Podstawy automatyki I Wykład 1b - 2015/2016 - studia stacjonarne Mieczysław Brdyś, prof. dr hab. inż Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Wykład 1b - 2015/2016 Pojęcia podstawowe automatyki

Sterowanie to celowe oddziaływanie czegoś/kogoś na coś/kogoś Podstawy automatyki – czym zajmuje się automatyka? Automatyka jest dziedziną wiedzy, która zajmuje się możliwościami ograniczania udziału lub eliminowania udziału człowieka w sterowaniu różnorodnymi obiektami/systemami Sterowanie – jaka jest jego istota? Sterowanie to celowe oddziaływanie czegoś/kogoś na coś/kogoś

??? ??? PA Analiza pojęcia „sterowanie” Sterowanie to celowe oddziaływanie czegoś/kogoś na coś/ kogoś ??? KTOŚ KTOŚ Celowe oddziaływanie Wspomaganie decyzji ??? Celowe oddziaływanie Celowe oddziaływanie COŚ PA COŚ Celowe oddziaływanie

Dwie płaszczyzny inżynierii sterowania Automatyczne sterowanie (celowe oddziaływanie czegoś na coś) jest dziedziną wiedzy, która zajmuje się możliwościami (proponowanie struktur sterowania, proponowanie metod sterowania, komputerowa realizacja struktur i metod) eliminowania udziału człowieka z procesów sterowania różnorodnymi obiektami bądź środowiskiem Wspomaganie decyzji (celowe oddziaływanie kogoś na coś) jest dziedziną wiedzy, która zajmuje się możliwościami (proponowanie modeli decyzyjnych typowych problemów decyzyjnych, proponowanie metod znajdowania opcji spełniających preferencje decydenta, komputerowa realizacja systemów wspomagania decyzji) pomagania człowiekowi w procesach podejmowania różnorodnych decyzji związanych z oddziaływaniem na obiekty bądź środowisko

Coś co celowo oddziałuje – układ/system sterujący Układ sterujący – jest to system, którego celem jest przygotowanie sterowania obiektem sterowanym w oparciu o znajomość celu sterowania i o dostępną wiedzę o obiekcie sterowanym. Układem sterującym może być człowiek lub skonstruowane i wyposażone przez niego urządzenie (np. układ komputerowy, sterownik PLC, regulator, ....) Coś na co wywierane jest celowe oddziaływanie – obiekt/system sterowany Obiekt sterowany – jest to system, na który w sposób celowy (wynikający z celu działania tego systemu, sprzyjający realizacji funkcji tego systemu) oddziałuje (steruje nim) układ sterujący

System sterowania System sterowany System sterujący Połączenie - układ/system sterujący oraz obiekt/system sterowany tworzy układ/system sterowania System sterowania System sterowany System sterujący

Otoczenie System System System - jest to wyodrębniony z otoczenia fragment rzeczywistości, składający się z elementów tworzących funkcjonalna całość, na który otoczenie oddziałuje za pomocą wielkości wejściowych (bodźców) i który oddziałuje na otocznie za pośrednictwem wielkości wyjściowych (reakcji) System Wejście Wyjście Otoczenie

Wyodrębnienie systemu z otoczenia: Określenie wielkości wejściowych i wyjściowych wiążących system z otoczeniem

System System System Sygnał Sygnał Sterownik Sygnał Sygnał Proces Systemy sterowania: składają się z dwóch (pod)systemów – sterującego i sterowanego; system sterujący oddziałuje na system sterowany tak, aby osiągnięty został postawiony cel działania systemu sterowanego Sygnał Zadana trajektoria sterowania Zakłócenia System System Sygnał Sterownik Sygnał Obserwacje Sterowania System Proces Zakłócenia Sygnał

Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla obiektu sterowanego Wielkości wejściowe obiektu sterowanego Wielkości wejściowe poprzez które realizowane jest sterowanie nazywane są:  wielkości sterujące (sterowania) Wielkości wejściowe nie będące wielkościami sterującymi (mówimy: niesterowalny wpływ otoczenia na system) nazywane są:  wielkości zakłócające (zakłócenia)

 wielkości sterowane (wyniki, efekty sterowania) Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla obiektu sterowanego – c.d. Wielkości wyjściowe obiektu sterowanego Wielkości wyjściowe determinujące realizację wybranego celu działania obiektu sterowanego nazywane są:  wielkości sterowane (wyniki, efekty sterowania) Pozostałe obserwowane wielkości wyjściowe nazywane są:  wielkości pomocnicze

Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla obiektu sterowanego – c.d. Zakłócenia Zbiór możliwych zakłóceń Wielkości pomocnicze Sterowania Obiekt sterowany Wielkości sterowane (aktualne wartości) Zbiór sterowań dopuszczalnych Problem sterowania pojawia się, gdy istnieje więcej niż jedna możliwość oddziaływania na system – istnieje zbiór sterowań dopuszczalnych

Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla układu sterującego Wielkości wejściowe i wyjściowe dla układu sterującego Układ sterujący budujemy korzystając z: Dostępnej wiedzy o obiekcie sterowanym Wielkości sterowane (pożądane wartości) Układ sterujący Sterowania Wielkości sterowane (aktualne wartości)

Wielkości zakłócające Przykład: Utrzymać napięcie zasilania odbiorników w sieci prądu stałego na stałym, zadanym poziomie Uo=24V Wielkości zakłócające ωm Io Rz E Iw Φw Wielkość sterowana Wielkość sterująca Obiekt sterowany Układ sterujący

Obiekt sterowany + układ sterujący = system sterowania Sposób współdziałania (połączenia) obiektu sterowanego z układem sterującym = struktura systemu sterowania

