Automaatika alused

Kursuse õppetöö korraldus
Automaatika alused
ISS0120
1,5 – 1,5 - 0 tundi nädalas; 4,0 EAP, arvestus
lektor Andres Rähni
andres.rahni@dcc.ttu.ee
2A-303, tel. 620 2105
Automaatikainstituut
Automaatjuhtimise ja süsteemianalüüsi õppetool
Loeng iga nädal (1-12.näd)
R 12.00-13.30 V-406 (EAAM,EAKI,EAKM)
Praktikumid üle nädala ( kokku 7 a 3h)
Automaatjuhtimise laboris 2A - 303
korraga laboris max.10 tudengit (min. 5)
paaris T/ 14:00-16:15 (alates 2. nädalast)
paaris K/ 14:00-16:15 (alates 2. nädalast)
paaris N/ 9:30-11:50 (alates 2. nädalast)
paaritu /T 14:00-16:15 (alates 3. nädalast)
paaritu /K 14:00-16:15 (alates 3. nädalast)
paaritu /N 9:30-11:50 (alates 3. nädalast)
(registreerimine ÕIS-s kuulajaskonnarühmana)
Teadmiste kontroll:
• 1 kontrolltöö (11. nädalal loengu ajal)
• Arvestuse saamiseks on vajalik kõikide praktikumide, kodutöö ja
kontrolltöö arvestuslik (>50%) sooritamine.
(Erandid: praktikumist puudumine, järelkontrolltöö)
Praktikumide korraldus
Kodutöö korraldus
II-303
+II-304
8.00 –
9.30
10.00 –
11.30
12.00 –
13.30
14.00 –
15.30
16.00 –
17.30
E T K N R
IV
I
V
II
Töövahendid:
arvutid, simulatsiooni tarkvara (Matlab/Simulink),
http://www.mathworks.com/products/
programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC)
VI
III
Kodutöö on juhtimisalgoritmi realiseerimine PLC-s
Juhtimisülesande kokkuleppimine 3. praktikumis.
Realiseeritud algoritmi (+ vormistus) presentatsioon (35 min) ja
kaitsmine 7.praktikumis.
Juhtimisalgoritmis peab olema kasutatud 34 binaarset
sisendsignaali juhitavalt objektilt ja 2 kuni 8 binaarset (väljund)
juhtsignaali objektile.
http://icosym.cvut.cz/
http://www.scilab.org
Kirjandus
1. W.C.Dunn, Fundamentals on industrial instrumentation and
process control. McGraw-Hill 2005. (681.58/D-90)
http://site.ebrary.com/lib/ttul/
2. W. Bolton. Programmable logic controllers : an introduction.
Oxford [etc.] : Newnes, c2003 (VB-95105) TTÜ e-raamatud kogus*:
4th ed. 2006 www.knovel.com (5th ed. 2009)
3. Johnson, Process control instrumentation technology. Prentice Hall
2003 7.ed. (681.5/J-74)
4. C. W. De Silva. Sensors and actuators: control systems
instrumentation. CRC, 2007 (681.58/D-46, VB-103259)
Robert N. Bateson. Introduction to Control System Technology. 6-ed. Prentice
Hall, 1999. (681.5/B-30,VB-83465)
A. Rähni. Automaatjuhtimissüsteemid, õppematerjal. TTÜ 2009
http://www.dcc.ttu.ee/LAS/materjalid.htm
http://www.crcnetbase.com
Lisalugemist Internetist
Automaatikainstituudi kodulehekülgedel:
http://www.ttu.ee/automaatikainstituut/oppetoo/
ISS õppetool → materjalid ISS0120 (vt ka terminite baassõnastikku)
• The electronics handbook / edited by Jerry C.Whitaker. 2nd ed.
