TSA CURS

TEORIA SISTEMELOR AUTOMATE

Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2

TSA - Informatii generale

•CURS – 2h / saptamina: II MCTR – licenta 4 ani

•LABORATOR - 1h / saptamina: as.ing. Adriana Teodorescu- sala 311

•NOTA_PARCURS = NOTA_LAB x PREZ_CURS / 14

•EXAMEN …..10 subiecte ( 5 subiecte teoretice + 5 probleme)

•NOTA_EXAMEN = Σ(note_subiecte)/10

•NOTA_PSM = 0.36 x NOTA_PARCURS + 0.64 x NOTA_EXAMEN


Cuprins_1

1. Obiectul cursului. Introducere.2. Evolutia sistemelor.3. Ce este mecatronica? Definitie, evolutie, sisteme

mecatronice.4. Conceptia sistemica. 5. Sistem static – sistem dinamic.6. Produs, proces.7. Mecanizare, automatizare, robotizare.


Introducere

Obiectul cursului:

•prezentarea notiunii de sistem;

•prezentarea structurii sistemului mecatronic;

•prezentarea filozofiei mecatronice pentru realizarea de produse noicompetitive;

•definirea modului de conectare a elementelor şi forme organizatorice ale sistemelor;

•modele matematice ale sistemelor;

•proprietăţile sistemelor liniare: stabilitate, controlabilitate, observabilitate;

•studiul sistemelor cu evenimente discrete,

•sinteza funcţională şi structurală a sistemelor automate


Obiective• Utilizarea cunoştinţelor de matematică, inginerie

mecanică şi electrică pentru modelarea sistemelor;

• Operarea cu funcţii de transfer;

• Consolidarea cunoştinţelor de modelare a sistemelor îndomeniul timp şi domeniul frecvenţă, în scopul analizeişi proiectării acestora;

• Înţelegerea principalelor noţiuni privind comanda, reglarea sistemelor pentru sisteme statice şi dinamice;

• Analiza stabilităţii sistemelor.


În centrul ştiinţelor naturale şi tehnice -noţiunile de

observaţie şi măsurare

Observaţie

Măsurare

Ştiinţetehnice

Ştiinţenaturale

•Imagine fizică a problemei•Teorie•Experiment

Cercetatorul


SISTEM

mediu exterior / mediu ambiant

graniţă

Sistem şi mediu ambiant

Ce este primordial: construirea unei complexităţi saufuncţiile complexităţii?

•După linia de demarcaţie ce se impune între sistem şi mediul ambient, se pot defini pentru sistem relaţiile de intrare / ieşire.

•Precizarea intrărilor şi ieşirilor unui sistem poartă numele de orientare a sistemului


Mediulambiant

SISTEM

IESIRE

INTRARE

SISTEM - o colecţie de obiecte aranjate într-o formă ordonată, care într-un anumit sens este dirijată spre un scop sau o ţintă

MODEL – Formularea unei teorii se poate echivala cu “construirea modelului”;

• Teoria ar putea defini “modelul” realităţii analizate;

• Modelul va reprezenta sub o formă utilizabilă, aspectele esenţiale ale sistemului existent.


•Un sistem deschis defineşte interacţiunea părţilor componente cu orice entitate din mediu. Sistemul închis este “izolat” faţă de mediu, este separat de acesta prin intermediul graniţei;•Cea mai simplă entitate cu o posibilă funcţionare de sine stătătoare defineşte noţiunea de element;•Un set de elemente din structura sistemului poate defini noţiunea de subsistem. Ceea ce constituie un sistem sau un subsistem depinde de punctul de vedere al observatorului. Noţiunea de sistem are un caracter relativ, în sensul că orice sistem poate fi descompus în subsistem şi la rândul lui poate fi privit ca subsistem al unui system mai complex. •Procesul sau fenomenul fizic definesc transformările reciproce ale formelor de mişcare ale materiei (mecanică, termică, electromagnetică, etc.).

Există o serie caracteristici comune oricărui sistem:•Sistemul este o abstractizare a realităţii;

•Sistemele au o structură definită prin părţi şi compoziţia lor;•Sistemele au o funcţionare care implică intrări, procesare şi ieşiri de

material, informaţii sau energie;•Între părţile componente există relaţii funcţionale.


