Podstawy automatyki 20152016 Pojcia podstawowe Podstawy automatyki I

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

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 2

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Analiza pojęcia „sterowanie” Sterowanie to celowe oddziaływanie czegoś/kogoś na coś/ kogoś ? ? ? KTOŚ Celowe oddziaływanie KTOŚ COŚ © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Wspomaganie decyzji Ce low eo ddz iały waanie ływ nie a i z odd e low Ce ? ? ? COŚ PA Celowe oddziaływanie Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 3

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 oddziaływaniem na obiekty bądź środowisko © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. decyzji związanych z Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 4

Podstawy automatyki 2015/2016 Coś co celowo oddziałuje – układ/system Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 5

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe układ/system sterujący oraz obiekt/system sterowany tworzy układ/system sterowania Połączenie - System sterowany System sterujący © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 6

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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) e i n e z c o t O System Wyjście © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Wejście e i n e z c o t O Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 7

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Wyodrębnienie systemu z otoczenia: Określenie wielkości wejściowych i wyjściowych wiążących system z otoczeniem © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 8

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe ał Zakłócenia na ł sterowania gn Zadana yg S trajektoria Sy ł na Sy g Sterownik 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 Sterowania Sy gn ał Obserwacje Proces Sy g na ł Zakłócenia © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 9

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla 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) © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 10

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 11

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Podział wielkości wejściowych i wyjściowych dla obiektu sterowanego – c. d. Zbiór możliwych zakłóceń Za kłó ce n Sterowania Zbiór sterowań dopuszczalnych ia ci e ś ko nicz l e i W moc po Wielkości sterowane (aktualne wartości) Problem sterowania pojawia się, gdy istnieje więcej niż jedna możliwość oddziaływania na system – istnieje zbiór sterowań dopuszczalnych © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 12

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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) Sterowania Wielkości sterowane (aktualne wartości) © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 13

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Przykład: Utrzymać napięcie zasilania odbiorników w sieci prądu stałego na stałym, zadanym poziomie Uo=24 V Wielkości zakłócające ωm E Φw Rz Iw Io Wielkość sterowana Wielkość sterująca Układ sterujący © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Obiekt sterowany Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 14

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Obiekt sterowany + układ sterujący = system sterowania Sposób współdziałania (połączenia) obiektu sterowanego z układem sterującym = struktura systemu sterowania © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 15

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Zadanie: Utrzymać napięcie zasilania odbiorników w sieci prądu stałego na stałym, zadanym poziomie Uo=24 V 0 rozwiązanie ωm 24. 0! 23 . 5 E Φw Iw Rz Io Wiedza o systemie ! Postać analityczna Operator wykorzystuje też wiedzę o systemie! Postać lingwistyczna © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 16

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe I rozwiązanie – wybór struktury Wielkości zakłócające ωm E Φw Rz Iw Io Wielkość sterowana Układ sterujący Obiekt sterowany Wielkość sterująca © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 17

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe W przykładzie: Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających) W przykładzie: Wielkość zakłócająca Obiekt sterowany Układ sterujący W przykładzie Wielkość sterująca W przykładzie Wielkość sterowana Układ otwarty sterowania © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 18

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 =U 0 – U był równy zero © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 19

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dla przykładowych danych: Można …. . i idealna jakość sterowania ! © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 20

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 21

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Z uzyskanej uprzednio zależności Dla Io = 0 A Niedobrze © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 22

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dla Io = 200 A Niedobrze © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 23

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Przyczyna niezadowolenia - zakłócenia II rozwiązanie – wybór struktury ωm E Rz Φk Φw Iw Io Obiekt sterowany Układ sterujący © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 24

Podstawy automatyki 2015/2016 W przykładzie Pojęcia podstawowe Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających Wielkość zakłócająca Obiekt sterowany Układ sterujący Wielkość zakłócająca W przykładzie: Wielkość sterująca W przykładzie Wielkość sterowana Układ ze sprzężeniem w przód (z pomiarem wielkości zakłócającej) © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 25

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe W rozwiązaniu zastosowano: Informacyjne sprzężenie w przód – przekazanie informacji o wartości zakłóceń oddziałujących na obiekt sterowany do układu sterującego © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 26

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 =U 0 – U był równy zero © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 27

Podstawy automatyki 2015/2016 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Pojęcia podstawowe Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 28

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dla przykładowych danych: Można … i jakość sterowania idealna © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 29

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 30

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Z uzyskanej uprzednio zależności Dla Io = 0 A Lepiej © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 31

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dla Io = 200 A Lepiej © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 32

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe III rozwiązanie – wybór struktury ωm - Rz E Φk Φw Iw Io Ik K 5 Uε Uo - Obiekt sterowany Układ sterujący © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 33

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Zależności © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 34

Podstawy automatyki 2015/2016 W przykładzie: Pojęcia podstawowe Dostępna wiedza o systemie sterowania (w tym o celu sterowania i wielkościach zakłócających) Wielkość W przykładzie: zakłócająca Wielkość zakłócająca Wartość pożądana wielkości sterowanej W przykładzie © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Układ sterujący Obiekt sterowany Wielkość sterująca Wielkość sterowana W przykładzie Układ ze sprzężeniem zwrotnym (zamknięty układ sterowania) Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 35

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 36

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 =U 0 – U był równy zero © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 37

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Odpowiedź można szybko podać, bo. . . Można … i jakość sterowania idealna © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 38

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe 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 © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 39

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe oraz Otrzymamy © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 40

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Ostatecznie Dla Io = 0 A © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 41

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Bardzo dobrze © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 42

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dla Io = 200 A Bardzo dobrze © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 43

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Przedstawiliśmy trzy podstawowe struktury sterowania Zasadnicza struktura sterowania automatycznego – struktura zamknięta © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 44

Podstawy automatyki 2015/2016 Pojęcia podstawowe Dziękuję za uwagę – koniec materiału prezentowanego podczas wykładu © Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 45