y - Politechnika Warszawska

Politechnika Warszawska
Instytut Automatyki i Robotyki
Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny
PODSTAWY AUTOMATYKI
1. Wprowadzenie, pojęcia podstawowe
Plan wykładu
• Definicja automatyki jako dziedziny nauki i techniki
• Krótki rys historyczny
• Pojęcia podstawowe: sygnał, informacja, element
automatyki, układ automatyki, obiekt, regulator
• Procesy ciągłe i dyskretne
• Sterowanie i regulacja
• Klasyfikacje układów automatyki
2
Definicja automatyki
Automatyka – dziedzina nauki i techniki zajmująca się zagadnieniami
samoczynnego (automatycznego) sterowania i automatycznej kontroli
Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na dany proces, w
sposób zamierzony, mający doprowadzić do spełnienia określonego celu.
Proces, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się
obiektem sterowania
Mechanizacja – uwolnienie człowieka od roli źródła energii niezbędne do
realizacji procesu, a pozostawienie mu jedynie funkcji kontroli
i sterowania
Automatyzacja – wyeliminowanie pracy człowieka (umysłowej
i fizycznej) przez zastąpienie go automatem
Automat – urządzenie działające samoczynnie
3
Historia - starożytność
Zegar wodny – Ktesibios (285-222 przed Chr.)
• wykorzystuje układ regulacji natężenia przepływu wody
• pływak G utrzymuje stały poziom wody w zbiorniku BCDE, dzięki
czemu strumień wypływający z tego zbiornika jest stały.
http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf
4
Historia - starożytność
Automat do otwierania drzwi teatrzyku marionetek – Heron (I/II w.)
Woda przelewa się z okrągłego zbiornika do naczynia poprzez rurkę
zakrzywioną w kształcie litery „U”. Naczynie staje się cięższe i pociąga
za sobą linkę, której mechanizm działania nie wymaga już komentarzy.
http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf
5
Historia – Średniowiecze, Odrodzenie
Średniowiecze:
Androidy (np. gadająca głowa)
- Roger Bacon (1214-1292),
- Św. Albert Wielki (ok. 1200-1280)
Odrodzenie:
Automatyczne krosno tkackie, łódź podwodna, samopowtarzalna
katapulta, latający żelazny orzeł, sztuczna mucha
- Leonardo da Vinci (1492 -1519), Johannes Muller (1436 – 1476)
Rysunek przyrządów do dźwigania wody, 1480-82
http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf
6
7
Historia - XVIII wiek
Magiczne automaty - androidy grające, piszące itp., śpiewające ptaki
teatry magiczne, zegary z ruchomymi figurkami:
- Jacgues de Vaucanson (1709 -1782),
- Pierre Jaguet – Droz (ok. 1721-1790)
Kaczka
Klawikordzistka
http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf
Rysownik
Historia - XVIII wiek
Regulator prędkości obrotowej maszyny parowej – J. Watt, 1736 -1819)
http://free.of.pl/z/zst/pomoce/publikacje/automatyka.pdf
8
Historia - XX wiek
Automatyka jako nauka teoretyczna
1892 – Lapunow – stabilność punktu równowagi
1895 – Routh i Hurwitz – kryterium stabilności
1922 – Minorsky – regulator PID (pierwsza publikacja)
1932 – Nyquist – kryterium stabilności
1936 – Ziegler i Nichols – regulator PID
1942 – Ziegler i Nichols – reguły doboru nastaw regulatora PID
1956 – Pontriagin – zasada maksimum
1956 – Bellman – programowanie dynamiczne
9
Historia - XX wiek
• W 1923 roku w USA rozpoczęła pracę pierwsza automatyczna linia
produkcyjna
• W 1947 roku pierwszy bezzałogowy lot samolotu typu Douglas 054
• W latach pięćdziesiątych: obrabiarki sterowane numerycznie
• 1969 – mikroprocesor
• 1969 - Pierwszy sterownik programowalny Modicon 084 opracowany
przez Dicka Morleya
• 1974 – pierwszy system DCS
• W latach siedemdziesiątych roboty przemysłowe i zautomatyzowane
magazyny,
• W latach osiemdziesiątych buduje się całkowicie zautomatyzowane linie
produkcyjne.
• Komputery – gwałtowny rozwój automatyzacji
10
Stan aktualny
Przykład zautomatyzowanej linii produkcyjnej
11
Stan aktualny
Sterownia w zakładach chemicznych
12
Stan aktualny
Struktura systemu automatyzacji
przedsiębiorstwa
Distributed
Control
System
(DCS)
13
Pojęcia podstawowe
Sygnał - przebieg zmian w czasie określonej wielkości fizycznej,
wyrażający w umowny sposób informację.
