Prostředky automatického řízení. Rozdělení prostředků automatizačních systémů Tyto prostředky lze rozdělit podle celé řady hledisek z nich nejdůležitější.

Prezentace na téma: "Prostředky automatického řízení. Rozdělení prostředků automatizačních systémů Tyto prostředky lze rozdělit podle celé řady hledisek z nich nejdůležitější."— Transkript prezentace:

1 Prostředky automatického řízení

2 Rozdělení prostředků automatizačních systémů Tyto prostředky lze rozdělit podle celé řady hledisek z nich nejdůležitější jsou :  prostředky pro získávání, transformaci, přenos, zpracování, uchování a využití informace. Prostředky pro získávání informace jsou čidla která převádějí určitý fyzikální nebo chemický stav na veličinu pozorovatelnou a zpracovatelnou a tím i přenositelnou. Těchto prostředků je tolik, kolik existuje fyzikálních a chemických veličin, fyzikálních principů čidel a to vše násobeno množstvím měřících rozsahů. Často určitý díl jejich konstrukce tvoří zařízení pro transformaci signálu umožňující jeho snadné zpracování :

3  prostředky pro přenos informace často souvisí s druhem energie použité pro přenos informace včetně způsobu modulace signálu. Druh použité energie ovlivňuje rychlost šíření a dosah signálu. V našem případě se bude jednat jen o přenosy elektrických, optických či zvukových signálů.  prostředky pro zpracování informace vytvářejí ze vstupních informací informace nové jako jsou regulátory, logické operace atd.  prostředky pro uchování informace jsou různé druhy registrů či pamětí.

4  prostředky pro využití informace jsou zařízení, která umožní výslednou informaci, vzniklou jakožto výsledek řízení procesu transformovat do konečného zásahu do řízeného objektu, aby bylo dosaženo cíle řízení.  podle energie, kdy nejčastěji používané druhy energií v technické praxi, kterým je přiřazena informace jsou:  elektrická,  elektromagnetická,  optická  a jiné (pneumatická, hydraulická a mechanická)

5  podle druhu signálu dělíme prostředky na  analogové (spojité)  diskrétní (nespojité)  další dělení obou těchto signálů je: podle jednotlivých modulací. podle rozsahu jímž se každý signál vyznačuje. signály přirozené, které mají vlastnosti a rozsah vyplývající z principu jejich vzniku signály jednotné mají přesně definované rozsahy, ale připouští volbu mezi několika možnostmi. unifikované signály jsou jednoznačně definovány v celosvětovém měřítku.

6  podle konstrukce:  jednoúčelová zařízení lze většinou používat jen pro předem vymezené účely a jejich konstrukce je optimalizována pro dané použití (například regulátor teploty v bytě).  stavebnicové zařízení používají se tam, kde je potřeba různých aplikací. Umožňují většinou pomocí malého počtu základních stavebních částí dosáhnout značného počtu optimálních aplikací.  kompaktní prostředky využívají toho, že některé části zařízení se v různých aplikacích opakují a je vhodné mít k dispozici kompaktní celky pomocí nichž lze sestavovat vyšší funkční struktury.

7  podle funkce rozlišujeme :  prostředky pro ovládání, které nepracují ve zpětné vazbě a často diskrétně. My se budeme zabývat jen elektronickými a elektrickými prostředky (další jsou pneumatické, elektropneumatické, hydraulické a elektrohydraulické), které pracují podle programu a případně v jisté hierarchii.  prostředky pro regulaci, pracují jen ve zpětnovazebním zapojení a mohou být spojité, diskrétní a číslicové

8  prostředky pro signalizaci, jsou určeny pro upozornění na změněný stav systému, případně pro řízení při překročení povolených fyzikálních hodnot veličin systému, či jiných informačních parametrů systému (například času)  prostředky pro zabezpečení jsou obdobou signalizačních zařízení s tím, že jejich nastavení mezních hodnot je blízko k zakázaným stavům. Při překročení těchto hodnot provede zabezpečovací zařízení automatické zastavení zařízení tak, aby nedošlo k havárii. Takže jejich hlavním úkolem je ochrana daného zařízení. Většinou jsou vybaveny pamětí, ve které se registruje část zařízení kde došlo k překročení povolených parametrů pro možnou identifikaci závady

9  prostředky pro vyšší řízení jsou ty, které používají výpočetní techniku, softwarové vybavení, komunikační prostředky atd.  prostředky pro pomocná zařízení se nepodílí na toku informací v systému, ale jsou pro práci zařízení nezbytná. Jedná se například o zdroje energie (stabilizátory, rozváděče aj.)

