Propedeutyka automatyki Wykład

Literatura.

W.J.Klimasara, Z.Piłat. Podstawy automatyki i robotyki. WSiP W-wa 2006

Praca zbiorowa pod redakcją Prof.dr inż. Mariusza Olszewskiego. Układy i
systemy mechatroniczne. Część 1, Część 2, Wydawnictwo REA , Warszawa
2009

Praca zbiorowa pod redakcją Prof.dr inż. Mariusza Olszewskiego. Podstawy
mechatroniki, Wydawnictwo REA , Warszawa 2008

Andrzej Dębowski. Automatyka. Podstawy teorii. WNT. Warszawa 2008

PA. Podstawowe pojęcia

Automatyka

- "dyscyplina zajmująca się podstawami teorii i praktyczną

realizacją  urządzeń  sterujących  procesami  (głównie  technologicznymi)  bez
udziału  lub  z  ograniczonym  udziałem  człowieka"    -  wg.  słownika  języka  polski.
Słowo  automatyka  zostało  wymyślone  w  Ford  Motor  Company  w  latach
czterdziestych  ubiegłego  wieku.  Oznaczało  ono  zespołowe  działanie  w  wielu
połączonych ze sobą maszyn.
Dzisiaj

metody

automatyki

są

wykorzystywane

również

naukach

ekonomicznych (planowanie, organizacja, zarządzanie ), medycznych i rolniczych.

Robot

"maszyna, urządzenie techniczne imitujące działanie (czasem nawet

wygląd)  człowieka,  odznaczające  się  określonym  stopniem  automatyzacji".  W
roku  1920  czeski  pisarz  Karel  Capek  wydał  sztukę  zatytułowaną  "R.  U  .R.",  w
której po raz pierwszy użył terminu robot dla określenia rozumnego urządzenia
wspomagającego  pracę  człowieka  (robota  w  języku  czeskim,  i  polskim  oznacza
pracę).

Robotyka -

"nauka zajmująca się projektowaniem i zastosowaniem robotów,

ich mechaniką i sterowaniem". – wg. Słownika języka polskiego.

Automatyzacją i robotyzacją. -

zastosowanie urządzeń automatyki i

robotyki. Zautomatyzowanie i zrobotyzowanie, gospodarki świadczy o jej
stopniu rozwoju technologicznego. W zakres automatyzacji oprócz działań
czysto technicznych wchodzą również działania o charakterze organizacyjnym i
zarządzającym.

PA. Podstawowe pojęcia

Mechanizacja

– pierwszy etap poprawy efektywności pracy

mechanizacja prosta - podstawowe operacje wykonywane za pomocą

narzędzi i siły mięśni (maszyna do szycia),

mechanizacja częściowa - wykorzystanie maszyn do wykonywania

operacji złożonych lub grupy operacji (dostarczanie energii przez
maszynę parową),

mechanizacja kompleksowa - realizacja całego procesu technologicznego

lub jego wyodrębnionej części w ciągu stanowisk pracy ręcznej,
zmechanizowanych w sposób prosty lub częściowy(np. montaż suszarek
do włosów).

Granica między mechanizacją a automatyzacją - trudno obecnie
jednoznacznie

określić.

Cechą

wyróżniającą

automatyzację

jest

podejmowanie decyzji przez urządzenie lub system.

Przykłady mechanizacji i automatyzacji – obsługa prasy.

Mechanizacja  –  Człowiek  zakłada  na  prasę  element  wejściowy
(przygotówkę),  naciska  dwa  przyciski  startowe,  odbiera  detal  i  odkłada
go do magazynu po wykonaniu cyklu obróbki.
Operacje  załadunku  i  rozładunku  wykonuje  człowiek.  Maszyna  wykonuje
tylko operacje prasowania.

Automatyzacja  -.  Blacha  dostarczana  jest  na  prasę  przez  maszynę
podającą  (podajnik).  Po  otrzymaniu  sygnału  o  obecności  blachy  w
przestrzeni roboczej (prasowania) prasa rozpoczyna cykl prasowania.  Po
wykonaniu  cyklu  prasowania  detal  bez  udziału  człowieka  odkładany  jest
do magazynu.
Operacje  załadunku  i  rozładunku,  operacje  prasowania  wykonuje
maszyna. Człowiek nadzoruje proces

PA. Podstawowe pojęcia

Czynniki wpływające na mechanizację i automatyzację procesu
technologicznego

Rachunek ekonomiczny.

•koszt wdrożenia zaawansowanych technologii,

•koszt pracy ludzkiej,

•poprawa konkurencyjności,

Aspekty społeczne i humanitarne .

