Akademický rok 2016/2017 Připravil: Radim Farana Atomatizační tecnika Úvod do atomatizace 2 Obsa Obsa předmět Cíl předmět Požadavk na absolvování Základní pojm z teorie sstémů Základní pojm z teorie řízení 3 Obsa předmět 1. ÚVOD DO AUTOMATIZACE (dotace 2/2) 6. TECHNICKÉ PROSTŘEDKY AUTOMATIZACE - II. 11. PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY (dotace a. Mecanizace, atomatizace, kbernetika. (dotace 2/2) 2/2) b. Vývoj atomatizační tecnik. a. Snímače neelektrickýc veličin (nové a a. Konstrkční provedení c. Pomocné vědní obor. perspektivní směr). b. Postp vtváření řídicío program a jeo d. Seznámení se sstémem práce v laboratoři, s b. Stabilita sstémů 1. - Nmerické cvičení. tecnická realizace. bezpečností práce a s náplní jednotlivýc c. A/D a D/A převodník. LC. cvičení. 2. ZÁKLADY TEORIE INFORMACE (dotace 2/2) 7. ELEKTRONIKA V AUTOMATIZAČNÍ TECHNICE 12. POČÍTAČOVÉ ŘÍDICÍ SYSTÉMY (dotace 2/2) a. Základní pojm přenos informací. (dotace 2/2) a. Integrované měřicí a komnikační sstém. b. Prostředk sběr, zobrazování, přenos, a. Elektromecanické, elektronické a b. Speciální aplikace - palbní počítače, zpracování a úscov dat. mikroelektronické prvk. monitorovací sstém. c. Simlace dnamickýc sstémů. LC. b. Princip a aplikace. c. Konzltační a demonstrační cvičení. d. loková scémata. LC. c. Stabilita sstémů 2. - Nmerické cvičení. 3. TEORIE AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ (dotace 2/2) 8. ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ REGULAČNÍCH 13. ÚVOD DO PRŮMYSLOVÝCH ROOTŮ (dotace a. Popis dnamickéo sstém. ODCHYLEK. (dotace 2/2) 2/2) b. Přenosové fnkce. a. Magnetické, dralické, pnematické a a. Základní stavební jednotk a kinematika c. Reglátor. elektronické zesilovače. sostav. d. Simlace dnamickýc sstémů. LC. b. Matematické obvod. b. Robot a maniplátor, praktická kázka na e. Sstém 1. řád. LC. c. Tvarování signálů. pracovišti VUT - exkrze d. Potenciometrické snímače. LC. 4. STAILITA SYSTÉMŮ (dotace 2/2) 9. AKČNÍ ČLENY (dotace 2/2) 14. ROOTY A MANIPULÁTORY (dotace 2/2) a. Kriteria stabilit - algebraická a. Elektrické, mecanické, pnematické, a. Zásad projektování linek a aplikace linek v b. Kriteria stabilit - frekvenční dralické a kombinované. zemědělskýc a zpracovatelskýc tecnologiíc. c. Praktické metod nastavování optimálníc b. Ovládání akčníc členů. b. Vodnocení zpracovanýc protokolů, parametrů reglačníc obvodů c. Selsn - přenos úlovýc výclek, zápočet. d. Simlace dnamickýc sstémů. LC. elektrická pracovní řídel. LC. e. Sstém 2. řád. LC. d. Reléové ovládací obvod, spínací vlastnosti relé. LC. 5. TECHNICKÉ PROSTŘEDKY AUTOMATIZACE - I. 10. TELEMECHANIKA (TELEMETRIE) (dotace 2/2) (dotace 2/2) a. Dr přenosovýc cest. a. Snímače neelektrickýc veličin (princip, b. Způsob kódování, zpracování signálů, provedení, aplikace) zabezpečovací obvod. b. Simlace dnamickýc sstémů. LC. c. Logické ovládací a reglační obvod. LC. c. Analýza reglačnío obvod LC. 1
4 Cíl předmět Co je cílem předmět? 5 Doporčená literatra ŠVARC, Ivan, Radomil MATOUŠEK, Miloš ŠEDA a Milše VÍTEČKOVÁ. Atomatické řízení. Vd. 2. rno: Akademické nakladatelství CERM, 2011, 348 s. ISN 978-80-214-4398-3. VÍTEČKOVÁ, Milše a Antonín VÍTEČEK. Základ atomatické reglace. Ostrava: VŠ - Tecnická niverzita, 2006. ISN 80-248-1068-9. S laskavým svolením atorů bla tato pblikace podkladem k následjícím prezentacím. TŮMA, Jiří, Renata WAGNEROVÁ, Radim FARANA, Lenka LANDRYOVÁ. Základ atomatizace. [on-line]. Ostrava: VŠ-TU Ostrava, 2007, 288 s. Dostpný z www: URL:ttp://www.elearn.vsb.cz/arcivcd/FS/Zat/. ISN 978-80-248-1523-7 Kbernetika Wiener: Kbernetika je věda o řízení a sdělování v živýc organismec a ve strojíc. Wiener, Norbert * 26. 1. 1894 Colmbia, Mo. USA + 18. 3. 1964 Stockolm ttp://en.wikipedia.org/wiki/norbert_wiener ale také: Kbernetika je věda o sběr, přenos a zpracování informace. 2
