Podstawy Sterowania prof. dr hab. inż. Piotr Tatjewski Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej, pok. 521 Podstawy Sterowania wymiar przedmiotu: 2 – 1 – Zaliczenie Punkty: Egzamin: do 60 pkt. Laboratorium: do 40 pkt. (5 x 8 pkt.) Warunki uzyskania pozytywnej oceny: zaliczenie pięciu ćwiczeń laboratoryjnych, Uzyskanie co najmniej 51 pkt., w tym co najmniej 21 pkt. z egzaminu. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Celem przedmiotu jest przedstawienie podstaw zagadnień dotyczących automatyki, w zakresie przede wszystkim podstaw teorii: postacie opisu obiektów dynamicznych do celów sterowania, sprzężenie zwrotne, podstawowe struktury i algorytmy układów regulacji i sterowania; jak i współczesnych realizacji technicznych: sterowniki programowalne, systemy oprogramowania, struktury systemów sterowania P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Wstęp. System sterujący jako rodzaj systemu informacyjnego i systemu informatycznego. Przykłady układów wspomagania decyzji i sterowania. Ograniczenia czasowe i niezawodność. Sterowanie logiczne (binarne), sterowanie ciągłe, sprzężenie zwrotne. Definicje sterowania, regulacji. Krótki rys historyczny. Sterowanie logiczne (binarne). Przykład (linia butelkowania). Sprzętowa i programowa realizacja sterowania. Programowalny sterownik logiczny (PLC) - zasada działania, języki programowania. Sterowanie ciągłe, regulacja. Przykłady. Regulacja sygnałem ciągłym, dwupołożeniowa i trójpołożeniowa. Regulatory modułowe, wielofunkcyjne. Modelowanie obiektów dynamicznych do celów sterowania. Przykłady modeli z czasem ciągłym i dyskretnym. Ciągłe i dyskretne stany układów dynamicznych. Opis układem równań różniczkowych/ różnicowych pierwszego rzędu. Punkty równowagi, charakterystyki statyczne, obszary określoności modeli, linearyzacja modeli nieliniowych. Analiza liniowych modeli dynamicznych w dziedzinie czasu. Odpowiedzi impulsowa i skokowa, splot, postać rozwiązania liniowych równań stanu. Analiza liniowych modeli dynamicznych w dziedzinie zmiennej zespolonej. Transformata Laplace’a i transmitancja, odpowiedź wymuszona, położenie biegunów transmitancji a cechy przebiegów. Stabilność (typu OweOWy), kryterium algebraiczne stabilności Hurwitza. Układy ze sprzężeniem zwrotnym I. Wpływ sprzężenia na dokładność regulacji obiektu statycznego: uchyby ustalone - redukcja wpływu zakłóceń i zmian parametrów układu; wpływ sprzężenia na dynamikę - przyspieszenie, możliwość wzbudzenia. Uchyby ustalone dla testowych przebiegów wartości zadanej i zakłócenia, wpływ całkowania w obiekcie i regulatorze. Układy ze sprzężeniem zwrotnym II. Charakterystyki częstotliwościowe amplitudowo-fazowe i asymptotyczne Bodego, podstawowe człony dynamiczne. Kryterium Nyquista, zapasy modułu i fazy, wpływ opóźnienia. Pożądany kształt charakterystyki częstotliwościowej układu regulacji. Zasady projektowania prostych układów regulacji. Wymagania projektowe. Projektowanie serwomechanizmu. Projektowanie układu regulacji przemysłowej, regulator PID i dobór jego nastaw. Cyfrowa realizacja algorytmów sterowania. Dyskretyzacja modeli z czasem ciągłym. Wpływ dyskretyzacji na cechy układu regulacji dla małych okresów próbkowania. Algorytmy dyskretne regulacji PID. Warstwowy układ sterowania. Przykład. Struktura funkcjonalna: warstwa regulacji bezpośredniej, warstwy nadrzędne sterowania - funkcje i zadania. Wymagania czasowe, systemy czasu rzeczywistego. Struktura sprzętowa układu warstwowego: sterowniki, stacje obsługi i nadzoru, łącza sieciowe, systemy oprogramowania typu SCADA. Przykłady . Literatura: U. Kręglewska i in.: Podstawy sterowania – ćwiczenia laboratoryjne. Skrypt, OW PW, 2003. G. Franklin, J. Powell, A. Emami-Naeini; Feedback Control of Dynamic Systems, Addison Wesley, (wyd.3 i nast..). K. Szacka: Teoria układów dynamicznych. Skrypt, OW PW, 1995. K. Malinowski, P. Tatjewski: Podstawy sterowania. Skrypt ( w opracowaniu). P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) AUTOMATYKA zajmuje się budową urządzeń i tworzeniem układów (systemów) umożliwiających właściwe, możliwie najlepsze, funkcjonowanie różnorodnych obiektów i procesów bez udziału człowieka lub przy minimalizacji tego udziału. Automatyka obejmuje w szczególności: - Budowę specjalizowanych komponentów obiektu realizujących funkcje automatyki, Projektowanie i budowę układów sterowania, w szczególności algorytmów regulacji i sterowania, Projektowanie i budowę systemów wspomagania decyzji do celów sterowania i zarządzania. