21.09.2016
Akademický rok 2016/2017 Připravil: Radim Farana
Automatizační technika Úvod do automatizace
2
Obsah • • • • •
Obsah předmětu Cíl předmětu Požadavky na absolvování Základní pojmy z teorie systémů Základní pojmy z teorie řízení
3
Obsah předmětu • • • • • • • • • • • • •
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
ÚVOD DO AUTOMATIZACE (dotace 2/2) BLOKOVÁ AUTOMATIZAČNÍ SCHEMATA, VÝVOJOVÉ DIAGRAMY (dotace 2/2) TELEMECHANIKA - TELEMETRIE (dotace 2/2) SNÍMAČE NEELEKTRICKÝCH VELIČIN I (dotace 2/2) SNÍMAČE NEELEKTRICKÝCH VELIČIN II (dotace 2/2) POROVNÁVACÍ ČLENY (dotace 2/2) ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU REGULAČNÍ ODCHYLKY I (dotace 2/2) ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU REGULAČNÍ ODCHYLKY II (dotace 2/2) ÚPRAVY SIGNÁLU I (dotace 2/2) ÚPRAVY SIGNÁLU II (dotace 2/2) AKČNÍ ČLENY I (dotace 2/2) AKČNÍ ČLENY II (dotace 2/2) BLOKOVÉ A DEMONSTRAČNÍ CVIČENÍ (dotace 0/2)
1
21.09.2016
4
Cíl předmětu
• Co je cílem předmětu?
5
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 80-248-10689. S laskavým svolením autorů byla tato publikace podkladem k následujícím prezentacím.
Kybernetika • Wiener: Kybernetika je věda o řízení a sdělování v živých organismech a ve strojích.
Wiener, Norbert * 26. 1. 1894 Columbia, Mo. USA + 18. 3. 1964 Stockholm http://en.wikipedia.org/wiki/Norbert_Wiener
• ale také: Kybernetika je věda o sběru, přenosu a zpracování informace.
2
21.09.2016
Informatika
• Informatika je věda Shannon, Claude Elwood o zpracování informace, zejména za pomoci automatizovaných prostředků * 30. 4. 1916 Petoskey, Mich. USA + 24. 2. 2001 Medford, Mas. USA
http://www.ieee.org/web/aboutus/history_center/biog raphy/shannon.html
Kybernetika
Informatika
8
Teorie systémů • Teorie systémů je vědní obor, Karl Ludwig von Bertalanffy součást teoretické kybernetiky. * 19. 9. 1901 Atzgersdorf + 12. 6. 1972 Buffalo • 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.
http://bourabai.kz/dm/img/Ludwig_Bertalanffy.jpg
9
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. okolí
vstupy
Systém
výstupy
3
21.09.2016
10
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...)
11
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).
12
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. …
4
21.09.2016
13
Automatická regulace PORUCHY
CÍL ŘÍZENÍ
ŘÍZENÍ
ŘÍDICÍ PODSYSTÉM
ŘÍZENÝ PODSYSTÉM
VÝSLEDEK ŘÍZENÍ
STAV
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.
14
Regulace versus ovládání PORUCHY ŽÁDANÁ VELIČINA
REGULUJÍCÍ PODSYSTÉM
REGULOVANÝ PODSYSTÉM
REGULOVANÁ VELIČINA
ZÁPORNÁ ZPĚTNÁ VAZBA
Systém regulace PORUCHY ŽÁDANÁ VELIČINA
OVLÁDACÍ PODSYSTÉM
OVLÁDANÝ PODSYSTÉM
OVLÁDANÁ VELIČINA
Systém ovládání
15
Regulační obvod PORUCHY
w
e
u REGULÁTOR
REGULOVANÁ SOUSTAVA
y
Obecné blokové schéma regulačního obvodu w – žádaná veličina e – regulační odchylka: e = w - y u – akční veličina y – výstupní veličina
5
21.09.2016
16
Cíl regulace 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:
yw
b) regulační odchylka byla v každém časovém okamžiku blízká nule (ideálně, aby byla nulová), co může být vyjádřeno vztahem
e0
17
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).
