Podstawy Automatyki Wykład 1 - pojęcia podstawowe i klasyﬁkacja układów automatyki dr inż. Jakub Możaryn

(1)

Podstawy Automatyki

Wykład 1 - pojęcia podstawowe i klasyfikacja układów automatyki

dr inż. Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki, Wydział Mechatroniki PW

Warszawa, 2018

(2)

Informacje podstawowe

Dane dotyczące przedmiotów i prowadzących

PODSTAWY AUTOMATYKI - dr inż. Jakub Możaryn, wykład/laboratorium, Gmach Mechatroniki, p. 346, e-mail:

jmozaryn@gmail.com, strona www: http://jakubmozaryn.esy.es Zaplanowane laboratoria

Laboratorium Automatyki Procesów Ciągłych Laboratorium Automatyki Procesów Dyskretnych Laboratorium Robotyki

dr inż. Jakub Możaryn Podstawy Automatyki

(3)

Cele przedmiotu

Cele przedmiotu

Nabycie umiejętności rozpoznawania i oceny problemów związanych z automatyzacją.

Przyswojenie podstawowych pojęć automatyki procesów ciągłych, automatyki procesów dyskretnych, metod badania i określania charakteru elementów automatyki o działaniu ciągłym i o działaniu dyskretnym.

Rozumienie zasad funkcjonowania podstawowych układów regulacji i funkcji elementów tworzących te układy.

Poznanie wymagań stawianych układom regulacji i metod zapewnienia spełnienia tych wymagań.

(4)

Literatura

Holejko, D., Kościelny, W.: Automatyka procesów ciągłych.

Oficyna Wyd. PW, Warszawa 2012.

Zieliński, C.: Podstawy Projektowania Układów Cyfrowych.

Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003

(5)

Wstęp

Obecnie wiele urządzeń wyposażonych jest w mechanizm działania, który ogólnie nazywamy automatyką. Poczynając od sprzętu domowego jak że- lazko (termoregulator), pralka automatyczna (programator) aż do urządzeń o bardziej zaawansowanej technologii jak samolot (pilot automatyczny).

Jednym z pierwszych regulatorów, który został opracowany przez człowieka i zastosowany w praktyce był regulator Watta do stabilizacji obrotów maszyny parowej (rok 1784). Od tego czasu automatyka rozwinęła się w na- ukę, a liczba jej aplikacji praktycznych stale rośnie. Rozwinęła się znacząco również jej teoria, która obecnie obejmuje m.in.

teorię układów liniowych,

teorię układów dyskretnych (logiczne układy automatyki), robotykę,

teorię układów nieliniowych, sterowanie optymalne.

(6)

Procesy naturalne i technologiczne

Procesy naturalne

Fizyczne i chemiczne przemiany stanu materii dokonujące się bez udziału człowieka.

Przykłady: zmiany pogody, ruch wody w rzekach, ruchy tektoniczne, procesy chemiczne w organizmie człowieka.

Procesy technologiczne

Procesy realizowane przez człowieka za pomocą odpowiednich, zbudowa- nych przez niego urządzeń, w celu uzyskania zamierzonych zmian stanu materii.

Przykłady: zmiana temperatury w szklarni, zmiana poziomu wody w zbior- nikach w instalacjach chemicznych.

W trakcie zajęć będą omawiane zagadnienia związane zarówno z procesami naturalnymi, jak i procesami technologicznymi.

(7)

Procesy technologiczne

Procesy ciągłe

Procesy, w których do opisu ich przebiegu są wykorzystywane wielkości fizyczne mogące przyjmować nieskończenie wiele różnych wartości Przykłady to: temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu, gęstość, lep- kość, wilgotność, długość, siła, prędkość, przyspieszenie, stosunek zawar- tości składników, napięcie i natężenie prądu.

Procesy dyskretne (nieciągłe)

Procesy, w których do opisu ich przebiegu są wykorzystywane wielkości fizyczne o skończonej liczbie różnych wartości.

Szczególnym rodzajem procesów dyskretnych, które najliczniej występują w praktyce, są procesy binarne – procesy, do opisu których wykorzystywane są wielkości dwustanowe (dwuwartościowe, binarne).

Przykłady to: obróbka materiałów, montaż, dozowanie, pakowanie.

(8)

Przykład procesu ciągłego - nalewanie wody do szklanki

Rysunek 1:Przykład układu regulacji procesu ciągłego - regulacja poziomu wody w zbiorniku (szklance).

(9)

Przykład procesu ciągłego - nalewanie wody do szklanki

Rysunek 2:Przykład układu regulacji procesu ciągłego - regulacja poziomu wody w zbiorniku (szklance).

CEL: Napełnienie szklanki do połowy wodą.

