1

POMIARY, POMIARY, STEROWANIE STEROWANIE

I I AUTOMATYKAAUTOMATYKA

2

DZIAŁY PROGRAMOWE

1. Podstawowe wiadomości o automatyzacji

2. Elementy nastawcze

3. Elementy wykonawcze

4. Układy pneumatyczne

5. Układy hydrauliczne

6. Układy elektryczne

7. Przyrządy pomiarowe i przetworniki

8. Rejestratory

9. Blokady, zabezpieczenia i sygnalizacja

10. Maszyny matematyczne

3

CEL STOSOWANIA AUTOMATYCZNEJ REGULACJI

1. Mechanizacja

polega na stosowaniu maszyn do pracy, której część nie mogłaby być

wykonana przez człowieka ze względu na wymaganą siłę i szybkość.

Zadaniem człowieka jest kierowanie pracą maszyn.

2. Automatyzacja

jej zadaniem jest wyeliminowanie pracy umysłowej polegającej na kontroli i

sterowaniu procesem produkcyjnym i zastąpieniu maszynami działającymi

samoczynnie – automatami.

3. Wprowadzenie automatyzacji jest możliwe tylko tam gdzie szeroko

rozwinięta jest mechanizacja.

4. Efekty ekonomiczne automatyzacji:

- wzrost wydajności,

- obniżenie kosztów produkcji,

- lepsza jakość produkcji uzyskana dzięki zmniejszeniu strat i

przestojów,

- zmniejszenie odpadów produkcyjnych i braków,

- większa moc przerobowa dająca możliwość zmniejszenia ilości

przechowywanych surowców,

5. Efekty pozaekonomiczne:

- wyeliminowanie ciężkich, męczących i monotonnych prac,

- podnoszenie BHP,

- systematyczne podnoszenie kwalifikacji załogi.

6. Podstawową wadą automatyzacji jest wysoki koszt jej wprowadzenia.

4

AUTOMATYZACJA

Automatyzacja, zjawisko wprowadzania do produkcji przemysłowej,

komunikacji, transportu oraz życia codziennego środków technicznych

i urządzeń automatycznych (automat) działających na zasadzie samoregulacji

i pracujących bez udziału człowieka lub przy jego ograniczonym udziale.

Automatyzacja ma na celu całkowite wyeliminowanie bezpośredniego udziału

człowieka w pracy zarówno fizycznej, jak i umysłowej, przy pozostawieniu mu

czynności nadzorczo-kontrolnych. Można podzielić ją na kompleksową

i częściową. Automatyzacja kompleksowa polega na przekazaniu całości

funkcji kierowania procesem specjalistycznym urządzeniom, najczęściej

komputerom, częściowa natomiast pozostawia pewien zakres tych funkcji

ludziom. Stopień przejścia automatyzacji częściowej w kompleksową można

zmierzyć stosunkiem zautomatyzowanych operacji do ogólnej liczby operacji

w danym procesie.

Automatyzacja występuje obecnie we wszystkich niemal gałęziach przemysłu na całym świecie. Podstawowe korzyści z niej wynikające to obniżenie kosztów produkcji i polepszenie jakości produktów. Podstawę teoretyczną i techniczną automatyzacji stanowi automatyka.

5

AUTOMAT

Automat, urządzenie wykonujące samodzielnie zaprogramowane wcześniej

czynności bez pomocy człowieka. W szerszym znaczeniu - urządzenie, które

charakteryzuje samoczynne lub półsamoczynne działanie (np. automat

telefoniczny, pistolet automatyczny). Może mieć cykl pracy stały lub

programowany.

Pierwsze automaty budowano już w starożytności (Heron z Aleksandrii, który

skonstruował m.in. maszynę do czerpania wody, turbinę parową (tzw. Herona

banię) oraz maszynę miotającą pociski.). W czasach średniowiecza i renesansu

popularne były androidy naśladujące ruchy i czynności człowieka. Od czasu

rewolucji przemysłowej, tj. 2. poł. XVIII w., postęp w tworzeniu automatów

wiąże się z rozwojem przemysłu. Obecnie, wraz z powszechną automatyzacją,

coraz częściej zupełnie zastępują ludzi w poszczególnych fazach procesu

produkcji, zwł. na stanowiskach charakteryzujących się uciążliwymi

warunkami pracy (automaty tokarskie, zgrzewalnicze, przędzalnicze,

lakiernicze, montujące, spawalnicze stałe i samojezdne itp.). Projektowaniem i

budową automatów zajmuje się automatyka.

6

Herona bania, aeolipila - podgrzewany kulisty kocioł z wodą, zamontowany

w sposób umożliwiający swobodny obrót, zaopatrzony w naprzeciwległe

zakrzywione króćce wyprowadzające parę wodną. Odrzut pary wodnej

wydostającej się z bani wytwarza siłę ciągu i nadaje jej ruch obrotowy.

7

AUTOMATYKA

Automatyka, dyscyplina z pogranicza nauki i techniki, zajmująca się teorią

i praktycznym zastosowaniem urządzeń sterujących różnymi procesami bez

udziału człowieka względnie przy jego ograniczonym udziale. Powstała

w następstwie dążenia do zwiększenia wydajności procesów technologicznych,

poprawienia ich sprawności i niezawodności, a także w wyniku potrzeb

produkcyjnych, stanowiących skutek wprowadzania nowych, wysoce

zaawansowanych technologii. Tworzy teoretyczną podstawę automatyzacji

i konstruowania automatów.

Pierwszymi urządzeniami automatycznymi w sensie współczesnym były

regulatory poziomu wody w kotle parowym (I.I. Połzunow, 1765) oraz

prędkości obrotowej maszyny parowej (J. Watt, 1784). Samodzielną dyscypliną

automatyka zaczęła stawać się w latach 20. XX w. Najstarszymi jej działami są:

automatyczna regulacja, systemy automatyzacji kompleksowej, automatyczne

pomiary, przetwarzanie i utrwalanie danych oraz telemechanika. Pierwszy

z wymienionych to również dział najczęściej stosowany: na podstawie pomiaru

lub obserwacji regulowanego procesu określa się odchylenie jego przebiegu od

zadanego i na tej podstawie dokonuje takich zmian parametrów mających

wpływ na przebieg procesu, aby maksymalnie zmniejszyć owe odchylenia.

Obecnie automatyka jest dyscypliną rozwijającą się bardzo dynamicznie, co

wiąże się z tym, iż coraz częściej - głównie ze względu na swą opłacalność

i niezawodność - praca wykonywana przez automaty i roboty wypiera pracę

wykonywaną przez ludzi. We współczesnej automatyce wykorzystuje się

powszechnie najnowsze osiągnięcia elektroniki i techniki komputerowej, co

pozwala nie tylko sterować procesem produkcji, ale również oceniać go od

strony technologicznej i ekonomicznej oraz planować jego optymalizację.

8

ELEMENTY AUTOMATYKI

Koncern Bürkert (http://www.buerkert.pl) od ponad 50 lat konstruuje i

produkuje elementy do automatyzacji, kontroli i regulacji procesów

przemysłowych i laboratoryjnych.