Evoluţia sistemelor

4 elemente definitorii pentru dezvoltare in istorie:

•preocupările grecilor şi arabilor pentru urmărirea timpului;•revoluţia industrială din Europa (după mijlocul secolului al XVIII –lea);•debutul comunicaţiei de masă, primul şi al doilea război mondial(1910 – 1945);•debutul în spaţiu şi anul computerului (1957)

Ceasul cu apa



• J. Watt - locomotiva cu abur în 1769

• debutul Revoluţiei industriale

• Regulatorul lui Watt realizat în 1787 – “governor”.

• 1681 D. Papin inventează o supapă de siguranţă pentru un fierbător şiutilizată în 1707 pentru reglarea presiunii la locomotiva cu abur.

• Regulatorul de presiune - 1799 - inventatori: R Delap şi M. Murray.

• 1803 - Boulton şi Watt combină regulatorul de presiune cu regulatorulde nivel pentru locomotiva cu aburi.



• Războiul de ţesut – Jacquard (sec.18) - contribuţii la prima şi la cea de-a doua revoluţie industrială

• Sistemul cartelei perforate (cartelă cu orificii pe linie şi coloanădetectabile pe cale mecanică) (punch_card ) - utilizat şi în pianulambulant şi alte automate – a contribuit la dezvoltarea viitoarelorcalculatoare



• Elias Howe - începutul anilor 1800 prima variantă a maşinii de cusut (patente datează din 1845 şi 1854) - mecanizarea activităţii din industria textilă

• În scurt timp diverse variante ale maşinii au fostintroduse pe piaţă: Fanton – 1860, Flora – 1870



• Primul patent pentru maşina de scris - 1713

• Prima realizare practică poate fi citată abia peste aproape un secol(1808) - Pellegrino Turri

• 1868 modelul patentat – şi respectiv schema mecanismului de bază– publicist – filozof – politician Christopher Latham Sholes (Milwaukee, Wisconsin).



Masina de scris cu pedala

Primul calculator mecanic -Wilhelm Schickard - 1623



Microprocesorul, Hoff1969

Estimarea stărilor, teoria controlului modern, Kalman şi alţii1960

Principiul de maxim (controlul optimal), Pontryagin1956

Locul geometric al rădăcinilor, Evans1948

Sisteme cu eşantionare (sursa sistemelor discrete / digitale, Hurewicz1947

Regulatorul PID, Ziegler-Nichols1942

Metoda răspunsului în frecvenţă, Bode (Bell Telephone Lab.)1938

Criteriul de stabilitate Nyquist, Nyquist (Bell Telephone Lab.)1932

Amplificatorul electronic cu reacţie, Black1927

Giroscopul şi pilotul automat, Sperry1920

Analiza stabilităţii neliniare, A.M.Lyapunov1890

Criteriul de stabilitate, E. J. Routh1877

Analiza stabilităţii mişcării governatorului Watt, J.C.Maxwell1868

Dispozitiv de reacţie pentru calibrarea telescopului, G.B. Airy1840

Maşina cu abur, J. Watt – debutul revoluţiei industriale1769

Governatorul cu bile, J. Watt1728

Incubatorul, C. Drebble1624



• “explozie” în domeniul electronicii şi în tehnologiainformaţiilor

1940: Russell S. Ohl demonstreazǎ posibilitatea realizǎriijoncţiunii “p-n” pe bazǎ de siliciu


Evoluţia sistemelor• 1943: start la proiectul de realizare - ENIAC, maşina de calculconstruitǎ de John Mauchly şi Presper Eckert (finalizare în 1946), 5000 operaţii pe secundǎ• 23 decembrie: William Shockley, Walter Brattain şi John Bardeen – amplificator într-un cristal de germaniu - bazele creǎrii tranzistorului(AT&T Bell Laboratories)• 1950: National Bureau of Standards (USA) construieşte la Washington SEAC-ul (Standards Eastern Automatic Computer) înlaboratorul pentru testarea componentelor şi a sistemelor pentrucomputerele standard. SEAC este primul computer cu logicǎ pe bazǎde diode şi program înmagazinat• 1953: John Backus aduce contribuţii în software pentru computerulIBM 701;• 1956: (luna necunoscutǎ) Primul computer tranzistorizat – TX - la Massachusetts Institute of Technology. IBM introduce prima unitate de disc RAMAC 305 cu capacitatea de 5 MB;• 1960: (luna necunoscutǎ) Digital Equipment introduce primulminicomputer PDP-1 – preţ 120,000 $ primul computer comercialechipat cu tastaturǎ şi monitor;



