AU Predavanje03 Bez Animacija (1)

Automatsko upravljanje 2013/2014

Prof.dr.sc. Nedjeljko Peric, Prof.dr.sc. Zoran VukicProf.dr.sc. Mato Baotic, Doc.dr.sc. Nikola Miškovic

Zavod za automatiku i racunalno inženjerstvoFakultet elektrotehnike i racunarstva

Predavanje 03 - Klasifikacija sustava i ilustrativni primjeri

Automatsko upravljanje :: Predavanje 03 - Klasifikacija sustava i ilustrativni primjeri c© 2013 Peric,Vukic,Baotic,Vašak&Miškovic 1 / 64

Sustavi

Sažetak Predavanja 02

• Automatika je izazovno znanstveno i strucno podrucje s teorijskog iprakticnog aspekta

• Primjena koncepta povratne veze bila je revolucionarna

• Primjena sustava upravljanja u proizvodnim i radnim procesima jenužna

• Postoji citav niz otvorenih neriješenih problema vezanih uzautomatsko upravljanje (izazov za nadolazece generacijeautomaticara)

• Ohrabrujuca je cinjenica da su postojeca znanja i pozitivni trendrazvoja automatike dobro polazište za rješavanje otvorenihproblema

• Obrazovanje u podrucju automatskog upravljanja kao sustavskeznanosti vrlo je važno za sve tehnicke struke


Sustavi

Cilj

• Razumjeti neke opce pojmove o sustavima:• definicije sustava• klasifikacija sustava• svojstva sustava• svojstva dinamickih tehnickih sustava• sustavi automatskog upravljanja• klasifikacija sustava automatskog upravljanja


Sustavi

Pojam sustava

• Ovisno o podrucju znanosti i tehnologije pojam sustav može imatirazliciti smisao

• Pojam sustav koristi se u svakodnevnom životu gotovo u svimpodrucjima djelatnosti

• Ovaj pojam na neki nacin objedinjuje ono što je zajednickorazlicitim podrucjima razvoja i opstojnosti društva

• Ne postoji jednoznacna definicija sustava. Koriste se razlicite, ali nei med

_usobno iskljucive definicije


Sustavi

Definicije sustava (1)

• Websterov rjecnik (1984.):• "Sustav je skup objekata objedinjenih nekim oblikom med

_udjelovanja

ili med_uovisnosti."

• Vladimir Kucera (1979.):• "Sustav je dio svijeta koji je povezan s okolinom preko ulaznih i izlaznih

djelovanja. Ulazna djelovanja sustav preoblikuje u izlazna djelovanja.Izlaz sustava opcenito može ovisiti o trenutku pobude i o memoriji

sustava do trenutka pobude. Povijest, odnosno memorija sustavatretira se konceptom stanja sustava."

• Lotfi A. Zadeh i Charles A. Desoer (1963.):• "Apstraktni sustav ili jednostavno sustav S predstavlja djelomicno

objedinjen skup apstraktnih objekata A1, A2, ...An, koji su komponentesustava S. Komponente sustava S mogu biti usmjerene ilineusmjerene, a njihov broj može biti konacan ili beskonacan. Svakiobjekt sustava može se opisati konacnim brojem osnovnih varijabli.Sustav S može se razmatrati kao pojedinacni objekt i obratno, bilo kojipojedinacni objekt može se razmatrati kao sustav."


Sustavi

Definicije sustava (2)

• Definicije vrijede za raznesustave:

• tehnicke• biološke• ekonomske• ekološke• informacijske• transportne• ...

• Pod pojmom sustav u daljnjemrazmatranju podrazumijevat cese uglavnom dinamicki tehnickisustav

Slika 3.1 : Primjeri sustava


Sustavi

Primjer 3.1: Dinamicki tehnicki sustav - Hidroelektrana

El. razvodStrojarnica

Generator

Dovodni tunel

Rešetka

Akumulacijskojezero

TurbinaRijeka

Tipična hidroelektrana


Sustavi

Kratki opis rada hidroelektrane - jedan dinamicki ucinak

• Potencijalna energija vode ⇒ kineticka energija strujanja vode ⇒mehanicka energija vrtnje vratila turbine ⇒ elektricna energija

