Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
CW01 - Teorie měření a regulace cv. 7.0 Teorie regulace
ZS – 2014/2015
© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.
Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
Teorie měření a regulace Teorie regulace
cv.7.-2 ZS – 2014/2015
© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Další hlavní téma předmětu se dotýká obsáhlé oblasti
řízení systémů ………….… …. jsou míněny systémy technologické, pohonné, apod. – jedná se tedy o
REGULACE
…… © VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ aneb
Základy KYBERNETIKY chcete-li
TEORIE REGULACE © VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Kybernetika … popis obecných zákonitostí týkajících se řízení a řídicích systémů i přenosu informací. Velice úzce souvisí s rozvojem techniky, který nastal v období před druhou světovou válkou a v jejím průběhu. Hnacím motorem tehdejšího vývoje a pokroku bylo bohužel válečnické úsilí. © VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Ruku v ruce s válečným úsilím a tedy s rozvojem zbrojního průmyslu šel i všeobecný rozmach průmyslu a technologických procesů, které začaly vyžadovat kvalitnější řízení, než které bylo, dejme tomu, v polovině meziválečného období. V té době se ukázalo, že člověk a jeho reakční doby jsou pro mnoho procesů příliš dlouhé, že nestačí zpracovat potřebné množství informací z procesu a vyhodnotit z nich příslušné zásahy.
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Potvrdilo se tak známé, že člověk je málo pružným článkem řízení a že je nezbytné ho nahradit stále pozorným, stále stejně rychle reagujícím a stále stejně reagujícím nezávislým (automaticky pracujícím) systémem. Rozvíjející se technika nutně vyžadovala „odstranit“ člověka a jeho působení ……
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Je známo, že jako první formulovali základní poznatky N. Wiesner, J. Biglow a A. Rosenblueth při studiu fyziologických procesů ve vztahu obsluha – stroj. Vzhledem k časovému období to bylo z vojenské oblasti – při práci na principech protileteckých zaměřovačů, při sledování jejich pracovních procesů a při praktické práci s nimi. A nebyli sami, jen válečné utajování mnohé další osobnosti zamlčelo tak, že se nakonec „ztratili“ v nejrůznějších válečnických archivech. Ale naštěstí jejich výsledky a závěry už to tak striktně nepotkalo. © VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Diskuze kolem tehdejších poznatků a další rozvoj přijatých závěrů vedlo v letech 1947 – 1948 k definování zásad nového oboru nazvaného Kybernetics - Kybernetika. Jméno bylo odvozeno od řeckého „kybernetikos“, které lze přeložit jako kormidelník (ten co určuje směr).
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Za zakladatele kybernetiky je považován americký matematik Norbert Wiener, který vydal v roce 1948 knihu „Kybernetika
aneb Řízení a sdělování u organismů a strojů“
Shromáždil, sladil a teoreticky skloubil a následně v knize popsal své výsledky – definoval teorie a principy tohoto základního (systémového) vědního oboru. Proto je považován za „otce kybernetiky“ a tato jeho kniha se stala určitou „biblí“ kybernetických systémů a kybernetiků. © VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
Nejdůležitější principy kybernetiky: Zpětná vazba ….. Informace ….. Model…..
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Zpětná vazba Do základů byla zahrnuta i teorie řízení systémů založená na zpětné vazbě a jejích účincích v systému řízení. Teorie zpětné vazby byla definována již roku 1868, kdy o ní tehdejší význačný fyzik - teoretik C. Maxwell zveřejnil odbornou studii, ale k dalšímu teoretickému rozvoji a návazně k aplikačnímu pojetí se „propracovala“ až v tomto období.
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Zpětná vazba Do základů byla zahrnuta i teorie řízení systémů založená na zpětné vazbě a jejích účincích v systému řízení. Teorie zpětné vazby byla definována již roku 1868, kdy o ní tehdejší význačný fyzik - teoretik C. Maxwell zveřejnil odbornou studii, ale k dalšímu teoretickému rozvoji a návazně k aplikačnímu pojetí se „propracovala“ až v tomto období.
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA Zpětná vazba Princip zpětné vazby byl znám již dříve v regulační technice a používal se při návrhu zpětnovazebních zesilovačů pro účely sdělovací techniky.
Zakladatelé kybernetiky ale rozpoznali, že jde o velmi obecný princip. Je především zásluhou kybernetiky, že se stal obecně známým a umožnil vysvětlit řadu dějů odehrávajících se v nejrůznějších dynamických systémech. © VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Důležité pojmy kybernetiky Mechanizace – proces zavádění strojních mechanizmů osvobozujících člověka od fyzické náročné pracovní činnosti. Ovládání strojů je svěřeno plně člověku.