Zadanie: Utrzymać napięcie zasilania odbiorników w sieci prądu stałego na stałym, zadanym poziomie Uo=24V 0 rozwiązanie ωm 23.5 Io Rz E 24.0! Iw Φw Wiedza o systemie ! Postać analityczna Operator wykorzystuje też wiedzę o systemie! Postać lingwistyczna

Wielkości zakłócające I rozwiązanie – wybór struktury Wielkości zakłócające ωm Io Rz E Iw Φw Wielkość sterowana Układ sterujący Obiekt sterowany Wielkość sterująca

Układ otwarty sterowania Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających) W przykładzie: W przykładzie: Wielkość zakłócająca Wielkość zakłócająca Obiekt sterowany Układ sterujący Wielkość sterująca Wielkość sterowana W przykładzie W przykładzie Układ otwarty sterowania

parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne I rozwiązanie – nastawa układu sterującego dla nominalnych wartości zakłóceń Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: cel sterowania – stała wartość napięcia zasilania Dla danych: parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne Sprawdzić, czy można wybrać taką wartość Iw, aby uchyb sterowania Uε =U0 – U był równy zero

Dla przykładowych danych: Można ….. i idealna jakość sterowania !

zakłócenie na poziomie nominalnym I rozwiązanie – jakość sterowania (przy zmianach zakłócenia) Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: Dla danych: zakłócenie na poziomie nominalnym zakłócenie zmieniane Dla obliczonego poprzednio Iw, obliczyć wartości U przy zmianach prądu obciążenia Io o 100% w górę i w dół. Obliczyć dla tych przypadków uchyb sterowania Uε =Uo – U

Z uzyskanej uprzednio zależności Dla Io = 0A Niedobrze

Dla Io = 200A Niedobrze

ωm Rz Przyczyna niezadowolenia - zakłócenia II rozwiązanie – wybór struktury ωm Io Rz E Φk Iw Φw Obiekt sterowany Układ sterujący

Układ ze sprzężeniem w przód (z pomiarem wielkości zakłócającej) Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających W przykładzie: Wielkość zakłócająca W przykładzie Obiekt sterowany Układ sterujący Wielkość zakłócająca Wielkość sterująca Wielkość sterowana W przykładzie: W przykładzie W przykładzie Układ ze sprzężeniem w przód (z pomiarem wielkości zakłócającej)

W rozwiązaniu zastosowano: Informacyjne sprzężenie w przód – przekazanie informacji o wartości zakłóceń oddziałujących na obiekt sterowany do układu sterującego

parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne II rozwiązanie – nastawa układu sterującego dla nominalnych wartości zakłóceń Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: cel sterowania – stała wartość napięcia zasilania Dla danych: parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne Sprawdzić, czy można wybrać taką wartość Iw, aby uchyb sterowania Uε =U0 – U był równy zero

Dla przykładowych danych: Można … i jakość sterowania idealna

zakłócenie na poziomie nominalnym II rozwiązanie – jakość sterowania (przy zmianach zakłócenia) Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: Dla danych: zakłócenie na poziomie nominalnym zakłócenie zmieniane Dla obliczonego poprzednio Iw, obliczyć wartości U przy zmianach prądu obciążenia o 100% w górę i w dół. Obliczyć dla tych przypadków uchyb sterowania Uε =Uo – U

Z uzyskanej uprzednio zależności Dla Io = 0A Lepiej

Dla Io = 200A Lepiej

ωm Rz III rozwiązanie – wybór struktury Obiekt sterowany Uo Φk  - Io Rz E Ik K5 Uε Iw Φw Obiekt sterowany Układ sterujący

Zależności

Układ ze sprzężeniem zwrotnym (zamknięty układ sterowania) Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających) W przykładzie: Wielkość zakłócająca W przykładzie: Wartość pożądana wielkości sterowanej Wielkość zakłócająca Układ sterujący Obiekt sterowany Wielkość sterowana Wielkość sterująca W przykładzie W przykładzie W przykładzie Układ ze sprzężeniem zwrotnym (zamknięty układ sterowania)

W rozwiązaniu zastosowano: Informacyjne sprzężenie zwrotne – przekazanie informacji o efektach/wynikach sterowania do układu sterującego Ujemne sprzężenie zwrotne – informacja o efektach/wynikach sterowania przeciwdziała niepożądanym zmianom wielkości sterowanej (wielkości sterowanych) System sterowania z ujemnym sprzężeniem zwrotnym nazywany jest układem regulacji

parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne III rozwiązanie – nastawa układu sterującego dla nominalnych wartości zakłóceń Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: cel sterowania – stała wartość napięcia zasilania Dla danych: parametry systemu sterowania wartości zakłóceń nominalne Sprawdzić, czy można wybrać taką wartość Iw, aby uchyb sterowania Uε =U0 – U był równy zero

Odpowiedź można szybko podać, bo ..... Można … i jakość sterowania idealna

zakłócenie na poziomie nominalnym III rozwiązanie – jakość sterowania (przy zmianach zakłócenia) Zadanie sterowania – utrzymać stałą wartość napięcia zasilania na poziomie: Dla danych: zakłócenie na poziomie nominalnym zakłócenie zmieniane Dla obliczonego poprzednio Iw, obliczyć wartości U przy zmianach prądu obciążenia o 100% w górę i w dół. Obliczyć dla tych przypadków uchyb sterowania Uε =Uo – U

oraz Otrzymamy

Ostatecznie Dla Io = 0A

Bardzo dobrze

Dla Io = 200A Bardzo dobrze

Przedstawiliśmy trzy podstawowe struktury sterowania Zasadnicza struktura sterowania automatycznego – struktura zamknięta

– koniec materiału prezentowanego podczas wykładu Dziękuję za uwagę – koniec materiału prezentowanego podczas wykładu