• Cjevovod dovodnog tunela može se predstaviti kao hidraulickaprijenosna linija koja je otvorena na turbinskom kraju, a kratkospojena na kraju uz akumulacijsko jezero

• Problemi pri regulaciji:• Nakon nagle promjene otvorenosti dovodnog ventila rešetke, inercija

vodenog stupca uzrokuje u prvom trenutku promjenu snage elektranesuprotnog smjera od promjene otvora ventila (neminimalno-faznovladanje)

• Elasticnost cjevovoda uzrokuje gibajuce tlacne i vodene valove ucjevovodu (oscilacije - ovaj efekt više je izražen kod dužih cjevovoda).Uzrok tome je efekt "vodenog cekica" - vodeni val koji je uzrokovankinetickom energijom gibajuce vode pri njezinom naglomzaustavljanju ili promjeni smjera


Sustavi

Primjer 3.2: Dinamicki tehnicki sustav - HE Miljacka (1)

Akumulacijsko jezero

Vodostan

Turbinski ormars regulatorom isinkronizatorom

- lokalna upr.jedinica

Terminal zaprogramiranje

SCADA SCADA

Izdvojeno operatorskomjesto i monitoring

Strojarnica

Daljinskakomunikacija

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)Automatsko upravljanje :: Predavanje 03 - Klasifikacija sustava i ilustrativni primjeri c© 2013 Peric,Vukic,Baotic,Vašak&Miškovic 9 / 64

Sustavi

Primjer 3.2: Dinamicki tehnicki sustav - HE Miljacka (2)

Smjer toka vode (mjestospajanja s tlačnim

cjevovodom)

Kuglastipredturbinski

zatvarač

Francisturbina

Pumpa selektromotorom

Privodno koloturbine s polužjem

Akumulatoritlaka

Spremnik hidrauličkog agregata

Hidraulički cilindar

Kučište hidrauličkog cilindra

Ormar upravljanja agregatom(u sklopu je turbinski regulator)

Generator


Sustavi

Primjer 3.3: Dinamicki tehnicki sustav - Procesna industrija

TC

TC

Proizvodvrha

Proizvoddna

TC

TC

Punjenje

Tlakvrha

Regulacijskiventil

Qu+q

C1

H1+h1 R2

H2+h2R1

C2 Q2+q

Destilacijskakolona

(izgled u naravi)

Destilacijskakolona

(instrumentacijskashema)

Postrojenje zamiješanje

komponenata

Regulacijarazine fluida

(spojenispremnici)

Q1+q


Sustavi

Primjer 3.4: Dinamicki tehnicki sustav - Borbena sredstva


Sustavi

Primjer 3.5: Dinamicki tehnicki sustavi u Laboratorijuprocesne automatizacije (ZARI) (1)

Destilacijska Cijevni izmjenjivac Crpno-skladišnokolona topline postrojenje


Sustavi

Primjer 3.5: Dinamicki tehnicki sustavi u Laboratorijuprocesne automatizacije (ZARI) (2)

staklenavodilica

gornji idonji

magnet

gornji idonjisvitak

Opruge

MaseMotor

Upravljanjemotorom

Opteretnimotor

Pogonskimotor

Kućište u kojem je elastično vratilo

Upravljanje

Magnetska Tromaseni oscilatorni Slijedni sustav salevitacija sustav složenijom

kinematickomstrukturom

(elasticnost, trenje,zazor)


Sustavi

Primjer 3.6: Dinamicki tehnicki sustavi u Laboratoriju mobilnerobotike (ZARI)

Mobilni roboti Robotski nogomet


Sustavi

Primjer 3.7: Dinamickih tehnicki sustavi u Laboratorijupodvodnih sustava i tehnologija (ZARI i Brodarski institut)

Oprema za Ronilica Ronilicaupravljanje u raduronilicom


Sustavi

Primjer 3.8: Dinamicki tehnicki sustavi u Laboratorijuindustrijske robotike (ZARI)

Ruka robota

Hvataljka

Hvataljka

Kamera

Predmeti kojimamanipulira robot

Tipicni industrijski robot Robot za montažu


Sustavi

Primjer 3.9: Dinamicki biološki sustav – Neuron

• Neuron je osnovna biološka jedinica za obradbu informacija stisucama veza kroz koje prima i odašilje signale

