Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
21.09.2016
1
Automatizační technika
Úvod do automatizace
Akademický rok 2016/2017
Připravil: Radim Farana
Obsah
• Obsah předmětu
• Cíl předmětu
• Požadavky na absolvování
• Základní pojmy z teorie systémů
• Základní pojmy z teorie řízení
2
Obsah předmětu
3
1. ÚVOD DO AUTOMATIZACE (dotace 2/2)
a. Mechanizace, automatizace, kybernetika.
b. Vývoj automatizační techniky.
c. Pomocné vědní obory.
d. Seznámení se systémem práce v laboratoři, s
bezpečností práce a s náplní jednotlivých
cvičení.
6. TECHNICKÉ PROSTŘEDKY AUTOMATIZACE - II.
(dotace 2/2)
a. Snímače neelektrických veličin (nové a
perspektivní směry).
b. Stabilita systémů 1. - Numerické cvičení.
11. PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY (dotace
2/2)
a. Konstrukční provedení
b. Postup vytváření řídicího programu a jeho
technická realizace.
c. A/D a D/A převodníky. LC.
2. ZÁKLADY TEORIE INFORMACE (dotace 2/2)
a. Základní pojmy přenosu informací.
b. Prostředky sběru, zobrazování, přenosu,
zpracování a úschovy dat.
c. Simulace dynamických systémů. LC.
d. Bloková schémata. LC.
7. ELEKTRONIKA V AUTOMATIZAČNÍ TECHNICE
(dotace 2/2)
a. Elektromechanické, elektronické a
mikroelektronické prvky.
b. Princip a aplikace.
c. Stabilita systémů 2. - Numerické cvičení.
12. POČÍTAČOVÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY (dotace 2/2)
a. Integrované měřicí a komunikační systémy.
b. Speciální aplikace - palubní počítače,
monitorovací systémy.
c. Konzultační a demonstrační cvičení.
3. TEORIE AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ (dotace 2/2)
a. Popis dynamického systému.
b. Přenosové funkce.
c. Regulátory.
d. Simulace dynamických systémů. LC.
e. Systém 1. řádu. LC.
8. ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ REGULAČNÍCH
ODCHYLEK. (dotace 2/2)
a. Magnetické, hydraulické, pneumatické a
elektronické zesilovače.
b. Matematické obvody.
c. Tvarování signálů.
d. Potenciometrické snímače. LC.
13. ÚVOD DO PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ (dotace
2/2)
a. Základní stavební jednotky a kinematika
soustav.
b. Roboty a manipulátory, praktická ukázka na
pracovišti VUT - exkurze
4. STABILITA SYSTÉMŮ (dotace 2/2)
a. Kriteria stability - algebraická
b. Kriteria stability - frekvenční
c. Praktické metody nastavování optimálních
parametrů regulačních obvodů
d. Simulace dynamických systémů. LC.
e. Systém 2. řádu. LC.
9. AKČNÍ ČLENY (dotace 2/2)
a. Elektrické, mechanické, pneumatické,
hydraulické a kombinované.
b. Ovládání akčních členů.
c. Selsyny - přenos úhlových výchylek,
elektrická pracovní hřídel. LC.
d. Reléové ovládací obvody, spínací vlastnosti
relé. LC.
14. ROBOTY A MANIPULÁTORY (dotace 2/2)
a. Zásady projektování linek a aplikace linek v
zemědělských a zpracovatelských technologiích.
b. Vyhodnocení zpracovaných protokolů,
zápočet.
5. TECHNICKÉ PROSTŘEDKY AUTOMATIZACE - I.
(dotace 2/2)
a. Snímače neelektrických veličin (princip,
provedení, aplikace)
b. Simulace dynamických systémů. LC.
c. Analýza regulačního obvodu LC.
10. TELEMECHANIKA (TELEMETRIE) (dotace 2/2)
a. Druhy přenosových cest.
b. Způsoby kódování, zpracování signálů,
zabezpečovací obvody.
c. Logické ovládací a regulační obvody. LC.