18
Přístrojová skladba běžného regulačního obvodu INFORMAČNÍ UZEL
SUMAČNÍ UZEL (POROVNÁVACÍ ČLEN) w
NÁSTAVNÝ ČLEN
ÚSTŘEDNÍ ČLEN
PORUCHY
POHON
REGULAČNÍ ORGÁN
y PROCES
AKČNÍ ČLEN
VYSÍLAČ
SNÍMAČ
REGULÁTOR
REGULOVANÁ SOUSTAVA
6
21.09.2016
19
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;
20
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;
21
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.
7
21.09.2016
22
Druhy regulačních obvodů w=w(A) w=w(t) w=konst
v e
u
Působení poruchových veličin na regulovanou soustavu je vyjádřeno agregovanou (souhrnnou) poruchovou veličinou v.
y S
R
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.
23
Servomechanismus v w
e
y R+S
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.
24
Dvourozměrný regulační obvod v w1 w2
e1
R1 e2
R2
u1 u2
y1 S
y2
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
8
21.09.2016
25
Extremální regulační obvod a)
b)
v1 v 2 v3
y
v u
y
ER
ES u
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).
26
Rozvětvené regulační obvody v u2 K w
e
u1
y
R
S
Rozvětvený regulační obvod s kompenzací (s měřením) poruchové veličiny v, který se rovněž nazývá kombinovaným regulačním obvodem. Regulační obvod obsahuje kompenzátor označený písmenem K, který na základě měřené poruchové veličiny v vytváří protipůsobení kompenzující její negativní vliv. Použití kompenzátoru nemá vliv na základní dynamické vlastnosti (především stabilitu) regulačního obvodu (např. řízení teploty v domě s měřením vnější teploty)
27
Rozvětvený regulační obvod s pomocnou akční veličinou S
v1 w
e
R1 R2
u1
S1
v2 S2
y
u2
Jde-li regulovanou soustavu S fyzicky rozdělit na dvě části S1 a S2, kde část S1 je pomalejší než část S2 a část S2 lze přímo ovlivňovat, pak použitím rozvětveného regulačního obvodu s pomocnou akční veličinou u2 vytvářenou pomocným regulátorem R2 lze zlepšit kvalitu regulačního pochodu jak vzhledem k žádané veličině w, tak i silnějším potlačením obou poruch v1 a v2.
9
21.09.2016
28
Rozvětvený regulační obvod s pomocnou regulovanouS veličinou v1 w
e
w1
R2
e1
R1
S1
v2 y1
S2
y
Pokud regulovaná soustava S umožňuje měřit pomocnou regulovanou veličinu y1 za částí S1, která může být i velmi silně nelineární (ale bez dopravního zpoždění), pak použitím rozvětveného regulačního obvodu s pomocnou regulovanou veličinou lze podstatným způsobem zlepšit kvalitu regulačního pochodu. Správnou volbou a seřízením regulátorů R 1 a R2 je v podstatě eliminována vnitřní smyčka, celý regulační obvod se chová jako jednoduchý regulační obvod s regulátorem R2 a regulovanou soustavou S2. Regulátor R1 je podřízený a volí se co nejjednodušší. Regulátor R2 je nadřazený, hlavní. Jde o nejjednodušší hierarchické řízení. Tomuto rozvětvenému regulačnímu obvodu se rovněž říká kaskádní (kaskádový) regulační obvod.
29
Rozvětvený regulační obvod se S Smithovým regulátorem v v 1
w
e
R
u
2
S1
S2
SM1
SM2
y
SMITHŮV REGULÁTOR
SM
Regulované soustavy často obsahují dopravní zpoždění, které se projevuje tím, že odezvu regulované soustavy nezkresluje, ale o určitou dobu (dopravní zpoždění), ji zpozdí. V tomto případě lze použít např. rozvětvený regulační obvod se Smithovým regulátorem, kde druhá část S2 regulované soustavy S reprezentuje dopravní zpoždění. Smithův regulátor obsahuje kromě konvenčního regulátoru R také model regulované soustavy SM rozdělený na model bez dopravního zpoždění SM1 a model dopravního zpoždění SM2.
30
Rozvětvený regulační obvod s regulátorem s vnitřním modelem
V tomto případě regulátor R není konvenční, ale představuje inverzní vlastnosti části regulované soustavy neobsahující dopravní zpoždění S 1 doplněné filtrem zajišťujícím fyzikální realizovatelnost této inverze. Vlastní rozvětvení s modelem regulované soustavy SM slouží především k identifikaci poruchové veličiny v.
10