Automatizace – vývojové stadium řídicích systémů, kdy jsou určité řídicí činnosti člověka přebírány strojem (regulačním systémem).
© VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Důležité principy kybernetiky Řízení – cílevědomé působení na řízený objekt s úmyslem dosažení stanoveného (předepsaného, zadaného, určeného) cíle. Obvyklými ukazateli jsou: spolehlivost, kvalita, přesnost, nižší náklady, úspora materiálu, rychlejší reakce na poruchy a požadavky zadání, atd.
Ruční řízení – cílevědomé působení člověka přímo na objekt, aby bylo dosaženo stanoveného cíle.
© VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Důležité principy kybernetiky Automatické řízení – dtto s vyloučením účasti člověka v některých fázích procesu řízení. Může být přímé, kdy není potřeba zvláštního přívodu energie pro řídicí proces. Nebo nepřímé, které si přívod energie vyžaduje.
Ovládání (řízení v otevřeném obvodě, řízení bez zpětné vazby) – je to řízení probíhající podle předem stanovených (zadaných) pravidel (algoritmů) a bez kontroly provedení řídicích příkazů. Příkladem je řízení dopravních světel na křižovatce, dodávky zboží bez objednávek, apod. © VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
ŘÍZENÍ
T- MaR
Úvodní slovo
Zjednodušený základní přístup k problematice využívá bloková funkční schemata a jejich matematický popis = diferenciální časově závislé rovnice popisující dynamické chování jednotlivých prvků schematu (skutečné soustavy, procesu). V praktických úlohách se řeší, jak „ovládnout“ (řídit, regulovat) dynamické - ale i statické vlastnosti – dané soustavy, aby plnila úkoly na ni kladené a zároveň, aby vyhovovala v reálném provozu a přitom byla realizována za ekonomicky únosnou cenu.
Nedá se říci, že by toho bylo málo … © VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
ŘÍZENÍ
T- MaR
Úvodní slovo
Z toho plyne, že při návrhu regulovaných (řízených) systémů je potřeba provázat návrh vlastního systému s návrhem jeho regulačních a řídicích prvků a tedy systému (obvodu) jako celku. Jen tak budou respektovány fyzické vlastnosti skutečných prvků – existujících v systému i těch, ze kterých bude systém realizován. Že budou respektovány vzájemné vazby jednotlivých prvků (i když se jich – těch vazeb – regulační systém přímo nedotýká) !
© VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
ŘÍZENÍ * druhy automatické regulace -- regulovaná soustava + regulátor + zpětná vazba + …..
-- charakteristické vlastnosti – regulační odchylka, přesnost regulace * vztahy a matematický popis -- statické a dynamické charakteristiky, diferenciální rovnice, přenosová funkce, přechodové charakteristiky, frekvenční charakteristiky, dopravní zpoždění, nelinearity -- statické a astatické prvky ( 0. až 3. řád)
* realizační prvky (akční členy, regulátory, pohony) © VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení V teorii řízení jde o systémy reagující v časové závislosti na podněty – buď podněty vyžádané (zadání nového stavu nebo reakce na změny výstupu) nebo podněty přicházející z okolí (většinou formou poruch). Matematicky je to oblast popisovaná diferenčními a diferenciálními rovnicemi. Přitom nelze pominout oblasti statické (na čase nezávislé) popisující základní charakteristiky a vlastnosti sledovaných systémů. Tam je matematika na úrovni soustavy lineárních a nelineárních rovnic a nerovnic. © VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení Základní struktura systému automatického řízení
W
X
Základní struktura systému automatického řízení
regulátor R
Y
regulovaná soustava S
jedná se o časově závislé systémy a tedy i časově závislé proměnné, správně w(t), x(t) a y(t)
© VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení w(t) ... žádaná hodnota vstupní veličiny x(t) ... řídicí Základní veličina na výstupu regulátoru a zároveň na vstupu struktura systému automatického řízení regulované soustavy y(t) ... výstupní veličina regulované soustavy (objektu řízení).