• Oko 10 milijardi neurona tvori oko 1 mm debeli sloj moždane kore• Svaki neuron sadrži stanicno tijelo (soma), kratke izdanke koji izlaze

iz stanicnog tijela (dendrite) i duga živcana vlakna (aksone) kojiprenose živcane impulse do sljedece živcane stanice

• Unutar tijela stanice je jezgra i biomehanicki proces za održavanjestanice na životu

• Dendriti služe kaoprijemnici, jer primajuimpulse od okolnihneurona, dok aksoni(duljine od 0.2 µm do 2µm) služe kaopredajnici, jer šaljusignale drugimneuronima.

jezgra

akson

dendriti aksonskizavršeci

tijelo stanice

jezgra

mielinskaovojnica

akson

Slika 3.2 : Neuron


Sustavi

Primjer 3.10: Dinamicki biološki sustav – Sinapsa u neuronu

• Izmed_u krajeva aksona i dendrita susjednog neurona postoji tzv.

sinapticki prostor (sinapsa)• Kada živcani impuls koji putuje

aksonom (50 m/s) stigne dokraja aksona, oslobad

_aju se

kemijske supstance (transmitori)koje se spajaju s drugimsupstancama (receptorima) udendritima susjednih neurona,cime se omogucuje prijenosživcanog podražaja s jednogna drugi neuron

Slika 3.3 : Sinapsa


Sustavi

Primjer 3.11: Dinamicki biološki sustav – Perceptron

• Model neurona (perceptron)

w1

+

•

••

Nelinearnaaktivacijska

funkcija

Sinaptičkaoperacija

Dendrit

Izlaz neurona

AksonSkupljanje

signala

Prag

prema drugimneuronima

Ulaznisignali

ψ

x1(t)

Sinapsa

v(t) y(t)w2

wnxn(t)

x2(t)

Somatskaoperacija

wn+1

Slika 3.4 : Perceptron


Sustavi

Opca svojstva tehnickih sustava

• Osmišljava ga i realizira covjek u svrhu postizanja tocno odred_enog

i unaprijed zadanog cilja

• Materijalni sustav koji se gradi od razlicitih komponenata(elemenata)

• Sve komponente sustava su u funkciji ostvarenja zadanog cilja

• Temeljno svojstvo komponenata sustava je njihova sposobnostpovezivanja s drugim komponentama sustava i s okolinom u kojojsustav djeluje

• Svaka komponenta sustava razmatra se sa stajališta njezinogmed

_udjelovanja s drugim komponentama sustava


Sustavi

Karakteristike dinamickih tehnickih sustava

• Usmjerenost djelovanja

• Kauzalnost

• Ogranicenost energetskih resursa

• Ogranicenost informacijskog kapaciteta

• Strukturiranost

• Povezanost procesa unutar sustava


Sustavi

Klasifikacija sustava

Sustave je moguce klasificirati prema razlicitim karakteristikama, kao štosu:

• matematicki model

• svojstva signala i/ili parametara

• broj ulaznih i izlaznih signala i sl.


Sustavi

Opci opis sustava operatorom

• Ako se pobude na sustav (ulazni signali - u(t)) kao i odzivi sustava(izlazni signali - y(t)) tretiraju kao elementi dvaju vektorskih prostorarealnih vektorskih funkcija, U i Y , tada je sustav moguce opisatipomocu operatora T : U → Y

y(t) = T [u(t)] (3-1)

u : ℜ → ℜp,u ∈ U, y : ℜ → ℜq, y ∈ Y (3-2)


Sustavi

Model sustava po varijablama stanja u opcem obliku

• Operator T može biti zadan u raznim oblicima. Najcešce se zadajesustavom jednadžbi kojima je opisan rad svih elemenata od kojihse sustav sastoji:

dx(t)

dt= f[x(t),u(t), t ] (3-3)

y(t) = h[x(t),u(t), t ] (3-4)

gdje je:x(t) : n−dimenzijski stupcani vektor varijabli stanja sustava skomponentama

