UKŁADY STEROWANIA AUTOMATYCZNEGO 

 USA

Układ automatyki konwencjonalnej

 

Najprostszy  układ  automatyki  konwencjonalnej 

(regulacji  automatycznej)  można  przedstawić  za 

pomocą omówionej poprzednio symboliki tak, jak to 

pokazano na rys.1.

Rys. 

1. 

Schemat 

ideowy 

najprostszego 

układu 

sterowania 

automatycznego

W obiekcie wyróżniamy następujące sygnały

:

•sygnał regulowany 

y 

lub — jak inaczej będziemy mówić —  zmienna regulowana 

y,

•sygnał regulujący 

x

,

•sygnały zakłócające 

z

1

, z

2

.

Sygnał regulowany 

y

 to ten, który mimo zmiennych z 

zewnątrz warunków pracy obiektu, czyli — jak mówimy — 

mimo  przychodzących  sygnałów  zakłócających  ma  być 

utrzymywany  w  wartości  stałej  lub  zmieniać  się  według 

określonej  funkcji  wyznaczonej  sygnałem 

s, 

zwanym 

sygnałem sterującym

. 

Porównanie  sygnału  regulowanego  i  sygnału 

sterującego 

dokonuje 

się 

w 

tzw. 

węźle 

sumacyjnym. 

Otrzymana tam różnica 

s — y, 

czyli 

tzw. 

sygnał  błędu

,  który  będziemy  oznaczać 

symbolem 

e 

(uchyb 

regulacji)

, 

zostaje 

wprowadzona 

na 

wejście 

elementu 

wzmacniającego, zwanego 

regulatorem.

Regulatorem

  nazywamy  układ,  którego  zadaniem  jest 

zmienianie  sygnału  wejściowego  obiektu  najmniej  tak,  aby 

sygnał błędu był jak najmniejszy, czyli aby sygnał regulowany 

najmniej różnił się jak najmniej od sygnału sterującego 

s

.

Regulator 

niekoniecznie 

musi 

być 

elementem 

wzmacniającym. Może nim nie być wówczas, gdy sam obiekt 

ma charakter elementu wzmacniającego.

Dla 

pracy 

zamkniętego 

układu 

automatyki 

konieczne  jest  bowiem,  aby  co  najmniej  jeden  z 

występujących  w  tym  układzie  elementów  był 

elementem  wzmacniającym.  Jest  to  oczywiste  z 

energetycznego punktu widzenia. 

W olbrzymiej większości przypadków zachodzących 

w  praktyce, 

elementami  wzmacniającymi 

w 

układach automatyki są regulatory.

Praca  układu  regulacji  automatycznej  może  być 

słownie  opisana  w  ten  sposób:  wywołana 

zakłóceniami 

z

1

, z

2

 

zmiana sygnału regulowanego 

y

 powoduje powstanie sygnału błędu 

e. 

Sygnał  błędu 

e

,  wprowadzony  na  wejście 

regulatora,  powoduje  powstanie  na  jego  wyjściu 

sygnału 

x, 

który  będąc  jednocześnie  sygnałem 

wejściowym dla obiektu powoduje zmianę sygnału 

regulowanego 

y 

tak,  aby  różnica 

y  —  s 

była  jak 

najmniejsza. 

Układ  regulacji  automatycznej  tworzy  więc  układ 

zamknięty,  pracujący  na  zasadzie  tzw

.

 

sprzężenia 

zwrotnego

.

W automatyce wszelkie spotykane układy – noszą nazwę 

U S A 

–

 

Układów Sterowania Automatycznego

.

Klasyfikację układów regulacji automatycznej można 
przeprowadzić na różne sposoby, biorąc pod uwagę rozmaite 
czynniki, które mają o niej decydować: 

                                       

                                       

U S A

U S A

                       

                       

              

              

ZWYKŁE        ROZGRYWAJĄCE        ADAPTACYJNE

ZWYKŁE        ROZGRYWAJĄCE        ADAPTACYJNE

Układy Zwykłe 

dzielimy na:

•  Otwarte

•  Zamknięte

•  Kombinowane

Sterowanie u w 

układzie otwartym 

polega na

nastawianiu  wielkości  wejściowej  x,  aby  znając 

charakterystykę  obiektu sterowania  OS  otrzymać 

na wyjściu pożądaną wartość y. 

Jest to układ, w którym na regulator nie 

oddziaływują wielkości związane z obiektem 

sterowania. W analizie tych układów często 

uwzględnia się zakłócenia z.

