Základy automatického riadenia

Transkript

1 LOGO A u t o m a t i z á c i a p r i e m y s e l n ý c h t e c h n o l ó g i í Základy automatického riadenia Technika ochrany životného prostredia

2 Obsah 1 Regulácia a riadenie 2 Spôsoby regulácie 3 Číslicové riadenie APT 2

3 Riadenie Riadením v technickom zmysle slova sa zaoberá teória riadenia alebo teória automatického riadenia. V ekonomickom zmysle je riadenie podúlohou manažmentu APT 3

4 Teória automatického riadenia Teória automatického riadenia je teória, ktorá skúma princípy fungovania a konštruovania riadiacich systémov. Teória automatického riadenia vznikla z technických úloh konštruovania regulátorov udržiavajúcich daný režim práce regulovaného objektu autormaticky. Klasickým príkladom takéhoto technického systému je odstredivý regulátor Wattovho parného stroja APT 4

5 Regulácia Regulátor je zariadenie, ktoré sa stará, aby daný systém automaticky pracoval a fungoval v požadovanom rozsahu hodnôt. Riadeným systémom môže byť napríklad motor, elektromotor, vykurovanie, klimatizácia, chemický proces atď. Úloha regulácia je nastaviť určité veličiny napr. teplota, otáčky, tlak, napätie atď. na predpísané hodnoty a udržiavať ich pri pôsobení poruchovej veličiny. Napríklad pri elektromotore potrebujeme udržiavať konštantné otáčky. Problém nastáva, keď ho odrazu zaťažíme -- otáčky trochu klesnú. Preto sa používa regulátor, ktorý zmierňuje následky zmeny záťaže prejavujúce sa na otáčkach APT 5

6 Úloha regulácie Veličina, ktorá je reguláciou upravovaná podľa stanovených podmienok sa nazýva regulovaná veličina. Regulovanú veličinou môže byť napr. teplota, otáčky, napätie intenzita osvetlenia výška atď, značíme ju Y. Aby sme mohli vykonávať reguláciu je potrebná ďalšia veličina, pomocou ktorej môžeme ľahko ovplyvňovať regulovanú veličinu, ktorú nazývame akčná veličina a značíme U. Reguláciu potrebujeme vtedy, keď regulovaná veličina sama nezostáva na požadovanej hodnote, ale pôsobením vonkajších porúch, poruchových veličín, má snahu meniť svoju hodnotu. Poruchovú veličinu značíme Z APT 6

7 Riadenie Riadenie je pôsobenie riadiaceho členu na člen riadený. Môže to byť viac či menej zložité zariadenia, v ktorom sa snažíme dosiahnuť vopred stanovený stav. Riadenie môžeme rozdeliť: a) riadenie ovládaním b) riadenie reguláciou c) riadenie kybernetickým zariadením APT 7

8 Riadenie a) ovládaním Zariadenia vykonávajúce samočinne danú úlohu v určitej postupnosti operácií, ale sami nekontrolujú svoju činnosť (nemajú spätnú väzbu) Použitie: U obrábacích strojov a cyklických automatov APT 8

9 Riadenie b) reguláciou Zariadenie (súprava) udržiava samočinne vlastnosti daného pochodu v určitých medziach, tieto zariadenia majú spätnú väzbu APT 9

10 Riadenie c) kybernetickým riadením Jedná sa o uzavretý celok, kde dochádza k samočinnému riadeniu a kde kybernetické zariadenia si samo volí podmienky a spôsob tohto konania podľa vopred stanovených kritérií, vypracovaných človekom APT 10