xi , x ∈ ℜn s x : ℜ → ℜ

n

u(t) : p−dimenzijski stupcani vektor pobude sustava s komponentama

ui , u ∈ ℜp te u : ℜ → ℜ

p

y(t) : q−dimenzijski stupcani vektor odziva sustava s komponentama

yi , y ∈ ℜq uz y : ℜ → ℜ

q


Sustavi

Model sustava po varijablama stanja za linearni vremenskinepromjenljivi (LTI) sustav

x(t) = Ax(t) + Bu(t) (3-5)

y(t) = Cx(t) + Du(t) (3-6)• gdje je:

x(t) = [x1 x2 ... xn]T − (n × 1) vektor varijabli stanja sustava

u(t) = [u1 u2 ... up]T − (p × 1) vektor pobudnih signala sustava

y(t) = [y1 y2 ... yq]T − (q × 1) vektor izlaznih signala sustava

A − (n × n) matrica dinamike sustava (sustavska matrica)B − (n × p) matrica (raspodjele) upravljanja (ulazna matrica)C − (q × n) matrica (raspodjele) mjerenja stanja na izlazu (izlaznamatrica)D − (q × p) matrica neposredne raspodjele ulaznih signala na izlazsustava


Podjela sustava

Vremenski nepromjenljivi i vremenski promjenljivi sustavi

• Vremenski nepromjenljivi (invarijantni) sustav – sustav kod kojegaparametri koji karakteriziraju sustav ostaju konstantnim tijekomvremena

• To su sustavi koji ne mijenjaju svoja svojstva s vremenom• Kod ovih sustava operator T se ne mijenja s vremenom ⇒ T 6= f (t)

• Vremenski promjenljivi (varijantni) sustav – sustav kod kojega separametri koji karakteriziraju sustav mijenjaju s vremenom

• Kod ovih sustava operator T mijenja se s vremenom ⇒ T = f (t)


Podjela sustava

Primjer 3.12: Vremenski promjenljivi i vremenskinepromjenljivi sustav - Oscilatorni slogovi

Opruga

(c)

Prigušenje

(d)

Masa

(m)

m(t) = konst.m(t) = konst.

x

Pobudna sila

F(t)

Pobudna sila

F(t)

Slika 3.5 : Vremenski promjenljivi ivremenski nepromjenljivi oscilatorni slog

• Dinamicko vladanje sustava saSlike 3.5 opisano jediferencijalnom jednadžbom:

m(t)x(t)+dx(t)+cx(t) = F(t) (3-7)

gdje je:

x(t) - pomak (skracenje)oprugeF(t) - vanjska djelujuca sila


Podjela sustava

Deterministicki i nedeterministicki sustavi

• Deterministicki sustav – dinamicki sustav kod kojega nemaneizvjesnosti u varijablama sustava ili svojstvima i koji se možeanaliticki opisati

• To su sustavi koji se u jednakim uvjetima uvijek jednako vladaju• Pri jednoj te istoj pobudi odziv sustava je uvijek jednak i potpuno

odred_en

• Nedeterministicki sustav – dinamicki sustav koji se u jednakimuvjetima u raznim slucajevima razlicito vlada

• Stohasticki sustav – dinamicki sustav kod kojega treba pojedinimvarijablama sustava ili svojstvima sustava pridružiti odred

_enu mjeru

vjerojatnosti kako bi se odredilo njegovo vladanje• Opisuju se pomocu statistickih zakonitosti


Podjela sustava

Kontinuirani i diskretni sustavi

• Kontinuirani sustav – sustav cije se varijable mijenjaju kontinuiranopo vremenu unutar odred

_enih granica

• Uobicajeni matematicki opis ovih sustava je pomocu diferencijalnihjednadžbi

• Diskretni sustav – sustav cije se varijable mijenjaju, ili se prate, samou diskretnim vremenskim trenutcima

• Diskretni sustavi su sustavi s diskretiziranim signalima (diskretizacijasignala po: vremenu-vremenski diskretni signal, razini-kvantiziranisignal, ili nekoj drugoj karakteristici, npr. boji-diskretizacija po obilježju)

• Uobicajeni matematicki opis vremenski diskretnih sustava je pomocujednadžbi diferencija


Podjela sustava

Hibridni sustavi

• Hibridni sustav - sustav koji se prikazuje pomocu kontinuiranih idiskretnih varijabli

Dijagramprijelaza stanja:

