Uvod u automatizaciju procesa i postrojenja, primjeri
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Web stranica predmeta: http://www.riteh.hr/zav_katd_sluz/zaer/nastava/eap/index.html ECTS bodovi: 7 Nastavno opterećenje: 2 + 1 + 1 + 0 Nositelj predmeta: Red. prof. dr. sc. Vladan Papić, dipl. ing. Vrijeme konzultacija: petak 8-10, samo za vrijeme predavanja Tel. (021) 305 649 E-mail:
[email protected]
2
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Asistent: Vedran Grudenić, dipl. inž. Vrijeme konzultacija: na web stranicama E-mail:
[email protected] RASPORED PREDAVANJA Nastava će se na predmetu odvijati u prvom bloku u vremenu od 23.09.2010. do 12.11.2009. (8 tjedana) prema sljedećem rasporedu: Predavanja: četvrtak 1600 1730 U2 petak 800 1000 U2 Aud. vježbe: Srijeda prema rasporedu (nakon prvog tjedna)
3
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
SADRŽAJ PREDAVANJA: Uvod u automatizaciju procesa i postrojenja, primjeri Senzori - Statičke i dinamičke karakteristike senzora, Smetnje u mjernim sustavima, senzori diskretne pozicije, kontinuirano mjerenje pomaka, mjerenje kutnog pomaka i brzine vrtnje Senzori - mjerenje temperature Senzori - mjerenje tlaka, razine i protoka Električni istosmjerni motori Električni asinkroni motori Koračni motori, Motori s PM magnetima Komponente u energetskoj el., en. pretvarači za napajanje dc motora Energetski pretvarači za napajanje asinkronih motora 4
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
SADRŽAJ PREDAVANJA: AD i DA pretvorba Pneumatski sustavi Hidraulički sustavi Programabilni logički kontroleri
5
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
LABORATORIJSKE VJEŽBE: Dinamičke karakteristike otporničkog termometra. Mjerenje dinamičkih karakteristika termoelementa. Eksperimentalno određivanje dinamičkih parametara dc motora. PLC, pokazna vježba. Twido PLC, programiranje logičkih funkcija, brojila i vremenskih čl. Twido PLC - programiranje složenijih funkcija.
6
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Osnovna literatura 1.
2. 3. 4.
Z. Kovačić: Elementi automatizacije postrojenja - bilješke za predavanja, Zavod za APR, FER Zagreb, 2004 Ž. Ban: Elementi automatizacije postrojenja - bilješke za predavanja, Zavod za APR, FER Zagreb, 2002 Elementi automatizacije postrojenja - laboratorijske vježbe E. Prpić: Elementi automatizacije postrojenja - auditorne vježbe
Dodatna literatura 1. M.H. Rashid: Power Electronics: Circuits, Devices and Applications, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988 2. T. Šurina: Analiza i sinteza servomehanizama i procesne regulacije, Školska knjiga, Zagreb, 1974
7
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Kriteriji ocjenjivanja
Rad tijekom semestra Bodovanje studenata tijekom semestra vrši se kroz dvije kontrolne zadaće i laboratorijske vježbe. Prva kontrolna zadaća sastoji se od 2 zadatka i 10ak teorijskih pitanja i nosi ukupno 20 bodova, dok druga kontrolna zadaća u 3 zadatka i 10ak teorijskih pitanja nosi ukupno 25 bodova. Uspješno obavljene laboratorijske vježbe nose 20 bodova raspoređenih po vježbama. Završni ispit nosi 30 bodova, a pohađanje nastave 5 bodova.
8
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Kriteriji ocjenjivanja
Student koji na kraju semestra skupi 40 ili više bodova ima pravo izravnog upisa ocjene koju su postigli radom tijekom semestra prema tablici: Uspjeh
Bodovi 1 2 3 4 5
0-39 40 - 54 55 - 69 70 - 84 85 - 100
9
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
sustav: prirodna, društvena, tehnička ili mješovita tvorevina koja u danoj okolini djeluje samostalno, s određenom svrhom ili određenim ciljem. "Sustav je skup objekata objedinjenih nekim oblikom međudjelovanja ili međuovisnosti.“ (Websterov rječnik)
automatika je sastavni dio znanosti o sustavima. - automatika obuhvaća teoriju vođenja, istraživanje uvjeta djelovanja i zakonitosti vođenja različitih tehničkih tvorevina i sastavljanje i gradnju njihovih dijelova za vođenje.
