Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki. Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Insttut Automatki i Robotki Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościeln PODSTAWY AUTOMATYKI 1. Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

2 Plan wkładu 2 Definicja automatki jako dziedzin nauki i techniki Krótki rs historczn Pojęcia podstawowe: sgnał, informacja, element automatki, układ automatki, obiekt, regulator Proces ciągłe i dskretne Sterowanie i regulacja Klasfikacje układów automatki

3 Definicja automatki 3 Automatka dziedzina nauki i techniki zajmująca się zagadnieniami samocznnego (automatcznego) sterowania i automatcznej kontroli Sterowaniem nazwa się celowe oddziałwanie na dan proces, w sposób zamierzon, mając doprowadzić do spełnienia określonego celu. Proces, na któr wwiera się oddziałwanie sterujące, nazwa się obiektem sterowania Mechanizacja uwolnienie człowieka od roli źródła energii niezbędne do realizacji procesu, a pozostawienie mu jednie funkcji kontroli i sterowania Automatzacja weliminowanie prac człowieka (umsłowej i fizcznej) przez zastąpienie go automatem Automat urządzenie działające samocznnie

4 Historia - starożtność 4 Zegar wodn Ktesibios ( przed Chr.) wkorzstuje układ regulacji natężenia przepłwu wod płwak G utrzmuje stał poziom wod w zbiorniku BCDE, dzięki czemu strumień wpłwając z tego zbiornika jest stał.

5 Historia - starożtność 5 Automat do otwierania drzwi teatrzku marionetek Heron (I/II w.) Woda przelewa się z okrągłego zbiornika do nacznia poprzez rurkę zakrzwioną w kształcie liter U. Nacznie staje się cięższe i pociąga za sobą linkę, której mechanizm działania nie wmaga już komentarz.

6 Historia Średniowiecze, Odrodzenie 6 Średniowiecze: Android (np. gadająca głowa) - Roger Bacon ( ), - Św. Albert Wielki (ok ) Odrodzenie: Automatczne krosno tkackie, łódź podwodna, samopowtarzalna katapulta, latając żelazn orzeł, sztuczna mucha - Leonardo da Vinci ( ), Johannes Muller ( ) Rsunek przrządów do dźwigania wod,

7 Historia - XVIII wiek 7 Magiczne automat - android grające, piszące itp., śpiewające ptaki teatr magiczne, zegar z ruchommi figurkami: - Jacgues de Vaucanson ( ), - Pierre Jaguet Droz (ok ) Kaczka Klawikordzistka Rsownik

8 Historia - XVIII wiek 8 Regulator prędkości obrotowej maszn parowej J. Watt, )

9 Historia - XX wiek 9 Automatka jako nauka teoretczna 1892 Lapunow stabilność punktu równowagi 1895 Routh i Hurwitz krterium stabilności 1922 Minorsk regulator PID (pierwsza publikacja) 1932 Nquist krterium stabilności 1936 Ziegler i Nichols regulator PID 1942 Ziegler i Nichols reguł doboru nastaw regulatora PID 1956 Pontriagin zasada maksimum 1956 Bellman programowanie dnamiczne

10 Historia - XX wiek 10 W 1923 roku w USA rozpoczęła pracę pierwsza automatczna linia produkcjna W 1947 roku pierwsz bezzałogow lot samolotu tpu Douglas 054 W latach pięćdziesiątch: obrabiarki sterowane numercznie 1969 mikroprocesor Pierwsz sterownik programowaln Modicon 084 opracowan przez Dicka Morlea 1974 pierwsz sstem DCS W latach siedemdziesiątch robot przemsłowe i zautomatzowane magazn, W latach osiemdziesiątch buduje się całkowicie zautomatzowane linie produkcjne. Komputer gwałtown rozwój automatzacji

11 Stan aktualn 11 Przkład zautomatzowanej linii produkcjnej

12 Stan aktualn 12 Sterownia w zakładach chemicznch

13 Stan aktualn 13 Struktura sstemu automatzacji przedsiębiorstwa Distributed Control Sstem (DCS)

14 Pojęcia podstawowe 14 Sgnał - przebieg zmian w czasie określonej wielkości fizcznej, wrażając w umown sposób informację.