21.09.2016
2
Cíl předmětu
• Co je cílem předmětu?
4
Doporučená literatura
• ŠVARC, Ivan, Radomil MATOUŠEK, Miloš ŠEDA a Miluše
VÍTEČKOVÁ. Automatické řízení. Vyd. 2. Brno: Akademické
nakladatelství CERM, 2011, 348 s. ISBN 978-80-214-4398-3.
• VÍTEČKOVÁ, Miluše a Antonín VÍTEČEK. Základy
automatické regulace. Ostrava: VŠB - Technická univerzita,
2006. ISBN 80-248-1068-9. S laskavým svolením autorů byla
tato publikace podkladem k následujícím prezentacím.
• TŮMA, Jiří, Renata WAGNEROVÁ, Radim FARANA, Lenka
LANDRYOVÁ. Základy automatizace. [on-line]. Ostrava:
VŠB-TU Ostrava, 2007, 288 s. Dostupný z www:
URL:http://www.elearn.vsb.cz/archivcd/FS/Zaut/. ISBN 978-
80-248-1523-7
5
Kybernetika
• Wiener: Kybernetika je
věda o řízení a sdělování
v živých organismech
a ve strojích.
• ale také: Kybernetika je věda o sběru,
přenosu a zpracování informace.
Wiener, Norbert
* 26. 1. 1894 Columbia, Mo. USA
+ 18. 3. 1964 Stockholmhttp://en.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener
21.09.2016
3
Informatika
• Informatika je věda
o zpracování informace,
zejména za pomoci
automatizovaných prostředků
Shannon, Claude Elwood
* 30. 4. 1916 Petoskey, Mich. USA
+ 24. 2. 2001 Medford, Mas. USAhttp://www.ieee.org/web/aboutus/history_center/biog
raphy/shannon.html
Kybernetika Informatika
Teorie systémů
• Teorie systémů je vědní obor,
součást teoretické kybernetiky.
• Zabývá se zkoumáním systémů
z metodologického aspektu.
• Základy teorie systémů položil Ludwig von
Bertalanffy v letech 1949 - 1952 na základě vzniku
specifických problémů při zkoumání složitých
objektů napříč různými vědními obory.
8
Karl Ludwig von Bertalanffy
* 19. 9. 1901 Atzgersdorf
+ 12. 6. 1972 Buffalohttp://bourabai.kz/dm/img/Ludwig_Bertalanffy.jpg
Systém
• Systém je uspořádanou množinou prvků, mezi
nimiž působí vzájemné vazby (vztahy, relace), v
jejichž důsledku je docilováno takového chování
celku vůči okolí, které není dosažitelné
působením pouhého souboru jeho vzájemně
neprovázaných prvků.
9
Systémvstupy výstupy
okolí
21.09.2016
4
Klasifikace systémů
1) z hlediska vztahu k okolí
• uzavřený systém – nemá vstup ani výstup
• otevřený systém – má aspoň jeden vstup nebo výstup
2) z hlediska zákonitostí vymezujících průběh funkcí systému
• deterministické systémy – zákonitosti (hodnoty proměnných)
vymezující chování systému jsou jednoznačně
určeny (např. logické obvody)
• stochastické systémy – funkce systému jsou popisovány
zákonitostmi pravděpodobnostními (proměnné se chovají
náhodně), tzn., že chování systému může mít při týchž podnětech a
témže stavu více variant, a to každou s určitou pravděpodobností.
(např. hrací kostky, poruchy)
• neurčité (fuzzy, rozmazané) systémy – jejich funkce nelze vyjádřit
žádnou zákonitostí (např. relace málo, dostatečně, mnoho...)