US - urządzenie sterujące      EW - element 

wykonawczy                          

OS - obiekt sterowania           EP – element pomiarowy  

     

y

0

 - wielkość zadana                u' - sygnał sterujący na 

wyjściu 

u - sygnał sterujący                 z – zakłócenia                  

       

y – wielkość sterowana

Zamknięty układ sterowania (układ regulacji 

automatycznej) – układ w którym na sygnał sterujący 

obiekt u ma wpływ sygnał wyjściowy y.

R – regulator                           EW - element 
wykonawczy
OS - obiekt sterowania          EP – element 
pomiarowy
y

0

 - wielkość zadana               u' - sygnał sterujący 

na wyjściu R
u - sygnał sterujący                z - zakłócenia
y - wielkość regulowana       e – uchyb regulacji  e = 
y

0

 - y

m

y

m

 - wielkość regulowana pomierzona przez EP

Klasyfikacja układów regulacji 
automatycznej

A. Ze względu na zadanie, jakie spełnia dany układ: 

• Układy stabilizacji automatycznej,

• Układy sterowania sekwencyjnego,

• Układy śledzące,

• Układy regulacji programowej,

• Układy regulacji optymalnej (ekstremalnej).

B. 

Ze względu na liczbę parametrów regulowanych 

jednocześnie w tym samym obiekcie:

•Układy regulacji jednej zmiennej

•Układy regulacji wielu zmiennych

C. 

Ze względu na rodzaj elementów, z jakich składa się układ:

•Układy liniowe

•Układy nieliniowe

lub inny ogólny podział:

•Układy regulacji ciągłej

•Układy regulacji przerywanej

D

. Ze względu na sposób pomiaru wielkości regulowanej:

•Układy analogowe

•Układy cyfrowe

A  Podział układów regulacji automatycznej ze względu na 

zadanie, jakie spełnia dany układ: 

Układy stabilizacji automatycznej 

– sygnał sterujący ma 

stałą, raz nastawioną wartość,

 s = const

. 

W procesie regulacji 

układ ma za zadanie utrzymać stała wartość sygnału 

regulowanego

 

y

 

równą

 

s

. 

Przykład: układ regulacji automatycznej napięcia generatora, 

układ regulacji automatycznej temperatury pary 

podgrzewanej w kotłach parowych. 

 

Układy śledzące 

– sygnał sterujący 

s

 jest nieznaną funkcją 

czasu. Zmiany 

s

 nie zależą od procesu zachodzącego 

wewnątrz układu regulacji automatycznej, ale są wywołane 

zjawiskami występującymi zewnątrz układu. W procesie 

regulacji sygnał regulowany 

y

 śledzi zmiany sygnału 

sterującego 

s

. (są to tzw. 

układy nadążne

). 

Przykład: radarowe układy nadążne artylerii przeciwlotniczej. 

Układy 

sterowania 

sekwencyjnego 

– 

ich 

zadaniem  jest  zapewnienie  wykonania  składowych 

operacji  procesu  technologicznego  w  określonej 

kolejności. 

Sterowanie sprowadza się do załączania i wyłączania 

poszczególnych  urządzeń  procesu  i  realizowane  jest 

najczęściej przez układy przełączające.

• Układy regulacji programowej 

– są szczególnym przypadkiem 

układów śledzących. O regulacji programowej mówimy wówczas, gdy 

sygnał sterujący jest znana, z góry określoną funkcją czasu 

s(t)

, czyli 

zmienia się według pewnego programu.

Przykład : układy regulacji automatycznej obrabiarek, wykonujących jakiś 

element o z góry określonym profilu.

 

• Układy regulacji  optymalnej (ekstremalnej )– 

Regulację 

ekstremalną stosuje się wówczas, gdy charakterystyka statyczna obiektu 

jest krzywa ekstremalną (posiada maksimum względnie minimum). 

Może się zdarzyć, że położenie tego ekstremum ulega przesuwaniu w 

zależności od wartości pewnych sygnałów zakłócających. 

Zadaniem układów regulacji ekstremalnej jest utrzymywanie wielkości 

regulowanej y stale na wartości maksymalnej. 

B. Podział układów regulacji automatycznej ze względu na 

liczbę parametrów regulowanych jednocześnie w tym samym 

obiekcie:

W zautomatyzowanych obiektach przemysłowych liczba sygnałów 

wyjściowych (regulujących) jest najczęściej równa liczbie sygnałów 

wejściowych (sygnałów regulowanych). W takich przypadkach automatyzację 

można rozwiązać przez zastosowanie regulatorów jednowejściowych i 

jednowyjściowych.