��

�

�

�

�

�

�

��

�

�

�

�

�

�

Diskretna stanja:X = {1, 2, 3, 4, 5}Prijelazi iz stanja ustanje:U = {A,B,C}

Računalnaznanost

Konačni automati(engl. Finite

State Machines -FSM

Teorijaupravljanja

Kontinuiranidinamički sustavi

Hibridnisustavi

sustavu(t) y(t)

{ dx(t)dt

= f (x(t),u(t))y(t) = g(x(t),u(t))


Podjela sustava

Primjer 3.13: Hibridni sustav

Turbina

Pregrada

Zaklopac

Senzor razineReferentnarazina vode

Kosapregrada

Slika 3.6 : Hidroelektrana

1 23

Q1Q2

V1V2

V13

h1hV h2

Q13V13 Q23V23

h3

Q13V1 Q23V2

V23

VL1 QL1

Crpka Crpka

Slika 3.7 : Sustav spremnika s ventilima

• (Ventili mogu biti kontinuiranoupravljani iliotvoreni/zatvoreni )


Podjela sustava

Sustavi s koncentriranim i raspodijeljenim parametrima

• Sustav s koncentriranim (usredotocenim) parametrima – zamišljenisustav sastavljen od konacno mnogo idealiziranih pojedinacnihelemenata (npr. omski otpori, kapaciteti, induktiviteti, prigušivaci,opruge, mase itd.)

• Ovi se sustavi opisuju pomocu obicnih diferencijalnih jednadžbi

• Sustav s raspodijeljenim parametrima – sustav koji posjedujebeskonacno mnogo beskonacno malih pojedinacnih elemenata

• Ovi se sustavi opisuju pomocu parcijalnih diferencijalnih jednadžbi• Ilustrativan primjer sustava s raspodijeljenim parametrima je elektricni

vod u elektroenergetskom sustavu• Napon na vodu je funkcija mjesta i vremena pa se stoga opisuje

pomocu parcijalnih diferencijalnih jednadžbi


Podjela sustava

Primjer 3.14: Sustavi s koncentriranim i raspodijeljenimparametrima - Oscilatorni slogovi

Opruga(s masom i unutarnjim

prigušenjem)

Opruga(masa zanemariva)

Prigušenje

Masa

Sustav s koncentriranimparametrima

Sustav s raspodijeljenimparametrima

Pobudnasila

Pobudnasila

Slika 3.8 : Sustavi s koncentriranim i raspodijeljenim parametrima


Podjela sustava

Skalarni i multivarijabilni sustavi

• Skalarni sustav – sustav koji ima samo jedan ulazni i samo jedanizlazni signal - SISO sustav (engl. Single Input Single Output)

• Multivarijabilni (višestruki) sustav – sustav koji ima više od jednogulaznog i izlaznog signala - MIMO sustav (engl. Multiple InputMultiple Output).

• Specijalni oblici MIMO sustava su SIMO (engl. Single Input MultipleOutput) i MISO (engl. Multiple Input Single Output) sustavi


Podjela sustava

Sustavi s memorijom i bez memorije

• Sustav bez "memorije" – sustav kojine posjeduje skladišta energije paje njegov odziv u svakomvremenskom trenutku t ovisansamo o pobudi u tom istomtrenutku

i(t)

strujni

izvorR

Slika 3.9 : Sustav bez memorije

• Sustav s "memorijom" – sustav kojiima barem jedno skladište energijepa njegov odziv u nekomvremenskom trenutku t ovisi i oiznosima pobude u prošlosti

i(t)

naponski

izvorC

R

Slika 3.10 : Sustav s memorijomAutomatsko upravljanje :: Predavanje 03 - Klasifikacija sustava i ilustrativni primjeri c© 2013 Peric,Vukic,Baotic,Vašak&Miškovic 36 / 64