Informatika Informatika je věda o zpracování informace, zejména za pomoci atomatizovanýc prostředků Sannon, Clade Elwood * 30. 4. 1916 Petoske, Mic. USA + 24. 2. 2001 Medford, Mas. USA ttp://www.ieee.org/web/abots/istor_center/biog rap/sannon.tml Kbernetika Informatika 8 Teorie sstémů Teorie sstémů je vědní obor, sočást teoretické kbernetik. * 19. 9. 1901 Atzgersdorf + 12. 6. 1972 ffalo Zabývá se zkománím sstémů z metodologickéo aspekt. Základ teorie sstémů položil Ldwig von ertalanff v letec 1949-1952 na základě vznik specifickýc problémů při zkomání složitýc objektů napříč různými vědními obor. Karl Ldwig von ertalanff ttp://borabai.kz/dm/img/ldwig_ertalanff.jpg 9 Sstém Sstém je spořádano množino prvků, mezi nimiž působí vzájemné vazb (vzta, relace), v jejicž důsledk je docilováno takovéo cování celk vůči okolí, které není dosažitelné působením poéo sobor jeo vzájemně neprovázanýc prvků. okolí vstp Sstém výstp 3
10 Klasifikace sstémů 1) z lediska vzta k okolí zavřený sstém nemá vstp ani výstp otevřený sstém má aspoň jeden vstp nebo výstp 2) z lediska zákonitostí vmezjícíc průbě fnkcí sstém deterministické sstém zákonitosti (odnot proměnnýc) vmezjící cování sstém jso jednoznačně rčen (např. logické obvod) stocastické sstém fnkce sstém jso popisován zákonitostmi pravděpodobnostními (proměnné se covají náodně), tzn., že cování sstém může mít při týcž podnětec a témže stav více variant, a to každo s rčito pravděpodobností. (např. rací kostk, porc) nerčité (fzz, rozmazané) sstém jejic fnkce nelze vjádřit žádno zákonitostí (např. relace málo, dostatečně, mnoo...) 11 Klasifikace sstémů 3) z lediska reálné existence sstémů reálné sstém objektivně existjí (např. robot) abstraktní sstém představované imaginárními prvk (např. matematické model sstém, simlační model) 4) z lediska vzta k čas statické sstém jejic výstp jso rčen poze jejic vstp dnamické sstém jejic výstp jso ovlivněn jejic vstp a předcozím stavem (časem) 5) z lediska změn cování v čase stacionární (invariantní k čas) sstém jejic cování (vlastnosti, parametr) se v čase nemění. nestacionární (variantní k čas) sstém jejic cování (vlastnosti, parametr) se v čase mění (např. opotřebením). 12 Klasifikace sstémů 6) z lediska časovéo průbě veličin spojité sstém všecn veličin jso dostpné v každém čase. diskrétní sstém odnot všec veličin jso dostpné jen v rčitýc okamžicíc. bridní sstém odnot nejméně jedné veličin jso dostpné jen v rčitýc časovýc okamžicíc. 4
13 Atomatická reglace PORUCHY CÍL ŘÍZENÍ ŘÍDICÍ ŘÍZENÍ STAV ŘÍZENÝ VÝSLEDEK ŘÍZENÍ Scéma obecnéo sstém řízení Úkolem sstém řízení je působit řídicím podsstémem na řízený podsstém tak, ab výsledek řízení bl v solad s cílem řízení. Toto cílené působení řídicío podsstém na řízený podsstém se nazývá řízení. Řídicí podsstém může kvalitněji plnit cíl řízení, pokd je informován o porcác a pomocí zpětné vazb o stav řízenéo podsstém. 14 Reglace verss ovládání PORUCHY ŽÁDANÁ VELIČINA REGULUJÍCÍ REGULOVANÝ REGULOVANÁ VELIČINA ZÁPORNÁ ZPĚTNÁ VAZA Sstém reglace PORUCHY ŽÁDANÁ VELIČINA OVLÁDACÍ OVLÁDANÝ OVLÁDANÁ VELIČINA Sstém ovládání 15 Reglační obvod PORUCHY w e REGULOVANÁ REGULÁTOR SOUSTAVA Obecné blokové scéma reglačnío obvod w žádaná veličina e reglační odclka: e = w - akční veličina výstpní veličina 5