10
Predavanje 1 - EAP
upravljanje djelovanje na proces upravljanja kako bi se postiglo željeno stanje ili prijelaz među stanjima u procesu
kibernetika znanost o općim zakonitostima upravljanja (Norbert Wiener se smatra ocem kibernetike) tehnička kibernetika –znanost o upravljanju tehničkim sustavima hiberneti (grč.) – voditi, upravljati, usmjeravati
24.09.2010.
Norbert Wiener (1894-1964.): “Za samostalno djelovanje neke tvorevine, bilo prirodne ili tehničke, potrebno je svojstvo vođenja.” 11
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
automatsko upravljanje –upravljanje sustavima bez izravnog sudjelovanja čovjeka
ručno upravljanje –gotovo uvijek prisutno u tehničkim sustavima upravljanja kao opcija (mod rada) višeg prioriteta od automatskog moda upravljanja
12
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
automatska regulacija –način automatskog upravljanja koji ima za cilj da regulirana veličina bude konstantna, tj. da se što manje mijenja pod djelovanjem vanjskih poremećaja
automatizacija –upravljanje strojevima i reguliranje procesa automatima koji zamjenjuju čovjekov rad (automat–naprava koja samostalno obavlja radne operacije bez izravnog sudjelovanja čovjeka)
13
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Koja su osnovna obilježja jednog automatskog sustava? 1)
Postojanje procesa kojim se upravlja
2) Zadani cilj djelovanja (npr. željena temperatura, brzina vrtnje,…) 3) Smetnje ili poremećajne veličine tj. utjecaji koji ometaju ispunjenje cilja 4) Način na koji se djeluje na proces u svrhu korektivnog djelovanja u svrhu ispunjenja zadanog cilja (upravljački uređaj) 14
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Sustav
x(t)
y(t)
SUSTAV Ulazni signal ili pobuda
Izlaz ili odziv
15
Predavanje 1 - EAP
Načini upravljanja sustavom:
24.09.2010.
1) Vođenje 2) Reguliranje
1) Vođenje Program djelovanja
Ulaz
Jedinica za vođenje
Proces ili objekt
Izlaz
16
Predavanje 1 - EAP
Načini upravljanja sustavom:
24.09.2010.
1) Vođenje 2) Reguliranje
2) Reguliranje Upravljačka veličina
Pogreška (odstupanje) e + -
g2 Proces
Jedinica za vođenje
Ulaz
x
u
g1
Izlaz
ili objekt Osnovna grana
y
h p Povratni signal
Mjerni pretvornik Povratna grana
17
Predavanje 1 - EAP
Načini upravljanja sustavom:
24.09.2010.
1) Vođenje 2) Reguliranje
2) Reguliranje Automatski sustavi kod kojih je vođenje ovisno o izlazu: - automatski sustavi zatvorene petlje ili - automatski sustavi s negativnom povratnom vezom ili - regulacijski sustavi
18
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Korektivno djelovanje upravljačkog uređaja uvijek ima za cilj upravljanje energijom koja ulazi u proces (analogni regulatori najčešće se rade s operacijskim pojačalima, a digitalni s mikrokontrolerima i kao takvi ni u kom slučaju ne predstavljaju izvore energije, već izvore informacije o potrebnoj promjeni energije)
Između upravljačkog uređaja i procesa obavezno dolazi element čija uloga je promijeniti energetsko stanje procesa u skladu s nalogom iz upravljačkog uređaja –takav element nazivamo pojačalo snage
Da li je postignut cilj, odnosno da li smo blizu njega govore nam na primjer rezultati mjerenja regulirane veličine ili pak logička stanja senzora
19
Predavanje 1 - EAP
Davač reference – izvor informacije o zadatku upravljanja Elementi povratne veze – mjerni elementi i pretvornici – izvor informacije o rezultatu upravljanja
24.09.2010.