14
Pojęcia podstawowe
15
Element automatyki (człon) - podzespół, zespół, przyrząd lub urządzenie,
w którym można wyróżnić sygnał wejściowy i sygnał wyjściowy rys. a, lub sygnały wejściowe i wyjściowe - rys. b.
a)
b)
um
...
y
y1
y2
...
u
u1
u2
ym
Układ automatyki - zespół wzajemnie powiązanych elementów biorących
udział w sterowaniu automatycznym danego procesu
(uporządkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów)
Pojęcia podstawowe
Sterowanie automatyczne - oddziaływanie na proces, którego
zamierzony przebieg chcemy uzyskać, bez udziału człowieka, za
pomocą urządzeń nazywanych ogólnie aparaturą automatyki.
Proces, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się
obiektem sterowania
16
Sygnały w układach automatyki
Sygnałem jest przebieg zmian w czasie określonej wielkości fizycznej
wykorzystywany do przekazywania informacji
Wielkość nośna sygnału - wielkości fizyczna, której zmiany są wykorzystywane
do przekazywania informacji (np. ciśnienie sprężonego powietrza, ciśnienie oleju,
natężenie prądu stałego itd.)
Parametr informacyjny - cecha wielkości nośnej sygnału zawierająca
przekazywane informacje - np. zmiany wartości ciśnienia pneumatycznego – 20
÷100 kPa
Wartość sygnału: wartość parametru informacyjnego sygnału
Sygnał analogowy charakteryzuje się tym, że w zakresie zmienności parametru
informacyjnego mają nieprzeliczalną liczbę wartości
Sygnał analogowy może być ciągły i nieciągły.
Sygnał dyskretny charakteryzuje się skończoną liczbę wartości parametru
informacyjnego. Szczególnym przypadkiem sygnałów dyskretnych są sygnały
binarne – {0,1})
17
Sygnały analogowe
Przykłady sygnałów analogowych:
a) sygnał ciągły, parametrem
informacji jest bieżąca wartość
amplitudy y,
b) sygnał przerywany,
c) sygnał impulsowy, parametrem
informacji jest amplituda impulsów,
d) sygnał impulsowy, parametrem
jest szerokość impulsów,
e) sygnał impulsowy, parametrem
jest przesunięcie fazowe impulsów
względem chwil próbkowania
18
Standardowe sygnały analogowe w UA
Rodzaj sygnału
Wielkość fizyczna
Pneumatyczny
ciśnienie
sprężonego powietrza
Hydrauliczny
ciśnienie oleju
zasilającego
urządzenie
natężenie prądu
stałego
Parametr
informacji
amplituda
20 100 kPa
amplituda
1.0 MPa
6.0 MPa
10.0 MPa
16.0 MPa
amplituda
0  5 mA
0  10 mA
0  20 mA
4  20 mA
amplituda
05V
0  10 V
15V
Elektryczny
napięcie prądu
stałego
Wartość lub
zakres zmian
wartości sygnału
19
Sygnały w układach automatyki
20
Sygnały dyskretne (wielostanowe) można otrzymać z sygnału ciągłego
w wyniku kwantowania wartości
Dyskredytacja wartości - kwantowanie
Dyskredytacja w czasie - próbkowanie
y
y
4
3
2
1
0
t
t
Tp
21
Sterowanie
Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na dany proces, w
sposób zamierzony, mający doprowadzić do spełnienia określonego celu.
Proces, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się
obiektem sterowania
Sterowanie realizowane może być przez człowieka i mówi się wówczas
o sterowaniu ręcznym lub za pomocą urządzeń samoczynnie sterujących
procesem i wówczas mówimy o sterowaniu automatycznym.
Czynniki o charakterze przypadkowym, niezamierzonym,
niekontrolowanym, utrudniające sterowanie nazywa się zakłóceniami
Zakłócenia
Wielkości
wejściowe
obiekt sterowania
Wielkości
wyjściowe
Samochód jako obiekt sterowania
Wielkości
wejściowe
Zakłócenia
Hamowanie
Przyspieszanie
Kierowanie
Samochód
jako obiekt sterowania
Wielkości
wyjściowe
Kierunek
Prędkość
22
Klasyfikacja procesów
Procesami ciągłymi nazywamy procesy, do opisu których niezbędne
są sygnały ciągłe (np. procesy regulacji temperatury, ciśnienia, napięcia,
składu). Przedmiotem zainteresowań automatyki procesów ciągłych są
głównie układy automatycznej regulacji.
Procesami dyskretnymi nazywamy procesy, do opisu których
wykorzystuje się zmienne o skończonej liczbie wartości; przeważnie są to
zmienne dwuwartościowe.
Procesy, do opisu których wykorzystuje się zmienne dwuwartościowe
nazywają się procesami binarnymi. Informacje o stanie takich procesów
przekazywane są za pomocą sygnałów dwuwartościowych (binarnych).