Produkty Bürkert`a znajdują zastosowanie w prawie każdej dziedzinie

przemysłu, począwszy od aplikacji prostych, a skończywszy na zastosowaniach

tak skomplikowanych jak reaktory atomowe, satelity, laboratoria kosmiczne,

urządzenia do badania głębin morskich.

Przykłady elementów automatyki:

- zawory elektromagnetyczne odcinające

- zawory elektromagnetyczne regulujące

- zawory odcinające różnych typów z napędami elektrycznymi

i pneumatycznymi

- zawory z tworzyw sztucznych dla mediów agresywnych i bardzo

czystych

- zawory dla pneumatyki, wyspy zaworowe

- zawory sterowane pneumatycznie

- zawory proporcjonalne i regulacyjne

- zawory w wykonaniu przeciwwybuchowym Ex

- najnowsze systemy "wysp zaworowych"

- przetworniki i sensory wielkości fizykochemicznych

- sterowniki, regulatory, ekrany dotykowe,

- elementy klasycznej pneumatyki

- napędy elektryczne

9

PODZIAŁ UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ

REGULACJI (UAR)

UAR dzielimy na trzy podstawowe grupy:

- hydrauliczne – sygnały przenoszenie są za pośrednictwem cieczy

roboczej odpowiednimi przewodami ciśnieniowymi. Źródłem zasilania

całego układu jest odpowiednio wydajna pompa. Charakteryzują się one

znacznymi osiągalnymi siłami oraz małą szybkością. Instalacje są

kłopotliwe w montażu, a przewody wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne.

- pneumatyczne – sygnały przenoszone są za pośrednictwem sprężonego

powietrza. Właściwości eksploatacyjne są podobne jak w przypadku

układów hydraulicznych. Układy wykonawcze mają mniejsze osiągalne

moce, ale są znacznie szybsze. Dużą zaletą jest możliwość zasilania wielu

urządzeń z jednej wysoko-sprawnej sprężarki. W praktyce mają one bardzo

rozbudowane układy sterowania.

- elektryczne – sygnał przenoszony jest w postaci impulsów prądowych.

Bardzo duża możliwość budowania bogatego sterowania łącznie ze

wspomaganiem komputerowym. Mają stosunkowo niewielkie moce.

Instalacje są bardzo odporne mechanicznie, łatwe w montażu i

eksploatacji. Wykazują dużą sprawność energetyczną.

Ze względu na brak optymalnego układu nowoczesne urządzenia mają

konstrukcję opartą o dwa rozwiązania np. pneumatyczno – elektryczne.

Zazwyczaj układy (elektryczne) logiczne i sterowania oparte są o układy

elektryczne i elektroniczne, natomiast układy wykonawcze są typu

hydraulicznego.

10

PODSTAWOWE ELEMENTY I WIELKOŚCI

W UKŁADACH AUTOMATYCZNEJ REGULACJI

Pomimo dużej różnorodności UAR ze względu na ich różnorodność

działania (zasadę działania) daje się wprowadzić do ich opisu pewien

uogólniony model matematyczny.

1. Węzeł zaczepowy – miejsce układu, do którego dochodzi sygnał x i z

którego różnymi drogami możemy sygnał x odbierać do dalszej obróbki.

x x

x

2. Węzeł sumujący (sumator) – miejsce układu, w którym następuje

sumowanie kilku sygnałów. Sygnał sumy wychodzi z węzła

sumującego jedną drogą. Symbol ⊕ oznacza, że sumowanie należy

rozumieć w ogólnym sensie jako wynik współdziałania sygnałów

wejściowych x1 i x2.

x x

x

3

2

1 x

x3=x1⊕x2

11

1. Obiekt regulacji – zamknięty układ procesu produkcyjnego, w którym

można wyróżnić sygnały wejściowe sterujące obiektem, sygnały

zakłócające przebieg procesu oraz sygnały wejściowe odpowiedzialne

za prawidłowy przebieg procesu.

z

yxOBIEKT REGULACJI

2. Regulator – urządzenie wytwarzające na podstawie sygnału

wejściowego oraz zadanych wartości sygnał błędu, który ma utrzymać

na odpowiednim poziomie sygnały wyjściowe.

yxREGULATOR

3. Wartość zadana – wielkość sygnałów wyjściowych jakie powinny

występować na wyjściu obiektu regulacji, aby proces produkcyjny

przebiegał prawidłowo.

y0

y

y

yxOBIEKT REGULACJI

EREGULATOR x

12

PODSTAWOWE STRUKTURY

UKŁADÓW STEROWANIA

W przypadku kiedy chcemy oddziaływać na jeden, nieskomplikowany

proces wtedy wykorzystuje się dwie proste struktury układów sterowania:

- układ otwarty,

- układ zamknięty zwany także układem regulacji,

yxOBIEKT REGULACJI

OTWARTY UKŁAD STEROWANIA

Układ sterowania otwartego charakteryzuje się jednokierunkowym

oddziaływaniem sygnału sterującego poprzez element sterujący na obiekt

sterowania, bez możliwości kontroli prawidłowej realizacji sterowania.

Przykładem jest tutaj zdalne załączanie silników, oświetlenia itp. bez

sprawdzania przez załączającego czy jego decyzja rzeczywiście została

wykonana, mogły przecież wystąpić zakłócenia w postaci przepalenia się

bezpiecznika, uzwojenia silnika żarówki lub linii energetycznej.

Przy sterowaniu otwartym nie ma możliwości kompensacji wpływu

niepożądanych zakłóceń zewnętrznych na wielkość sterowania.

Wady tej nie posiadają układy sterowania zamkniętego, zwane często układami

regulacji automatycznej.

13

PODSTAWOWE STRUKTURY UKŁADÓW REGULACJI

y

y

yx OBIEKT REGULACJI

REGULATOR

x

REGULATOR (KOMPENSATOR) W TORZE SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

yyOBIEKT REGULACJI

yREGULATORx x

REGULATOR W TORZE GŁÓWNYM

Zamknięte układy sterowania zwane są układami regulacji i wyróżnia się dwie

podstawowe struktury, obie przedstawione na powyższym rysunku.

Regulacja automatyczna polega na samoczynnym utrzymywaniu wartości

wielkości sterowanej zgodnie z jej /stałą lub zmienną/ wartością zadaną.

W zamkniętym układzie regulacji do określenia sposobu oddziaływania na

układ wykorzystywany jest stan wyjścia układu.

Jest to możliwe ponieważ regulator tak formuje sygnał nastawczy aby różnica

miedzy wartością wielkości regulowanej a wartością zadaną (zwaną sygnałem

błędu) osiągnęła minimum.

14

AUTOMATYCZNA REGULACJA TEMPERATURY WODY

NA WYLOCIE I CIŚNIENIA WODY OBIEGOWEJ

Sterownik PLC 2500

Falownik 584SV

Regulator Eurotherm 905D

Regulator Eurotherm 2408i

15

WŁAŚCIWOŚCI CZASOWE ELEMENTÓW

AUTOMATYCZNEJ REGULACJI

Przyglądając się bliżej układom automatyki otwartym i zamkniętym można

wyróżnić pewne elementy składowe realizujące określone operacje

matematyczne na sygnałach, które noszą nazwę elementów (układów;

członów) automatyki.