• 1969: Intel anunţǎ realizarea cip-ului de 1 kB memorie RAM• 1971: (iunie) Texas Instruments (TI) anunţǎ obţinerea un “CPU on a chip”

• (luna necunoscutǎ) Intel - cip-ul 1101 de 256 bit memorieprogramabilǎ şi cip-ul 1701 de 256 – bit memorie EROM;• (noiembrie) Intel introduce oficial sistemul de calcul MCS-4 (Microcomputer System 4 – bit) avînd facilitǎţi de 60.000 operaţii / sec, microprocesor 4004, frecvenţǎ de sicronizare 108 kHz;

• 1974: Intel 8080 – cel mai important produs al secolului 20 – estepus în circulaţie• 1986: Firma Compaq este prima companie care produce un PC 386• 1987: Firma Zilog scoate pe piaţă microprocesorul Z280, versiunea pe16-bit a lui Z80;• 1989 (aprilie): Intel anunţă microprocesorul 80486. Pe 32-bit, 1,2 milioane tranzistoare, coprocesor matematic;• 1992: Este anunţat PowerPC 601 (pe 32 bit, bus 64-bit) ca o acţiunecomună a firmelor Motorola, IBM şi Apple;• 1993: Intel introduce procesorul Pentium (3 milioane tranzistoare, 32-bit, bus 64-bit).


Evolutia sistemelorTranzistoare este numărul de tranzistoare pe cip; Dim reprezintă lătimea, în µm, a celui mai subţire fir. Pentru comparaţie firul de păr uman are 100 µm grosime; Frecvenţa defineşte frecvenţa maximă pe cip; Date reprezintă lungimea cuvântului; MIPS corespunde numărului de instrucţiuni pe secundă (în milioane) şi reprezintă performaţa unităţii centrale.

Numele Anul Tranzistoare Dim Frecvenţă Date Mips8080 1974 6.000 6 2 MHz 8 biţi 0.64 80286 1982 134.000 1.5 6 MHz 16 bit 1 80386 1985 275.000 1.5 16 MHz 32 bit 5 80486 1989 1.200.000 1 25 MHz 32 bit 20

Pentium 1993 3.100.000 0.8 60 MHz 32 bit 64 – bit bus

100

Pentium II 1997 7.500.000 0.35 233 MHz 32 bit 64 – bit bus

~ 300

Pentium III 1999 9.500.000 0.25 450 MHz 32 bit 64 – bit bus

~ 510

Pentium IV 2000 42.000.000 0.18 1.5 GHz 32 bit 64 – bit bus

~ 1700


Ce este mecatronica ? Evoluţie şi definiţii ale sistemelor mecatronice

• Conceptul de “mecatronică” - brevetat în anii 1971-1972. • în anul 1982 firma Yasukawa renunţă la drepturile de autor asupraacestuia pentru a putea fi utilizat pe scară largă.• În anul 1986 conceptul este citat şi în literatura de specialitate din România pentru roboţi industriali.• Conceptul de mecatronică - legitimitate academică în anul 1996 prinIEEE / ASME Transactions on Mechatronics.

CONTROVERSE:• este un domeniu nou sau o combinaţie a unor domenii existente?• este vorba despre controlul sistemelor mecanice cu calculatorul?• defineste mecanismele inteligente?• este vorba de maşini computerizate?• este vorba despre sisteme mecanice informatizate?


Structura sistemului mecatronic

SistemMecatronic

Sistemulinformaţional

Sistemulinformaţional

Sistemulde calculSistemulde calcul

Sistemulmecanic

Sistemulmecanic

Sistemul electricSistemul electric


Structura sistemului mecatronic

Sistem de control

Vizualizareaprocesului

Reprezentareacunoştinţelor

Percepţie Planificare / control

Senzor Actuator

Proces mecanic

Mediu

Sistem controlat


Exemple pentru sisteme mecatronice:productia de animale

Semnal de activare

Emiţǎtor

Semnalrǎspuns


Exemple pentru sisteme mecatronice:Linie pentru montaj

motor cureadinţată

şurub

ghidaj

electronică sanie

efector


Exemple pentru sisteme mecatronice:Diagnosticare automata

OPERAŢII DE PRELUCRARE, MONTAJOPERAŢII DE PRELUCRARE, MONTAJ

SENZORI INTEGRAŢI ÎN MEDIUL DE LUCRU

SENZORI INTEGRAŢI ÎN MEDIUL DE LUCRU


Conceptia sistemica• Un sistem reprezintă un ansamblu de elemente, care interacţionează

atât între ele cât şi cu mediul înconjurător pentru atingerea unui scop;

• Un element al unui sistem este un ansamblu sau o componentă care îndeplineşte o funcţie de sine stătătoare în cadrul sistemului un servomotor, un circuit integrat, etc. .

element INTRARE IESIRE

{cauza} {efect}

Automatica este ramura ştiinţei care studiază metodele şi mijloaceletehnice necesare pentru asigurarea conducerii proceselor tehnice fărăintervenţia directă a omului.

