CW01 - Teorie měření a regulace cv. 7.0

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace cv. 7.0 Teorie regulace ZS 2014/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace Teorie regulace cv.7.-2 ZS 2014/ Ing. Václav Rada, CSc.

3 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

4 aneb Základy KYBERNETIKY chcete-li TEORIE REGULACE VR - ZS 2009/2010

5 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

6 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

7 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

8 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

9 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - KYBERNETIKA Diskuze kolem tehdejších poznatků a další rozvoj přijatých závěrů vedlo v letech 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

10 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY 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

11 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - KYBERNETIKA Nejdůležitější principy kybernetiky: Zpětná vazba.. Informace.. Model.. VR - ZS 2010/2011

12 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

13 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

14 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY - 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

15 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

16 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

17 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

18 ŘÍZENÍ 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). VR - ZS 2009/2010 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

19 ŘÍZENÍ 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

20 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

21 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

22 Základy teorie řízení Základní struktura systému automatického řízení W regulátor R X Základní struktura systému automatického řízení regulovaná soustava S Y jedná se o časově závislé systémy a tedy i časově závislé proměnné, správně w(t), x(t) a y(t) VR - ZS 2009/2010

23 Základy teorie řízení w(t)... žádaná hodnota vstupní veličiny x(t)... řídicí veličina na výstupu regulátoru a zároveň na vstupu Základní struktura systému automatického řízení regulované soustavy y(t)... výstupní veličina regulované soustavy (objektu řízení). VR - ZS 2009/2010

24 Základy teorie řízení Základní schema zpětnovazebního regulačního obvodu. regulační odchylka u porucha regulovaná veličina w e Regulátor x soustava y žádaná hodnota - u y signál zpětné vazby člen zpětné vazby Základní schema zpětnovazebního systému VR - ZS 2009/2010

25 Základy teorie řízení Pokud je regulátor informován o výsledcích své regulační činnosti zpětnou vazbou, vznikne regulační obvod, jehož blokové schema je w regulační odchylka PR u w u e ŮČR VZ u 1 u 2 u x 3 AO RS y žádaná hodnota - u y signál zpětné vazby MČ - ZPV u 4 regulovaná veličina VR - ZS 2009/2010 Základní struktura systému automatického řízení

26 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

27 systémy automatického řízení a regulace lineární nelineární spojité diskrétní hybridní stacionárníí nestacionární se soustředěný mi parametry s rozloženými parametry deterministické stochastické VR - ZS 2009/2010

28 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

29 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)

30 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

31 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

32 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

33 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

34 Základní pojmy PŘESNOST REGULACE dovolená odchylka skutečné hodnoty výstupní veličiny od požadované reprezentuje statické vlastnosti systému PŘESNOST ŘÍZENÍ dovolená odchylka skutečné hodnoty regulační odchylky

35 a to by bylo vše 7... VR - ZS 2009/2010

36 ŘÍZENÍ VR - ZS 2009/2010