Każdy z elementów składowych stosowanych w układach automatyki daje

się symbolicznie przedstawić w postaci bloku z wyróżnionymi wejściami i

wyjściami. Wejściem. nazywa się drogę którą otoczenie oddziałuje na element

lub obiekt (wejść może być wiele). Wyjście jest drogą którą element oddziałuje

na otoczenie.

wymuszenie odpowiedź

x=f(t) y=f(t)

UMOWNE OZNACZENIE ELEMENTU AUTOMATYKI

Sygnał oddziałujący na wejście nazywa się wymuszeniem, a sygnał

wyjściowy odpowiedzią elementu.

Sygnał – przebieg wartości wielkości fizycznej w czasie np. przebieg

ciśnienia, temperatury objętości, napięcia, pH, w czasie.

x=f(t)

t

x

x

2

1

x2 x 1x=∆ - =1

WYMUSZENIE ELEMENTU TUTAJ SKOK JEDNOSTKOWY

y=f(t)

t

ODPOWIEDŹ ELEMENTU TUTAJ ODPOWIEDŹ SKOKOWA

16

O właściwościach elementu automatyki można powiedzieć na podstawie

jego charakterystyki dynamicznej, która wiąże zmiany wartości wielkości

wejściowej x i wyjściowej y z czasem.

Najczęściej stosowaną charakterystyką dynamiczną w automatyce jest

odpowiedź na skok jednostkowy. Wymuszenie skokowe polega na tym, że w

chwili (przyjętej za początkową) t=0 wielkość x zmienia się nagle o wartość ∆x

przyjętą za jednostkę.

Podstawowe elementy automatyki

Ze względu na charakter reakcji na sygnał wejściowy elementy stosowane

w automatyce dzielimy na:

1. Proporcjonalne (P)

Funkcja przetwarzania elementu proporcjonalnego dana jest zależnością:

y(t) = K.x(t)

gdzie K nazywa się współczynnikiem wzmocnienia i może mieć wartości

zarówno dodatnie jak i ujemne.

y=f(t)

t

ODPOWIEDŹ SKOKOWA

∆y(t) = K. ∆x(t)

Przykłady: dźwignia mechaniczna, przekładnia zębata, prasa hydrauliczna,

wzmacniacz elektroniczny.

17

Poniższy rysunek przedstawia przykład regulatora proporcjonalnego

wykorzystywanego do utrzymywania stałej wartości poziomu cieczy w

zbiorniku.

Woda do zbiornika doprowadzona jest przez zawór dwugniazdowy

sterowany przy pomocy pływaka. Wzmocnienie tego regulatora uzależnione

jest od wymiarów a i b belki oraz charakterystyki zaworu.

Działanie proporcjonalne regulatora polega na unoszeniu grzybka zaworu

proporcjonalnie do uchybu poziomu cieczy. Np. jeżeli poziom spada o 5 cm

grzybek unosi się o 2 mm, jeżeli spada o 10 cm - 4 mm.

18

2. Różniczkujące (D)

W układzie tym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do szybkości zmian

sygnału wejściowego (gdy x = const to y = 0). Idealny element różniczkujący

jest opisany równaniem:

txK)t(y d ∆

∆⋅=∆

gdzie Kd jest wzmocnieniem członu różniczkującego

Odpowiedź skokową rzeczywistego elementu różniczkującego przedstawiono

poniżej.

y=f(t)

t

Kd

Działanie regulatora różniczkującego najłatwiej będzie wyjaśnić w oparciu

o przykład. Na poniższym rysunku przedstawiono działanie członu

różniczkującego regulatora pneumatycznego.

19

Zasadniczymi elementami tego regulatora są mieszki sprężyste umieszczone

współśrodkowo - mieszek 3 znajduje się wewnątrz większego mieszka 2. Przy

wzroście sygnału uchybu - ciśnienia pwe - kurczą się oba mieszki, przysłona

zbliża się do dyszy. Hamuje to wypływ gazu do atmosfery - ciśnienie

wyjściowe regulatora pwy gwałtownie wzrasta (max do ciśnienia zasilania pz).

Gaz z wyjścia regulatora przedostaje się teraz przez dyszę regulowaną 5 i

komorę 4 do dużego mieszka 2. Ze względu na jego większą powierzchnię

powoduje jego rozprężanie, co z kolei zwiększa odległość przesłony od dyszy -

więcej powietrza wypływa do atmosfery - ciśnienie na wyjściu samoczynnie

spada.

Czas reakcji regulatora zależy od przekroju dyszy regulowanej 5 i pojemności komory 4. Im większa komora i mniejszy przekrój dyszy, tym wolniej przepływa gaz do mieszka 2 - ciśnienie na wyjściu maleje wolniej.

20

3. Całkujące (I)

W układzie tym sygnał wyjściowy y zależny jest zarówno od sygnału

wejściowego jak i czasu działania sygnału wejściowego x.

y=f(t)

tα

tg =Kα I

∆y=KI

.x∆t

Sposób działania regulatora przedstawiony zostanie na przykładzie układu

do utrzymywania stałego poziomu cieczy w zbiorniku, podobnie jak w

regulatorze proporcjonalnym.

Zawór w tym regulatorze sterowany jest przy pomocy siłownika

hydraulicznego, zapewniającego charakterystykę całkującą regulatora.

Różnica w funkcjonowaniu regulatora proporcjonalnego i całkującego polega na

różnym przemieszczaniu grzybka zaworu. W regulatorze całkującym nawet niewielki

uchyb regulacji powoduje stały przepływ oleju do siłownika co po dostatecznie długim

czasie istnienia uchybu może spowodować całkowite otwarcie zaworu.

21

POJĘCIE OBIEKTU REGULACJI

1. Obiekt regulacji – urządzenie lub zespół urządzeń, które mogą być

zautomatyzowane.

2. W obiektach regulacji zachodzą procesy polegające na przetwarzaniu

półfabrykatów lub surowców na produkty bardziej użyteczne.

3. Rozróżnia się procesy przemysłowe:

- przetwórcze – polegają na zmianie składu chemicznego,

- obróbcze – polegają na zmianie kształtu.

4. Wszystkie obiekty regulacji ze względu na liczbę parametrów fizycznych

podlegających regulacji dzielimy na:

- jednoparametrowe – np. żelazko, piec elektryczny prądnica,

silnik.

yx PRĄDNICAprędkość

obrotowa

napięcie

- wieloparametrowe – z kilkoma wielkościami regulowanymi, np.

pralka obrabiarki, kocioł parowy, turbiny, wielki piec.

TOKARKA

xprędkość

obrotowa

ydetal

wytoczony

xposuw

noża

xrodzaj

noża

x

1

2

3

4

22

INERCJA OBIEKTÓW REGULACJI

Zdecydowana większość spotykanych w praktyce obiektów regulacji

charakteryzuje się pewną wspólną cechą zwaną inercją.

Inercja jest pojęciem określającym bezwładność obiektu fizycznego, czyli

przechodzenie z jednego stanu do drugiego nie następuje natychmiast lecz jest

procesem rozciągniętym w czasie. Posługując się pojęciami teorii regulacji

można też powiedzieć, że sygnał wyjściowy y zmienia się z pewnym

opóźnieniem w stosunku do zmian sygnału wejściowego x. Na ogół sygnał

wyjściowy y przez pewien okres czasu po zmianie sygnału wejściowego x nie

zmienia się wcale, a następnie narasta z określoną szybkością do stanu

ustalonego.