Poredbeni element i upravljački uređaj – uređaj za obradu informacija Izvršni uređaj – usko vezan uz upravljive izvore energije, tj. pojačala snage
20
Predavanje 1 - EAP
ur–upravljačka veličina (referenca), zadana, tj. namještena vrijednost upravljane veličine f, yf–smetnja, poremećajna veličina upv, ypv–signal povratne veze, odnosno podatak o stvarnoj vrijednosti upravljane veličine
24.09.2010.
e, ε–signal razlike, e = ur–upv
uu, yu–izlaz iz upravljačkog uređaja ui, yi–upravljačka veličina objekta upravljanja y –upravljana veličina Δp-pogreška upravljanja, Δp= ye–y
21
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Simbolički prikaz –služi za opis ponašanja elementa
A – operator koji djeluje nad u -> u pravilu je to neka funkcija ili funkcional
22
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Prema linearnosti - linearni - po dijelovima linearni - nelinearni Prema načinu rada elemenata - kontinuirani - diskretni - impulsni - sustavi s diskretnim događajima - hibridni Prema stacionarnosti parametara - stacionarni - nestacionarni 23
Predavanje 1 - EAP
Prema dimenzionalnosti ulaza i izlaza - sustavi s jednim ulazom i izlazom (engl. SISO) - sustavi s više ulaza i izlaza (engl. MIMO)
Prema strukturi sustava - sustavi s promjenljivom strukturom - sustavi s nepromjenljivom strukturom
Prema karakteristikama upravljanja - robusni - adaptivni (samoučeći) - optimalni - inteligentni
24.09.2010.
24
Predavanje 1 - EAP
Prema tehnici izvedbe - električki - pneumatski - hidraulički - elektropneumatski - elektrohidraulički
Prema izvršnom elementu (električki) - istosmjerni - izmjenični
24.09.2010.
25
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
LINEARNI – oni sustavi koji se mogu opisati linearnom diferencijalnom jednadžbom općenitog oblika:
diy m d jx ai i b j j ; dt dt i 0 j 0 n
ai , b j konstante , x ulaz, y izlaz
NELINEARNI – opisuju se nelinearnim diferencijalnim jednadžbama, složeni su, pa se pretvaraju u linearne i onda se analiziraju kao linearni (uz zanemarivu grešku) Linearizacija: linearna ovisnost u ograničenom području rada, aproksimacija raspodijeljenih parametara u jednoj diskretnoj točki, dovoljno spore promjene parametara – konstanti u nekom vremenskom razmaku. 26
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Za LINEARNE sustave vrijedi PRINCIP SUPERPOZICIJE:
n
n
k y (t ) T k x (t ) , i 0
i
i
i 0
i i
T operacija
SUSTAV x1
y1
x2
y2
x1 + x2
y1 + y2
Ax1 + Bx2
Ay1 + By2
27
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Stacionaran sustav – konstantni parametri (ne ovise o t), odziv ne ovisi o početnom djelovanju u(t)
Nestacionaran sustav – parametri se mijenjaju s vremenom (npr. promjena mase rakete zbog izgaranja goriva, promjena momenta inercije pogona za namatanje)
28
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Kontinuirani sustav – sadrži samo kontinuirane elemente (ulazne i izlazne veličine su kontinuirane)
Diskretni sustav – sadrži barem jedan diskretni element -> ulazna veličina je kontinuirana ili diskretna, a izlazna veličina je diskretna Pretvorba kontinuiranog u diskretni signal – diskretizacija (uzimanje uzoraka ili uzorkovanje) – žargonski još i sempliranje
29
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
y (t)
Ako je izlazni signal y(t) promjenjiv unutar određenih granica, radi se o KONTINUIRANOM sustavu Ako izlazni signal y(t) poprima samo određene vrijednosti amplitude, onda se radi o KVANTIZIRANOM sustavu (amplitudna diskretizacija)
y (t) t
T
y (t) T
Ako je izlazni signal y(t) poznat samo u diskretnim trenutcima, radi se o DISKRETNOM sustavu (vremenska diskretizacija) T
t
t 30
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Podjela diskretnih sustava: - relejski (diskretizacija po amplitudi) - impulsni (diskretizacija po vremenu) - digitalni (diskretizacija po amplitudi i vremenu)
Relejski sustavi: - Regulacija temperature, tlaka, napona generatora i brzine vrtnje manjih motora - Pogodnosti: jednostavnost i ekonomičnost - Specifičnost: oscilatoran režim rada
31
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Impulsni sustavi: - diskretizacija signala po vremenu - impulsna modulacija - amplitudno-impulsna modulacija - širinsko - impulsna modulacija - vremensko-impulsna modulacija - fazno-impulsna modulacija i frekvencijsko-impulsna modulacija - Pogodnosti: diskretni prijenos signala, manja osjetljivost na smetnje, upravljanje s više objekata
32
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Digitalni sustavi: - Diskretizacija signala po vremenu i amplitudi - Pogodnosti: velika točnost, mala osjetljivost na smetnje, upravljanje nizom objekata, moguće je ostvariti složene algoritme upravljanja (npr. adaptivno i optimalno upravljanje)
33
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Sustavi s diskretnim događajima: - Sustavi kod kojih jedan ili više događaja (uvjeta, odnosno stanja) aktiviraju nove ili dokidaju postojeće događaje – takvi su u svojoj biti npr. telekomunikacijski, prometni, računalni i proizvodni sustavi
Hibridni sustavi: - Sustavi s kontinuiranim i diskretnim elementima na čiji rad utječu i diskretni događaji (veliki broj realnih industrijskih sustava upravljanja je baš takav)
34
Predavanje 1 - EAP
Ovaj blok predstavlja matematički opis (model) elementa -> gradimo blokovsku shemu sustava Blokovi su elementi s usmjerenim djelovanjem -> u je pobuda (uzrok), a y je odziv (posljedica), dok A oslikava fizikalnost elementa, tj. kazuje kako element reagira na pobudu na ulazu Vrijednost ulaza određuje radnu točku elementa, tj. različite vrijednosti ulaza određuju različite radne točke Promatranje svojstava elementa u različitim radnim točkama -> statičke karakteristike Promatranje svojstava elementa pri prijelazima među različitim radnim točkama -> dinamičke karakteristike
24.09.2010.