10
Klasifikace systémů
3) z hlediska reálné existence systémů
• reálné systémy – objektivně existují (např. robot)
• abstraktní systémy – představované imaginárními prvky (např.
matematické modely systému, simulační modely)
4) z hlediska vztahu k času
• statické systémy – jejich výstupy jsou určeny pouze jejich vstupy
• dynamické systémy – jejich výstupy jsou ovlivněny jejich vstupy a
předchozím stavem (časem)
5) z hlediska změn chování v čase
• stacionární (invariantní k času) systémy – jejich chování (vlastnosti,
parametry) se v čase nemění.
• nestacionární (variantní k času) systémy – jejich chování (vlastnosti,
parametry) se v čase mění (např. opotřebením).
11
Klasifikace systémů
6) z hlediska časového průběhu veličin
• spojité systémy – všechny veličiny jsou dostupné v každém čase.
• diskrétní systémy – hodnoty všech veličin jsou dostupné jen v určitých
okamžicích.
• hybridní systémy – hodnoty nejméně jedné veličiny jsou dostupné jen
v určitých časových okamžicích.
…
12
21.09.2016
5
Automatická regulace
13
ŘÍDICÍ
PODSYSTÉM
ŘÍZENÝ
PODSYSTÉM
CÍL
ŘÍZENÍ
ŘÍZENÍ
STAV
VÝSLEDEK
ŘÍZENÍ
PORUCHY
Schéma obecného systému řízení
Úkolem systému řízení je působit řídicím podsystémem na řízený podsystém
tak, aby výsledek řízení byl v souladu s cílem řízení. Toto cílené působení
řídicího podsystému na řízený podsystém se nazývá řízení.
Řídicí podsystém může kvalitněji plnit cíl řízení, pokud je informován
o poruchách a pomocí zpětné vazby o stavu řízeného podsystému.
Regulace versus ovládání
14
REGULUJÍCÍ
PODSYSTÉM
REGULOVANÝ
PODSYSTÉM
ŽÁDANÁ
VELIČINAREGULOVANÁ
VELIČINA
PORUCHY
ZÁPORNÁ ZPĚTNÁ VAZBA
OVLÁDACÍ
PODSYSTÉM
OVLÁDANÝ
PODSYSTÉM
ŽÁDANÁ
VELIČINA
OVLÁDANÁ
VELIČINA
PORUCHY
Systém ovládání
Systém regulace
Regulační obvod
15
REGULOVANÁ
SOUSTAVAREGULÁTOR
w e u y
PORUCHY
Obecné blokové schéma regulačního obvodu
w – žádaná veličina
e – regulační odchylka: e = w - y
u – akční veličina
y – výstupní veličina
21.09.2016
6
Cíl regulace
16
Úkolem regulačního obvodu je zajištění těchto požadavků, což může být
vyjádřeno cílem regulace. Cíl regulace může být formulován ve dvou
vzájemně ekvivalentních tvarech.
Pomocí vhodně zvoleného regulátoru a jeho seřízení vytvořit takovou
akční veličinu u, která bez ohledu na negativní působení poruchových
veličin zajistí, aby:
a) regulovaná veličina y byla v každém časovém okamžiku blízká
(ideálně, aby se rovnala) žádané veličině w, co může být vyjádřeno
vztahem: wy b) regulační odchylka byla v každém časovém okamžiku blízká
nule (ideálně, aby byla nulová), co může být vyjádřeno vztahem
0e
Úkoly regulátoru
regulátor má v podstatě dvojí funkci spočívající v zajištění:
• sledování žádané veličiny w regulovanou veličinou y,
• potlačení negativního vlivu poruchových veličin na činnost
regulačního obvodu.
Tam, kde není explicitně vyjádřena nezávisle proměnná, vztahy
a závěry platí jak pro spojité regulační obvody (regulační
obvody s analogovými regulátory), tak pro diskrétní regulační
obvody (regulační obvody s číslicovými regulátory).