Istotną  cechą  regulacji  wielu  zmiennych  jest  to,  że  tylko  w  pewnych 

specjalnych  przypadkach  każdy  z  obwodów  regulacji  poszczególnych 

zmiennych  można  rozpatrywać  niezależnie,  pomijając  wpływy  innych 

obwodów. 

Na  ogół  zachodzi  jednak  konieczność  uwzględnienia  wzajemnego 

oddziaływania między obwodami. Stanowi to właśnie o specyfice układów 

regulacji wielu zmiennych i decyduje o wprowadzeniu do ich analizy nieco 

szerszego  aparatu  matematycznego  (rachunek  macierzowy)  i  nieco 

ogólniejszych  pojęć  (macierzowa  funkcja  przejścia)  niż  te,  które  są 

stosowane w analizie układów o jednej zmiennej regulowanej.

C.  Podział układów regulacji automatycznej ze względu na 
rodzaj występujących w nich elementów.

Najbardziej ogólnym podziałem układów regulacji automatycznej ze względu na 

rodzaj występujących w nich elementów jest podział na układy liniowe i nieliniowe. 

y

x

y

x

Charakterystyka elementu dwupołożeniowego   Charakterystyka 
elementu trójpołożeniowego

Układami liniowymi 

są takie układy, których wszystkie elementy 

spełniają 

zasadę superpozycji

, tzn. są liniowe. Jeżeli chociaż jeden 

z elementów układu jest elementem nieliniowym, to cały układ nie 

spełnia zasady superpozycji, a więc jest 

układem nieliniowym

.

W układach regulacji nieliniowej wyróżniamy układy regulacji 

dwu-

 

i 

trójpołożeniowej

, jako najczęściej, spotykane w praktyce. Cechuje 

je obecność elementów o charakterystykach pokazanych na 

rysunku powyżej.

 Innym, bardzo ogólnym podziałem, jest podział układów regulacji 

automatycznej na układy regulacji 

ciągłej

 i układy regulacji 

nieciągłej

, czyli 

przerywanej

 (

impulsowej

).

Schemat blokowy układu regulacji dwupołożeniowej i trójpołożeniowej

Istotną cechą regulacji impulsowej jest obecność impulsatora w 

głównym obwodzie przenoszenia sygnałów, tak jak to pokazano na 

rysunku poniżej

Zadaniem impulsatora jest przekształcenie ciągłego przebiegu 

e(t)

 

na  ciąg  impulsów 

x

.  Układy  regulacji  impulsowej  znajdują  częste 

zastosowanie  w  automatyce  przemysłowej  i  w  tych  wszystkich 

zagadnieniach,  w  których  zachodzi  konieczność  przesyłania 

sygnałów na duże odległości.

Schemat blokowy układu regulacji impulsowej

D. Podział układów regulacji automatycznej ze względu na 

sposób pomiaru wielkości regulowanej (układy analogowe i 

cyfrowe)

Istotą  układów  cyfrowych,  odróżniającą  je  od  pozostałych 

układów — analogowych, jest sposób prowadzenia pomiaru 

zmiennej regulowanej. 

W 

układach 

analogowych 

wynik 

pomiaru 

jest 

przedstawiony  w  postaci  wielkości  fizykalnej,  związanej  z 

wielkością  regulowaną  określoną  zależnością  funkcyjną, 

(np.  wysokość  słupa  rtęci  proporcjonalna  do  ciśnienia  lub 

napięcia  potencjometru  proporcjonalne  do  kąta  skręcenia 

jego osi).

W  układach  cyfrowych  zakres  zmian  wielkości  regulowanej 

dzieli  się  na  odpowiednio  dużą  ilość  części  i  każdej 

przyporządkowuje  kolejno  odpowiednią  liczbę,  np.  od  l  do 

100. 

Sygnałem regulowanym są wtedy liczby, które porównuje się 

z liczbami reprezentującymi sygnał sterujący. 

Węzeł  sumacyjny  ma,  więc  w  takim  przypadku  charakter, 

bardzo 

prostego, 

elementu 

maszyny 

matematycznej, 

dokonującego porównania dwóch liczb przekazującego wynik 

pomiaru regulatorowi. 

Ten  wynik,  który  jest  również  liczbą,  przed  wprowadzeniem 

na  regulator  przekształca  się  na  sygnał  o  przebiegu  ciągłym 

(analogowym).