Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti AUTOMOBILOVÁ MECHATRONIKA 3.přednáška SMAD Ing. Gunnar Künzel.

Prezentace na téma: "Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti AUTOMOBILOVÁ MECHATRONIKA 3.přednáška SMAD Ing. Gunnar Künzel."— Transkript prezentace:

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti AUTOMOBILOVÁ MECHATRONIKA 3.přednáška SMAD Ing. Gunnar Künzel

2 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základy automatické regulace Cíl přednášky: –Seznámit studenty s blokovou strukturou automatického regulačního obvodu, se základními pojmy, s významem zpětné vazby a uvést druhy regulací a příklady různých RO. –Definovat statické a dynamické vlastnosti členů regulačního obvodu. –Ukázat typické chování regulovaných soustav a spojitých i nespojitých regulátorů. –Vysvětlit princip a funkci vybraných regulačních obvodů v automobilu.

3 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Osnova přednášky Regulace, základní pojmy Blokové schéma regulačního obvodu, důležité veličiny Základní schéma regulačního obvodu Zpětná vazba a její důsledky Stabilita a kvalita RO Spojité regulátory a jejich vlastnosti Nespojitá regulace a její vlastnosti Automatická regulace v automobilu

4 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Regulace, základní pojmy Regulace je proces, který udržuje (stabilizuje) nějakou fyzikální veličinu na požadované hodnotě řídicí veličiny nebo na dynamicky proměnné hodnotě podle požadovaného časového průběhu Regulace probíhá v uzavřené smyčce s regulátorem a regulovanou soustavou a na rozdíl od prostého ovládání obsahuje zpětnou vazbu.

5 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Regulace, základní pojmy Každá regulace se skládá ze tří dílčích procesů: –Měření regulované veličiny; –Porovnání regulované a řídicí veličiny; –Korekce řízení zaváděním akčních veličin regulátorů do akčních členů a působení na regulovanou soustavou, případně nastavení parametrů regulátoru na optimální režim regulace podle stanovených kritérií kvality regulačních procesů.

6 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Blokové schéma regulačního obvodu, důležité veličiny Blokové schéma zjednodušuje kreslení regulačních obvodů, neboť jednotlivé členy obvodu (měřící přístroje, zesilovače, motory apod.) znázorňujeme bez ohledu na jejich složitost obdélníky bloky. Blok chápeme jako tzv. černou skříňku se vstupem a výstupem (technické provedení uvnitř bloku nás nezajímá). Výhodou je univerzalita nezávislá na provedení mechanickém, pneumatickém, hydraulickém, elektrickém nebo kombinovaném.

7 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Blokové schéma regulačního obvodu, důležité veličiny Signál představuje libovolnou fyzikální veličinu, vyjadřující informaci např. o teplotě, tlaku, otáčkách. Při průchodu jednotlivými bloky se signál transformuje do různých fyzikálních veličin (např. otáčky za minutu se mění na elektrické napětí ve voltech, pneumatický signál se transformuje na elektrický proud v ampérech apod.)

8 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základní schéma regulačního obvodu, důležité veličiny Důležité veličiny: –wřídicí veličina určuje požadovanou hodnotu regulované veličiny na vstupu obvodu; –xregulovaná veličina na výstupu RS, jejíž velikost je regulací upravována na požadovanou hodnotu w; –eregulační odchylka jako rozdíl mezi řídicí a regulovanou veličinou e = w – x;

9 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základní schéma regulačního obvodu, důležité veličiny V případě ustáleného stavu (e = 0) je w = x –zporuchová veličina, která zahrnuje vlivy, způsobující kolísání regulované veličiny; –yakční veličina na výstupu regulátoru, k níž se přičítá poruchová veličina. Akční veličina provádí regulační zásah (akci) a dodává energii do RS. –y S = y R + z Pro z = 0 je y = y R = y S přímo vstupem do RS

10 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základní pojmy regulace PojemOznačeníVysvětlení Regulace-Udržování regulované veličiny podle daných podmínek a hodnost veličiny Regulovaná veličinayHodnota veličiny, která se upravuje regulací Akční veličinauVýstupní veličina regulátoru, působením akční veličiny na regulovanou soustavu se uskutečňuje regulace Poruchová veličinazVeličiny, které způsobují poruchy, působí proti udržování konstantní hodnoty regulované veličiny Regulovaná soustavaRSZařízení nebo jëho část, na kterém se uskutečňuje regulace Ruční regulace-Spojovacím článkem v tomto typu regulace probíhá mezi měřícím členem a člověkem Žádaná hodnotawHodnota regulované veličiny Skutečná hodnotaysys Skutečná hodnota regulované veličiny Regulační odchylkae = w-yRozdíl mezi skutečnou a žádanou hodnotou Regulační obvodROObvod, v kterém probíhá samočinná regulace Inverze-Změna smyslu působení regulátoru Samočinná regulace-Samočinné udržování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a hodnot veličin zjištěných měřením