Podjela sustava

Kauzalni ili nekauzalni sustavi

• Kauzalni sustav – sustav kodkojega postoji uzrocno posljedicnaveza (odziv je posljedica pobude,posljedica se ne može pojaviti prijeuzroka)

i(t)

naponski

izvorC

R

Slika 3.11 : Kauzalni sustav

• Nekauzalni sustav – sustav kodkojega je posljedica (odziv)moguca prije uzroka (pobude) kojiju generira (anticipirani tranzijent)

naponski

izvorC

idealni

kondenzator

Slika 3.12 : Nekauzalni sustav


Podjela sustava

Linearni i nelinearni sustavi

• Linearan sustav – sustav koji udovoljava svojstvima:• aditivnosti• homogenosti

• Za neku funkciju f(x) kažemo da je linearna ako posjeduje dvasvojstva:

1 aditivnost (superpozicija):

f (x1 + x2) = f (x1) + f (x2) za sve x1 i x2 u domeni funkcije f (x)

2 homogenost:

f (αx) = αf (x) za sve x u domeni funkcije f (x) i sve skalare α


Podjela sustava

Primjer 3.15: Linearni i nelinearni sustavi

• Linearan sustav:

d2y(t)

dt2+ 20

dy(t)

dt+ 5y(t) = 4

du(t)

dt+ 10u(t)

• Nelinearan sustav:

a2d2y(t)

dt2+ a1

[

dy(t)

dt

]2

+ a0y(t) = Kdu(t)

dt


Podjela sustava

Primjer 3.16: Linearni i nelinearni sustavi

• Sustav opisan s y(t) = u2(t) nije linearan jer nije zadovoljenosvojstvo:

• aditivnosti (superpozicije)

y(t) = [u1(t) + u2(t)]2 = u1

2(t) + 2u1(t)u2(t) + u22(t) 6= u1

2(t) + u22(t)

• homogenostiy(t) = [αu(t)]2 = α

2u2(t) 6= αu2(t)


Podjela sustava

Primjer 3.17: Aproksimacija nelinearnog sustava linearnimsustavom

• Sustav opisan s y(t) =mu(t)+b nije linearan jer nije zadovoljenosvojstvo homogenosti

y(t) = m[αu(t)] + b 6= α[mu(t) + b] = αy(t)

• Med_utim, ovaj je sustav moguce razmatrati kao linearni sustav oko

radne tocke (u0, y0) za male promjene varijabli ∆u i ∆y

• Tada je: u(t) = u0 +∆u(t), y(t) = y0 +∆y(t) iz cega slijedi:

y(t) + ∆y(t) = m[u0 +∆u(t)] + b = mu0 + m∆u(t) + b

• Oko radne tocke sustav se može razmatrati pomocu jednadžbe:

∆y(t) = m∆u(t)

a ona udovoljava svojstvima superpozicije i homogenosti

Više o linearizaciji nelinearnih sustava u narednim predavanjima


Podjela sustava

Podjela sustava po razlicitim kriterijima

SUSTAV

PONAŠANJEU VREMENU

BROJPOBUDA IODZIVA

PARAMETRI

SVOJSTVASIGNALA

SIGNAL UVREMENU

ZAKONITOSTVLADANJA

Koncentrirani Raspodijeljeni

MIMO(više ulaza iviše izlaza)

Nelinearni

Linearni

Vremenskipromjenljivi

Vremenskinepromjenljivi

Stohastički

Deterministički

Diskretni

Kontinuirani

SISO(jedan ulaz ijedan izlaz)


Sustavi automatskog upravljanja

Sustavi automatskog upravljanja - SAU

• Osnovna struktura SAU s povratnom vezom sadrži cetiri sastavnadijela (komponente):

• Proces (objekt upravljanja )• Mjerni clan (mjerni pretvornik)

• sastavni dio mjernog clana je senzor (osjetilo)• Regulator• Izvršni organ (aktuator)

RegulatorIzvršni član

(organ)

Vladanje sobzirom na

vodećuvrijednost

Mjerni član

Vladanje sobzirom na

smetnju

proces

ue

z

++

+

z'

r +

_

y(uR) (yS)

Slika 3.13 : Osnovna struktura SAU



Osnovni zadatci SAU

• Kompenzacija utjecaja smetnji z koje djeluju na proces• Pri tome regulirana velicina y treba ostati na vrijednosti odred

_enoj

namještenom vrijednošcu (željena, referentna vrijednost) regulatora(engl. setpoint)

• Ovdje se radi o cvrstoj regulaciji (stabilizaciji, regulaciji smetnje) (engl.

regulator problem)