11 Riadenie ovládaním automatická signalizácia dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného zariadenia, ale nezasahuje do činnosti zariadenia - automatické blokovanie spôsob ochrany zariadenia pred poruchou alebo haváriou, ak nie sú splnené určité dopredu stanovené podmienky - automatická ochrana chráni zariadenie, alebo elektrický obvod pred zaťažením. Používa sa aj na ochranu obsluhy - automatická kontrola je technická kontrola geometrických rozmerov vyrábaných súčiastok. Môže byť pasívna alebo aktívna. Pasívna výsledky kontroly neovplyvňujú technologický proces. V procese kontroly sa výrobky triedia na dobré a nepodarky. Aktívna výsledky merania ovplyvňujú technologický proces. Podľa výsledkov kontroly sa nastavujú obrábacie stroje. Aktívna sa delí podľa toho, kedy sa táto kontrola uskutočňuje: 1.) predoperačná aktívna kontrola jej úlohou je zabrániť, aby sa do obrábacieho stroja nedostali nepodarky. Ak niektorý rozmer súčiastky nevyhovuje, tak sa súčiastka vyradí. 2.) operačná kontrola uskutočňuje sa počas obrábania na obrábacom stroji (priamo). Používa sa pri dokončovacích prácach. 3.) pooperačná aktívna kontrola uskutočňuje sa až po ukončení práce (operácie). Tento spôsob sa používa, keď nie je možné použiť operačnú kontrolu APT 11

12 Regulácia Pojem regulácie predstavuje také nastavenie výstupnej (regulovanej) veličiny, pri ktorej sa hodnota tejto výstupnej veličiny nepretržite (alebo po určitých krokoch) mení a v diferenčnom člene (porovnávacom) sa porovnáva s hodnotou vstupnej (riadiacej) veličiny). Pokiaľ sa tieto hodnoty lišia (výstupná veličina nedosiahla/prekročila hodnotu vstupnej), vzniká v porovnávacom člene rozdiel, ktorý nazývame regulačná odchýlka. Táto regulačná odchýlka predstavuje vlastnú akčnú veličinu, ktorá ovláda nastavovací člen výstupnej veličiny. Ak sa nastaví regulačná odchýlka na nulu, regulačný proces bude udržovať rovnovážny stav dovtedy, kým nevznikne nová regulačná odchýlka v dôsledku zmeny buď vstupnej alebo výstupnej veličiny v dôsledku meniacich sa podmienok APT 12

13 Bloková schéma regulačného obvodu z poruchová veličina y regulovaná veličina w žiadaná hodnota výstupnej veličiny e regulačná odchýlka u akčná veličina APT 13

14 Regulátor Regulátor je zariadenie, ktoré uskutočňuje samočinnú (automatickú) reguláciu Riadiaci člen nastavuje žiadanú hodnotu Merací člen určuje skutočnú hodnotu regulovanej veličiny Porovnávací člen spracováva y (regulovanú veličinu) a w (žiadanú hodnotu výstupnej veličiny) na e (regulačnú odchýlku) Ústredný člen spracováva regulačnú odchýlku Akčný člen vykonáva akčný zásah APT 14

15 Rozdelenie regulátorov Podľa druhu energie s ktorou pracujú: a.) mechanické: - obsahujú iba mechanické členy (páky, prevody,...) - sú pomalé, rozmerné, ale sú jednoduché a ľahko opraviteľné b.) pneumatické: - vyskytujú sa v závodoch s rozvodom tlakového vzduchu; používajú členy typu ventil, membrána, clona, vzduchový valec, turbínky - sú nenáročné, pomerne presné, trochu pomalé, ľahko sa zisťuje porucha c.) hydraulické: - využívajú k napájaniu olej; používajú členy ventil, hydraulický motor,valec - dokážu vyvinúť veľkú silu (lisy), sú spoľahlivé, ľahko sa opravujú, používajú sa v ťažkých prevádzkach; hmotnosť kvapaliny a pohyblivých súčastí zhoršuje dynamické vlastnosti (sú pomalé a majú menšiu presnosť regulácie) d.) elektrické: - používajú k napájaniu elektrinu; dnes sú najrozšírenejšie elektronické regulátory na báze polovodičovej techniky; akčné členy sú elektromechanické (elektromagnety, elektromagnetické ventily, servomotory) - majú vysokú kvalitu regulácie (presnosť aj rýchlosť); malé rozmery, malá hmotnosť, vysoká energetická účinnosť, čistá bezhlučná prevádzka, minimálna údržba, dostupnosť súčiastok, nízka cena, spoľahlivosť - nedostatky: - zložitosť, závislosť na napájaní, veľká citlivosť na poruchy, citlivosť na elektromagnetické rušenie APT 15