11 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Základní pojmy regulace PojemOznačeníVysvětlení Regulátor-Zařízení, které uskutečňuje samočinnou regulaci podle parametrů Měřící zařízeníMČČást zařízení, která měří skutečnou hodnotu regulované veličiny SnímačSNPřístroj na měření regulované veličiny Nastavovací zařízení-Část zařízení, na kterém se nastaví žádaná hodnota Porovnávací člen-Zařízení, které porovnává údaj snímače se žádanou hodnotou Regulační orgán-Zařízení, které mění hodnotu akční veličiny Pohon-Zařízení ovládající regulační orgán Akční členAČČást regulátoru, která slouží k ovlivňování akční veličiny Odezva na skok poruchy-Časový průběh regulované veličiny při skokové změně poruchové veličiny Závislost od poruchy-Přechodová funkce poruchy Přeregulování-Nejvyšší odchylka regulované veličiny od žádané hodnoty Doba regulaceTDoba, za kterou odchylka regulované veličiny po odeznění vzruchů klesne pod necitlivost regulátoru Kvalita regulace-Určení míry přeregulovaní, součet ploch odchylek od požadované hodnoty, čím je tato hodnota menší tím je vyšší kvalita regulace Ovládání-Řízení bez zpětné vazby

12 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Struktura regulátoru Pro plnění své funkce v uzavřeném RO musí regulátor obsahovat: –Měřící člen (řídicí člen, rozdílový člen, převodník a senzor); –Ústřední a regulační člen ÚRČ (zesiluje a matematicky upravuje, derivací a integrací, regulační odchylku); –Akční člen AČ (výkonově zesiluje výstupní signál z ÚRČ na úroveň dostatečnou k provedení akčního zásahu do RS a tvoří ho pohon a regulační orgán).

13 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Zpětná vazba a její důsledky Záporná, negativní zpětná vazba –Směřuje k rovnováze a neguje (opstraňuje) nežádoucí změny. V regulačním obvodu je žádoucí zpětná vazba záporná, neboť zmenšuje regulační odchylku a způsobuje, že změny regulovgané veličiny na výstupu RS se zmenšují. –e = w - x Kladná, pozitivní zpětná vazba –Naopak změny na výstupu regulačního obvodu neodtraňuje, ale násobí, což vede k nestabilitě. Kladná ZV je v regulačním obvodu nežádoucí. –e = w + x

14 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Shrnutí poznatků o regulačním obvodu Regulační obvod, v němž probíhá automatická regulace, je tvořen regulátorem a regulovanou soustavou. Úkolem regulátoru je srovnávat skutečnou hodnotu regulované veličiny s hodnotou žádanou a vytvářet akční veličinu tak, aby se regulovaná veličina co nejvíce přibližovala žádané hodnotě na vstupu regulačního obvodu. Pro zajištění stability RO je žádoucí záporná zpětná vazba. Základní funkce uzavřeného regulačního obvodu jsou: měření, porovnávání (skutečných hodnot se žádanými), řízení (zavádění příslušných akčních veličin do akčních členů, popřípadě optimalizování, tj. vyhledávání nejvýhodnějšího režimu regulace podle stanovených kritérií kvality regulačního procesu).

15 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Druhy regulací Podle charakteru řídicí veličiny w na vstupu regulačního obvodu rozlišujeme tyto druhy regulací: –Regulace na konstantní hodnotu Automatická regulace teploty v místnosti, výšky hladiny, napětí v síti, otáček motoru Na obr. je znázorněna regulace konstantní vzdálenosti laserové hlavy řezacího zařízení při pohybu nad materiálem.

16 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Druhy regulací –Programová regulace Žádaná hodnota je předem známá funkce w = f (t); t (s) je čas. Regulovaná veličina se mění podle určitého programu (časového rozvrhu) určeného např. vačkovým mechanismem, který ovládne řídicí člen regulátoru.