23
Klasyfikacja układów sterowania
Układy sterowania :
• procesami ciągłymi
• procesami dyskretnymi
Układy sterowania procesami ciągłymi:
• otwarte
• zamknięte (ze sprzężeniem zwrotnym)
------------------• ciągłe
• dyskretne (kwantowane w czasie)
24
Układy sterowania logicznego
Układy sterowania procesami dyskretnymi o binarnych sygnałach
wyjściowych i wejściowych - przetwarzające binarne sygnały wejściowe na
binarne sygnału wyjściowe, nazywane są układami sterowania logicznego
(sterowania binarnego).
Układy sterowania logicznego są tematem 2 części wykładu
2
uxmn
...
Binarne
y
sygnały
wejściowe
ux11
ux2
układ
sterowania
logicznego
...
b)
yy11
yy22 Binarne
yymm
sygnały
wyjściowe
25
Rodzaje układów sterowania procesów ciągłych
Sterowanie realizowane może być w układzie otwartym lub w układzie
zamkniętym (czyli w układzie ze sprzężeniem zwrotnym). Sterowanie
w układzie zamkniętym nazywane jest regulacją.
z
w
U.S.
z
u
O
z
y
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
Sprzężenie zwrotne w układzie regulacji jest sprzężeniem zwrotnym
ujemnym.
26
Sterowanie w układzie otwartym
z
w
U.S.
27
z
u
O
w - wartość zadana wielkości sterowanej
u - sygnał sterujący
y - wielkość sterowana
z - sygnał zakłócający
US - urządzenie sterujące
O – obiekt (proces) podlegający sterowaniu
y
Sterowanie w układzie otwartym
w
ręczne
28
Sterownik
automatyczne
u
Zadajnik
ciśnienia
ps
p
ps
kd
Ae
e
kd
Ae
ks
ks
z
y
z
y
Sterowanie w układzie zamkniętym
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
29
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
Układ ze sprzężeniem zwrotnym,
y - wielkość regulowana
w - wartość zadana wielkości regulowanej
e – odchyłka regulacji
u - sygnał sterujący
z - sygnał zakłócający
US - regulator
O -obiekt regulacji (proces regulowany)
Sterowanie w układzie zamkniętym
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
30
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
Układ regulacji automatycznej
Tor główny wskazuje zawsze zasadniczą wielkość wejściową układu
(w tym przypadku u) i wielkość wyjściową y. Tor ten ilustruje zwykle
przepływ głównego strumienia materiału lub energii w układzie.
Tor sprzężenia zwrotnego służy do przekazywania informacji.
Zapotrzebowanie energetyczne tego toru jest zwykle pomijanie małe.
Sterowanie ręczne w układzie zamkniętym
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
Pożądany
kierunek
ruchu
Rzeczywisty
kierunek ruchu
y
31
Układ kierowca – samochód
•
•
•
•
•
Cel: sterować kierunkiem
i szybkością
Sygnały wejściowe - obserwacje:
rzeczywisty kierunek i szybkość
samochodu
Sygnały sterujące: położenie
pedałów gazu i hamulca, kąt skręcenia
kierownicy
Ograniczenia: znaki drogowe,
przepisy ruchu
Zakłócenia: powierzchnia drogi
i nachylenie, wiatr, przeszkody
Wielkości
wejściowe
Zakłócenia
Hamowanie
Przyspieszanie
Kierowanie
Samochód
jako obiekt sterowania
Wielkości
wyjściowe
Kierunek
Prędkość
32
Układ kierowca – samochód
zmysły → czujniki
33
Układ kierowca – samochód
kończyny → urządzenia wykonawcze
34
Układ kierowca – samochód
mózg → regulator (komputer pokładowy)
35
Wielkie zawody DARPA
36
Sterowanie ręczne w układzie zamkniętym
Regulacja ręczna temperatury wody w układzie zamkniętym
Realizacja
algorytmu
sterowania
Oddziaływanie
Pomiar temperatury
37
Regulacja automatyczna – struktura aparaturowa
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
z
y
O
e=w-y
sprzężenie zwrotne
u
Regulator
w
Element
wykonawczy
y
Obiekt
regulacji
ym
Przetwornik
pomiarowy
38
Regulacja automatyczna – struktura aparaturowa
Układ regulacji poziomu wody
Element wykonawczy
Obiekt regulacji:
proces zmian
poziomu w zbiorniku
u
ym
Przetwornik pomiarowy
Regulator
39
Regulacja automatyczna
w
Wartość
zadana
Regulator
ps
Ae
kd
ks
ym
Fn
y
40
Klasyfikacja układów regulacji automatycznej
Ze względu na zadanie realizowane przez układ wyróżnia się:
• układy stabilizujące (układy regulacji stałowartościowej), w=const
• układy programowe (regulacji programowej), w=w(t)
• układy nadążne (serwomechanizmy), w=w[(t)]
• inne
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
41
z2
y
y
+
Zadaniem układu jest utrzymanie możliwiez stałej,
pożądanej
wartości
O
Schemat blokowy
wielkości wyjściowej
oraz minimalizacja
- wpływu zakłóceń na tę
podstawowy:
u
wielkość.
e=y-w
1
+
w
Często główne zakłócenia wchodzą wraz ze strumieniem
materiału
lub
R
e
energii na obiekt, tworząc tor główny od z1 do y.