• Osiguravanje da regulirana velicina y cim bolje slijedi vremenskipromjenljivu referentnu velicinu r (vodecu velicinu)

• Ovdje se radi o slijednoj regulaciji (engl. tracking control, servoproblem)

• U oba se slucaja mora trajno mjeriti regulirana velicina y iuspored

_ivati s referentnom velicinom r s ciljem da regulacijsko

odstupanje išcezne (e → 0)



Primjer 3.18: Servosustav za namatanje/odmatanjemesingane trake

Signal za rezač

Senzor

RegulatorMotor

Namatač



Primjer 3.19: Servosustav radnog stola alatnog stroja

Brzinskapovratna

veza��

Teret

Stol

Gibanje

IMC SClass

AC/DC

Servopojačalo

0 do ±10VDC

PozicijskapetljaBrzinska

petlja

Enkoder

Pužniprijenos

Reduktor

Napajanjemotora

Motor



Primjer 3.20: Multiplikacija momenta

Motor

Izlaznizupčanik

Ulaznizupčanik

• Motor je spojen na ulaz reduktora brzine

• Primjerice, izlazni zupcanik je dvostruko veci od ulaznog zupcanikate je izlazni moment udvostrucen, a izlazna brzina vrtnje dvostrukomanja (P = M · ω); 2:1 redukcija brzine vrtnje



Primjer 3.21: Valjak na klackalici (1)

• Stabilizacija nestabilnog procesa• Fizicki sustav: Valjak na klackalici• Fizikalni proces: Kotrljanje valjka po klackalici

• Cilj: Držati valjak u željenoj poziciji na klackalici!




• Ugradnja senzora

Kamera

Digitalnaslika

Izvršni član

Kotrljanje valjka po klackalici

Mjerni članovi




• Nacelo povratne veze

Kamera

Digitalnaslika

Izvršni članMjerni članovi

Regulatorpozicijevaljka-

Obrada slike

Mjerenikut

poluge

Upravljačkisignal

(napon motora)

-

Regulatorkuta

poluge

USB

UPRAVLJAČKO RAČUNALO

D\A

D\A

Mjerenapozicijavaljka

Željenapozicijavaljka

CILJ

• Kako je postignut cilj: NACELO POVRATNE VEZE



Primjer 3.22: Upravljanje vjetroagregatom

Servo motori zazakretanje lopatica

ω

Mt

Mg

ßmj

ωmj

av

vvmj

ref

Mgref

ßref

Generator

Frekvencijskipretvarac

Transformator

Distribucijska

mreža

LopaticaSustav upravljanja

Vje

tar

Vje

tar

av

vvmj

Sustav za mjerenje vjetrana gondoli

Vje

tar

iza

roto

ra

brzina vrtnje generatorabrzina vjetrasmjer vjetrakut zakreta lopaticepogonski moment turbineel. moment generatora

ωvv

av

ßMt

Mg

--

-

-

-

-

ω



Primjer 3.23: Upravljanje vjetroelektranom



Primjer 3.24: Upravljanje fotoelektricnim clankom

• Održavanje maksimuma snage (Maximum Power Point – MPP)

B o o s t



Primjer 3.25: Upravljanje lovcem mina

DGPS

GYRO

Prihvat iobrada

podataka

Prihvat iobrada

podataka

Planiranjetrajektorije,filtriranjepodataka

Planiranjetrajektorije,

filtriranjepodataka

vezaRegulator

Regulator

ANEMOMETAR (brzina i smjer vjetra)

Poprečnipropeler

Okretnipropeler

Poprečnipropeleri

Propeler



Kratki osvrt na elemente SAU – Procesi

• Fizikalna osnova procesa suštinski je povezana s problemomupravljanja

• Za razvoj i projektiranje potrebno je "poznavati fiziku" procesa kojimse upravlja

• To u pravilu podrazumijeva posjedovanje osnovnih znanja oupravljanom procesu iz ravnoteže energije (bilance energije),ravnoteže mase (bilance mase) i ravnoteže gibanja (bilancegibanja)



Kratki osvrt na elemente SAU – Senzori

• Senzori su "oci upravljanja" koji osiguravaju informacije o zbivanju uprocesu

• Senzori (mjerni clanovi) mjere fizikalnu velicinu

• Cesto se cuje izreka: Ako se nešto može izmjeriti, onda se timemože i upravljati