17 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Druhy regulací Regulace teploty v barvící lázni, v metalurgii (pece), ve strojírenství např. určitý režim otáček motoru pračky. Ukázka programové regulace

18 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Druhy regulací –Vlečná regulace Žádaná hodnota se mění v závislosti na jiné fyzikální veličině, jejíž časový průběh není předem znám. w = f(u), kde u je fyzikální veličina (řídicí veličina je „vlečená“ veličinou u) Regulace teploty v klimatizované laboratoři v závislosti na změnách venkovní teploty nebo na vlhkosti vzduchu. Typickým příkladem vlečné regulace je tzv. poměrová regulace, při níž se má udržovat zvolený poměr otáček dvou hřídelí motorů, při výrobě tenkých plechů nebo při regulaci tahu v textilních materiálech.

19 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Druhy regulací Na obrázcích je uvedena vlečná regulace polohy suportu soustruhu vzhledem k požadovanému časovému průběhu této polohy v závislosti na podélném posuvu.

20 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Statické vlastnosti členů RO Vlastnosti regulované soustavy, navrženého regulátoru, senzoru a akčního členu můžeme posoudit podle jejich statických a dynamických charakteristik. Ty lze určit měřením nebo matematicko- fyzikální analýzou. Statická (kalibrační, cejchovní) charakteristika – grafická závislost výstupní veličiny bloku (členů RO) na veličině vstupní v ustáleném stavu x y q y = k.x + q k - statické zesílení K = tgα α y = k.x y x Pracovní bodP y2y2 y1y1 x1x1 x2x2

21 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Statické vlastnosti členů RO V případě, že x, y nemají stejné fyzikální jednotky, má zesílení jednotku např. V/mm. Pracovní část nelineární charakteristiky lze linearizovat. Typické nelinearity nelze linearizovat (charakteristiky nasycení, pásmo necitlivosti – tření, hystereze, vůle v převodech).

22 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dynamické vlastnosti členů RO Chování členů regulačního obvodu v časové oblasti vyjadřuje průběh přechodového děje v čase, ten je vyjádřen těmito charakteristikami. Přechodová charakteristika h(t) –Grafická závislost výstupní veličiny bloku na čace, když na vstupu je signál tvaru jednotkového skoku – odezva na jednotkový skok. Přechodovou charakteristiku lze stanovit experimentálně nebo analyticky např. z diferenciální rovnice. S u(t) y(t)

23 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dynamické vlastnosti členů RO Časová konstanta T (s) – se určuje –Graficky pomocí tečny v počátku z přechodové charakteristiky –Analyticky jako čas, za který dosáhne výstupní veličina bloku hodnoty 63,2 % ustálené hodnoty t (s) h(t) 1 63,2 % T (s) u 1 (t)u 2 (t) R C T = R.C (s)

24 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dynamické vlastnosti členů RO Impulsová (váhová) charakteristika g(t) –Grafická závislost výstupní veličiny bloku na čase, když na vstupu bloku je tzv. Diracův impuls – odezva na Diracův impuls. V praxi místo tohoto impulsu vytvoříme reálný impuls konečné šířky a výšky. –Pro RC obvod je váhová charakteristika tvaru podle obrázku t (s) g(t) 1

25 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Dynamické vlastnosti členů RO Frekvenční charakteristika –Grafická závislost poměru výstupu/vstupu v závislosti na kmitočtu f (Hz) nebo na úhlovém kmitočtu ω = 2.π.f (s -1 ) f (Hz) fdfd fhfh Δ f = f h - f d f r – rezonanční kmitočet frekvenční pásmo

26 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stabilita a kvalita RO Mezní stav, při kterém y hom (t) kmitá kmity o konstantní amplitudě, se nazývá hranice stability.

27 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stabilita a kvalita RO Regulační obvod je stabilní, jestliže všechny kořeny s 1, s 2, ….. s n charakteristické rovnice jsou záporná čísla a v případě komplexních kořenů mají tyto kořeny zápornou reálnou část. V případě, že některý z kořenů leží na imaginární ose a žádný neleží v pravé komplexní polorovině, je obvod na hranici stability.

28 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Stabilita a kvalita RO Kritéria stability RO

29 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ukazatele kvality regulace Maximální hodnota y max, což je maximální hodnota, které během regulačního pochodu dosáhne regulovaná veličina y(t), Doba ustálení T s rovnající se době potřebné k dosažení konstantní hodnoty y(t) v rámci požadované přesnosti regulace: zde je uvažována odchylka regulované veličiny v rozsahu ±5 % ustálené hodnoty y(∞), Perioda T k kmitů přechodové charakteristiky.