•zmniejszenia zatrudnienia w początkowym okresie,

•zmiana jakości pracy (współcześnie w zaawansowanych technologicznie
krajach). W miejsce likwidowanych miejsc pracy prostej powstają nowe,
wymagające

wysokich

kwalifikacji,

związane

obsługą

oprogramowaniem

systemów

automatyki,

programowaniem

sterowników, robotów oraz nadzorem nad utrzymaniem ich w ruchu,

•humanizacja pracy.

Wprowadzanie automatyzacji, z równoczesnym przekwalifikowaniem
załogi, jest często w związku z globalizacją i wzrostem konkurencyjności.
jedynym sposobem obrony pozycji firmy na rynku i utrzymania miejsc
pracy.

PA. Podstawowe pojęcia

Obiekt

- podstawowe, a jednocześnie jedno z najszerszych pojęć

automatyki. Obiektem może być: narzędzie, urządzenie, instalacja, a
także realizowany proces.

Określenia spotykane w literaturze:

•obiekt sterowany, to obiekt podlegający automatyzacji,

•obiekt elementarny ( najmniejszy, niepodzielny),

• obiekt złożony (grupa obiektów elementarnych) nazywany również

układem lub systemem

•proces sterowany lub po prostu - proces.

Sygnał

- Oznacza on wielkości fizyczne niosące ze sobą informację.

Pojęcie sygnał związane jest również z przepływem energii, masy i
ładunku.

Przykłady: impuls diody z pilota przesłany do telewizora, ciepło palnika,
strumień wody dopływający do zbiornika np. jeziora. Sygnały są
zawiązane z obiektami.

Sygnały wejściowe - sygnały działające na obiekty.
Sygnały wyjściowe - sygnały wytwarzane przez obiekty.

Podział sygnałów wejściowych:

•sygnały wejściowe sterujące lub po prostu sterowania. Na te sygnały
możemy mieć wpływ i możemy je kształtować (np. zmniejszyć dopływ wody
do zbiornika domykając śluzę),

•sygnały  wejściowe  zakłócające  lub  po  prostu  zakłócenia.  Sygnały  nie
podlegają  kształtowaniu,  cechuje  je  przypadkowość  i  nieprzewidywalność
(np.  nie  mamy  wpływu  na  zmiany  objętości  wody  w  zbiorniku  wywołane
opadami lub parowaniem).

PA. Podstawowe pojęcia

Oznaczenia grupy sygnałów związane z obiektem w
automatyce:

•u- sygnały wejściowe sterujące,

•z- sygnały wejściowe zakłócające,

•y- sygnały wyjściowe.

Obiekt skalarny lub jednowymiarowym
najprostszy przypadek obiektu sterowanego spotykany bardzo
rzadko, ma jeden sygnał wejściowy i jeden sygnał wyjściowy

Obiekt wielowymiarowy
spotykany powszechnie, ma większą liczbą wejść i wyjść.

PA. Podstawowe pojęcia

Model

– przedstawienie obiektu (systemu) odzwierciedlające

właściwości, stany i zachowania obiektów (systemów) rzeczywistych.
Buduje się dla opisu i analizy obiektów systemu.

Modele fizyczne

- np. makiety, obiekty budowane w skali

(zmniejszone lub zwiększone) modele samolotów do wstępnych badań
w tunelach aerodynamicznych. Wiążą się z kosztami. Podczas badań
model ulega zniszczeniu. Nie odzwierciedla on w pełni właściwości
obiektu docelowego.

Modele matematyczne

- stosowane w automatyce. Służą do

badania

własności

zachowania

się

obiektów

metodami

obliczeniowymi. Dzięki komputeryzacji główny sposób analizy
obiektów w automatyce.

Zmienne - definiowane dla potrzeb budowy modelu matematycznego
obiektu

 zmienne wejścia i wyjścia - w funkcji czasu,

 zmienne stanu lub współrzędne - określają to, co dzieje się
aktualnie z obiektem

Stan  obiektu  (x)  -    najmniejsza  liczba  wartości  zmiennych,
określająca  to,  co  w  danej  chwili  dzieje  się  z  obiektem  i
wystarczającą  do  przewidywania  zachowania  się  obiektu  w
przyszłości.

PA. Podstawowe pojęcia





,........









,........









,........





Wektor

wejść

obiektu;

Wektor stanu
obiektu;

Wektor wyjść
obiektu;

Z (t) - wektor zakłócający. Dla obiektu skalarnego n
= r = 1.
Ogólnie wszystkie zmienne są wektorowe.