În automatică elementele sunt unidirecţionale.

Fiind cauzale, intrarea determină ieşirea, dar ieşirea nu modificăintrarea.


Conceptia sistemica

• Teoria sistemelor - studiul interdisciplinar al organizǎrii abstracte a fenomenelor, independent de substanţa lor, de tipul lor, de scara spaţialǎsau temporalǎ de existenţǎ a acestora;

• Teoria sistemelor investigheazǎ: principiile comune tuturor entitǎţilor complexe, cât şi modelele (în general, matematice) care pot fi folosite pentru a descrie aceste entitǎţi (sisteme).

1 2 Semnal de

intrare Semnal de

ieşire

X1 Y1=X2 Y2

Noţiunea de sistem este frecventă în diverse domenii ale tehnicii şiştiinţei, în economie, în natură şi societate. Aşa sunt conceptul de sistemsocial, sistem economic, sistem de ecuaţii, sistem fizic, sistem dinamic, sistem informaţional, sistem de conducere, sistem automat etc.


Conceptia sistemicaConceptul de sistem este foarte general, elastic. De exemplu, în informaticănoţiunea de sistem informatic defineşte un ansamblu format din echipamentulde calcul şi biblioteca de progame existente. În automatică, sistemul automat este format din obiectul sau procesulautomatizat (O) şi dispozitivul de automatizare (DA).După modul în care sunt legate între ele aceste două componente şi deci dupămodul în care acestea se influenţează reciproc, sistemele automate pot ficlasificate în:•sistem în circuit deschis sau sistem de comandă automată (SCA). De ex.: sistemul luminatului public care funcţionează pe principiul: când luminozitateascade (sau creşte) sub / peste o anumită limită, se comandă aprinderea / stingereailuminatului electric

DA O Semnal de

intrare Semnal de

ieşire

X1 M Y2

Z SA


Conceptia sistemica

•sistem în circuit închis sau sistem de reglare automată (cu reacţie) (SRA).De ex.: sistemul de reglarea temperaturii apei într-un boiler electric la care funcţionarea are loc după principiul: când temperature apei atinge limitainferioară, rezistenţa electrică pentru încălzire este alimentată iar cândtemperatura atinge limita superioară, rezistenţa este deconectată de la sursa de tensiune (fig…..)Notaţia “Z” din figurile specificate are semnificaţia unei mărimi perturbatoareasupra sistemului analizat

DA O Semnal de

intrare Semnal de

ieşire

X1 M Y2 Z


Conceptia sistemica

Tratarea sistemului ca şi „cutie neagră” –black-box în cadrul teoriei sistemelor

SISTEM INTRARE IESIRE

{cauza} {efect}

SYSTEMINPUT OUTPUT

{cause} {effect}


Sistem static – sistem dinamic

SISTEM STATIC

INTRARE IESIRE = f(INTRARE)

SISTEM DINAMIC

(stare interna)

INTRARE IESIRE = f(INTRARE, stare interna)

Starea interna este variabila în timp

Starea interna este constanta în timp


Produs, proces, automatizare

• Produsele - obiecte fizice, materiale, create în mod conştient, dirijat şi controlat prin munca omului;

• Procesele - fenomene din natură care se produc şi a căror desfăşurare este programată, având la bază diferite legături funcţionale şi obiecte. Domeniului tehnic îi este caracteristic procesul tehnologic.

• Procesele tehnologice sunt destinate creării produselor şi au la bază trei tipuri de transformări:

ale materiei (substanţei);ale energiei a informaţiei.

• Operatorul uman – prezent in sistem• Comportarea sistemului : comanda sistemului• Automatizare – utilizarea controlului sistemelor pentru

coordonarea masinilor industriale sau a proceselor inlocuindoperatorul uman


Mecanizare

• Masina cu apa –filatura de bumbac

• Richard Arkwright in 1768

• dupa 1790 actionareprin masina cu abur


Automatizare


Robotizare


Sistem de fabricatie robotizat

TSA CURS

Documents