Podstawy automatyki

Wprowadzenie Automatyka to dział nauki i techniki, który swoją uwagę koncentruje na sterowaniu procesami technologicznymi i różnego typu procesami przemysłowymi. Urządzenia, oparte na automatyce, zaliczają się zazwyczaj do trzech głównych grup: urządzeń pomiarowych, urządzeń sterujących i urządzeń wykonawczych.

Automatyzacja to zespół środków, metod, które służą do tego, aby udział człowieka w niektórych czynnościach był ograniczony do minimalnego stopnia lub zupełnie wyeliminowany. Automatyzacja to więc nic innego jak zastąpienie ludzkiej pracy pracą maszyn i urządzeń. Nie jest więc tożsama temu, co kryje się pod pojęciem automatyki, ponieważ do zastąpienia pracy ludzkiej działalnością maszyn może przyczynić się automatyka, ale również inne dziedziny nauki i techniki, jak informatyka, mechanizacja, robotyka. Wprowadzenie

Teoria sterowania to jedna z gałęzi cybernetyki, zajmuje się analizą i modelowaniem matematycznym obiektów i procesów różnej natury (np. chemicznych, mechanicznych, hydraulicznych, pneumatycznych, elektrycznych). Wprowadzenie

Trudne jest określenie granicy pomiędzy tymi pojęciami. Jeżeli prasa jest obsługiwana przez człowieka, który zakłada element wejściowy, naciska przyciski startu i stopu a po wykonaniu przez prasę cyklu obróbki odbiera detal i odkłada do magazynu to mówimy o mechanizacji. Ale gdy do tej samej prasy element dostarcza podajnik a maszyna po otrzymaniu sygnału startu zaczyna pracę i po jej zakończeniu odkłada detal do magazynu bez udziału człowieka to mówimy o automatyzacji. Automatyzacja a mechanizacja

Zalety automatyzacji  polepszenie bezpieczeństwa pracy,  Eliminacja człowieka ze szkodliwych warunków pracy,  powstanie nowych miejsc pracy związanych z robotyzacją czy programowaniem sterowników PLC,  rozwijanie technologii

Obiekty stosowane w automatyce Obiektem – nazywamy każde narzędzie, urządzenie czy układ, a także realizowany przez nie proces. Obiekt sterowany – jest to obiekt podlegający automatyzacji. Sygnał – jest to dowolna wielkość fizyczna niosąca ze sobą informację w postaci energi. Sygnałem jest impuls diody IR z pilota TV, jak i ciepło palnika podgrzewającego garnek z winem, czy strumień wody wpływający do zbiornika. Jeśli sygnały oddziałują na obiekt to nazywane są sygnałami wejściowymi. Sygnały wejściowe dzielimy na: - sygnały wejściowe sterujące – możemy mieć na nie wpływ, kształtować je ( np.. zmniejszenie dopływu wody do zbiornika). -Sygnały wejściowe zakłócające – nie podlegają kształtowaniu, cechują się przypadkowością i nieprzewidywalnością ( np.. Zmiana objętości wody w jeziorze w wyniku opadów czy parowania).

Podział sygnałów Sygnały deterministyczne – możemy je opisać za pomocą równań matematycznych, możemy przewidzieć ich zmienność czasową. Sygnały losowe – możemy je podać tylko z pewnym prawdopodobieństwem, np. szum. Opisujemy za pomocą procesu stochastycznego – każda funkcja traktowana jest jako jedna z wielu możliwych realizacji procesu stochastycznego. Sygnały okresowe to sygnały powtarzalne w czasie f(t)=f(t+T). Sygnały nieokresowe są niepowtarzalne w czasie, trudne do analizy.

Sygnały ciągłe w czasie

Sygnał dyskretny Posiada określone wartości napięcia tylko w pewnych momentach czasu (w których został próbkowany). W pozostałych chwilach czasowych nie wiemy co dzieje się z sygnałem.

Sygnał cyfrowy Posiada dwa stany logiczne: stan wysoki H (logiczne 1) oraz stan niski L (logiczne 0).

Sygnały okresowe

Sygnały nieokresowe

Skok jednostkowy (funkcja skokowa Heaviside'a) Jest funkcją nieciągłą która przyjmuje wartość 0 dla ujemnych argumentów i wartość 1 w pozostałych przypadkach.