15 Pojęcia podstawowe 15 Element automatki (człon) - podzespół, zespół, przrząd lub urządzenie, w którm można wróżnić sgnał wejściow i sgnał wjściow - rs. a, lub sgnał wejściowe i wjściowe - rs. b. a) b) u u 1 u u m m Układ automatki - zespół wzajemnie powiązanch elementów biorącch udział w sterowaniu automatcznm danego procesu (uporządkowan zgodnie z kierunkiem przekazwania sgnałów)

16 Pojęcia podstawowe 16 Sterowanie automatczne - oddziałwanie na proces, którego zamierzon przebieg chcem uzskać, bez udziału człowieka, za pomocą urządzeń nazwanch ogólnie aparaturą automatki. Proces, na któr wwiera się oddziałwanie sterujące, nazwa się obiektem sterowania

17 Sgnał w układach automatki 17 Sgnałem jest przebieg zmian w czasie określonej wielkości fizcznej wkorzstwan do przekazwania informacji Wielkość nośna sgnału - wielkości fizczna, której zmian są wkorzstwane do przekazwania informacji (np. ciśnienie sprężonego powietrza, ciśnienie oleju, natężenie prądu stałego itd.) Parametr informacjn - cecha wielkości nośnej sgnału zawierająca przekazwane informacje - np. zmian wartości ciśnienienia pneumatcznego kpa Wartość sgnału: wartość parametru informacjnego sgnalu Sgnał analogow charakterzuje się tm, że w zakresie zmienności parametru informacjnego mają nieprzeliczalną liczbę wartości Sgnał analogow może bć ciągł i nieciągł. Sgnał dskretn charakterzuje się skończoną liczbę wartości parametru informacjnego. Szczególnm przpadkiem sgnałów dskretnch są sgnał binarne {0,1})

18 Sgnał analogowe 18 Przkład sgnałów analogowch: a) sgnał ciągł, parametrem informacji jest bieżąca wartość amplitud, b) sgnał przerwan, c) sgnał impulsow, parametrem informacji jest amplituda impulsów, d) sgnał impulsow, parametrem jest szerokość impulsów, e) sgnał impulsow, parametrem jest przesunięcie fazowe impulsów względem chwil próbkowania

19 Standardowe sgnał analogowe w UA 19 Rodzaj sgnału Wielkość fizczna Parametr informacji Wartość lub zakres zmian wartości sgnału Pneumatczn ciśnienie sprężonego powietrza amplituda kpa Hdrauliczn ciśnienie oleju zasilającego urządzenie amplituda 1.0 MPa 6.0 MPa 10.0 MPa 16.0 MPa 0 5 ma natężenie prądu stałego amplituda 0 10 ma 0 20 ma Elektrczn 4 20 ma napięcie prądu stałego amplituda 0 5 V 0 10 V 1 5 V

20 Sgnał w układach automatki 20 Sgnał dskretne (wielostanowe) można otrzmać z sgnału ciągłego w wniku kwantowania wartości Dskretzacja wartości - kwantowanie Dskretzacja w czasie - próbkowanie t T p t

21 Sterowanie 21 Sterowaniem nazwa się celowe oddziałwanie na dan proces, w sposób zamierzon, mając doprowadzić do spełnienia określonego celu. Proces, na któr wwiera się oddziałwanie sterujące, nazwa się obiektem sterowania Sterowanie realizowane może bć przez człowieka i mówi się wówczas o sterowaniu ręcznm lub za pomocą urządzeń samocznnie sterującch procesem i wówczas mówim o sterowaniu automatcznm. Cznniki o charakterze przpadkowm, niezamierzonm, niekontrolowanm, utrudniające sterowanie nazwa się zakłóceniami Zakłócenia Wielkości wejściowe obiekt sterowania Wielkości wjściowe

22 Samochód jako obiekt sterowania 22 Wielkości wejściowe Zakłócenia Wielkości wjściowe Hamowanie Przspieszanie Kierowanie Samochód jako obiekt sterowania Kierunek Prędkość

23 Klasfikacja procesów 23 Procesami ciągłmi nazwam proces, do opisu którch niezbędne są sgnał ciągłe (np. proces regulacji temperatur, ciśnienia, napięcia, składu). Przedmiotem zainteresowań automatki procesów ciągłch są głównie układ automatcznej regulacji. Procesami dskretnmi nazwam proces, do opisu którch wkorzstuje się zmienne o skończonej liczbie wartości; przeważnie są to zmienne dwuwartościowe. Proces, do opisu którch wkorzstuje się zmienne dwuwartościowe nazwają się procesami binarnmi. Informacje o stanie takich procesów przekazwane są za pomocą sgnałów dwuwartościowch (binarnch).