PA. Podstawowe pojęcia

Model matematyczny obiektu

stanowi zbiór równań opisujących

wzajemne zależności pomiędzy sygnałami wyjściowymi, wejściowymi i
zakłóceniami.

el powinien być możliwie prosty, lecz wystarczający do realizacji

zadań układu automatyki. Do budowy modelu matematycznego jest
wykorzystywana znajomość obiektu i zachodzących w nim zjawisk,
które opisuje się równaniami.

Teoria  automatyki  daje  pewne  wskazówki,  jakiego  typu  opis  jest
wygodny  dla  pewnych,  charakterystycznych  grup  obiektów.  Postać
równań  matematycznych  modelu  zależy  od  własności  obiektu..
Najczęściej  stosuje  się  układy  równań  różniczkowych  oraz  układy
równań różnicowych.

Identyfikacja

- Bardzo ważny etap sprawdzenie poprawności modelu

matematycznego w porównaniu z obiektem rzeczywistym. Weryfikacji
poddawana jest struktura i przyjęte wartości parametrów.

PA. Podstawowe pojęcia

Sterowanie i regulacja.

Sterowanie - świadome i celowe oddziaływanie na obiekt, z zamiarem
uzyskania określonego oczekiwanego zachowania się obiektu.
Oczekiwane zachowanie się obiektu  opisywane jest przy pomocy
zadanych wartości   wielkości sterowanych
Oczekiwaną wartość  wielkości zadanej (sterowanej)  uzyskuje się przez
dostarczenie do obiektu odpowiednich wejściowych sygnałów
sterujących.
Za wytworzenie odpowiednich sygnałów sterujących odpowiada
regulator  układu sterowania .

Układ sterowania tworzą razem regulator i obiekt.
Do prawidłowego działania regulatora niezbędne jest dostarczenie mu:

•informacji o wartości wielkości zadanej,

•informacji o stanie obiektu,

•rzeczywistej wartości wielkości regulowanej (nie jest to jednak
regułą).

Przykład 1.
Układu sterowania temperaturą w domu. Zadana temperatura wewnątrz domu.
Wariant  l.  Działanie  urządzenia  sterującego  nie  zależy  od  rzeczywistej  temperatury
wewnątrz domu. Moc ogrzewania określamy na podstawie temperaturze na zewnątrz oraz przebiegu
średniej temperatury w ciągu roku.
  Urządzenie  sterujące  zmienia  intensywności  ogrzewania  zgodnie  z  zaplanowanymi  zmianami
znanych  wartości  temperatury  (program).  Jeśli  zmiany  temperatury  otoczenia  będą  inne  niż
zakładane, sterowanie nie będzie skuteczne. Takie urządzenie sterujące jest proste i tanie w realizacji.
Wariant 2. Działanie urządzenia sterującego zależy od rzeczywistej temperatury wewnątrz
domu. Jeżeli temperatura jest za wysoka, ogrzewanie zostaje zmniejszone. Gdy temperatura jest zbyt
niska, ogrzewanie intensyfikuje się.
Urządzenie  sterujące  musi  być  wyposażone  w  czujnik  temperatury  w  pomieszczeniu  oraz  zawierać
układ  przetwarzania  zmierzonej  wartości  do  postaci  akceptowanej  przez  sterownik.  Temperatura  w
domu  okaże  się  bliższa  zadanej  nawet  przy  zmianach  temperatury  otocznia.  Układ  bardziej
skomplikowany i droższy.

Ważny podział
układów.

Otwarty  układ  sterowania.  Działanie  regulatora  nie  jest  powiązane  z
wartością  wielkości  regulowanej  (temperaturą  wewnątrz).  Rzeczywista
wartość  wielkości  regulowanej  (temperatury  wewnątrz)  nie  ma  wpływu
na działanie regulatora. (wariant I).

PA. Podstawowe pojęcia

Zamknięty układ sterowania. Działanie regulatora powiązane jest z
wartością wielkości regulowanej (temperaturą wewnątrz). Jego
działanie zależy od skutków wynikających z jego działania (wariant 2).

Sterowanie w układzie zamkniętym nazywa się regulacją.
Pojęcie sterowania jest szersze niż regulacji. Każda regulacja jest
sterowaniem, ale nie każde sterowanie jest regulacją.
Sprzężenie zwrotne - połączenie informacyjne używane do
kształtowania

sygnału

wejściowego

(tzn.

sterowania)

wykorzystaniem wartości sygnału wyjściowego.

PA. Podstawowe pojęcia

Dwa typy sprzężenia zwrotnego:

•dodatnie - składową pochodzącą od sprzężenia dodaje się do
podstawowego sygnału wejściowego,

•ujemne - składową pochodzącą od sprzężenia odejmuje się od
podstawowego sygnału wejściowego.

