Připravil: Radim Faranaqqfarana/ATE-AF/ATE_AF_01.pdf · 2016. 9. 21. · 21.09.2016 1 Automatizační technika Úvod do automatizace Akademický rok 2016/2017 Připravil: Radim Farana

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)