Przykładem takiego zachowania jest obiekt regulacji w postaci

elektrycznego pieca grzewczego lub przenośnik taśmowy.

yx PIECnapięcie temperatura

pomieszczenia

Szybkość wzrostu temperatury w pomieszczeniu określa wiele

parametrów, które składają się na stopień inercji. W pewnym momencie

temperatura przestaje wzrastać i mówimy, że układ osiągnął stan ustalony.

Podobnie obiekt reaguje w przypadku odłączenia zasilania.

23

CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE I DYNAMICZNE

OBIEKTÓW REGULACJI

1. Charakterystyka statyczna obiektu regulacji jest to zależność wielkości

wyjściowej y od wielkości wejściowej x dla stanów ustalonych.

2. Wyznaczanie charakterystyki statycznej – podaje się na wejście kilka

stałych wartości sygnału wejściowego x i czeka się tak długo, aż nastąpi stan

ustalony obiektu.

y

x

y=f(x)

αx

y y=f(x)

OBIEKT LINIOWY

∆x = x2 – x1 ∆y = y2 – y1

OBIEKT NIELINIOWY ∆y = K . ∆x

K - wzmocnienie

Rzeczywiste układy automatycznej regulacji najczęściej są nieliniowe.

3. Charakterystyki dynamiczne obiektu regulacji jest to graficzne lub

analityczne wyrażenie zależności zmiany wielkości wyjściowej y w funkcji

czasu po wywołaniu w obiekcie zakłócenia. Określają one zachowanie się

obiektu w stanach nie ustalonych tzn. po wystąpieniu nastawionego lub

zakłócającego oddziaływania lecz przed osiągnięciem przez obiekt ponownie

stanu równowagi.

24

ELEMENTY NASTAWCZE (ZAWORY)

I

WYKONAWCZE (SIŁOWNIKI)

25

KLASYFIKACJA ZAWORÓW

Zawory – organy nastawcze służące do zmiany natężenia przepływu

odpowiedniego czynnika np. wody, pary, powietrza. W zależności od położenia

elementu ruchomego zmienia się przekrój, przez który przepływa strumień

sterowanego czynnika, co powoduje większe lub mniejsze dławienie przepływu.

Rodzaje organów nastawczych:

- zawór – stosowany do sterowania natężenia przepływu cieczy, par

i gazów,

- zasuwa – stosowana do sterowania natężenia przepływu cieczy

zawierających ciała stałe,

- przepustnica – stosowana przy małych ciśnieniach,

- zamykadła – do paliw stałych w postaci ziarnistej,

- elementy elektryczne – potencjometr, transformator.

Podstawowe konstrukcje zaworów:

- jednogniazdowy,

- kątowy,

- trójdrożny.

26

Podstawowe rodzaje grzybków w zaworach:

- kulowy

- stożkowy

- iglicowy

Budowa zaworów na przykładzie zaworu kulowego

1. Uchwyt 2. Pierścień dystansowy 3. Kołek 4. Wrzeciono 5. Kula 6. Uszczelnienie 7. Pierścień oporowy 8. Sprężyny 9. Korpus 10. Pierścień uszczelniający 11. O-ring 12. Krążek uszczelniający 13. Tulejka 14. Nakrętka kołpakowa

27

OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW

PNEUMATYCZNYCH

1. Czynnikiem roboczym w pneumatycznych układach automatycznej

regulacji jest powietrze, które nie powinno zawierać: wilgoci,

oleju, cząstek ciał stałych, cieczy korozyjnych.

2. Sieć sprężonego powietrza.

1

2 3

4

5

67

89 WODA

POWIETRZE ATMOSFERYCZNE

POWIETRZE DO UŻYTKU OGÓLNEGO

POWIETRZE DO UAR

1. Filtr wlotowy 2. Silnik elektryczny 3. Sprężarka 4. Zbiornik 5. Reduktor ciśnienia 6. Chłodnica 7. Odoliwiacz 8. Odwadniacz 9. Reduktor ciśnienia

3. Pneumatyczne elementy wykonawcze – siłowniki pneumatyczne

– sygnałem wejściowym jest ciśnienie sprężonego powietrza, a

sygnałem wyjściowym ruch elementu wykonawczego (tłok, wirnik,

trzpień). Do zalet można zaliczyć prostą budowę, dużą

niezawodność oraz bezpieczeństwo w użytkowaniu.

28

Podział siłowników ze względu na

zasadę działania:

- przeponowe (membranowe),

- tłokowe.

Schematy połączeń siłowników pneumatycznych membranowych z

zaworami:

CIŚNIENIE ZAMYKA CIŚNIENIE OTWIERA CIŚNIENIE STERUJĄCE

CIŚNIENIE STERUJĄCE

29

ELEMENTY HYDRAULICZNE I ICH ZASILANIE

1. Czynnikiem roboczym w hydraulicznych układach automatycznej

regulacji jest ciecz, głównie w postaci oleju mineralnego.

2. Ze względu na skład chemiczny ciecze możemy podzielić na:

- ciecze na bazie wodnej (mieszaniny i emulsje),

- ciecze organiczne i pół-organiczne (mineralne, roślinne, i

syntetyczne),

- ciekłe metale.

3. Charakterystyka cieczy roboczej:

- mały ciężar właściwy,

- odporność na zmianę temperatury (wysoka temperatura zapłonu i

niska krzepnięcia),

- stałe i dobre własności smarowne oraz jednorodność struktury,

- małe skłonności do tworzenia piany oraz wchłaniania płynów i

gazów,

- odpowiednie własności magnetyczne i elektryczne,

- nie powinna zawierać ciał stałych,

- mała lepkość (małe straty przy przepływie).

4. Przykłady cieczy stosowanych w hydraulicznych UAR:

- olej wrzecionowy (Tzapłonu=130oC; Tkrzepnięcia=5oC),

- olej wazelinowy (Tzapłonu=120oC; Tkrzepnięcia=-60oC),

- olej silnikowy (Tzapłonu=200oC; Tkrzepnięcia=-90oC),

- olej do sprężarek chłodniczych (Tzapłonu=155oC; Tkrzepnięcia=-50oC),

- olej izolacyjny (Tzapłonu=140oC; Tkrzepnięcia=-45oC).

30

1. Elementy stacji olejowych:

- pompa olejowa (najczęściej zębata),

- zbiornik chłodzący,

- filtry,

- zawory

2. Siłowniki hydrauliczne – służą do zamiany ciśnienia cieczy roboczej na

odpowiednio dużą siłę mechaniczną lub moment obrotowy. Siłowniki

możemy podzielić na:

- jednostronnego działania,

- dwustronnego działania,

- korbowe.

31

Parametry siłowników hydraulicznych:

- nominalne (znamionowe) ciśnienie zasilania,

- średnica cylindra,

- skok tłoka dla siłowników liniowych oraz kąt obrotu dla

siłowników korbowych,

- czas całkowitego przesuwu tłoka,

Zazwyczaj siły na tłoku dochodzą do 10 kN, a prędkość przesuwu tłoka

0,01 - 0,1 m/s.

