1.Uvod

1

Univerzitet u Novom SaduUniverzitet u Novom Sadu, , Fakultet tehniFakultet tehniččkih naukakih nauka, , Katedra za Automatiku i upravljanje sistemimaKatedra za Automatiku i upravljanje sistemima

Osnovi instrumentacije i upravljanjadr Nikola Jorgovanović

Jedan semestar 2+2PredavanjaVežbe

Ispit: 4 zadatka + 1 teorijsko pitanje

Kolokvijum: 2 zadatka

1 kolokvijum = 1/2 ispitavaži do kraja školske godine


LiteraturaMilić Stojić: Kontinualni sistemi automatskog upravljanja; Nauka, Beograd

B.Kovačević, Ž.Đurović: Sistemi automatskog upravljanja - zbornik rešenih zadataka; Nauka, Beograd

D.Kukolj, F.Kulić: Projektovanje sistema u prostoru stanja; FTN, Novi Sad

D.Kukolj, V.Bengin, F.Kulić: Osnovi klasične teorije automatskog upravljanja kroz rešene probleme; FTN, Novi Sad

R.C.Dorf, R.H.Bishop: Modern Control Systems; Addison-Wesley, USA

2


UvodŠta je sistem automatskog upravljanja?

Sistem automatskog upravljanja je skup međusobno povezanih komponenti projektovan radi postizanja (ostvarivanja) zadatog cilja (zadatka, svrhe, namere).

Moderna praksa SAU podrazumeva projektovanje upravljanja (upravljačkih strategija) u cilju:

unapređenja procesa proizvodnjeefikasnije potrošnje energijesmanjenje emisije štetnih materijaostvarivanja naprednog i inteligento upravljanje (npr.

vozilima) itd.


"Projektantski procep"

Kompleksna struktura i fizika sistema opisuje se relativno jednostavnim modelima

Problem!!!

Sistemi su najčešće kompleksni i teško razumljivi a samim tim teški za modelovanje i upravljanje (hemijski procesi, kontrola saobraćaja, robotski sistemi, EES).

3


Upravljanje sistemima se primenjuje u okviru različitih tehničkih disciplina: aeronautika, hemijsko, mašinsko i elektro inženjerstvo, građevina, ekonomija, pravo, ekologija...

U praksi se često susreću sistemi koji u sebi kombinuju komponente (i probleme) iz više različitih oblasti.

U industriji se često susreće kombinacija: hemija, mašinstvo, elektrotehnika...


Analiza sistema

Teorija linearnih sistema

Ulaz Proces Izlaz

Slika1.1

Sistem sa otvorenom povratnom spregomDef: Sistem otvorene petlje koristi aktuator (pobudni uređaj) radi direktnog upravljanja procesom, bez upotrebe bilo kakve povratne informacije.

4


Željeni odziv sistema Proces Izlaz

Slika1.2

Aktuator

Sistem sa zatvorenom povratnom spregom

Slika1.3

Željeni odzivsistema diskriminator kontroler proces Izlaz

merenje


SAU sa povratnom spregom ja sistem koji održava željene (propisane) relacije između dve promenljive veličine u sistemu, upoređivanjem njihovih funkcija i koristeći razliku kao sredstvo upravljanja.

Primer: upravljanje brzinom elektro motora - tahogenerator, potenciometar, regulator, aktuator

−

+Željeniizlaz

greškaregulator aktuator proces Izlaz

povratna spregasenzor

mereni izlaz

Slika1.4

5


Koncept povratne sprege predstavlja jedan od temeljaanalize i sinteze sistema automatskog upravljanja.

Def: Sau sa zatvorenom povratnom spregom koristi izmerenu vrednost izlaznog signala i povratnu spregu da bi taj signal bio upoređen sa željenom vrednošću izlaznog signala (referentnim ulazom ili komandom)


Kontroler

Merenje

ProcesReferentniulaz

Izlaz

Multivarijabilni SAU

Slika1.5

6


Istorija SAUStara Grčka - vodeni sat (300g.p.n.e)

Slika1.6

Prvi sistem sa povratnom spregom u Evropi je regulator temperature. Cornelis Drebbel, Holandija, početak XVII veka


Vatov regulator

James Watt, 1769

Slika1.7

7


Važnije faze u razvoju automatskog upravljanja1769 Vatov regulator. Smatra se zvaničnim početkom industrijske revolucije u UK.1800 Eli Whitney. Koncept unapred izrađenih izmenjivih delova u proizvodnji (proizvodnja musketi). Smatra se početkom masovne proizvodnje.1868 Maxwel je formulisao matematički model regulatora parne mašine.1913 Henry Ford je uveo automatizovane mašine u automobilsku industriju.1927 Bode analizira pojačavače sa povratnom spregom.1932 Nyquist razvija metodu za analizu stabilnosti sistema1952 NC (numerical control) regulacija alatnih mašina (upravljanje po osama)1954 George Devol razvija "programirani prenos predmeta". Preteča prvog industrijskog robota.1960 Predstavljen prvi UNIMATE robot. Od 1961 se koristi u livnicama.1970 Modeli u prostoru stanja i razvoj optimalnog upravljanja.1980 Razmatra se projektovanje robusnih SAU1994 Masovna upotreba upravljanja sa povratnom spregom u automobilima. Uvođenje veoma pouzdanih robotskih sistema u proizvodnju.


−

+Željenipravac

greškavozač Upravljački

mehanizamautomobil Stvarni

pravac

Vizualno merenje

Slika1.8

1. Vožnja automobila

Primeri SAU

8


−

+Željeninivo

greškačovek ventil rezervoar Stvarni

nivo

Vodokazno staklo

Slika1.9

2. Regulacija nivoa tečnosti u rezervoaru


Zašto automatsko upravljanje?