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Sterowaniem nazywamy kształtowanie – zgodnie z określoną procedurą i w czasie rzeczywistym – przeznaczonych do tego celu wielkości wejściowych danego obiektu lub procesu, w celu uzyskania pożądanego zachowania się tego obiektu (procesu), na ogół w obecności swobodnych, tj. niesterowanych oddziaływań ze strony otoczenia (zwanych zakłóceniami). Sterowanie odbywa się przy pomocy funkcjonalnie wyodrębnionego układu, nazywanego układem sterowania (układem sterującym). P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Układ sterowania Decyzje - sygnały sterujące Otoczenie Pozyskiwanie i prze- syłanie informacji Sterownik Urządzenia wykonawcze OBIEKT Wielkości wejściowe sterowane (sterowania) Wielkości wejściowe swobodne (zakłócenia) P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Układ sterowania funkcjonujący bez czynnego udziału człowieka nazywamy układem sterowania automatycznego. Układ sterowania automatycznego może być wbudowany w obiekt lub może być fizycznie wyodrębniony z tego obiektu. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Zegar wodny Ktesibios Grecja, ok.. 300 p.n.e. Skala w jedn. czasu Zawór pływakowy P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Zegar wodny Ktesibios Grecja, ok.. 300 p.n.e. Skala czasu Czy mamy tutaj do czynienia ze sterowaniem? Układ sterowania nie jest wyraźnie funkcjonalnie ukształtowany. Element automatyki; zawór pływakowy stabilizujący poziom wody w zbiorniku dozującym P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Maszyna parowa J. Watt – 1788 r. zasuwa dopływ pary Wbudowany w konstrukcję maszyny, ale wyraźnie ukształtowany układ sterowania – Regulator odśrodkowy prędkości obrotowej P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) 1. Przykłady prostych układów sterowania: 1.1. Sterowanie pralka automatyczną. 1.2. Sterowanie prędkością obrotową talerzy pamięci dyskowej. 1.3. Stabilizacja położenia głowicy pamięci dyskowej. 1.4. Regulacja (stabilizacja) temperatury w pomieszczeniu. 1.5. Stabilizacja (nastawianie) przepływu zasilającego reaktor chemiczny. 2. Przykłady złożonych układów sterowania (systemów sterowania) 2.1. Sterowanie ruchem pociągów metra. 2.2. Sterowanie pracą kolumny destylacyjnej. 2.3. Stabilizacja położenia wieży i działa czołgu podczas jazdy w terenie. 2.4. System sterowania zespołem kocioł-turbina w elektrowni. 2.5. Sterowanie pracą zespołu instalacji – ciągu technologicznego; na przykład sterowanie pracą wydziału olejowego rafinerii. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) SYSTEMY INFORMACYJNE; funkcje systemu informacyjnego (S4P lub S5P): Pozyskiwanie informacji (pomiary) Przesyłanie informacji (np. z wykorzystaniem sieci danych) Przechowywanie informacji (bazy danych) Przetwarzanie informacji (np. podejmowanie decyzji sterujących) Prezentacja informacji (np. wizualizacja stanu obiektu) SYSTEM INFORMATYCZNY – system informacyjny zrealizowany w oparciu o urządzenia i środki informatyczne (komputery i oprogramowanie) Współczesne układy (systemy) sterowania są w większości przypadków realizowane jako systemy informatyczne. Centralną część takiego układu sterowania stanowi sterownik – urządzenie cyfrowe i odpowiedni algorytm - wypracowujący w czasie rzeczywistym decyzje sterujące określające wartości wielkości wejściowych podlegających kształtowaniu. Mówiąc o systemach lub układach sterowania rozpatrujemy je obecnie, na ogół, jako systemy informatyczne. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Cechy charakterystyczne (informatycznych) systemów sterowania, wymagania: Bezpieczeństwo i niezawodność działania; wymagane jest bardzo staranne programowanie oraz rzetelne testowanie wszystkich urządzeń i oprogramowania przed uruchomieniem systemu; dla podwyższenia bezpieczeństwa i niezawodności stosowana jest redundancja sprzętowa i programowa – często wielokrotna; wykorzystywane są urządzenia o wysokiej wytrzymałości, odporności na działanie w wysokiej (lub niskiej) temperaturze, odporności na wstrząsy, zakłócenia elektromagnetyczne i.t.p. Przestrzeganie ograniczeń czasowych; poszczególne czynności – w trybie normalnym lub awaryjnym - muszą być wykonywane w określonym reżimie czasowym; wykorzystywane są systemy operacyjne czasu rzeczywistego. Złożone systemy sterowania pracują z reguły pod nadzorem człowieka lub nawet zespołu operatorów; na przykład system sterowania zespołem kocioł-turbina nadzorowany jest przez co najmniej dwóch dyżurnych operatorów. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Podstawowe układy sterowania (warstwa sterowania bezpośredniego): Układy sterowania logicznego (binarnego); decyzje typu włącz-wyłącz, odpowiednio uszeregowane i uwarunkowane upływem czasu lub informacją o określonych zdarzeniach; przykłady: sterowanie cyklem prania w pralce automatycznej, sterowanie linią napełniania butelek, sterowanie ruchem składów pociągów metra. Układy regulacji; decyzje dotyczą wejść sterowanych w postaci wielkości ciągłych, takich jak położenia, prędkości, przepływy, napięcia, prądy itp.; cel stanowi nadążanie odpowiednich wyjść obiektu (wielkości wyjściowych procesu sterowanego) za zadanymi przebiegami tych wielkości, w szczególnym przypadku stabilizacja wyjść na zadanych wartościach; przykłady: stabilizacja temperatury w pomieszczeniu, stabilizacja prędkości obrotowej turbiny, naprowadzanie lufy działa na cel o zmieniającym się położeniu (trudna regulacja nadążna). Sterowanie + Wartość zadana Regulator - UKŁAD REGULACJI Obiekt Wejścia sterowane Wejścia swobodne P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

Przykład systemu wspomagania decyzji – zarządzanie zbiornikiem retencyjnym podczas powodzi Prognozy opadu Operator Pomiary stanu dopływów Sterowanie: Dyspozycja odpływu Stan zbiornika D Operator korzysta z różnych narzędzi umożliwiających ocenę wartości przyszłych dopływów (prognozy dopływów) oraz ocenę konsekwencji możliwych działań – dyspozycji odpływów; decyzję podejmuje sam i na własną odpowiedzialność! Jeśli reguła podejmowania decyzji dotyczącej dyspozycji odpływu zostanie ujęta w postaci sprecyzowanego algorytmu i zastosowana bez udziału operatora – bez odpowiedzialności z jego strony za skutki tych decyzji – system stanie się systemem sterowania automatycznego. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)

P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007) Kilka dat z historii (praktyka, teoria i metody): v 300 p.n.e. – stabilizacja poziomu wody (zegar wodny; Ktesibos), 1788 – regulator odśrodkowy prędkości obrotowej maszyny parowej; J. Watt), v 1900-1920 - żyroskop i autopilot dla statków (Sperry Giroscope Company), 1927 – wzmacniacz elektroniczny ze sprzężeniem zwrotnym (H. S. Black), 1936 – regulator PID (1942 – reguły nastawiania reg. PID; Ziegler i Nichols), 1930-1940 - kryterium stabilności, H. Nyquist; reguły projektowania metodą częstotliwosciową, H. W. Bode (Bell Telephone Laboratories), 1948 – metoda linii pierwiastkowych (W. R. Evans), 1956 – zasada maksimum (L. S. Pontriagin); programowanie dynamiczne (R. Bellman) - początkują gwałtowny rozwój teorii sterowania optymalnego, 1969 – mikroprocesor; rozpoczyna się początkowo powolny, następnie coraz szybszy rozwój cyfrowych układów sterowania, obecnie informatycznych systemów sterowania. P. Tatjewski: Podstawy Sterowania, wykład 1 (2007)