Osnovni funkcijski oblik elementa, odnosno sustava
35
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Za opis možemo koristiti diferencijalne jednadžbe, prijelazne funkcije, prijenosne funkcije, frekvencijske karakteristike
OPIS U VREMENSKOM PODRUČJU PODRUČJU 1) 1 dif.jed. n-tog reda transformacije 2) N dif.jed. 1.reda funkcije (varijable stanja)
OPIS U FREKVENCIJSKOM
1) pomoću Laplaceove
2) pomoću prijenosne
y( s) x( s ) = 0) (poč.uvjeti
W ( s)
(t)
y ( t) - t e ž in s k a fu n k c ija t
S U S TAV
3) pomoću posebnih y ( t ) - izlaznih p r i j e l a z n a f u n k c i signala ja fazne karakteristike u (t)
1
t
3) pomoću amplitudne i frekvencijske
36
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Tipične ulazne funkcije za analiziranje i gradnju automatskih sustava x (t) = u (t)
1) Jedinična odskočna funkcija (step funkcija) 1
t
2) Dirackova delta funkcija
37
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Tipične ulazne funkcije za analiziranje i gradnju automatskih sustava x (t) = t
3) Jedinična pravčasta
t
x (t) = t2
4) Parabolična funkcija
5) x(t) = A sin ωt
t
38
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Tri osnovna dinamička ponašanja linearnih stacionarnih elemenata sustava automatizacije:
Proporcionalno (P) ponašanje -Primjer:tlak na dnu posude je proporcionalan razini tekućine
Integralno (I) ponašanje -Primjer: zakret osovine motora je integral brzine vrtnje motora
Derivativno (D) ponašanje -Primjer: inducirani napon u zavojnici je derivacija struje zavojnice 39
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Ekvivalentna dinamička djelovanja upravljačkog uređaja: - Proporcionalno djelovanje -> djeluje na brzinu odziva sustava - Integralno djelovanje -> djeluje na pogrešku u stacionarnom stanju - Derivativno djelovanje -> djeluje na kvalitetu prijelaznog procesa - Kombinirano djelovanje (PI, PD, PID) -> nastoje se ostvariti željene statičke i dinamičke karakteristike, tj. kvaliteta upravljanja 40
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Glavni zahtjevi na kvalitetu odziva: točnost i stabilnost odziva
Dodatni zahtjevi na kvalitetu odziva : oblik prijelazne pojave
41
Predavanje 1 - EAP
24.09.2010.
Projektanta sustava automatizacije zanima: •uloga elementa •koji su ulazi i izlazi elementa •fizikalni princip rada elementa (poznavanje konstrukcije, funkcionalnosti i tehnologije) -> važnu ulogu ima i cijena •eksperimentalno određivanje parametara elementa (eventualno se mogu koristiti kataloški podaci) •eksperimentalno određivanje statičkih i dinamičkih karakteristika •formiranje funkcijskog bloka koji opisuje element •utvrđivanje veza (načina spajanja) sa susjednim elementima u sustavu •uključivanje elementa u cjelovitu blokovsku shemu sustava automatizacije -> podloga za analizu i sintezu sustava, npr. projektiranje upravljačkog uređaja, ocjenu stabilnosti i kvalitete odziva) 42