• Pretvaraju izmjerenu velicinu u prikladnu elektricnu velicinu kako biju regulator mogao prihvatiti (odatle i cesti naziv: mjernipretvornici, engl. transmitter)

• Vrsta i tip senzora ovise o procesu kojim se upravlja (dinamikasenzora i dinamika upravljanog procesa moraju biti usklad

_ene)



Primjer 3.26: Mjerenje protoka

• Mjerni princip zasnovan na Coriolisovu efektu (postoji i citav nizdrugih mjernih principa)

• Digitalna izvedba



Kratki osvrt na elemente SAU – Izvršni elementi (aktuatori)

• Senzori osiguravaju informacije o stvarnom stanju procesa, aaktuatori djeluju na proces na nacin da prevedu sustav iz stvarnogstanja u željeno stanje

• Tipicni predstavnik aktuatora je ventil

Primjer 3.27: Ventil

kontinuirano upravljivi ventil

on-off ventil



Kratki osvrt na elemente SAU – Regulatori (algoritmi)

• Algoritam je "mozak"sustava upravljanja kojipovezuje senzor i aktuator

• Regulatori vode proces uskladu sa zadanimzahtjevima, a na temeljurelevantnih informacija oprocesu i njegovomokruženju

• Jedna analogija: vrhunskitenisac mora imati dobreoci (senzore), jake mišice(aktuatore) i dobrukoordinaciju ociju-ruku(upravljanje)

Primjer 3.28: Regulator

RegulatorSklop za povezivanjeregulatora i aktuatora

Aktuator

Mjernipretvornik



SAU i komunikacije

• Za povezivanje senzora i aktuatora u složenim sustavimaupravljanja koriste se komunikacijski sustavi

• Složena postrojenja mogu imati i po nekoliko tisuca signala koje jepotrebno slati na vece udaljenosti

• Komunikacijski sustavi i protokoli postaju vrlo važnim u suvremenimrješenjima automatizacije postrojenja i procesa

Komunikacijski kanali u tehnickim sustavima odgovaraju živcima ubiološkim sustavima



Primjer 3.29: RoboLab – robotizirani plovni laboratorij (1)

• Buduci laboratorij namoru:

• Ad hoc proširivamreža AUV(AutonomousUnderwater Vehicle) iSUV (SubmergedUnderwater Vehicle)

• Autonomne flotekooperirajucihAUV-ova

• Konfiguracije:• Samostalne• Integrirane



Primjer 3.29: RoboLab – robotizirani plovni laboratorij (2)

• Konfiguracija 1• Cvorovi komuniciraju preko

centralne stanice• Kanali se dijele med

_u

cvorovima• Može postojati više od jedne

centralne stanice

• Konfiguracija 2• Cvorovi komuniciraju sa

susjedima• Poruke se prenose od cvora

do cvora kako bi došle docilja

• Može postojati krajnji cvor(gateway).

Čvor

Centralna stanica

Slika 3.14 : Konfiguracija 1

Čvor

Slika 3.15 : Konfiguracija 2


Zakljucak

Zakljucak (1)

Bolji senzori Bolji aktuatori Bolje upravljanje⇓ ⇓ ⇓

bolji vid jaci mišici bolji športski rezultati(inteligentna i ucinkovita

rješenja)


Zakljucak

Zakljucak (2)

• U sustavima automatskog upravljanja• Senzori predstavljaju "oci"• Aktuatori su "mišici"• Komunikacijski kanali su "živci"• Regulatori su "mozak"

Teorija automatskog upravljanja osnova je za kvalitetan rad tehnickihsustava!

• Športaš dobroga vida i snažnih mišica postaje vrhunski športaš akoposjeduje izvrsnu koordinaciju ociju i ekstremiteta. Ovukoordinaciju obavlja mozak naucen stalnom vježbom

• U tehnickom sustavu koordinaciju senzora i aktuatora obavljaalgoritam upravljanja (regulator). On predstavlja izraz znanjaautomaticara o teoriji upravljanja

U algoritmu upravljanja je stoga srž automatike!


Documents

AU Predavanje03 Bez Animacija (1)