17
Přístrojová skladba běžného
regulačního obvodu
18
POHONw y
PORUCHY
NÁSTAVNÝ
ČLEN
ÚSTŘEDNÍ
ČLEN
REGULAČNÍ
ORGÁNPROCES
VYSÍLAČ
AKČNÍ ČLEN
SUMAČNÍ UZEL
(POROVNÁVACÍ ČLEN)
INFORMAČNÍ
UZEL
REGULÁTOR REGULOVANÁ SOUSTAVA
SNÍMAČ
21.09.2016
7
Třídění regulačních obvodů
1) podle funkce, kterou plní (podle cíle regulace) – regulační obvody:
• stabilizující (na konstantní hodnotu), žádaná veličina je nastavena
na konstantní hodnotu;
• programové – s časovým programem (žádaná veličina je
nenáhodná časová funkce) a s parametrickým programem (žádaná
veličina je nenáhodná funkce určitého parametru);
• sledovací (servomechanismy), žádaná veličina může být náhodná
i nenáhodná funkce času nebo nějakého parametru;
• extremální (optimalizační), regulovaná veličina je udržována na
maximální, nebo minimální (tj. extrémní) hodnotě;
2) podle počtu hlavních regulovaných veličin – regulační obvody:
• jednorozměrové (jednorozměrné), v regulačním obvodě vystupuje
jedna hlavní regulovaná veličina;
• mnohorozměrové (vícerozměrné), v regulačním obvodě vystupuje
více hlavních regulovaných veličin;
19
Třídění regulačních obvodů
3) podle struktury – regulační obvody:
• jednoduché, v regulačním obvodě vystupují pouze základní vazby;
• rozvětvené, v regulačním obvodě vystupují i jiné vazby než
základní;
4) podle časového průběhu veličin – regulační obvody:
• spojité (analogové), všechny veličiny jsou v čase spojité;
• diskrétní, všechny veličiny jsou v čase diskrétní;
• hybridní, alespoň jedna veličina v čase je diskrétní;
5) podle způsobu seřizování regulátoru – regulační obvody:
• s pevným nastavením, nastavení regulátoru je pevné;
• adaptivní, nastavení regulátoru nebo jeho struktura se mění
v závislosti na měnících se vlastnostech regulované soustavy,
poruch a průběhu žádané veličiny;
20
Třídění regulačních obvodů
6) podle matematických modelů – regulační obvody:
• lineární, matematické modely všech členů jsou lineární (platí pro ně
princip superpozice);
• nelineární, matematický model alespoň jednoho členu je nelineární.
21
21.09.2016
8
Druhy regulačních obvodů
22
R
w=w A( )
w=w t
w=konst
( )e u y
S
v
Pro w = konst. jde o stabilizující regulaci, neboli o regulaci na
konstantní hodnotu. Je to nejběžnější typ regulace, kdy regulovaná
veličina y se udržuje na konstantní hodnotě, v ideálním případě rovné
nastavené žádané hodnotě w.
Pro w = w(t), kde w(t) je konkrétní zadaná časová funkce, jde
o regulaci s časovým programem.
Pro w = w(A), kde w(A) je konkrétní zadaná funkce parametru A, jde o
regulaci s parametrickým programem. Tato regulace se také nazývá
vlečná.
Působení poruchových
veličin na regulovanou
soustavu je vyjádřeno
agregovanou (souhrnnou)
poruchovou veličinou v.
Servomechanismus
23
R+Se y
v
w
Servomechanismus, tj. sledovací regulační obvod. Nejčastěji se jedná o
regulaci polohy (natočení), rychlosti (úhlové rychlosti), příp. zrychlení
(úhlového zrychlení), při čemž w = w(t) je většinou náhodná časová
funkce. Při této regulaci, např. změnu polohy žádané veličiny w, pro
kterou je třeba nepatrné síly, lze převést na odpovídající změnu polohy
regulované veličiny y při mnohonásobně větší zátěži. Takovými
regulačními obvody jsou např. různé posilovače řízení, korektory u
regulačních pohonů, kopírovací zařízení atd. Zásadní rozdíl mezi
programovou a sledovací regulací spočívá v tom, že na výstupní straně
jde většinou o veliké výkony, že vliv poruchových veličin je většinou
zanedbatelný a že servomechanismy se nerozdělují na regulátor a
regulovanou soustavu.