32

ELEMENTY STEROWNICZE UKŁADÓW

HYDRAULICZNYCH

Do sterownia strumieniem cieczy stosuje się wzmacniacze – rozdzielacze,

które dzielimy na:

- wzmacniacze z rurką strumieniową,

Pz

P1 P2

1

2

34 5

6 7

8

S

PRZESUNIĘCIE Z CZUJNIKA

1 Rurka strumieniowa

2 Dysza

3 Płytka prostopadła

4,5 Dyfuzory

6 Tłok siłownika

7 Siłownik

8 Sprężyna

- wzmacniacze suwakowe,

1

23

Pz

P1 P2

4 5

S

S1

2

1 Przewód odpływowy

2 Tłoczki

3 Suwak

4 Tłok siłownika

5 Siłownik

- wzmacniacze typu „dysza – przesłona”.

33

OGÓLNE WŁASNOŚĆI ELEMENTÓW ELEKTRYCZNYCH

Zalety:

- możliwość przesyłania sygnałów na duże odległości,

- duża niezawodność,

- zdalne sterowanie,

- małe koszty.

Elementy te dzielimy na dwie grupy:

- elektryczne np. elektromagnesy i silniki,

- elektroniczne np. diody, tranzystory i układy scalone.

Do pomiarów badanych wielkości służą mierniki elektryczne – są to urządzenia

pomiarowe, które cechuje zarówno dokładność, jak i prosta budowa.

MIERNIK M

PRZETWORNIK PWIELKOŚĆ

NIEELEKTRYCZNAWIELKOŚĆELEKTRYCZNA

Przykłady przetworników: prądnica, silnik, termistor, potencjometr.

Trójfazowe silniki indukcyjne z wirnikiem klatkowym o wysokiej sprawnościklasy EFF1 (INDUKTA - www.indukta.com.pl) http://www.zamkor.com.pl/programy%20fizyka%20gimnazjum1/Pradnica/Pradnica.htm

34

ELEMENTY WYKONAWCZE UKŁADÓW

ELEKTRYCZNYCH – ELEKTROMAGNESY

1. Elektromagnes jest to zwojnica (cewka) z rdzeniem w środku wykonanym z

ferromagnetyka, w której płynie prąd. Rdzeniem jest na ogół stal miękka, czyli

niehartowana. Szybko się ona magnesuje, a po ustąpieniu zewnętrznego pola

magnetycznego szybko się rozmagnesowuje. W elektromagnesach prądu

przemiennego (natężenie i napięcie zmienia się sinusoidalnie) rdzenie wykonuje

się z blach poprzedzielanych izolacją w celu zmniejszenia strat energii

powodowanych prądami wirowymi.

Podział elektromagnesów:

- elektromagnesy prądu stałego,

- elektromagnesy prądu przemiennego.

2. Budowa

Elektromagnesy składają się z dwóch podstawowych zespołów:

- zespołu elementów magnetycznych, przez które zamyka się obwód

magnetyczny

- zespołu uzwojenia oraz ewentualnych oporników lub łączników, przez

które zamyka się obwód elektryczny.

35

Typ klapkowy Typ podkowiasty

UZWOJENIE

ZWORA

RDZEŃ

SZCZELINAδ

δδ

3. Zadania

Przetwarzanie prądu elektrycznego na ruch mechaniczny.

4. Do realizacji ruchów krótkich służy elektromagnes typu klapkowego lub

podkowiastego. Siłę udźwigu elektromagnesu Fe możemy opisać następującym

równaniem:

( ) [ ]NAzIF ue 228108,62δ⋅⋅⋅= −

gdzie:

Iu – prąd płynący przez uzwojenie (dla prądu przemiennego wartość skuteczna),

z – liczba zwojów,

A – pole przekroju poprzecznego rdzenia,

δ - długość szczeliny poprzecznej.

36

5. Elektromagnes płaszczowy

UZWOJENIE

RDZEŃ

KOTWICA

6. Materiały stosowane do budowy rdzeni elektromagnesów:

stal stopowa krzemowa, blachy twornikowe średnio-krzemowe, blachy

transformatorowe różnej grubości.

7. Przykład zastosowania – otwieranie i zamykanie zaworów, dzwonek

elektryczny, mierniki magnetoelektryczne, głośniki i słuchawki.

W głośniku zmienny sygnał elektryczny pochodzący ze wzmacniacza dociera do elektromagnesu, który na przemian przyciąga i odpycha magnes z membraną co powoduje drgania i wytwarzanie dźwięku.

W mierniku z ruchomą cewką (miernik magnetoelektryczny) prąd płynący przez jej zwoje wytwarza pole magnetyczne. Wskutek oddziaływania z magnesem otaczającym cewkę obraca się ona wraz ze wskazówką pokazującą na skali wartość prądu.

37

ELEMENTY WYKONAWCZE UKŁADÓW

ELEKTRYCZNYCH – SILNIKI

1. Silnik elektryczny, maszyna służąca do przetwarzania energii

elektrycznej na pracę mechaniczną. Głównymi częściami silnika elektrycznego

są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnika z

uzwojeniem twornikowym.

Ze względu na rodzaj prądu sieci, z której silniki elektryczne pobierają

energię elektryczną, rozróżnia się: silniki prądu stałego oraz silniki prądu

przemiennego (synchroniczne i asynchroniczne).

Ze względu na rodzaj prądu zasilającego, silniki elektryczne prądu

przemiennego dzieli się na: jednofazowe i trójfazowe. Rozróżniamy silniki

samowzbudne – zasilanie dla wirnika i stojana pochodzi z jednego źródła oraz

obcowzbudne – wirnik i stojan zasilane są z różnych źródeł.

Biorąc pod uwagę zasadę działania rozróżnia się silniki elektryczne prądu

przemiennego: indukcyjne (najczęściej spotykane), synchroniczne i

komutatorowe (coraz rzadziej używane).

W zależności od budowy wirnika wyodrębnia się silniki indukcyjne

klatkowe i pierścieniowe.

Osobną grupę silników elektrycznych stanowią silniki uniwersalne, które

mogą być zasilane zarówno prądem stałym, jak i przemiennym (prąd

elektryczny), stosowane głównie do napędu sprzętu gospodarstwa domowego.

38

1. Budowa silników:

- silniki prądu przemiennego – stojan, wirnik, szczotki

- silniki prądu stałego – stojan, wirnik, komutator, szczotki.

lIBF ⋅⋅=

gdzie:

B – indukcja magnetyczna,

I – natężenie prądu,

L – długość przewodu pozostająca w zasięgu jednorodnego polamagnetycznego.

39

1. Silnik asynchroniczny prądu przemiennego

Silnik asynchroniczny jest obecnie najbardziej popularnym silnikiem.

Standaryzacja budowy mechanicznej ułatwia dobranie silnika praktycznie do

każdego układu napędowego, niezależnie od producenta. Istnieje kilka rodzajów

silników asynchronicznych, jednakże zasady ich działania są bardzo podobne.

Budowa typowego silnika asynchronicznego pokazano na rysunku poniżej.