10 Základní pojmy  Soustava je uspořádaný celek z jednotlivých částí, který je sestaven podle určitých potřeb.  Systém je možno si představit jako soustavu, kde lze definovat vzájemné vztahy mezi členy i vztahy mezi soustavou a okolím.  Ovládání je proces bez zpětné vazby, tj. nekontroluje se výsledek a ani nemění další postup.  Řízení je proces se zpětnou vazbou při kterém se průběžně kontroluje výsledek a případně i mění další postup. Podle účasti obsluhy v procesu lze realizovat:  ruční řízení,  automatické řízení.

11  Zpětná vazba je působení výsledků procesu na jeho další postup řízení. Zpětná vazba může být použita jako:  kladná, která je vždy zdrojem nestability, používá se u různých oscilátorů, protože působí ve smyslu probíhajícího procesu,  záporná, která je využívána v procesu řízení a působí proti smyslu probíhajícího procesu  Regulační obvod je systém (na dalším snímku), který umožňuje automatickou regulaci. Je realizován regulovanou soustavou a regulátorem zapojeným do záporné zpětné vazby.

12 Regulační obvod kde je x – regulovaná veličina w – řídící veličina z – poruchová ovladatelná veličina zi - poruchová neovladatelná veličina y – akční veličina e – regulační odchylka, kde platí e = w - x

13  Stavy regulačního obvodu jsou stavy, ve kterých se obvody mohou nacházet. Jsou to :  rovnovážný stav (statický),  regulační pochod (dynamický).  Vlastnosti regulačního obvodu jsou následující:  stabilita, což je základní vlastnost obvodu,  přesnost řízení, což je statický parametr,  kvalita regulačního pochodu, což je dynamický parametr

14  Spojité signály v úrovni, které zachovávají spojitou hodnotu měronosné fyzikální veličiny mezi sousedními hodnotami.  Nespojité signály v úrovni, které vykazují nespojitost hodnoty měronosné veličiny mezi sousedními hodnotami. Tyto signály se dělí na:  dvoustavové,  třístavové,  vícestavové nebo-li číslicové. Signály spojité i nespojité v úrovni mohou být spojité i nespojité v čase, příkladem budiž impulsní šířková modulace, kde je signál spojitý v úrovni a nespojitý v čase.

15  Převodníky umožňující transformaci A/D i D/A zaujímají v řídícím systému klíčové postavení, protože velká část měřených veličin je často zaznamenána ve formě časově spojitého průběhu analogového napětí a do číslicové formy se musí převést pomocí převodníku. Převodníky proto umožňují propojení mezi analogovou a číslicovou částí řídícího systému. Přesnost a rychlost převodu použitých převodníků je jedním z hlavních faktorů určujících použitelnost a kvalitu celého řídícího systému.

16 Vlastnosti prostředků automatizačních systémů Prostředky automatického řízení jsou obecně všechna technická zařízení, která slouží k získávání, přenosu, uchovávání, zpracování a využívání informace. Dále se dělí na :  statické vlastnosti  dynamické vlastnosti  frekvenční charakteristiky

17 Statické vlastnosti prostředků Statické vlastnosti každého systému jsou dány jeho parametry v ustáleném stavu. Je to  citlivost  přesnost Oba parametry úzce souvisí se statickou charakteristikou.

18 Statická charakteristika Statickou charakteristiku zařízení můžeme dostat buď teoretickým výpočtem a nebo změřením. Statická charakteristika vyjadřuje závislost mezi vstupním a výstupním signálem v ustáleném stavu. To lze vyjádřit matematicky y = f(x) nebo graficky. Většina zařízení (snímačů) má statickou charakteristiku lineární y = k · x + q kde k je směrnice a q je posuv a která je vhodná pro další zpracování. Řada přístrojů má nelineární charakteristiku, která je dána jejich fyzikálním principem. V těchto případech se provádí linearizace charakteristiky a vzniklé odchylky od linearity zahrnujeme do chyby přístroje. Linearizace se provádí vždy v okolí pracovního bodu systému a to tak, že se nahrazuje nelineární část charakteristiky tečnou v nejbližším okolí pracovního bodu.