30 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ukazatele kvality regulace

31 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Typické chování RS - tabulka

32 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spojité regulátory a jejich vlastnosti Regulátor je zařízení, které provádí regulaci, čili které prostřednictvím akční veličiny působí na regulovanou soustavu. Regulátor může regulační odchylku zesilovat, integrovat a derivovat. Nejjednodušší případ je pouhé zesilování – regulátor je prostý zesilovač. Takový regulátor je nazýván proporcionální nebo P regulátor. Častým případem je takový regulátor, kdy akční veličina je úměrná integrálu regulační odchylky. Takový nazýváme integrační nebo I regulátor. U derivačního nebo D regulátoru, je akční veličina úměrná derivaci regulační odchylky. Jeho technikcá realizace není možná.

33 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spojité regulátory a jejich vlastnosti

34 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Ukázky blokových schémat RO El. schéma D regulátoru Paralelní struktura PI regulátoru Regulační obvod řízení vozidlaŘízení pohybu ruky

35 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Nespojitá regulace Nespojité regulátory jsou rozšířeny především pro jejich jednoduchou konstrukci a cenovou dostupnost. Vytvářejí akční veličinu, která nabývá obvykle dvou nebo tří pevných hodnot. Charakter regulace ovlivňuje kromě typu použitého regulátoru také typ regulované soustavy. Vlastnosti spojitého a nespojitého řízení se výrazně liší. Z hlediska složitosti konstrukce obvodu automatického řízení je obvykle jednodušší nespojité řízení, což je dáno nespojitou akční veličinou zapnuto – vypnuto. Také konstrukce senzorů a regulátorů pro nespojité měření a řízení je jednodušší a levnější.

36 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Nespojité regulátory

37 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Příklady nespojitých obvodů automatické regulace Přímý dvoupolohový regulátor Bimetalový pásek Bimetalový regulátor teploty

38 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Příklady nespojitých obvodů automatické regulace Nepřímý regulátor vodní hladiny s plovákovým senzorem. Časový průběh regulované a akční veličiny.

39 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Impulsová regulace Impulsová regulace je založena na tzv. vzorkování pomocí vzorkovače. Čím jsou vzorky kratší tím se impulsová regulace blíží ke spojité. Obvod využívá spojitý ústřední člen (P, PI, PID). Vzorkovač je spínán v pravidelných časových intervalech (perioda vzorkování), za vzorkovač je třeba zapojit tvarovač signálu.

40 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Číslicová regulace Číslicová regulace je druh regulace příbuzný impulsové regulaci. Využívá též vzorkování spojité regulační odchylky, ale liší se tím, že na místě ústředního členu regulátoru je číslicový počítač. Velkou předností číslicové regulace je možnost využití velkého množství nezávislých informací, snímaných v regulované soustavě nebo ve více regulovaných soustavách současně. Výhodou číslicové regulace je vysoká kvalita regulace a možnost regulovat více regulovaných veličin.

41 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Porovnání typů regulace Spojité regulátory –umožňuje dosáhnout vysoké kvality regulace při malé spotřebě energie, dodávané regulátorem. Nevýhodou elektronických spojitých regulátorů je relativně malá energetická účinnost, což se projevuje větší spotřebou energie napájení. Nespojité regulátory –mají hlavní výhodu ve vysoké energetické účinnosti (téměř 100 %). Kvalita závisí na konkrétním typu regulátoru a jeho provedení Pomalá nespojitá regulace –vyniká jednoduchostí, ale vyhovuje pouze pro méně náročné aplikace. V akčních členech se využívá tradičních kontaktních spínacích součástek – relé a stykačů.

42 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Automatická regulace v automobilu

43 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Automatická regulace v automobilu Ukázka regulátoru bez samočinné zpětné vazby Ukázka zpětnovazebního regulátoru (Tempomat)

44 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Závěr Ve třetí přednášce byli studenti seznámeni se základními pojmy Základů automatické regulace, s typy regulátorů, soustav a jejich vzájemných vazeb. Byly vysvětleny druhy a principy řízení se zpětnou vazbou.

45 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Použitá literatura KUNZEL, G. Základy automatizace, SOBOTÁLES, Ústí nad Orlicí, 1995, 58 s, ISBN: neuvedeno. GREGORA, S. Elektronické a mechatronické systémy v konstrukci silničních vozidel, Univerzita Pardubice, Pardubice, 2008, 223 s, ISBN: 978-80-7194-982-8. BRÝDL, Z. Elektronická zařízení, Řídicí a měřící technika, SNTL, Praha, 1985, 350 s, ISBN: není uvedeno. ŠVARC, I. Automatizace, Automatické řízení, CERM, Brno, 2002, 201 s, ISBN: 80-214-2087-1. NIXON, E. F. Principy soustav automatického řízení, SNTL, Praha, 1965, 318 s, ISBN: neuvedeno.

46 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Děkuji za pozornost