16 Uzavretý regulačný obvod Pre praktickú realizáciu regulácie obecne má regulačná odchýlka malú výkonovú úroveň alebo iný fyzikálny charakter a preto musíme do regulačného obvodu zaradiť zosilňovač APT 16

17 Rozdelenie podľa činnosti s pomocnou energiou a bez pomocnej energie 1.) priame regulátory pracujú bez pomocnej energie. Signál zo snímača sa privádza priamo na akčný člen umožňuje jeho prestavenie 2.) nepriame regulátory používa sa, ak signál od snímača nie je dostatočne silný na prestavenie regulačného orgánu. Medzi porovnávací aakčný člen sa zaraďuje zosilňovač APT 17

18 APT 18

19 Servomechanizmus V technickej praxi sa často vyskytujú prípady, kedy výstupnou veličinou je poloha alebo rýchlosť pohybu časti mechanizmu. Takéto regulačné obvody sa označujú ako servomechanizmy APT 19

20 Spôsoby regulácie Regulácia na konštantne nastavenú hodnotu Regulácia na konštantne nastavenú hodnotu je najjednoduchšia aj najrozšírenejšií typ regulácie. Úlohou je zabezpečiť, aby regulovaná veličina bola stále na požadovanej konštantnej (stálej) hodnote. Preto aj riadiaca veličina je nastavená na konštantnú hodnotu APT 20

21 Spôsoby regulácie Programová regulácia Programová regulácia je druh regulácie, kedy požadujeme, aby sa regulačná veličina menila v predpísanom rozsahu v predpísanej časovej závislosti, teda podľa predpísaného programu. Túto skutočnosť vyjadruje vzťah W = f(t) APT 21

22 Spôsoby regulácie Vlečná regulácia a servomechanizmy Pri vlečnej regulácii podobne ako u programovej regulácii nie je riadiaca veličina konštantná. Rozdiel je v tom, že sa pri vlečnej regulácii riadiaca veličina mení v závislosti na inej fyzikálnej veličine ako je čas, napr. regulácia teploty v miestnosti v závislosti na vlhkosti vzduchu. Zvláštnym prípadom vlečnej regulácie sú servomechanizmy. U nich sa riadiacia veličina nemení v závislosti na inej fyzikálnej veličine, ale je menená ručne. Človek sa stáva súčasťou regulačného systému (Servus = otrok služobný). Napr. riadenie veľkých lodí a automobilov, posilňovač riadenia automobilu ap APT 22

23 Spôsob regulácie Spojitá regulácia Ak sa signály v regulačnom obvode menia spojito (plynule), ide o spojitú reguláciu pri ktorej možno dosiahnuť vysokú kvalitu regulácie. Nevýhodou je väčšia energetická spotreba v dôsledku menšej energetickej účinnosti (nutný úbytok energie na akčnom člene) a pomerne vysoká cena APT 23

24 Spôsob regulácie Nespojitá regulácia Ak má výstupný signál veľký výkon (silový výstup), potom sa často používa diskontinuitné regulácie. Diskontinuálnu reguláciu možno realizovať jednoduchými prostriedkami. K nespojitej regulácii patrí tiež impulzná regulácie a číslicová regulácia. Ako príklad možno uviesť reguláciu teploty žehličky. Vlastnosti všetkých členov regulačných obvodov sa prejavujú na kvalite regulácie. Najvýraznejšie sa však uplatňujú vlastnosti regulovaných sústav a ústredných členov. Regulačné členmi regulačných obvodov hodnotíme podľa ich - statických (kľudových, jednosmerných) vlastností - správanie v rovnovážnom stave - dynamických (pohybových, striedavých) vlastností - správanie pri zmenách APT 24

25 Spôsob regulácie Lineárna a nelineárna regulácia Ak obvod obsahuje iba lineárne členy, ide o lineárne reguláciu. Lineárne členy sú charakteristické priamu úmernosťou medzi hodnotou ich výstupnej veličiny a vstupnej veličiny. V praxi sa lineárna sústava vyskytuje málokedy, vznikne lineárnou aproximáciou skutočnej sústavy v určitom intervale. V niektorých regulátoroch sa používajú členy, ktoré sú nelineárne. Vo väčšine prípadov nelinearita zhoršuje kvalitu regulácie. V niektorých prípadoch však nelinearitu zavádzame APT 25