19 Statické charakteristiky a) b) c) a)lineární člen b)pásmo necitlivosti v okolí nuly c)omezení (nasycení)

20 Charakteristiky citlivost, hystereze, zpoždění a časová konstanta

21 Citlivost  citlivost je poměr velikosti vstupního ku výstupnímu signálu v ustáleném stavu  mají-li oba signály stejný fyzikální rozměr, pak získáme zesílení, což je bezrozměrné číslo  má fyzikální rozměr určený rozměrem vstupního a výstupního signálu Necitlivost Necitlivost je šířka pásma, ve kterém může kolísat vstupní veličina, při čemž se ještě nemění hodnota výstupní veličiny. Teoretická charakteristika se od reálné liší, proto ji vždy ověřujeme měřením. Nesouhlas mezi charakteristikou teoretickou a skutečnou nazýváme chybou. Velikost chyb vyjadřuje přesnost zařízení.

22 Přesnost  Přesnost zařízení je schopnost dávat za určených podmínek správnou hodnotu měřené veličiny. To však jen pokud je přesně definována za podmínek existujících v okamžiku jejího zjišťování. Chyby rozlišujeme podle vzniku a podle vlastností. Podle vlastností dělíme chyby na :  absolutní chyba - rozdíl mezi údajem přístroje a skutečnou hodnotou měřené veličiny  relativní chyba - podíl absolutní chyby ke skutečné hodnotě, udává se obvykle v procentech

23 Podle způsobu vzniku dělíme chyby na chyby :  hrubé chyby, které vznikají mimořádně, a to za zvláštních okolností, případně nepozorností obsluhy. Jejich hodnoty silně vybočují z výsledků měření. Proto tyto údaje zatížené chybami nepoužíváme  systematické chyby jsou chyby  chyby metody  chyby pozorovatele  náhodné (stochastické) chyby jsou způsobeny nedefinovatelnými vlivy, které nelze předem předvídat. Jedná se o chyby jako je kolísání teploty, tření, náhodné otřesy, proměnné přechodové odpory, atd.

24 Dynamické vlastnosti prostředků Základním vyjádřením dynamických vlastností daného členu je jeho diferenciální rovnice. Vstupním signálem členu může být libovolný signál x 1 (t). Na výstupu členu je pak výstupní signál x 2 (t). Vztah mezi x 2 (t) a x 1 (t) je určen diferenciální rovnicí. Při zjišťování dynamických vlastností musíme vyloučit vliv nelinearit tím, že dynamické členy linearizujeme.

25  Příklad Obecný tvar diferenciální rovnice 1.řádu (v rovnici je obsažena derivace nejvýše 1.řádu). U členu s derivací je konstanta a1, u členu bez derivace (nultý řád derivace) je konstanta a0. Vyřešení diferenciální rovnice klasickým způsobem je náročné. Řešení nám však značně zjednoduší Laplaceova transformace. Pomocí této transformace se převede diferenciální rovnice na rovnici algebraickou a 1 px 2 (p) + a 0 x 2 (p) = x 1 (p)

26 Získali jsme obraz diferenciální rovnice, který též vyjadřuje dynamické vlastnosti daného členu s kterým lze pracovat lépe než s diferenciální rovnicí.

27 Obrazový přenos V praxi je potřeba znát časový průběh výstupního signálu, který je vyvolaný vstupním signálem známého průběhu. Proto se zavádí tzv. přenos, charakterizující přenosové vlastnosti daného členu. Pokud je znám přenos členu v matematickém tvaru a násobí-li se jím funkce vyjadřující průběh vstupního signálu, získá se funkce vyjadřující průběh výstupního signálu. Nejčastěji se pracuje s obrazy funkcí v Laplaceově transformaci a proto se velmi často používá obrazový neboli operátorový přenos F(p). x 2 (p) = F(p). x 1 (p) Obrazový přenos je pak určen poměrem obrazů výstupního a vstupního signálu. A proto z předcházejícího příkladu lze určit přenos jako

28

29 Frekvenční přenos V teorii řídící techniky je dávána přednost úhlové frekvenci ω [1/s] před kmitočtem f [Hz]. Dosadí-li se v operátorovém přenosu za p všude jω, dostaneme tzv. frekvenční přenos. Vstupní x 1 (t) i výstupní x 2 (t) signál sinusového tvaru lze symbolicky vyjádřit pomocí fázorů nebo-li komplexních čísel x 1 (jω) a x 2 (jω). Frekvenční přenos je pak definován jako komplexní číslo, které se rovná podílu těchto fázorů.