Delta Dirac’a Delta Dirac'a (albo funkcja impulsowa) - δ to, obiekt matematyczny o następujących własnościach:

Sygnał liniowo narastający

Transmitancja operatorowa Jest to funkcja przejścia, G(s) – stosunek transformaty Laplace'a sygnału wyjściowego do transformaty Laplace'a sygnału wejściowego układu przy zerowych warunkach początkowych.

Element automatyki Element automatyki – jest to urządzenie występujące w układzie automatycznej regulacji, w którym można wyróżnić wyjście i wejście.

Posiada pewna liczbę sygnałów wejściowych i wyjściowych. Aby przedstawić opis i analizę obiektów stosuje się ich modele matematyczne. Obiekt wielowymiarowy

Sterowanie Sterowanie (regulacja) polega na takim oddziaływaniu na obiekt sterowania, za pomocą sygnałów wejściowych, aby jego sygnały wyjściowe osiągnęły pożądaną wartość (pożądane wartości). Podział: - ręczne (przy pomocy człowieka), - automatyczne (przy pomocy tzw. regulatora).

Obiekt sterowania Obiekt sterowania – każdy proces (np. napędzanie) lub zjawisko (np. przepływ cieczy), podlegające regulacji.

Układ sterowania Jest to sposób przedstawiania układów dynamicznych w postaci blokowej. Jest to taki układ, który składa się z obiektu sterowania i oddziałującego na niego urządzenia (regulatora).

Regulator Jest to jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego, aby obiekt regulowany w jak najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną. Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub poprawy niekorzystnych cech obiektu regulowanego. Regulator może np. poprawić dynamikę obiektu regulowanego (silnik będzie szybciej osiągał żądaną prędkość). Błędne użycie może prowadzić do niestabilności obwodu regulacji.

Układ otwarty Sterowanie u w układzie otwartym polega na takim nastawianiu wielkości wejściowej x, aby znając charakterystykę obiektu O otrzymać na wyjściu pożądaną wartość y. Jest to taki układ, w którym na regulator R nie oddziałują wielkości związane z obiektem O. W analizie tych układów często uwzględnia się zakłócenia z. Cechy: - pobudza się wejście u nie obserwując tego co dzieje się na wyjściu y, - nie wykorzystuje się informacji wyjściowej y, - wymaga dogłębnej znajomości sterowanego obiektu i możliwości precyzyjnego sterowania.

Układ zamknięty Zamknięty układ sterowania (układ regulacji automatycznej) to układ w którym na sygnał sterujący obiekt u ma wpływ sygnał wyjściowy y. Cechy: - porównuje się wartości sygnałów wyjściowych y z sygnałami zadanymi y0, - porównanie to realizowane jest przez ujemne sprzężenie zwrotne, - układ reaguje na zmiany sygnałów wyjściowych y wywołanych np. zakłóceniami z przez odpowiednie wyznaczenie wartości uchybów e.

Przenoszenie węzła sumacyjnego sprzed bloku za blok

Przenoszenie węzła sumacyjnego z za bloku przed blok

Przenoszenie węzła informacyjnego sprzed bloku za blok

Przenoszenie węzła informacyjnego z za bloku przed blok

Połączenie szeregowe

Połączenie równoległe

Ujemne sprzężenie zwrotne

Dodatnie sprzężenie zwrotne

Zadanie 1 Wyznaczyć transmitancję operatorową układu o schemacie blokowym przedstawionym poniżej.

Schemat blokowy należy przekształcić do postaci, w której można będzie wyodrębnić połączenia elementarne. Po przesunięciu węzła sumacyjnego 2 przed blok o transmitancji G1(s) i zmianie kolejności węzłów sumacyjnych 1 i 2, otrzymuje się szeregowe połączenie dwóch połączeń elementarnych: połączenia równoległego G’ i dodatniego sprzężenia zwrotnego G’’. Transmitancja całego układu jest więc iloczynem transmitancji układów G’ i G’’. Zadanie 1

Innym sposobem przekształcenia schematu jest przesunięcie węzła sumacyjnego 1 za element o transmitancji operatorowej G1(s). Po zmianie kolejności węzłów sumacyjnych otrzymamy schemat umożliwiający wyznaczenie transmitancji układu jako iloczynu transmitancji połączeń G’ i G’’. Zadanie 1