Zašto se upotrebljava automatsko upravljanje kada se u prethodnim primerima vidi da je i ručno sasvim prihvatljivo?Sledeća tabela daje odgovor.

Teško za čoveka Teško za mašinu

Nadzor i intervencija na sistemima u veoma toplom i otrovnom okruženju.

Neprekidno ponavljanje neke operacije.

Prizemljenje aviona noću pri lošim vremenskim uslovima.

Provera klijavosti semena u rasadniku.

Vožnja vozila po neravnom terenu.Pronalaženje najskupljeg od svih

dijamanata izloženih na stolu.

9


Primer skroz automatizovanog SAU


Pravci razvoja SAU

Fiksnaautomatizacija

NC mašine Robotika

Ručnialat

Električnialat

Produženialati

Unilateralnimanipulatori

MehaničkiMaster/slave manipulatori

ProgramabilniSAU

Digitalni SAU

Fleksibilnost

Autonomija

mala

velika

velika

Pobojlšanja:VidInterfejs čovek-mašinaNadzor

Pobojlšanja:SenzoriVidJeziciVeš. Int.

Inteligentni sistemi

Povećana fleksibilnost i autonomija

10


Projektovanje SAU

Projektovanje je proces smišljanja ili pronalaženja forme, dela ili detalja nekog sistema koji će poslužiti određenoj svrsi i omogućiti celom sistemu da se ponaša u skladu sa postavljenim zahtevima.


Procedura projektovanja SAU1. Utvrđivanje glavnih ciljeva SAU

2. Identifikacija upravljanih veličina

3. Ispisivanje tehničkih podataka o promenljivima (specifikacija)

4. Utvrđivanje konfiguracije sistema i izbor aktuatora

5. Formiranje modela procesa, aktuatora i senzora

6. Izbor i opis regulatora, i izbor podesivih parametara

7. Optimizacija parametara i analiza performansi

Performanse ne zadovoljavaju zahteve.Ponovo konfigurisati sistem i odabrati aktuator

Performanse su u skladuSa zahtevima.Finalizacija projekta.

11


Primeri projektovanja SAU

1. Rotirajuća platforma

Baterija

Izbor brzine

Platforma

Brzina

DC motorDCpojačavač

Reg. uređaj

Pojačavač

Aktuator

Motor

Proces

Platforma

Željenabrzina(napon)

Stvarnabrzina

Upravljanje u otvorenoj povratnoj sprezi


+

−

−

Σ

+Σ

Baterija

Izbor brzine

PlatformaBrzina

DC motorDCpojačavač

Tahometar

Reg. uređaj

Pojačavač

Aktuator

Motor

Proces

PlatformaŽeljenabrzina(napon)

Stvarnabrzina

SenzorTaho

Upravljanje sa zatvorenom povratnom spregom

Merena brzina (napon)

greška

12


Sistem za očitavanje podataka sa hard diskaSpindleHead slider

Disk

Rotationofarm

ArmTracka

Trackb

Actuatormotor

Controldevice

Sensor

Actualhead

position−

+ ErrorDesiredhead

positionActuatormotorand readarm

Diagramof disk drive

Closed-loop control systemfor disk drive


Adjustable wing

A high-performance race car with an adjustable wing

Jedan savremeni SAU

13


Primer

Na slici je prikazan presek regulatora pritiskanekog fluida (voda, ulje). Željeni pritisak se podešava okretanjem kalibrisanog zavrtnja. Okretanjem zavrtnja se preko opruge podešavasila koja se odupire kretanju membrane na gore. Donja strana membrane je izložena fluidu čiji se pritisak reguliše. Pomeranje membrane ukazujena razliku između željenog i stvarnog pritiska, što znači da membrana služi kao komparator. Ventil, koji je povezan sa membranom, pomerase u skladu sa razlikom pritisaka sve dok nedođe u poziciju u kojoj je razlika nula. Skiciratiblok dijagram sistema regulacije izlaznog pritiskaulja.

Ulaz ulja Izlaz ulja

Membrana

Opruga

Zavrtanj zaregulaciju

pritiska ulja

Ventil


Rešenje: Definišu se sledeće promenljive: p=izlazni pritisak, fs=sila opruge=Kx, fd=sila membrane=Ap, fv=sila ventila=fs-fd. Kretanje ventila je opisano izrazom: d2y/dt2=fv/m, gde je m-masa ventila. Izlazni pritisak je proporcionalan položaju ventila p=cy, gde je c konstanta proporcionalnosti.

Ventil c

Pozicijaventila

Konstantaproporcionalnosti

Položajzavrtnja

x(t)

+

-

Izlaznipritisak p(t)

A

K

Površinamembrane

Opruga

fs

fv

fd

y

14


Primer Na slici su prikazana dva helikoptera koji zajedno nose teret. Ovakvi slučajevi se susreću u praksi kada teret nije moguće nositi avionom ili je pretežak za jedan helikopter. Problem upravljanja u ovom sistemu se svodi na regulaciju visine tereta i međusobne udaljenosti helikoptera. Skicirati blok dijagram koji prikazuje akciju pilota, i poziciju helikoptera i tereta. Rešenje:

Teret

Helikopter 1 Helikopter 2

Tačkavešanja

Uže


Rešenje:

Pilot Helikopter

Proces

+-

Visinomer

Merenje

Merenje

Radar

Regulator+ -

Merenjerastojanja

Merenjevisine

Stvarnorastojanje

Stvarnavisina

Željenorastojanje

Željenavisina

Documents

1.Uvod