16 Cíl reglace Úkolem reglačnío obvod je zajištění těcto požadavků, což může být vjádřeno cílem reglace. Cíl reglace může být formlován ve dvo vzájemně ekvivalentníc tvarec. Pomocí vodně zvolenéo reglátor a jeo seřízení vtvořit takovo akční veličin, která bez oled na negativní působení porcovýc veličin zajistí, ab: a) reglovaná veličina bla v každém časovém okamžik blízká (ideálně, ab se rovnala) žádané veličině w, co může být vjádřeno vztaem: w b) reglační odclka bla v každém časovém okamžik blízká nle (ideálně, ab bla nlová), co může být vjádřeno vztaem e 0 17 Úkol reglátor reglátor má v podstatě dvojí fnkci spočívající v zajištění: sledování žádané veličin w reglovano veličino, potlačení negativnío vliv porcovýc veličin na činnost reglačnío obvod. Tam, kde není explicitně vjádřena nezávisle proměnná, vzta a závěr platí jak pro spojité reglační obvod (reglační obvod s analogovými reglátor), tak pro diskrétní reglační obvod (reglační obvod s číslicovými reglátor). 18 Přístrojová skladba běžnéo reglačnío obvod SUMAČNÍ UZEL (POROVNÁVACÍ ČLEN) INFORMAČNÍ PORUCHY UZEL w NÁSTAVNÝ ČLEN ÚSTŘEDNÍ ČLEN POHON REGULAČNÍ ORGÁN PROCES AKČNÍ ČLEN VYSÍLAČ SNÍMAČ REGULÁTOR REGULOVANÁ SOUSTAVA 6
19 Třídění reglačníc obvodů 1) podle fnkce, ktero plní (podle cíle reglace) reglační obvod: stabilizjící (na konstantní odnot), žádaná veličina je nastavena na konstantní odnot; programové s časovým programem (žádaná veličina je nenáodná časová fnkce) a s parametrickým programem (žádaná veličina je nenáodná fnkce rčitéo parametr); sledovací (servomecanism), žádaná veličina může být náodná i nenáodná fnkce čas nebo nějakéo parametr; extremální (optimalizační), reglovaná veličina je držována na maximální, nebo minimální (tj. extrémní) odnotě; 2) podle počt lavníc reglovanýc veličin reglační obvod: jednorozměrové (jednorozměrné), v reglačním obvodě vstpje jedna lavní reglovaná veličina; mnoorozměrové (vícerozměrné), v reglačním obvodě vstpje více lavníc reglovanýc veličin; 20 Třídění reglačníc obvodů 3) podle strktr reglační obvod: jednodcé, v reglačním obvodě vstpjí poze základní vazb; rozvětvené, v reglačním obvodě vstpjí i jiné vazb než základní; 4) podle časovéo průbě veličin reglační obvod: spojité (analogové), všecn veličin jso v čase spojité; diskrétní, všecn veličin jso v čase diskrétní; bridní, alespoň jedna veličina v čase je diskrétní; 5) podle způsob seřizování reglátor reglační obvod: s pevným nastavením, nastavení reglátor je pevné; adaptivní, nastavení reglátor nebo jeo strktra se mění v závislosti na měnícíc se vlastnostec reglované sostav, porc a průbě žádané veličin; 21 Třídění reglačníc obvodů 6) podle matematickýc modelů reglační obvod: lineární, matematické model všec členů jso lineární (platí pro ně princip sperpozice); nelineární, matematický model alespoň jednoo člen je nelineární. 7