CRC Press, 2005 http://www.electricalengineeringnetbase.com
Chapter 18 Control and Instrumentation Technology
http://www.ene.ttu.ee/leonardo/training.html → Automaatika, PLC
http://www.controlguru.com/ (Fundamental, PID, Models, Process Control)
http://www.thelearningpit.com (PLC,PLC simul., PID, ...)
http://www.modelingandcontrol.com/ (Process control)
http://www.engineeringtoolbox.com
“Control Engineering A guide for beginners”
“Introduction to Control Engineering”
1

Kompetentsuse tasemed
- seadmete tööpõhimõtte, funktsionaalsuse tundmine;
- kasutamine, häälestamine;
- montaaž, ühendamine;
Süsteemi mõiste
Sisend (mingi ressurss), tegevus (teisendus), väljund (tulemus)
Sisend
Suvalist süsteemi võib vaadelda kõige
suurema üldistustaseme puhul kastina,
millel on sisend ja väljund. Sisendsuurus
(mingi ressurss) siseneb süsteemi ja väljub
väljundi kaudu kui tulemus. Üldjuhul püüab
süsteem oma sisendsuurusi mingil moel
muuta (teisendada), st midagi teha. Sellele
põhimõttele vastab peaaegu iga süsteem,
mida me oskame ette kujutada. Paljudel
juhtudel on eesmärgiks millegi parandamine
(aga ka võimaliku halvenemise vältimine).
Ebaõnnestumise korral võib resultaat
osutuda mittesobivaks. Süsteemil, mis
midagi ei tee, pole otstarvet.
Juhtimissüsteem
Väljund
- hooldus, remont;
-projekteerimine, programmeerimine, tootmine
süsteemiväline
informatsioon, mis
kirjeldab, kuidas
süsteem/protsess
peab töötama.
Juhttoime
Control input
Sisend
Üldistustaset vähendades võib süsteemi
vaadelda koosnevana kahest osast:
“Protsess” ja “Juhtseade”. Sellise
lähenemise puhul täidab protsess
teisendamise ülesannet (n-ö teeb tööd) ja
juhtseade (controller) juhib ning korraldab
protsessi talitlust nii, et ta edukalt
(soovitud (objekt)
viisil) töötaks. Ilma
juhtseadmeta võib iga omapead jäetud
protsess käituda mitte päris nii, nagu me
tahaksime.
Controlled plant
Nende kahe ploki omavaheliste seoste
alusel võib teha järelduse, et side on
kahepoolne. Juhtseade vajab mingit
teavet protsessi oleku kohta, et
otsustada, milliseid käske anda. Protsess
peab Juhtseade
neid käske (juhttoimet) vastu võtma,
et õigesti talitleda. Mõlemas suunas
edastatakse sisuliselt informatsiooni.
Seega tegeleb juhtseade samuti
teisendamisega ja omab sisendit ning
väljundit analoogselt suvalisele
protsessile.
Controller
Väljund
Informatsioon
-mõõdetav suurus
AUTOMAATIKA
AUTOMAATJUHTIMINE - inimese vahetu osavõtuta juhtimine
Automaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus:
Closed-loop
1) Ülesehituse järgi : avatud / tagasisidestatud (suletud)
struktuuriga süsteemid
2) Tööiseloomu järgi: pidevad / diskreetsed (katkelise toimega)
süsteemid
3) Toimekauguse järgi: lokaal- / distants- / kaugsüsteemid
jm.