-
z2
z2
+
Reprezentacja
y
y
równoważna:
O
z1
-
u
u
y
+
w
Z reguły rozpatruje się przebiegi
e nominalnego punktu pracy
wokół
opuszczając symbole ""
-
z1
O
-
+
okowy
wy:
Układy stabilizujące
42
R
Przykłady: regulacjazciśnienia, poziomu cieczy,
natężenia przepływu, pH itd.
acja
2
y
R
e=y
Układy regulacji programowej
43
Zadaniem układu jest uzyskanie przewidzianych określonym programem
czasowym zmian wielkości regulowanej (sterowanej)
z
w
+
e
-
U.S.
tor główny w
u
y
z
O
y
e=w-y
sprzężenie zwrotne
Przykłady:
• programowa regulacja temperatury w budynku mieszkalnym
• programowa regulacja temperatury w piecu hartowniczym
• programowa regulacja jednej lub kilku wielkości w procesie rozruchu
(stopniowe dochodzenie do nominalnego stanu pracy)
Układy nadążne
44
Zadaniem układu jest nadążanie wielkości wyjściowej y za zmieniającą się
w nieznany nam sposób wartością zadaną w
z
w
+
e
-
u
R
O
y
Przykłady:
• sterowanie położeniem y dział przeciwlotniczych wg wskazań radaru
określającego położenie w samolotu
• sterowanie położeniem y pisaka rejestratora wg aktualnej wartości w
mierzonej i rejestrowanej wielkości fizycznej
Układy sterowania optymalnego
45
Zadaniem układu jest utrzymywanie wielkości regulowanej na wartości
ekstremalnej.
Położenie ekstremum zazwyczaj nie jest stałe i zależy od wartości
sygnałów zakłócających
Optymalizacja przebiegu procesów - np. minimalizacja zużycia energii,
minimalizacja kosztów lub maksymalizacja zysku przy założonych
ograniczeniach
y
z=a
z=b
z=v
u
Układy ciągłe i dyskretne w czasie
Układy ciągłe – zmiany wejścia obiektu oraz obserwacje (pomiary) wyjścia
mogą odbywać się w każdym momencie t .
W opisie układu występują wtedy funkcje czasu u(t), y(t), itp.
Układy dyskretne (w czasie) – zmiany wejścia obiektu oraz obserwacje
(pomiary) wyjścia mogą odbywać się w ściśle określonych
chwilach, zwykle równoodległych - t
W opisie układu występują wtedy dyskretne funkcje czasu, czyli ciągi: u(k),
y(k), itp., gdzie k oznacza numer kolejnego taktu
Sterowanie komputerowe ma charakter dyskretny.
46
Układy liniowe i nieliniowe
Układy liniowe – układy, które zawierają wyłącznie elementy liniowe, tzn.
elementy o liniowych charakterystykach statycznych, opisywane
za pomocą liniowych równań różniczkowych lub różnicowych
Spełniają zasadę superpozycji: odpowiedź układu fizycznego na
kilka wymuszeń, równa się sumie odpowiedzi na każde
wymuszenie z osobna.
Rzeczywiste układy są nieliniowe, ale w wielu przypadkach z
zadawalającym przybliżeniem można opisać działanie układu nieliniowego,
linearyzując jego charakterystyki w otoczeniu nominalnego punktu pracy
Układy nieliniowe – układy, które zawierają chociaż jeden element
nieliniowy
47
Układy jedno- i wielowymiarowe
Układy jednowymiarowe – układy o jednym wejściu i jednym wyjściu
Układy wielowymiarowe – wielkości u oraz y są wektorami (wiele wejść
i wiele wyjść)
Obiekt
u1
y1
Reg. 1
u2
y2
Reg. 2
u3
y3
Reg. 3
48
Układ sterowania jako system informacyjny
Systemy informacyjne (5P):
• Pozyskiwanie informacji (pomiary)
• Przesyłanie informacji (sieci Fieldbus, LAN i WAN)
• Przechowywanie informacji (bazy danych relacyjne i czasu
rzeczywistego – historiany)
• Przetwarzanie informacji (sterowniki, komputery)
• Prezentacja informacji (wizualizacja – panele i stacje operatorskie)
Systemy sterowania są systemami informacyjnymi (5P), a także
systemami informatycznymi.
49