22 Dr reglačníc obvodů w=w( A) w=w() t w=konst v e R S Působení porcovýc veličin na reglovano sostav je vjádřeno agregovano (sornno) porcovo veličino v. Pro w = konst. jde o stabilizjící reglaci, neboli o reglaci na konstantní odnot. Je to nejběžnější tp reglace, kd reglovaná veličina se držje na konstantní odnotě, v ideálním případě rovné nastavené žádané odnotě w. Pro w = w(t), kde w(t) je konkrétní zadaná časová fnkce, jde o reglaci s časovým programem. Pro w = w(a), kde w(a) je konkrétní zadaná fnkce parametr A, jde o reglaci s parametrickým programem. Tato reglace se také nazývá vlečná. 23 Servomecanisms v w e R+S Servomecanisms, tj. sledovací reglační obvod. Nejčastěji se jedná o reglaci polo (natočení), rclosti (úlové rclosti), příp. zrclení (úlovéo zrclení), při čemž w = w(t) je většino náodná časová fnkce. Při této reglaci, např. změn polo žádané veličin w, pro ktero je třeba nepatrné síl, lze převést na odpovídající změn polo reglované veličin při mnoonásobně větší zátěži. Takovými reglačními obvod jso např. různé posilovače řízení, korektor reglačníc poonů, kopírovací zařízení atd. Zásadní rozdíl mezi programovo a sledovací reglací spočívá v tom, že na výstpní straně jde většino o veliké výkon, že vliv porcovýc veličin je většino zanedbatelný a že servomecanism se nerozděljí na reglátor a reglovano sostav. 24 Dvorozměrný reglační obvod v w 1 w 2 e 1 1 1 e 2 R 1 2 S 2 R 2 Dvorozměrový reglační obvod obsaje dva reglátor R 1 a R 2, dvě lavní reglované veličin 1 a 2 a dvě odpovídající žádané veličin w 1 a w 2. Úkolem tooto reglačnío obvod je zajištění cíle reglace pro obě reglované veličin 8
25 Extremální reglační obvod a) v ER ES b) v 1 v 2 v 3 Extremální reglační obvod se skládá z extremálnío reglátor označenéo písmen ER a extremální sostav označené písmen ES. Extremální sostava msí mít v pracovní oblasti nimodální staticko carakteristik (tj. obsající poze jediný extrém požadovanéo dr maximm, nebo minimm). Cílem extremální reglace je vledat na statické carakteristice extremální sostav extrém požadovanéo dr a reglovano veličin na něm držovat i kdž tento extrém při působení porc nestále mění svoji polo (např. optimální spalovací proces). 26 Dvo- a třípoloová reglace Dvo- a třípoloová (reléová) reglace patří mezi nejjednodšší dr nespojitéo zpětnovazebnío řízení (jde o nespojitost v úrovni). Nejčastěji jde např. o reglaci teplot vzdc v místnosti, cladničce, mrazničce, elektrické trobě, dále o reglaci teplot a výšk ladin vod v atomatické pračce, atd. Hlavním důvodem požívání dvo- a třípoloové reglace je velmi nízká cena a poměrně vsoká spolelivost jak vlastnío reglátor, tak i akčnío člen. Carakteristik dvopoloovéo reglátor: a) nesmetrickéo bez stereze ( = 0) s sterezí ( > 0), b) smetrickéo bez stereze ( = 0) s sterezí ( > 0) a) b) 0 e 0 0 e 0 0 e 0 e 27 Dvo- a třípoloová reglace 0 a 0 a e 2 2 a 2 0 a e 2 Carakteristik smetrickéo třípoloovéo reglátor bez stereze ( = 0) s sterezí ( > 0) kde je amplitda, šířka stereze, a necitlivost. 9
Td 21.09.2016 28 Dvo- a třípoloová reglace Pokd carakteristika reglátor je bez stereze (tj. bez paměti), jde o jeo staticko carakteristik. V případě carakteristik s sterezí (tj. s pamětí), přesně vzato nejde o staticko carakteristik (proto se také ovoří poze o carakteristikác). v1 v2 w e e T1s k1 e 1 s lokové scéma obvod nesmetrické dvopoloové reglace s sterezí 29 Dvo- a třípoloová reglace ( t ) max k 1 T 1 T 1 VYPNUTO 0 w d T d T d T Δ ZAPNUTO e min ( t ) 0 T d T 1 t 0 Průbě reglované (t) a akční veličin (t) v obvod dvopoloové reglace t strana 30 Číslicová reglace S rozvojem číslicové tecnik a sočasně s poklesem její cen se i v reglaci stále častěji požívají i číslicové reglátor, které v diskrétní formě realizjí stejné algoritm jako odpovídající analogové reglátor. w(kt) e(kt) (kt) T (t) ČR Č/A S v(t) (t) (kt) A/Č 10