1. Obudowa, 2. Łożysko ślizgowe, 3. Obudowa łożysk, 4. Wentylator, 5. Przykrywa wentylatora, 6. Zaciski podłączeniowe, 7. Rdzeń, 8. Uzwojenia falowe, 9. Wirnik. (http://republika.pl/uklad_napedowy/praca/strona/12.htm)

W silnikach prądu przemiennego wykorzystuje się zaletę prądu trójfazowego tj. wytwarzanie pola magnetycznego wirującego. Wytwarza się je za pomocą trzech nieruchomych cewek umieszczonych w stojanie i zasilanie ich napięciami przesuniętymi względem siebie w fazie. Silnik taki składa się ze stojana, którego uzwojenia wykonane są z drutów w oplocie bawełnianym (lub emaliowanych),

40

wirnik ma kształt walca, który może być pierścieniowy lub klatkowy.

Uzwojenie wirnika tworzy oddzielny obwód elektryczny, który jest sprzężony z

uzwojeniem stojana tylko magnetycznie przez pole wirujące.

tsinUUr ω⋅=

( )os tsinUU 120+ω⋅=

( )ot tsinUU 240+ω⋅=

Najważniejszymi wielkościami charakterystycznymi silników asynchronicznych

są:

- prędkość obrotowa synchroniczna ns, równa prędkości wirowania pola magnetycznego w uzwojeniu stojana

ppfns

300060=

⋅=

gdzie: f=50 Hz - częstotliwość prądu zasilającego, p - liczba par biegunów uzwojenia stojana;

- prędkość obrotowa znamionowa nn, (zawsze mniejsza od ns) i odpowiadający jej poślizg znamionowy;

- moc znamionowa Nn i moment obrotowy znamionowy Mn, którymi silnik może być obciążony przez czas nieograniczenie długi bez obawy wzrostu temperatury uzwojeń ponad wartość dopuszczalną;

- moment rozruchowy Mr, którego wartość zależnie od konstrukcji i mocy silnika zawiera się w granicach (1,6 ¸ 2) Mn;

- sprawność ηs, wyrażająca się stosunkiem mocy efektywnej oddawanej na wale silnika Ns (nazywanej mocą silnika) do mocy elektrycznej Nel pobieranej z sieci;

- moment bezwładności wirnika Θs, podawany w kategoriach iloczynu mD2, gdzie m - masa wirnika, D - umowna średnica, zwana średnicą bezwładności.

41

ELEMENTY STEROWANIA W UKŁADACH

ELEKTRYCZNYCH – STYCZNIK I PRZEKAŹNIK

1. Stycznik – służy do załączania urządzeń

dużej mocy sygnałami małej mocy. Jest on

włącznikiem elektromagnetycznym,

służącym do sterowania urządzeń dużej

mocy oraz zabezpieczania urządzeń w

przypadku odłączenia zasilania.

UZWOJENIESTERUJĄCE

STYKI PRĄDOWE

ZWORA MAGNETYCZNA

42

2. Przekaźnik – urządzenie reagujące na zmianę pewnej wielkości fizycznej

w taki sposób, że po przekroczeniu określonej wartości (progu zadziałania)

wielkości wejściowej wielkość wyjściowa zmienia się skokowo.

W zależności od rodzaju wielkości fizycznej, na jaką reaguje przekaźnik,

rozróżnia się m.in. przekaźniki: cieplne (termoelektryczne), fotoelektryczne,

ciśnieniowe, pływakowe oraz elektryczne (elektromagnetyczne

i elektroniczne).aparat włączony między obwód wejściowy a wyjściowy układu

automatyki, który steruje skokowo parametry wyjściowe na skutek

zmieniającego się sygnału wejściowego.

Najczęściej stosowane napięcia zasilania 3 – 220 V oraz przełączane prądy

rzędu 0,5 – 10 A.

ZAŁĄCZNE PRZEŁĄCZNE KONTAKTRON

43

POMIARY W AUTOMATYCE – MIERNIKI

1. Pomiar jest doświadczeniem fizycznym polegającym na porównaniu

wielkości fizycznej z pewną jej wartością obraną za jednostkę (wzorcem).

2. Rodzaje pomiarów:

- bezpośredni,

- pośredni.

3. W Polsce obowiązuje międzynarodowy układ jednostek i miar SI. W

układzie tym przyjęto podstawowe wielkości i ich jednostki:

- długość – metr, - masa – kilogram, - czas – sekunda, - światłość – kandela, - ilość materii – mol, - temperatura – Kelwin, - prąd elektryczny – Amper - kąt płaski – radian, - kąt bryłowy – steradian.

4. Przebieg pomiaru:

- ustalenie wielkości mierzonej, - ustalenie wielkości badanych (ustalenie zależności pomiędzy wielkością

mierzoną, a wielkością badaną), - dobór przyrządów pomiarowych, - doświadczenie fizyczne, - opracowanie matematyczne (błędy pomiaru, obliczenie wielkości badanej

w zależności od wielkości mierzonej – metoda pośrednia).

5. Klasa dokładności - błąd pomiaru wyrażony w procentach.

44

Miernik elektromagnetyczny

45

AUTOMATYCZNA REJESTRACJA POMIARÓW

1. Automatyczną rejestrację pomiarów stosuję się gdy:

- wartość wielkości mierzonej zmienia się szybko,

- zachodzi potrzeba jednoczesnego pomiaru kilku wielkości zmiennych w

czasie,

- konieczne jest samoczynne sporządzanie dokumentu,

- gdy proces produkcyjny jest całkowicie zautomatyzowany.

2. Podstawowe elementy systemu rejestrującego:

- nośnik zapisu (taśma, tarcza, papier, materiały światłoczułe, taśma

magnetyczna),

- urządzenia zapisujące (pisak w uchwycie, pióro, wskazówka świetlna),

- mechanizm napędowy (silnik elektryczny, wielostopniowe przekładnie

nastawne),

3. Metoda zapisu określa sposób oddziaływania urządzenia zapisującego na

nośnik zapisu. Dla przebiegów wolnozmiennych stosuje się nanoszenie

tuszu na taśmę papierową lub zapis elektrotermiczny. Dla przebiegów

szybkozmiennych wykorzystuje się oddziaływanie wskazówki świetlnej

na papier światłoczuły.

46

PRZETWORNIKI POMIAROWE

Przetworniki to elementy układu automatycznej regulacji, w których

następuje zamiana jednej wielkości fizycznej na inną wielkość fizyczną prostszą

do dalszej obróbki (łatwiejszą do pomiaru lub sterowania).

MIERNIK ELEKTRYCZNY M

PRZETWORNIK P

WIELKOŚĆ NIEELEKTRYCZNA

WIELKOŚĆELEKTRYCZNA

PARAMETRYCZNY R, L, C

GENERATOROWY S

Przebieg pomiaru wielkości nieelektrycznej za pomocą mierników

elektrycznych

Przetwornik parametryczny – wielkość mierzona powoduje zmianę

wielkości elektrycznej, hydraulicznej lub pneumatycznej tj. rezystancja,

indukcyjność, pojemność, ciśnienie cieczy roboczej lub gazu.

C d

p C=f(d)

Przetwornik generatorowy – wielkość mierzona powoduje powstawanie

siły elektromotorycznej.