26 Programové riadenie Programové riadenie (program control) je riadenie rôznych funkcií zariadenia v určitom poradí podľa mechanicky alebo elektricky uloženého programu. Riadenie je pôsobenie riadiaceho objektu na riadený s cieľom dosiahnuť určité požiadavky Riadenie podľa tvaru signálu pri prenose rozdeľujeme (pri prenose informácie): logické riadenie binárne signály (TRUE, FALSE) analógové riadene spojité signály v danom intervale diskrétne (číslicové) riadenie signály sú definované iba v určitých časových okamihoch daných tzv. periódou vzorkovania. Základom riadiaceho je mikropočítačová výpočtová jednotka APT 26

27

28 Číslicové riadenie (Numerical Control) je zvláštnym prípadom programového riadenia, ktorý sa uplatňuje v automatizácii obrábacích a ďalších výrobných strojov. Programové riadenie NC obrábacieho stroja umožňuje samočinný priebeh pracovného cyklu výrobného zariadenia alebo celého procesu podľa určitého programu. NC riadenie, t.j. číslicové riadenie je považované za najvyšší stupeň programového riadenia. Je definované ako spôsob samočinného riadenia strojov alebo celých procesov pomocou vopred pripravenej postupnosti informácií uložených v pamäti stroja. Program pohybového a funkčného cyklu sa vkladá vo forme čísiel do riadiaceho systému. Tieto čísla sú v určitom kóde prenesené na nositeľa informácií (dierna páska, dierny štítok, magnetická páska, magnetická disková pamäť) APT 28

29 Číslicové riadenie Informácie potrebné na riadenie obrábacieho stroja je možné rozdeliť nasledovne: informácie o geometrii obrábania opisujúce dráhu nástroja vzhľadom na súčiastku (vytvorenie tvaru), informácie o technológii obrábania, ktoré zabezpečujú dosiahnutie technologických podmienok (rezné pomery), pomocné informácie zabezpečujúce napríklad prívod reznej kvapaliny, kontrolné operácie a pod APT 29

30 Číslicové riadenie Číslicové riadiace systémy sa podľa zložitosti riadenej dráhy rozdeľujú na: systémy s prerušovaným riadením (nespojité), systémy so spojitým riadením. Systémy s prerušovaným riadením sa rozdeľujú ďalej na: systémy na nastavovanie súradníc, pravouhlé systémy. Základnou funkciou systému pre nastavovanie súradníc je nastavovať polohu nástroja vzhľadom k súčiastke alebo naopak postupne do jednotlivých vopred určených bodov. Tieto systémy sa používajú pre vŕtačky alebo vyvrtávačky. Programová poloha nástroja sa nastavuje v čase, keď nástroj nie je v zábere. Súradnica sa nastavuje postupne alebo súčasne v obidvoch smeroch APT 30

31 NC systémy nastavenie súradníc Pravouhlé systémy sa používajú najmä pri sústruhoch a frézovacích strojoch. Prestavovanie nástroja v pravouhlom systéme sa realizuje za pohybu nástroja.. Prestavovanie prebieha vždy v jednej súradnici. Obr. Systémy nastavovania súradníc a)postupné b)súčasne v dvoch smeroch APT 31

32 NC systémy nastavenie súradníc Pri systémoch s plynulým riadením sa pohyb nástroja vzhľadom na súčiastku riadi súčasne a plynule počas obrábania v dvoch alebo viacerých osiach. Týmto sa môžu opracovávať i voľné - grafické plochy. Realizáciu kruhovej alebo parabolickej dráhy zabezpečuje interpolátor. Interpolátor je zariadenie riadiaceho systému, ktoré vypočítava dráhu pre začiatočný a koncový bod. Obr. Pravouhlý a súvislý systém riadenia APT 32

33 Stratégie riadenia Podľa prístupu, ako sa programové riadenie realizuje, môžme riadenie rozdeliť podľa stratégie riadenia na riadenie hierarchické, adaptívne, riadenie, riadenie inteligentné APT 33

34 LOGO