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení Základní schema zpětnovazebního regulačního obvodu. u
regulační odchylka
e
w žádaná hodnota
Regulátor
x
porucha
regulovaná veličina
soustava
y
-
uy
člen zpětné vazby
signál zpětné vazby
Základní schema zpětnovazebního systému © VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení Pokud je regulátor informován o výsledcích své regulační činnosti zpětnou vazbou, vznikne regulační obvod, jehož blokové schema je regulační odchylka
w
PR
žádaná hodnota
u1
ue
uw
ŮČR
VZ
x AO
u3 RS
-
uy
MČ - ZPV
signál zpětné vazby
u4
© VR - ZS 2009/2010
u2
regulovaná veličina
Základní struktura systému automatického řízení
y
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
Základy teorie řízení Zpětnovazební regulační obvod má tyto úkoly: zabezpečit, aby regulovaná veličina co nejlépe sledovala časový průběh řídicí veličiny – splnění tohoto požadavku charakterizují vlastnosti obvodu z hlediska řízení kompenzovat účinky poruchových signálů tak, aby se jejich působení neprojevilo (pokud možno vůbec) v časovém chování výstupní regulované veličiny.
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY TEORIE ŘÍZENÍ systémy automatického řízení a regulace
lineární
nelineární
spojité
diskrétní
stacionárníí
© VR - ZS 2009/2010
hybridní
nestacionární
se soustředěný mi parametry
s rozloženými parametry
deterministické
stochastické
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
Analogová regulace – probíhá v čase spojitě (kontinuálně) – každý bod má pro časový průběh existující limitní hodnotu zprava i zleva Číslicová (digitální) regulace – probíhá v čase nespojitě – řídící či regulační orgán je obvykle realizován na bázi počítače nebo mikroprocesoru (alespoň jeden člen R.O. má číslicový – nespojitý - charakter) Pulsní regulace – probíhá v čase nespojitě – řídící či regulační orgán působí na řízený objekt v určitých frekvenčně i amplitudově definovaných pulsech
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
Logická regulace – řízení na základě binární logiky a základních logických zákonů – vykonávají se jen logické operace Sekvenční regulace – v čase postupně probíhající řízení podle předem zadaného řídícího či regulačního schematu – bez zpětnovazební kontroly řízené či regulované reality Regulace pevnou logikou (logickým polem) – předem naprogramované řízení (obvykle kombinace logického a sekvenčního) v integrovaném obvodě (nebo paměti mikroprocesoru)
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
Deterministická regulace – řízení podle signálů přesně definovaných (definovaných typů) = předem známých Stochastická regulace – řízení podle signálů nedefinovaných časově a i amplitudově a tvarově = signálů předem neznámých Adaptivní regulace – řídící či regulační algoritmus je podle zadaného úpravného (opravného, korekčního) algoritmu ovlivňován realitou řízené či regulované veličiny – algoritmus se tedy mění podle okamžitého stavu řízeného či regulovaného procesu
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
Optimální regulace – algoritmus řízení či regulace je průběžně optimalizován podle předem zadaného (zvoleného) optimalizačního kritéria (např. kritéria kvality regulace, minima doby přechodového děje, energetického minima, ….…) Extremální regulace – algoritmus řízení či regulace je podmiňován extremálními požadavky vycházejícími z potřebných (vyžadovaných) vlastností
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
Fuzzy regulace – řízení probíhá podle principů fuzzy logiky nebo tzv. jazykových modelů – umožňuje definovat hodnotově neurčité (vágní) „mezi-stavy“ typu: skoro, menší než, větší než, skoro roven, apod., definované např. slovně či porovnáváním Regulace selskou logikou – využívá princip definování algoritmu neurčitého (vágního) typu ………
Uvedené typy regulací existují (pochopitelně) i v řízení
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
STABILITA – vyrovnaný (ustálený) stav systému při kterém je zachovávána hodnota všech stavových veličin STABILIZACE – proces zabezpečení (dosažení) stálosti stavu a zaručující návraty do tohoto stavu vždy když je systém vyveden z rovnovážného stavu KVALITA REGULACE – soubor vlastností zaručující dosažení stanoveného cíle řízení bez ohledu na momentální i výchozí stav systému (regulovaného objektu) – je charakterizováno délkou doby odezvy a typem průběhu – obvykle udávána jako minimální plocha pod integrálem regulačního pochodu
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Základní pojmy
PŘESNOST REGULACE – dovolená odchylka skutečné hodnoty výstupní veličiny od požadované – reprezentuje statické vlastnosti systému PŘESNOST ŘÍZENÍ – dovolená odchylka skutečné hodnoty regulační odchylky
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
… a to by bylo
vše 7...... © VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