24 Klasfikacja układów sterowania 24 Układ sterowania : procesami ciągłmi procesami dskretnmi Układ sterowania procesami ciągłmi: otwarte zamknięte (ze sprzężeniem zwrotnm) ciągłe dskretne (kwantowane w czasie)

25 Układ sterowania logicznego 25 Układ sterowania procesami dskretnmi o binarnch sgnałach wjściowch i wejściowch - przetwarzające binarne sgnał wejściowe na binarne sgnału wjściowe, nazwane są układami sterowania logicznego (sterowania binarnego). Układ sterowania logicznego są tematem 2 części wkładu b) Binarne sgnał wejściowe x 1 x 2 u 1 u 2 x n u m... układ sterowania logicznego m m Binarne sgnał wjściowe

26 Rodzaje układów sterowania procesów ciągłch 26 Sterowanie realizowane może bć w układzie otwartm lub w układzie zamkniętm (czli w układzie ze sprzężeniem zwrotnm). Sterowanie w układzie zamkniętm nazwane jest regulacją. z z z tor główn w z w U.S. u O w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Sprzężenie zwrotne w układzie regulacji jest sprzężeniem zwrotnm ujemnm.

27 Sterowanie w układzie otwartm 27 z z w U.S. u O w - wartość zadana wielkości sterowanej u - sgnał sterując - wielkość sterowana z - sgnał zakłócając US - urządzenie sterujące O obiekt (proces) podlegając sterowaniu

28 Sterowanie w układzie otwartm 28 w Sterownik ręczne Zadajnik ciśnienia automatczne e p u A e p s k d A e p s k d k s k s z z

29 Sterowanie w układzie zamkniętm 29 z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Układ ze sprzężeniem zwrotnm, - wielkość regulowana w - wartość zadana wielkości regulowanej e odchłka regulacji u - sgnał sterując z - sgnał zakłócając US - regulator O -obiekt regulacji (proces regulowan)

30 Sterowanie w układzie zamkniętm 30 z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Układ regulacji automatcznej Tor główn wskazuje zawsze zasadniczą wielkość wejściową układu (w tm przpadku u) i wielkość wjściową. Tor ten ilustruje zwkle przepłw głównego strumienia materiału lub energii w układzie. Tor sprzężenia zwrotnego służ do przekazwania informacji. Zapotrzebowanie energetczne tego toru jest zwkle pomijanie małe.

31 Sterowanie ręczne w układzie zamkniętm 31 z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Pożądan kierunek ruchu Rzeczwist kierunek ruchu

32 Układ kierowca samochód 32 Cel: sterować kierunkiem i szbkością Sgnał wejściowe - obserwacje: rzeczwist kierunek i szbkość samochodu Sgnał sterujące: położenie pedałów gazu i hamulca, kąt skręcenia kierownic Ograniczenia: znaki drogowe, przepis ruchu Zakłócenia: powierzchnia drogi i nachlenie, wiatr, przeszkod Wielkości wejściowe Zakłócenia Wielkości wjściowe Hamowanie Przspieszanie Kierowanie Samochód jako obiekt sterowania Kierunek Prędkość

33 Układ kierowca samochód 33 zmsł czujniki

34 Układ kierowca samochód 34 kończn urządzenia wkonawcze

35 Układ kierowca samochód 35 mózg regulator (komputer pokładow)

36 Wielkie zawod DARPA 36

37 Sterowanie ręczne w układzie zamkniętm 37 Regulacja ręczna temperatur wod w układzie zamkniętm Realizacja algortmu sterowania Oddziałwanie Pomiar temperatur

38 Regulacja automatczna struktura aparaturowa 38 z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Regulator w u Element wkonawcz Obiekt regulacji m Przetwornik pomiarow

39 Regulacja automatczna struktura aparaturowa 39 Element wkonawcz Układ regulacji poziomu wod Obiekt regulacji: proces zmian poziomu w zbiorniku u m Przetwornik pomiarow Regulator