W praktyce stosuje się układy zamknięte z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym.

Sygnał  sprzężenia  zwrotnego  wpływa  tylko  częściowo  na  wartość
wielkości  sterującej  wypracowanej  w  regulatorze  (zgodnie  z  jego
algorytmem  i  realizowanym  zadaniem  sterowania).  Tworzy  składową
uwzględnianą

przy

wypracowaniu

końcowej

wartości

sygnału

sterującego, który wysyłany jest do obiektu jako jego sygnał wejściowy.

Stabilność
Układ jest stabilny, gdy po wytrąceniu z równowagi przez różne
zdarzenia wraca po określonym czasie do poprzedniego stanu.
Funkcję układu sterującego, wytwarzającego sygnały dla obiektu, może
spełniać nie tylko regulator ale również człowiek.

Tryby pracy układu sterowania:

•ręczny (manualny) - za sterowanie odpowiada człowiek. Skrót MAN ;
Ręczne  kierowanie  samochodem  w  celu  utrzymania  stałej  prędkości  w
oparciu  o    ogólne  zasady  jazdy,  doświadczenia,  aktualnego  stanu
fizycznego  i  psychicznego.  Człowiek  nie  operuje  w  ogóle  pojęciem
modelu pojazdu

•automatyczny - gdy sygnały sterujące wytwarzane są przez urządzenie,
regulator, sterownik, komputer. Skrót AUTO.

Utrzymanie stałej

prędkości przy pomocy tempomatu. Efekt sterowania zależy od jakości
sterownika, jakości modelu matematycznego pojazdu i algorytmu
sterowania,

PA. Podstawowe pojęcia

Z regulacją automatyczną mamy do czynienia wtedy, kiedy układ
sterowania o strukturze zamkniętej pracuje w trybie automatycznym.

Elementy określające pracę układów sterowania:

•zdefiniowane zadanie sterowania, czyli informacja o celach
sterowania. Ma zwykle postać przebiegu wartości zadanej,

•określony algorytm pracy (algorytm regulacji, algorytm sterowania),
czyli ścisłe określone zasady wypracowania sygnału sterującego
realizującego zadania sterowania.

Algorytm  to  zbiór  reguł  określających,  oddziaływanie  układu
sterowania na obiekt sterowany. Oddziaływanie prowadzi do uzyskania
oczekiwanego  zachowania  obiektu  sterowanego.  Reguły  te  są
opracowywane  na  podstawie  modelu  matematycznego    zachowań
obiektu.

Dział automatyki zajmujący się opracowaniem struktury i algorytmu
regulacji (projektowanie) nosi nazwę - synteza układów sterowania.

Metody syntezy zależą od :

 cech obiektu sterowanego,

 stosowanych metod matematycznych (w tym opisu modelu) oraz

 zadań sterowania.

Regulacja automatyczna - główny temat naszych
rozważań.

PA. Podstawowe pojęcia

Regulacja jednej zmiennej wyjściowej obiektu - typowy najprostszy,
przykład układu sterowania.

Realizacja układów regulacji.

Wejście układu sterowania - wartość zadana y

Uchyb regulacji lub uchyb - sygnał uzyskany przez odjęcie wartość
rzeczywistej od wartości zadanej.

ε = y

– y

Uchyb  jest  podawany  na  wejście  regulatora  R.  Jego  wartość  jest  użyta
do  wypracowania  sygnału  sterującego  u,  który  podawany  jest  na
wejście  obiektu  O. Algorytm działania  regulatora  dąży  do minimalizacji
wartości uchybu.

Przykłady układów sterowania, których zadaniem jest regulacja jednej
zmiennej:

•regulacja poziomu wody w zbiorniku (zapora na rzece),

•regulacja temperatury (żelazko, lodówka),

•regulacja prędkości obrotowej (mikser, wiertarka).

Zadanie sterowania - uzyskanie na wyjściu obiektu sygnału o
wartości zgodnej z wartością zadaną.