FUNKCJE:

sensoryczne - wzrok, waga szklanki,

wykonawcze - ręka, kran, regulacyjne - mózg.

(10)

Przykład procesu ciągłego - wypiek

Rysunek 3:Piec do wypieku chleba.

Rysunek 4:Przykład urządzenia do realizacji procesu ciągłego - regulacja temperatury wsadu. Oznaczenia: Θ - temperatura w piecu, Θ0- temperatura wymagana

(11)

Przykład procesu ciągłego - pojęcia

Sterowanie przebiegiem procesu wypieku, co w tym przypadku jest zada- niem pokazanej na rysunku osoby – operatora

Sterowanie wykonywane bezpośrednio przez operatora nazywa się stero- waniem ręcznym.

Całokształt wiedzy umożliwiającej sterowanie procesem to abstrakcyjny model procesu. Wykorzystanie do opisu stanu procesu odpowiednich wiel- kości fizycznych i reguł matematycznych pozwala na uzyskanie postaci modelu matematycznego procesu.

Do kontroli przebiegu procesu mogą być wykorzystane odpowiednie przy- rządy pomiarowe (pomiar temperatury Θ) oraz odpowiednie urządzenia wykonawcze (zawór na przewodzie doprowadzającym medium).

Sterowanie

Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na dany proces, w sposób zamierzony, mający doprowadzić do spełnienia określonego celu. Proces, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się obiektem sterowania.

(12)

Automatyka procesów dyskretnych - sterowanie wentylacją

Rysunek 5:Sterowanie wentylacją.

(13)

Automatyka procesów dyskretnych - sterowanie wentylacją

Rysunek 6:Sterowanie wentylacją.

Przykład - sterowanie wentylacją Binarny sygnał wyjściowy y układu sterującego wentylacją pomieszczenia

y = 0, silnik wentylatora nie pracuje, y = 1, silnik wentylatora pracuje.

(1) jest wytwarzany na podstawie binarnych sygnałów wejściowych

x₁, x₂i x₃z rozmieszczonych w tym pomiesz- czeniu przekaźników

temperatury T o jednakowym progu przełą- czania:

xi= 0 gdy T < Ti, xi= 1 gdy T Ti

(2)

(14)

Automatyka procesów dyskretnych - sterowanie wentylacją

Istnieją różne warianty zależności sygnału wyjściowego układu od sygnałów wejściowych – tablica.

Nr stanu x1 x2 x3 y1 y2 y3 y4

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Tablice wartości (Tablice prawdy)

Tablice wartości określają wartości sygnałów wyjściowych różnych warian- tów układu dla wszystkich kombinacji wartości sygnałów wejściowych.

(15)

Rozwój automatyki - rys historyczny

Starożytność - zegar wodny (wodna klepsydra) Ktesibiosa z Aleksandrii (III w. p.n.e.), maszyny Herona (I w. n.e.).

Średniowiecze - Automatyczne lalki naśladujące ruch człowieka Rozwój przemysłu w XVIII w. - zapotrzebowanie na urządzenia napędowe do kopalń, warsztatów tkackich, zakładów obróbki metali i drewna - budowa silnika parowego (Iwan Połzunow, James Watt, XVIII w.), silnika spalinowego i silnika elektrycznego (XIX w.).

Rozwój przemysłu w XIX w. - automatyczny warsztat tkacki (Joseph Jacquard, 1804 r.), automaty tokarskie, etc.

Początek XX wieku - nowe metody organizacji produkcji, tzw. taśma produkcyjna (Henry Ford, ok. 1913 r.).

II Wojna Światowa - metody projektowania układów automatycznego sterowania i serwomechanizmów.

XX wiek - projekt Manhattan, źimna wojna”, misje kosmiczne (Apollo 11)

(16)

Automatyka - stan obecny / przemysł

Szczególne znaczenie dla rozwoju współczesnej automatyki miało wyna- lezienie mikroprocesora i rozwój techniki komputerowej, informatyki, środków przekazywania i przetwarzania informacji oraz nowoczesnych me- tod pomiarowych. Stała się możliwa automatyzacja kompleksowa, czyli automatyzacja złożonych procesów, ciągów technologicznych i zakładów przemysłowych.

Rysunek 7:Synoptyka monitora stacji operatorskiej komputerowego układu sterowania blokiem reaktorów w instalacji petrochemicznej.

(17)

Przykład - stan obecny / UAV / UGV

(18)

Przykład - autopilot w samochodach

(19)

Przykład - autopilot w samochodach

(20)

Przykład - autopilot w samochodach

(21)

Przykład - autopilot w samochodach

(22)

Przykład - zawody DARPA Challenge, 2005, USA

(23)

Projektowanie układu regulacji

(24)