjnych

Dioda pojemnościowa nazywana jest również waraktorem i ma zastosowanie w zakresie częstotli­wości radiowych, a w szczególności w układach automatycznej regulacji częstotliwości Dioda LED inaczej dioda Elektroluminescencyjna zachowuje się tak jak zwykła dioda, której napięcie przewodzenia wynosi od 1,5V do 2,5V ale co najważniejsze świeci gdy jest w stanie przewodzenia

Tranzystor npn jest elementem o trzech końcówkach i służy do wzmacniania lub przełą­czania sygnałów. Końcówka ze strzałką oznaczona literą E jest nazywana emiterem, środko­wa B to baza, a górna C to kolektor. Strzałka przy emiterze wskazuje kierunek prądu Tranzystor pnp to samo co dla tranzystora npn tylko kierunek prądu emitera jest przeciw­ny Transformator jego symbole są różne w zależności od ilości uzwojeń i rodzaju rdzenia jakie Bezpieczniki prawie każde urządzenie elektryczne posiada taki element zabezpieczający przed prze­pływem nadmiernego prądu Bateria jest źródłem energii dla każdego przenośnego urządzenia elektrycznego, obok symbolu podaje się wartość napięcia, dłuższa kreska oznacza zacisk dodatni Zasilanie takimi symbolami oznacza się punkty podłączenia napięcia zasilającego, oczywiście nie wy­czerpują one wszystkich możliwości. Natomiast zawsze obok tych symboli będzie występowała etykieta identyfikująca dane zasilanie i często wartość tego napięcia Źródło prądu te symbole stosuje się najczęściej na schematach układów, które służą do analizy i wyjaśnienia jakiegoś teoretycznego zagadnienia Masa jest to punkt wspólny dla danego obwodu elektrycznego. Do tego punktu odnosi się wszystkie potencjały występujące w tym obwodzie. Często różnicuje się symbole masy w celu odróżnienia masy sygnałów cyfrowych, analogowych czy też masy napięcia zasilającego Połączenia na schematach ideowych oprócz symboli elementów jest mnóstwo pio­nowych i poziomych linii łączących umieszczone tam elementy. To są właśnie połączenia. Linie, które się tylko przecinają nie mają ze sobą żadnego połączenia w miej­scu przecięcia, natomiast linie z zaznaczonym punktem w miejscu przecięcia są połączone ze sobą Głośnik kształt tego symbolu nawet przypomina rzeczywisty głośnik widziany z boku, jeśli słuchasz radia to słyszysz efekt pracy tego urządzenia. Głośnik dzięki swej konstrukcji przetwarza sygnał elek­tryczny na falę akustyczną Fotodioda ma zastosowanie jako detektor światła. Padające na nią promienie świetlne powodują genero­wanie i przepływ prądu fotoelektrycznego Fotorezystor jest to element, który zmienia swoją rezystancję pod wpływem padającego nań światła Fototranzystor jest to element, który działa tak samo jak zwykły tranzystor z tą różnicą, że zwykły prąd bazy został zastąpiony prądem fotoelektrycznym wytwarzanym przez światło w złączu baza-kolektor

---