VUT/FSI/VEA/Úvod

Úvod do předmětu

Nejprve se zamyslíme, co je to vlastně automatické řízení? Řízení je každé cílevědomé působení na řízený objekt, s cílem dosáhnout předem daného stavu (jedna z definic). Pokud řízení probíhá automatický, mluvíme o automatickém řízení.

Typy řízení

• Přímé řízení (ovládání)
• Zpětnovazební řízení (regulace)

Přímé řízení

Máme technický prostředek, regulátor, který zajišťuje řízení procesu. Do regulátoru se zadává žádaná hodnota (označuje se w(t), mění se v čase). Regulátor zpracuje vstupní signál a na jeho výstupu se objeví jiný signál - akční veličina, u(t). Akční veličina může být postižená šumem, což je znázorněno poruchou v(t). Poruchy ovlivňují vstupní hodnotu technologického (řízeného) procesu. Poruchy jsou aditivní, to znamená, že se přidávají - znázorněno použitím sumátoru. Dále proces zareaguje na vstupní signál a změní se jeho výstupní hodnota, která taky může být zatížená šumem. Na výstupu procesu se dá změřit regulovaná veličina, y(t).

V podstatě jsme chtěli veličinou u(t) ovlivnit hodnotu y(t), která nás zajímá. U přímého řízení není zpětný tok informací, a nevíme jestli se na výstupu objevilo to, co jsme chtěli, nebo něco jiného.

Zpětnovazební řízení

Na rozdíl od přímého řízení, zde se k regulátoru přidává zpětná vazba, která předává informaci, jestli jsme dosáhli toho, co jsme chtěli. Ve skutečnosti do regulátoru vstupuje rozdíl mezi žádanou hodnotou a reální hodnotou - regulační odchylka, e(t).

Ve praxi za regulátor zařadíme akční člen - technický prostředek, který bude realizovat pokyny regulátoru (př. ventil, který řídí množství spravovované suroviny - regulátor bude měnit napětí na svém výstupu, ventil se pootočí a převede to na akční zásah do řízeného procesu). Měřící člen je schopen snímat hodnotu regulované veličiny a transformovat tu informaci tak, aby byla zpracovatelná pro regulátor.

Před návrhem řízení

Jsou některé otázky, které je vhodné uvažovat před návrhem řízení.

Co řídím?

Jak se řízený proces chová, jaké má vstupy a výstupy atd... Řízená soustava musí být popsána matematickým modelem. Teorie řízení je podoblastí matematiky. Pro popis lze použit následující matematické modely:

• white-box je zcela odvozen ze základních zákonů fyziky, chemie, ekonomie... Všechny rovnice a parametry lze určit na teoretické úrovní nezávisle na datech. Parametry jsou přímo interpretovatelné jako základní fyzikální veličiny.

• black-box nevyužívá žádnou apriorní informaci o modelovém systému. Je zcela závislý na měřených datech. Strukturu modelu a parametry odvozujeme experimentálně.

• gray-box je na pomezí mezi white-box a black-box modelem. Struktura modelu je odvozena z experimentálních znalostí, parametry modelu určovány z dat.

Jak řídím?

Jinými slovy, jakou strukturu a parametry má řídící obvod.

Návrh probíhá s ohledem na:

• vlastnosti regulované soustavy. Statická soustava - ustálí se v určitém stavu sama. Astatická soustava - není schopná se samostatně ustálit.
• požadavky na kvalitu regulace. Například lineární kriterium, kvadratické kriterium, ITAE kriterium...

Čím řídím?

Přístrojové a programové vybavení (Prostředky Automatického Řízení, RAŘ). Často regulátor je realizován jako program, pak fyzická část obvodu (hardware) jen provádí zásah do řízeného procesu (bez výpočtů).

Výběr musí respektovat řádu faktorů:

• ekonomické - hledáme nejvýhodnější řešení pro zákazníka.
• návazanost na řízenou technologii - regulátor často navazuje na již existující zařízení a technologie a proto musí být zajištěná funkčnost systému jako celku.
• bezpečnostní požadavky. Ku příkladu řízení v prostředím s nebezpečím výbuchu. Tam je vhodné uvažovat použití pneumatických/tekutinových prostředků řízení místo elektrických, které jsou více bezpečné a u kterých nedochází k elektrickým výbojům.

Kvalita řízení silně závisí na tom, jaké máme k dispozici prostředky řízení.

Vývojové trendy PAŘ

Kriterium	Dříve	Současně
Napájení regulátoru	Direktní (nepotřebuje přívod energie)	Indirektní (je nutný zdroj energie)
Realizace regulačního obvodu	Kompaktní systém	Stavebnicové systémy
Využívaná energie	Mechanické a mechaniko-hydraulické systémy	Elektro-hydraulické a elektro-pneumatické systémy
Řídící elektronická část	Analogová	Číslicová

Napájení regulátoru

Direktní regulátor bere energii přímo z regulované soustavy. Na příklad Wattův regulátor. Dnešní regulátory (primárně) požadují zdroj napájení, jsou napájení indirektně. Tak se dosahuje lepší kvalita regulace.

Realizace regulačního obvodu

Wattův regulátor sám o sobě obsahuje akční člen (ventil, který provádí regulací množství páry) a měřící člen (koule na okrajích). Dnes nakupujeme jednotlivé komponenty (regulátor, snímač, ventil, atd...) a skládáme je do výsledného obvodu. Značně se oddaluje řídící část od sílové částí. Regulátor pracuje s napětím, vypočítá se napětí, které odpovídá velikostí potřebného akčního zásahu, ale to napětí je pouze informace o tom, co má být provedeno a nestačí k skutečnému zásahu do procesu. To napětí se pak převede na sílový člen, který provede reálný zásah, třeba servomotor pohne s ventilem.

Řídící elektronická část

Pokud nějaká existovala, tak byla analogová.

Vývoj součástkové základny

• Elektromagnetické prvky (relé, stykače, elektromagnety, ...) - umožňují realizovat jednoduché regulační obvody, některé typy regulátory.
• Elektronky Elektronka - realizace zesilovačů signálů z čidel. Do té doby napětí ze snímačů muselo byt použitelné rovnou v relé (příklad). Pomoci elektronek bylo možné používat čidla s nižším napětím (zvýšit napětí pro následne zpracování signálu).
• Tranzistory (objev 1947r.) - nižší spotřeba, menší rozměr a vyšší životnost vůči elektronkám. Funkcionálně jsou podobné.
• Integrovávané obvody (1958), později operační zesilovače (speciální typ integrovávaných obvodů, IO). IO umožnily další minimalizaci systémů a snadnou realizaci PID regulátorů.
• Mikroprocesory (od roku 1991) - hromadná výroba, nízká cena, programovatelnost (univerzálnost). Lze realizovat i složité mechanismy.