40 Regulacja automatczna 40 Regulator w Wartość zadana p s A e k d k s m F n

41 Klasfikacja układów regulacji automatcznej 41 Ze względu na zadanie realizowane przez układ wróżnia się: układ stabilizujące (układ regulacji stałowartościowej), w=const układ programowe (regulacji programowej), w=w(t) układ nadążne (serwomechanizm), w=w[ (t)] inne z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne

42 Układ stabilizujące z 2 42 Zadaniem układu jest utrzmanie możliwie z 1 stałej, pożądanej wartości Schemat blokow wielkości wjściowej oraz minimalizacja wpłwu zakłóceń na tę wielkość. podstawow: e=-w Często główne zakłócenia wchodzą wraz ze strumieniem materiału lub energii na obiekt, tworząc tor główn od z 1 do. + u - O R e - + w z 2 z 2 kow : z 1 + u - O Reprezentacja równoważna: z 1 + O u - R - + w Z reguł rozpatruje się przebiegi wokół e nominalnego punktu prac opuszczając smbole " " R e= cja Przkład: regulacja z ciśnienia, 2 poziomu ciecz, natężenia przepłwu, ph itd.

43 Układ regulacji programowej 43 Zadaniem układu jest uzskanie przewidzianch określonm programem czasowm zmian wielkości regulowanej (sterowanej) z tor główn w z w + - e U.S. u O e=w- sprzężenie zwrotne Przkład: programowa regulacja temperatur w budnku mieszkalnm programowa regulacja temperatur w piecu hartowniczm programowa regulacja jednej lub kilku wielkości w procesie rozruchu (stopniowe dochodzenie do nominalnego stanu prac)

44 Układ nadążne 44 Zadaniem układu jest nadążanie wielkości wjściowej za zmieniającą się w nieznan nam sposób wartością zadaną w z w + - e R u O Przkład: sterowanie położeniem dział przeciwlotniczch wg wskazań radaru określającego położenie w samolotu sterowanie położeniem pisaka rejestratora wg aktualnej wartości w mierzonej i rejestrowanej wielkości fizcznej

45 Układ sterowania optmalnego 45 Zadaniem układu jest utrzmwanie wielkości regulowanej na wartości ekstremalnej. Położenie ekstremum zazwczaj nie jest stałe i zależ od wartości sgnałów zakłócającch Optmalizacja przebiegu procesów - np. minimalizacja zużcia energii, minimalizacja kosztów lub maksmalizacja zsku prz założonch ograniczeniach z=a z=b z=v u

46 Układ ciągłe i dskretne w czasie 46 Układ ciągłe zmian wejścia obiektu oraz obserwacje (pomiar) wjścia mogą odbwać się w każdm momencie t. W opisie układu wstępują wted funkcje czasu u(t), (t), itp. Układ dskretne (w czasie) zmian wejścia obiektu oraz obserwacje (pomiar) wjścia mogą odbwać się w ściśle określonch chwilach, zwkle równoodległch - t W opisie układu wstępują wted dskretne funkcje czasu, czli ciągi: u(k), (k), itp., gdzie k oznacza numer kolejnego taktu Sterowanie komputerowe ma charakter dskretn.

47 Układ liniowe i nieliniowe 47 Układ liniowe układ, które zawierają włącznie element liniowe, tzn. element o liniowch charakterstkach statcznch, opiswane za pomocą liniowch równań różniczkowch lub różnicowch Spełniają zasadę superpozcji: odpowiedź układu fizcznego na kilka wmuszeń, równa się sumie odpowiedzi na każde wmuszenie z osobna. Rzeczwiste układ są nieliniowe, ale w wielu przpadkach z zadawalającm przbliżeniem można opisać działanie układu nieliniowego, linearzując jego charakterstki w otoczeniu nominalnego punktu prac Układ nieliniowe układ, które zawierają chociaż jeden element nieliniow

48 Układ jedno- i wielowmiarowe 48 Układ jednowmiarowe układ o jednm wejściu i jednm wjściu Układ wielowmiarowe wielkości u oraz są wektorami (wiele wejść i wiele wjść) Obiekt u 1 u 2 u 3 Reg. 1 Reg. 2 Reg