30 Frekvenční charakteristiky

31 Frekvenční charakteristika v logaritmických souřadnicích Nejprve něco ze základních pojmů : Frekvenční charakteristiky v logaritmických souřadnicích jsou užívány v nízkofrekvenční technice, kde se na vodorovnou osu vynáší úhlová frekvence ve frekvenčních dekádách. Frekvenční dekáda je úsek, jehož krajní úhlové frekvence jsou v poměru 10:1, při čemž všechny dekády mají stejnou šířku. Rozestupy mezi frekvencemi jsou logaritmické. V logaritmických souřadnicích znázorňují frekvenční přenos dvě charakteristiky. Na svislou osu vynášíme v lineárním měřítku amplitudu (absolutní hodnotu) přenosu v decibelech FdB = 20. log |F(jω)|

32 Křivku znázorňující frekvenční závislost amplitudy nazýváme amplitudovou frekvenční charakteristikou. Na svislou osu, kterou pro přehlednost kreslíme na pravou stranu, vynášíme v lineárním měřítku fázi, nejčastěji v úhlových stupních. Takto získáme fázovou frekvenční charakteristiku.

33 Frekvenční charakteristika v logaritmických souřadnicích

34 Logaritmické frekvenční charakteristiky jsou výhodnější než frekvenční charakteristiky v komplexní rovině pro snadnější a přesnější čtení úhlové frekvence. Mimo to lze průběh amplitudových charakteristik relativně přesně aproximovat lomenou přímkou. Úhlové frekvence lomu jsou určeny převrácenou hodnotou příslušné časové konstanty daného dynamického členu. Při frekvenci lomů je zpravidla maximální rozdíl – vlastně chyba, mezi aproximativní a skutečnou charakteristikou 3 dB, charakteristika má většinou lom 20 dB na dekádu. Mezi aproximativní amplitudovou a fázovou charakteristikou dynamického členu následující závislosti

35  je-li amplitudová charakteristika rovnoběžná s osou frekvence, pak fáze přenosu je nulová.  klesá-li amplitudová charakteristika to je –20 dB/dek, je fáze –90°, při - 40 dB/dek je fáze –180° atd.  při vzestupu amplitudové charakteristiky o +20 dB/dek je fáze v příslušném frekvenčním pásmu +90°, při +40 dB/dek je fáze +180° atd. Velkou výhodou logaritmických charakteristik je, že výsledná amplitudová i fázová charakteristika sériově zapojených členů je dána grafickým součtem dílčích charakteristik.

36 Frekvenční charakteristika v komplexní rovině Frekvenční charakteristika dynamického členu v komplexní rovině je čára spojující konce vektorů příslušejících frekvencím, které jsou uvedeny na frekvenční charakteristice. Můžeme jí sestrojit například tak, že budeme dosazovat do výrazu pro frekvenční přenos za úhlovou frekvenci libovolné vhodné hodnoty od nuly do nekonečna a výsledné hodnoty znázorníme v rovině komplexních čísel. Pro libovolnou frekvenci můžeme zakreslit vektor přenosu jako úsečku spojující počátek souřadnic s bodem na charakteristice, který je označen požadovanou frekvencí. Amplitudu přenosu udává délka vektoru, fázi udává úhel mezi vektorem a kladnou částí reálné osy. Na reálné ose můžeme číst reálnou složku přenosu, na imaginární ose čteme imaginární složku přenosu.

37 Frekvenční charakteristika v komplexní rovině

38 Přechodová charakteristika Přechodovou charakteristiku názorně ukazuje obrázek na dalšín slejdu. Zjistí se jako výstupní signál x 2 (t) daného členu, je-li vstupním signálem x 1 (t) jednotkový skok 1(t). Přechodová charakteristika členu je vlastně odezva na tento jednotkový skok. Pokud je znám operátorový přenos členu F(p), lze vypočítat Laplaceův obraz přechodové charakteristiky členu vynásobením přenosu obrazem jednotkového skoku

39 Zpětnou transformací se získá funkce popisující průběh přechodové charakteristiky. Měření přechodových charakteristik členů je bezproblémové. Počátek přechodového děje je dán připojením jednotkového skoku na vstup členu. Při pomalých přechodových dějích lze použít měřících přístrojů a v pravidelných intervalech odečítat velikost signálu x 2 (t). Při rychlých přechodových dějích lze použít osciloskop (pokud se tyto děje pravidelně opakují) synchronizovaný signálem x 1 (t) ze vstupu, nebo paměťový osciloskop. Z toho lze následně odečíst hodnoty.

40 Měření přechodové charakteristiky osciloskopem