PA. Podstawowe pojęcia

Realizacja układówrzeczywistych :

 sygnał wartości zadanej musi mieć swoje źródło - zadajnik.

 węzeł sumacyjny w praktyce jest elementem fizycznym, realizującym

dodawanie / odejmowanie sygnałów. Sygnały, które do węzła
dochodzą, muszą być tego samego typu (muszą mieć ten sam charakter
fizyczny).

 w torze sprzężenia zwrotnego znajduje się zawsze urządzenie

pomiarowe.  składające    się  z  dwóch  części:  czujnika  pomiarowego  i
przetwornika  sygnałów.  Zadaniem  czujnika  jest  zmierzenie  sygnału
wyjściowego z obiektu, natomiast przetwornik przekształca ten sygnał
do  takiej  postaci,  aby  w  węźle  sumacyjnym  mógł  on  być  odjęty  od
wartości zadanej.

 sygnał wartości zadanej nie musi mieć dokładnie takiego samego

charakteru fizycznego, jak sygnał sterowany (wyjściowy z obiektu).

 z węzła sumacyjnego otrzymujemy na wyjściu sygnał uchybu, który

jest sygnałem wejściowym do regulatora.

 sygnał z regulatora najczęściej nie jest podawany wprost do obiektu,

gdyż  po  drodze  znajduje  się  jeszcze  urządzenie  wykonawcze,  które
dostarcza  energię  do  obiektu.  Na  przykład:  Obiektem  jest  zbiornik  z
wodą  a  sterowanie  polega  na  regulacji  temperatury  wody.  Regulator
wypracowuje  sygnał  sterujący  grzałką,  która  stanowi  urządzenie
wykonawcze.

PA. Podstawowe pojęcia

Rodzaj i charakterze sygnałów występujących w układach sterowania

Sygnały przekazywane w układzie sterowania reprezentują wielkości
fizyczne z którymi są związane Dotyczy to zarówno sygnałów wyjściowych,
jak i sterujących.

Ogólnie sygnały można je podzielić na cztery grupy:

•Sygnały  mechaniczne  -  mogą  być  wytwarzane  za  pomocą  krzywek,
dźwigni  itp.  np.  katarynka  -  szybkość  obrotu  bębna  wpływa  na  tempo
odtwarzanego  utworu,    rezerwuar  z  zaworem  pływakowym    -  zmiana
długość dźwigni, zmienia poziom napełnienia rezerwuaru.

•Sygnały hydrauliczne - wytwarzane najczęściej przez czujniki przepływu
(zwężki pomiarowe) lub czujniki ciśnienia, np. podczas regulacji poziomu
wody w zbiorniku na podstawie ciśnienia na jego dnie.

•Sygnały  pneumatyczne  -  wytwarzane  przez  różnego  rodzaju  czujniki
ciśnienia  (membranowe,  mieszkowe).  Są  one  powszechnie  stosowane  w
urządzeniach  automatyki  wykorzystujących  napędy  pneumatyczne,  np.  w
regulatorach ciśnienia w zespole przygotowania powietrza.

•Sygnały elektryczne - obecnie najpopularniejsze. Dla większości wielkości
fizycznych opracowano przetworniki do czujników pomiarowych, dzięki
którym

można

uzyskać

wartość

mierzoną

postaci

sygnału

elektrycznego: analogowego lub cyfrowego. Na przykład w urządzeniach
gospodarstwa domowego zadaną prędkość obrotową silnika ustawia się
za pomocą potencjometru.

Ostatni przykład pokazuje, że wartość zadaną przekazuje się w postaci
sygnału zupełnie innego typu, o zupełnie innym charakterze - prędkość
obrotowa jest zadawana sygnałem napięcia elektrycznego.

PA. Podstawowe pojęcia

Układy i urządzenia automatyki określone przez funkcje sygnału - trzy
podstawowe grupy :

•układy pomiarowe,

•regulatory,

•układy wykonawcze
Podgrupy określone rodzajem sygnału: mechaniczne, hydrauliczne,
pneumatyczne i elektryczne.

Czujniki - pomiar wartości sygnału.

Elementy sensoryczne - mierzone sygnały mechaniczne, elektryczne,
pneumatyczne i hydrauliczne przetwarzane są przez przetworniki na
sygnały elektryczne.

Zadajniki wartości zadanej wysyłają sygnał elektryczny. Często są one
połączone z regulatorem którym najczęściej jest sterownik przemysłowy,
w pamięci którego są zapisane wymagania dotyczące wartości zadanej i
program sterowania realizujący wyliczenie uchybu.

Regulatory - Zdecydowaną przewagę zdobyły regulatory zbudowane z
układów elektronicznych. Operujące sygnałami elektrycznymi.

Układy wykonawcze - podobnie. Coraz częściej są to układy elektryczne,
aczkolwiek  wciąż  jest  w  nich  dużo  mechaniki,  hydrauliki  i  pneumatyki.
Układy  mechaniczne  są  bardzo  szybkie  i  niebywale  trwałe.  Elementy
elektryczne  natomiast  stwarzają  niebezpieczeństwo  powstania  iskry,
więc nie nadają się do pracy w środowisku zagrożonym wybuchem

Document Outline