AUTOMAATIKA EESMÄRGID
Ülesanded
1) Majanduslikud: täpsus (kvaliteet), tootlikus,
ressursi kokkuhoid,
töökindlus,
tehniline realiseeritavus
2) Ohutus: inimestele (kasutajale),
keskkonnale
3) Seadmete kaitse: erandolukordade vältimine ja kõrvaldamine
AUTOMAATKONTROLL
jälgimine (seire),
registreerimine (mõõtmine),
erandolukordade avastamine (signalisatsioon)
Automaatkaitse (ebanorm. olukordade vältimine)
HIND
(võimalused)
maksumus,
kulud (aeg)
KVALITEET
(vajadused)
(tehn. tingimused)
tootlikkus, täpsus,
ohutus, ressurss
Avatud JS
Sisend
A. JUHTIMISSÜSTEEMIDE(JS) liigitus 1.
Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3
U
Y Väljund
Juhtseade
Protsess
Nõuded protsessi
Juhttoime
(juhitav
tööle (seadesuurus)
suurus)
____________________________________________________________
Suletud e. Tagasisidestatud JS
r +
Seadesuurus
(nõuded
protsessi
tööle)
-
Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3
Tagasiside
Andur
r +
-
e
Talitlusskeemina:
operating sketch
funktsionaalne muundur
xN
täituriga klapp xV
juhitav voog u
SEADMED
seadesuuruse
etteandmine
Actuator
Hx
xC
regulaator
Veasignaal
e U
Y Väljund
Juhtseade
Protsess
Juhttoime
Juhtseade
Täiturseade
Reguleerivorgan
U
Protsess
transmitter Andur
Sensor
xT
xE
xIR
transmitter
andur
Y
salvestav
indikaator
y - mõõdetav suurus
PROTSESS
2

w
+ -
CONTROLLER
e
Controlling system
Control
algorithm
Control loop
supply
U Actuator
m
Controlled
system
PROCESS
Final
control
element
y
Measuring
equipment
Final Control equipment
w - reference (desired) value* (also setpoint, SP)
e - error signal*, e = w - ŷ
U - control signal (low power, information)
m - manipulated variable*
y - controlled variable (actual value, PV)*
* - IEC chief symbol
v*
Automaatjuhtimine
Automaatreguleerimine - juhttoime sõltub ainult
veasignaalist. Juhtseade = regulaator
(liigitus nõuete ajaliste omaduste järgi:)
Stabiliseerimine - seadesuurus püsib muutumatuna.
Järgivjuhtimine - juhtimine väliselt muudetava
seadesuurusega.
(nt. servosüsteemid)
Programmjuhtimine - juhtimine varem koostatud eeskirja
(programmi) järgi
(nt. arvjuhtimissüsteemid)
Kirjeldamine
Juhitavate protsesside ja teiste süsteemi seadmete lihtsustatud mudelite
esitusvormid. u – sisend, y – väljund, y=f(u)
Staatiline karakteristik
Steady-state
dy(
t)
du(
t)
= = 0 ⇒
dt dt
Dünaamiline karakteristik
y 0
y(u)
K 0
u
Nõuded ja piirangud automaatikasüsteemi toimimisele. Dün. siire
y(t)
w+∆
w
w-∆ 0.90
δ
Ülereguleerimine
∆= nt. 5% seadesuurusest
t reg ≤ nõutud siirde aeg
e st ≤ nt . 5%
Seadesuurus
e st
Staatiline viga
Y(t)
u 0
t
K 0 ∆U
0.10
y(0)
t rise
t
t→ ∞
∆U y 0
t reg
Reguleerimise
aeg
Automaatika ajaloost
1868 Maxwell 1892 Ljapunov stabiilsusest
1932 Nyquisti stabiilsus
30-50’ndad: lokaalsed regulaatorid agregaatidel
pneumo -, hüdro- ja elektriseadmed (1. PID)
1950 analoogelektroonikaga
60’ndad
kaasaegne teooria (Kalman, Bellman, )
tsentraliseerimine, tsentr. puldid, tsentr. signaali töötlemine, pikad kaablid
DDC,IC
70-80’ndad
Mikroprotsessor,1.PC
arvutikesksed a.juhtimissüsteemid, hajuslahendused, võrk, operaatorjaam
hägusloogika rakendused
90’ndad
Internet, Intelligent I/O, tehisintellekt
2000
juhtmevabad lahendused, hajutatud arukus
nanotehnoloogia
3