Dvourozměrný regulační obvod
24
R1
e1 y1
v
w1
R2
e2w2
Sy2
u1
u2
Dvourozměrový regulační obvod obsahuje dva regulátory R1
a R2, dvě hlavní regulované veličiny y1 a y2 a dvě odpovídající
žádané veličiny w1 a w2. Úkolem tohoto regulačního obvodu je
zajištění cíle regulace pro obě regulované veličiny
21.09.2016
9
Extremální regulační obvod
25
Extremální regulační obvod se skládá z extremálního regulátoru
označeného písmeny ER a extremální soustavy označené písmeny ES.
Extremální soustava musí mít v pracovní oblasti unimodální statickou
charakteristiku (tj. obsahující pouze jediný extrém požadovaného druhu –
maximum, nebo minimum).
Cílem extremální regulace je vyhledat na statické charakteristice
extremální soustavy extrém požadovaného druhu a regulovanou veličinu
y na něm udržovat i když tento extrém při působení poruch neustále
mění svoji polohu (např. optimální spalovací proces).
ERu y
ES
v
a)
y
u
b)v1 v2 v3
Dvou- a třípolohová regulace
26
Dvou- a třípolohová (reléová) regulace patří mezi nejjednodušší druhy
nespojitého zpětnovazebního řízení (jde o nespojitost v úrovni). Nejčastěji jde
např. o regulaci teploty vzduchu v místnosti, chladničce, mrazničce, elektrické
troubě, dále o regulaci teploty a výšky hladiny vody v automatické pračce,
atd. Hlavním důvodem používání dvou- a třípolohové regulace je velmi nízká
cena a poměrně vysoká spolehlivost jak vlastního regulátoru, tak i akčního
členu.
B B
B
B
B B
0 e
u
0h
0 e
u
0h
0 e
u
h
0 e
u
h
a) b)
Charakteristiky dvoupolohového regulátoru:
a) nesymetrického
• bez hystereze (h = 0)
• s hysterezí (h > 0),
b) symetrického
• bez hystereze (h = 0)
• s hysterezí (h > 0)
Dvou- a třípolohová regulace
27
2
a
2
a
B
2
a
2
a
B
BB
0 e
u
0h
0 e
u
h
h
Charakteristiky symetrického třípolohového
regulátoru
• bez hystereze (h = 0)
• s hysterezí (h > 0)
kde je
B – amplituda,
h – šířka hystereze,
a – necitlivost.
21.09.2016
10
Dvou- a třípolohová regulace
28
Pokud charakteristika regulátoru je bez hystereze (tj. bez paměti), jde o jeho
statickou charakteristiku. V případě charakteristiky s hysterezí (tj. s pamětí),
přesně vzato nejde o statickou charakteristiku (proto se také hovoří pouze o
charakteristikách).
e
uw
2v
ye
1v
sTd
sT
k
e
11
1
Blokové schéma obvodu nesymetrické dvoupolohové
regulace s hysterezí
Dvou- a třípolohová regulace
29
t
B
) ( t u
0
t
y Δ
y T
d T
d T d T
0
min y
d y
w
h y
1 T
1 T 1 T
B k y 1 max
) ( t y
0
h
B
e
u
ZAPNUTO
VYPNUTO
Průběh regulované y(t) a akční veličiny u(t)
v obvodu dvoupolohové regulace
Číslicová regulace
strana 30
S rozvojem číslicové techniky a současně s poklesem její ceny se i v regulaci
stále častěji používají i číslicové regulátory, které v diskrétní formě realizují
stejné algoritmy jako odpovídající analogové regulátory.
w(kT) e(kT)y(t)
u(kT) v(t)
ČR Č/A S
uT(t)
A/Čy(kT)