PRĄDNICAprędkość

obrotowa

siła elektromotoryczna

47

SYGNALIZACJA – RODZAJE, PRZYKŁADY PRAKTYCZNEJ REALIZACJI

PROJEKTOWANIE UKŁADÓW SYGNALIZACYJNYCH Sygnalizacja – rodzaj automatyzacji polegający na sygnalizowaniu o

działaniu urządzenia, grupy urządzeń lub stanie procesu technologicznego.

Ze względu na funkcję sygnalizację można podzielić na:

- dyspozycyjna – ma za zadanie przekazać odbiorcy ściśle określone polecenia np. zakaz, nakaz, zezwolenie itp. Odbiorca musi dać potwierdzenie odebrania informacji,

- informacyjna – ma za zadanie przekazać samoczynnie określone dane do odbiorczego punktu centralnego,

- zakłóceniowa – ma za zadanie informować obsługę o wystąpieniu zakłóceń i awarii pracy urządzeń technologicznych. Sygnał o awarii musi być utrzymany tak długo aby obsługa mogła zlokalizować uszkodzenie, usunąć awarię, oszacować niebezpieczeństwo,

- bezpieczeństwa – umożliwia przekazywanie dyspozycji do urządzenia tylko wtedy gdy stan urządzenia pozwala na wykonanie dyspozycji,

- startowa – informuje obsługę o mającym nastąpić rozruchu maszyny, w sytuacji gdy takie uruchomienie związane jest z niebezpieczeństwem,

- przeciwpożarowa.

Czujnik dymu optyczno-

temperaturowy

Czujnik dymu

optyczny

Czujnik dymu temperaturowy

48

BLOKADY I ZABEZPIECZENIA

1. Zabezpieczenie automatyczne polega na tym, że samoczynnie działające

urządzenie wyłącza zasilanie z chwilą gdy określony parametr procesu

technologicznego osiągnie graniczną dozwoloną wartość. Często

zabezpieczeniom automatycznym towarzyszy dodatkowo sygnalizacja

granicznych wartości parametrów technologicznych.

- Zabezpieczenie zbiornika ciśnieniowego przed nadmiernym

wzrostem ciśnienia – zawór bezpieczeństwa.

m

p

Zbyt duży wzrost ciśnienia powoduje podniesienie grzybka i częściowy wylot

gazu ze zbiornika. Ciśnienie możemy regulować położeniem masy m.

- Zabezpieczenie sieci elektrycznej – bezpiecznik topikowy.

49

1. Blokada stanowi zakaz wykonania określonych czynności mogących

stwarzać niebezpieczeństwo awarii urządzenia, bądź stanowi zakaz

uruchomienia lub manipulacji osób postronnych.

- Blokada przesuwu łoża tokarki

Przekaźnik P1 włącza przesuw obrabiarki w lewo, przekaźnik P2 w prawo.

Niedozwolone jest załączenie jednoczesne obu przekaźników. Załączenie

przekaźnika P1 następuje za pomocą przycisków zwrotnych PL i PP. Jeżeli

przyciśniemy przycisk PL wówczas przekaźnik P1 załączy styki zwierne P1A i

rozłączy styki P1B, co uniemożliwi załączenie przekaźnika P2.

50

KLASYFIKACJA REGULATORÓW

Regulator zastępuje operatora, który w układzie sterowania ręcznego

kontrolował przebieg procesu produkcyjnego.

ELEMENTYWYKONWAWCZE

y0

y

y

yxOBIEKT REGULACJI

REGULATORx

OBSŁUGA RĘCZNA

= y - y0ε

Do zadań regulatorów należy:

- porównanie wielkości wyjściowej z wartością zadaną i ustaleniewielkości sygnału błędu,

- zapewnienie sygnałowi wyjściowemu (z regulatora) postaci i mocypotrzebnej do uruchomienia urządzeń wykonawczych.

Pod pojęciem regulatora jako urządzenia rozumie się więc aparat, który zawiera

następujące urządzenia:

- do nastawiania wartości zadanej, - przełączniki rodzaju pracy, - urządzenie do sterowania ręcznego obiektem, - mierniki mierzące parametry istotne dla przebiegu procesu.

51

Podział regulatorów:

1. Ze względu na zasadę działania i budowę:

- pneumatyczne, - hydrauliczne, - elektryczne i elektroniczne

2. Ze względu na rodzaj sygnału:

- ciągłe, - skokowe.

2. Ze względu na charakterystykę regulatora ciągłego: - proporcjonalne, - różniczkujące, - całkujące, - mieszane (kombinowane).

3. Regulatory skokowe możemy podzielić na: - dwu, trój-stanowe, - krokowe, - impulsowe.

4. Ze względu na sposób zadania wartości zadanej y0: - stałowartościowe (y0 = const), - nadążne (y0 – zmienia się w zależności od parametru procesu), - programowane (y0 – zmienia się według zadanego programu za

pomocą systemów cyfrowych). 5. Ze względu na zasilanie:

- bezpośredniego działania (korzystają z energii układukontrolowanego),

- pośredniego działania (zasilana są z dodatkowego źródła). 6. Ze względu na elastyczność zastosowania:

- uniwersalne, - specjalizowane.

52

REGULATOR O DZIAŁANIU CIĄGŁYM

Przykładem regulatora o działaniu ciągłym (typu proporcjonalnego,

bezpośredniego działania) jest regulator poziomu cieczy w zbiorniku.

Do budowy elektronicznych regulatorów służą rezystory i kondensatory oraz

wzmacniacze operacyjne. Wzmacniacz operacyjny jest modelem

matematycznym wzmacniacza idealnego o parze wejść: odwracającym i

nieodwracającym.

Wzmacniacz operacyjny to układ analogowy, który posiada dwa wejścia: odwracające (-) i nieodwracające (+) oraz jedno wyjście. Do jego zasilania stosuje się zazwyczaj napięcie symetryczne ±15V. Rozpatrując wzmacniacz operacyjny można przyjąć, że nie pobiera on prądu na wejściach (wejścia mają potencjał zerowy - są to tzw. punkty masy pozornej) oraz wyjście wzmacniacza stanowi idealne źródło napięcia. Wzór na napięcie wyjściowe wzmacniacza najogólniej można zapisać tak: Uwy =Ku*(U+ - U-). Jak widać z zależności napięcie wyjściowe zależy od wzmocnienia wzmacniacza Ku oraz od różnicy napięć na wejściu nieodwracającym i odwracającym ( U+ - U- ). Wzmocnienie jest określone konfiguracją układu - wynika ze stosunku wartości odpowiednich rezystorów. W zrozumieniu zasady działania wzmacniacza pomogą poniższe rysunki, które przedstawiają różne konfiguracje (multimetr wskazuje napięcie wyjściowe).

53

Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego:

- nieskończenie duży współczynnik wzmocnienia (w rzeczywistości kilkaset tysięcy),

- nieograniczone pasmo przenoszenia, - bardzo duża sprawność (nieskończenie duża impedancja

wejściowa, bardzo mała impedancja wyjściowa) zależność sygnału wyjściowego od wejściowego jest całkowicie liniowa jeżeli sygnał wejściowy jest równy zero, to na wyjściu sygnał jest również równy zero.

- Wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym

Wzmocnienie napięciowe: Ku= - R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=Uwe*Ku

- Wzmacniacz operacyjny w układzie nieodwracającym

Wzmocnienie napięciowe: Ku= (R2+R1)/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=Uwe*Ku

54

- Wzmacniacz różnicowy

Wzmocnienie napięciowe: Ku= R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=(Uwe2 - Uwe1)*Ku

- Wzmacniacz sumujący

Wzmocnienie napięciowe: Ku= - R2/R1 Napięcie wyjściowe: Uwy=(Uwe2 + Uwe1)*Ku

55

- Wzmacniacz całkujący (integrator)

Napięcie wyjściowe:

56

REGULACJA DWUPOŁOŻENIOWA - BIMETAL

Sygnały wyjściowe regulatorów skokowych

t2

1y=f(t)

t2

1y=f(t)

3

t

y=f(t)

dwu-stanowe trzystanowe impulsowe

Bimetal tworzą dwie płytki z metali o różnych współczynnikach

rozszerzalności cieplnej sztywno połączone ze sobą. Zmiana temperatury

powoduje wygięcie bimetalu i załączenie lub wyłączenie styków. Bimetal

dobiera się tak, aby przy niskiej temperaturze zestyki były zwarte, a przy

wyższej rozwierały się. Ze względu na skończoną prędkość transmisji

temperatury od nagrzewanej płytki do bimetalu oraz na pojemność cieplną

elementu występuje określony zakres temperatur występujących w płytce

żelazka. Wykorzystane jest to w termometrach (samopiszący termograf), w

termoregulatorach (termostaty) i urządzeniach alarmowych ostrzegających o

wysokich lub niskich temperaturach.

57

GRZEJNIK OPOROWY

BIMETAL

U

Poniżej przedstawiono przykładowy wykres rzeczywistej zależności sygnału

wyjściowego (dla podanej wartości zadanej) w czasie t.

-2

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000t [ms]

Wartość zadana Wyjście obiektu

58

SPOSOBY STEROWANIA

1. Sterowanie polega na kontrolowanym oddziaływaniu na proces fizyczny

w celu uzyskania wymaganego przebiegu tego procesu.

2. Zespół współdziałających ze sobą urządzeń realizujących dany proces

fizyczny oraz sterowanie jego przebiegiem nazywa się układem

sterowania. W skład układu sterowania wchodzą: obiekt sterowania i

urządzenie sterujące.

3. Sterowanie w układzie otwartym występuje wtedy, gdy urządzenie

sterujące nie jest informowane o zmianach wielkości sterowanych

(autotransformator).

yOBIEKT STEROWANY

zURZĄDZENIE STERUJUJĄCE

xy0

gdzie:

y0 – sygnał wejściowy urządzenia sterującego (wartość zadana),

x – sygnał wyjściowy urządzenia sterującego, a zarazem wejściowy obiektu

sterowanego,

y – sygnał wyjściowy obwodu sterowanego,

z – sygnał zakłócający pracę obiektu sterowanego.

59

1. Sterowanie w układzie zamkniętym – urządzenie sterujące jest w sposób

ciągły lub w określonych odstępach czasu informowane o aktualnej

wartości wielkości sterowanej y.

yOBIEKT STEROWANY

zURZĄDZENIE STERUJUJĄCE

xy0

TOR SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO

y

Sygnał sterujący x zależy od wielkości sygnału sterowanego y i może być

kształtowany tak, aby zapewnić prawidłowy przebieg wielkości sterowanej

niezależnie od zakłóceń. Sygnał y jest przekazywany do urządzenia sterującego

za pośrednictwem toru sprzężenia zwrotnego.

Tor sprzężenia zwrotnego - jest to (połączenie) przesyłanie części lub

całego sygnału wyjściowego z powrotem na wejście (UAR).

60

RODZAJE UKŁADÓW REGULACJI

1. Układy automatycznej regulacji można podzielić według charakteru i

sposobów wprowadzenia wartości zadanej do układu regulacji. Sens

działania każdego UAR sprowadza się do tego, aby:

00 →−= yyε

gdzie: ε (sygnał błędu) jest różnicą pomiędzy wartością wyjściową zadaną y0 i

rzeczywistą y.

2. Typy układów regulacji:

- układ regulacji stałowartościowej (wartość y0 = const) – jest to

najbardziej rozpowszechniony rodzaj regulacji,

- układ regulacji programowej (y0 = f(t)) – znajduje on zastosowanie

w procesach technologicznych np. w obróbce cieplnej i cieplno-

chemicznej metali tzn. tam gdzie należy utrzymać określony

przebieg czasowy temperatury,

- układ regulacji nadążnej – wartość y0 zmienia się losowo, natomiast

wielkość regulowana w tym układzie nadąża za zmianami y0

(wielkość wodząca),

- układ regulacji kaskadowej – wartość zadana jest nastawiana innym

regulatorem, układ stosowany jest w celu polepszenia jakości

regulacji,

- układ regulacji ekstremalnej – wartość y0 jest zmieniane za pomocą

odpowiednich urządzeń, tak by w zależności od zmian innych

parametrów wielkość regulowana przyjmowała wartość najbardziej

celową z punktu widzenia technologicznego lub ekonomicznego.

61

STABILNOŚĆ UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ REGULACJI

1. Stabilność jest to właściwość UAR, która polega na powracaniu do

równowagi stałej po wystąpieniu zakłócenia, które tą równowagę

zakłóciło.

0)( ≠→= ztfε

Przykłady przebiegów regulacji )(tf=ε :

a. układ aperiodyczny zbieżny,

b. układ aperiodyczny rozbieżny,

62

a. układ oscylacyjny zanikający (tłumiony),

b. układ oscylacyjny narastający

1. Objawem niestabilności jest wystąpienie drgań nie tłumionych o

narastającej amplitudzie.

2. Układ regulacji jest stabilny gdy sygnał błędu po wystąpieniu

zakłócenia, przy prawidłowo działającym regulatorze zanika stopniowo

(układ aperiodyczny zbieżny i układ oscylacyjny tłumiony).

3. Przebieg regulacji jest tym lepszy im powierzchnia zawarta między osią

czasu, a krzywą odpowiadającą przebiegowi sygnału błędu jest mniejsza.

Powierzchnia ta jest miarą jakości procesu regulacji. Przebieg regulacji

zależy od własności wszystkich elementów układu oraz od współczynnika

wzmocnienia nastawionego na regulatorze.

63

SERWOMECHANIZMY

Serwomechanizm (inne nazwy: układ nadążny, układ śledzący)– układ

automatycznej regulacji, w którym wielkością regulowaną jest liniowe lub

kątowe przesunięcie mechaniczne. Układ automatycznego sterowania ze

wzmocnieniem mocy, np. hamulec lub kierownica samochodu, ster statku

Przykładowy schemat serwomechanizmu

Są one stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest ustawienie lub

przesunięcie elementów urządzeń z dużą dokładnością zgodnie z sygnałem

zadającym.

Przykładem są urządzenia sterownicze statków i samolotów, w których

serwomechanizmy ustawiają stery zgodnie z sygnałami z układów autopilota lub

sterowania ręcznego.

64

sum – suma; gain – wzmocnienie; derivative – działanie różniczkowe; to

workspace – do układu wykonawczego