Automaatika alused

LOENGUKURSUSE SISUAutomaatika alusedISS01201,5 – 1,5 - 0 tundi nädalas; 4,0 EAP, arvestuslektor Andres Rähniandres.rahni@dcc.ttu.ee2A-303, tel. 620 2105AutomaatikainstituutAutomaatjuhtimise ja süsteemianalüüsi õppetool1) Kursuse eesmärgid ja korraldus. Kirjandus. Terminoloogia.2) Automaatjuhtimise põhimõtted,automaatika süsteemide ülesehitus,juhitavad protsessid,reguleerimissüsteem,diskreetsete protsesside juhtiminestandardiseeritud funktsionaalsuse esitusvormid3) Automaatika seadmed:juhtseadmed,protsessiliides ( andurid, täiturid),andmeside automaatikasoperaatorliides4) Automaatika (automaatjuhtimise) kasutamise näitedVt. aine programmiArukadhoonedTööstuslikandmesideAutomatiseerimine japrotsessijuhtimineAutomaatikavahendidSidusainedProgrammeritavadkontrolleridAutomaatika alusedArukadjuhtimissüsteemidAutomaatjuhtimissüsteemidOptimaal- jaadaptiivsüsteemidModelleerimine,optimeerimineSÜSTEEMITEOORIAelektrotehnika/elektrisidud, diferentsiaalvõrrandid, (elektroonika),informaatika, füüsika,Kursuse õppetöö korraldusLoeng iga nädal (1-12.näd)K 10.00-11.30 III-302 (EAKI,EAKM)Praktikumid üle nädala ( kokku 8 a 3h)Automaatjuhtimise laboris 2A - 303korraga laboris max.12 tudengit (min. 5)paaritu N/ 9:35-11:45 (alates 1. nädalast)paaritu N/ 12:00-14:15 (alates 1. nädalast)paaritu R/ 14:00-16:15 (alates 1. nädalast)paaris /T 9:45-11.55 (alates 2. nädalast)paaris /N 9:35-11:45 (alates 2. nädalast)paaris /N 12:00-14:15 (alates 2. nädalast)(registreerimine ÕIS-s kuulajaskonnarühmana)Teadmiste kontroll:• 1 kontrolltöö (11. nädalal loengu ajal)• Arvestuse saamiseks on vajalik kõikide praktikumide, kodutöö jakontrolltöö arvestuslik (>50%) sooritamine.(Erandid: praktikumist puudumine, järelkontrolltöö)Praktikumide korraldusKodutöö korraldusII-303+II-3048.00 –9.3010.00 –11.3012.00 –13.3014.00 –15.3016.00 –17.30E T K N RIIVVIIIIIKodutöö on juhtimisalgoritmi realiseerimine PLC-sJuhtimisülesande kokkuleppimine 3. praktikumis.Realiseeritud algoritmi (+ vormistus) presentatsioon (3…5 min) jakaitsmine 7.praktikumis.Juhtimisalgoritmis peab olema kasutatud 3…4 binaarsetsisendsignaali juhitavalt objektilt ja 2 kuni 8 binaarset (väljund)juhtsignaali objektile.Töövahendid:arvutid, simulatsiooni tarkvara (Matlab/Simulink),http://www.mathworks.com/products/programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC)1

Kirjandus1. W.C.Dunn, Fundamentals on industrial instrumentation andprocess control. McGraw-Hill 2005. (681.58/D-90)TTÜ e-raamatud kogus*: http://site.ebrary.com/lib/ttul/2. Robert N. Bateson. Introduction to Control System Technology. 6-ed. Prentice Hall, 1999. (681.5/B-30,VB-83465)3. W. Bolton. Programmable logic controllers : an introduction.Oxford [etc.] : Newnes, c2003 (VB-95105)(5th Ed. 2009 www.knovel.com )4. C. W. De Silva. Sensors and actuators: control systemsinstrumentation. CRC, 2007 (681.58/D-46, VB-103259)A. Rähni. Automaatjuhtimissüsteemid, õppematerjal. TTÜ 2009http://www.dcc.ttu.ee/LAS/materjalid.htm*Instrument Engineers' Handbook, 4th Ed. Vol 2 Process Control and OptimizationEd. B.G. Lipták CRC Press 2006 http://www.crcnetbase.com** Handbook of Air Conditioning and Refridgeration, Ch.5 CONTROL SYSTEMSLisalugemist InternetistAutomaatikainstituudi 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.comChapter 18 Control and Instrumentation Technologyhttp://www.ene.ttu.ee/leonardo/training.html → Automaatika, PLChttp://www.controlguru.com/ (Fundamental, PID, Models, Process Control)http://www.theorem.net/control.html (Resources )http://www.thelearningpit.com (PLC,PLC simul., PID, ...)http://www2.sea.siemens.com/Training/Self+Study+Courses/blended.htmhttp://www.modelingandcontrol.com/ (Process control)Kompetentsuse tasemed- seadmete tööpõhimõtte, funktsionaalsuse tundmine;- kasutamine, häälestamine;- montaaž, ühendamine;Süsteemi mõisteSisend (mingi ressurss), tegevus (teisendus), väljund (tulemus)SisendSuvalist süsteemi võib vaadelda kõigesuurema üldistustaseme puhul kastina,millel on sisend ja väljund. Sisendsuurus(mingi ressurss) siseneb süsteemi ja väljubväljundi kaudu kui tulemus. Üldjuhul püüabsüsteem oma sisendsuurusi mingil moelmuuta (teisendada), st midagi teha. Sellelepõhimõttele vastab peaaegu iga süsteem,mida me oskame ette kujutada. Paljudeljuhtudel on eesmärgiks millegi parandamine(aga ka võimaliku halvenemise vältimine).Ebaõnnestumise korral võib resultaatosutuda mittesobivaks. Süsteemil, mismidagi ei tee, pole otstarvet.JuhtimissüsteemVäljund- hooldus, remont;-projekteerimine, programmeerimine, tootminesüsteemivälineinformatsioon, miskirjeldab, kuidassüsteem/protsesspeab töötama.JuhttoimeControl inputSisendÜldistustaset vähendades võib süsteemivaadelda koosnevana kahest osast:“Protsess” ja “Juhtseade”. Selliselähenemise puhul täidab protsessteisendamise ülesannet (n-ö teeb tööd) jajuhtseade (controller) juhib ning korraldabprotsessi talitlust nii, et ta edukalt(soovitud (objekt)viisil) töötaks. Ilmajuhtseadmeta võib iga omapead jäetudprotsess käituda mitte päris nii, nagu metahaksime.Controlled plantNende kahe ploki omavaheliste seostealusel võib teha järelduse, et side onkahepoolne. Juhtseade vajab mingitteavet protsessi oleku kohta, etotsustada, milliseid käske anda. Protsesspeab Juhtseadeneid käske (juhttoimet) vastu võtma,et õigesti talitleda. Mõlemas suunasedastatakse sisuliselt informatsiooni.Seega tegeleb juhtseade samutiteisendamisega ja omab sisendit ningväljundit analoogselt suvaliseleprotsessile.ControllerVäljundInformatsioon-mõõdetav suurusAUTOMAATIKAAUTOMAATJUHTIMINE - inimese vahetu osavõtuta juhtimineAutomaatjuhtimissüsteemide(AJS) liigitus:Closed-loop1) Ülesehituse järgi : avatud / tagasisidestatud (suletud)struktuuriga süsteemid2) Tööiseloomu järgi: pidevad / diskreetsed (katkelise toimega)süsteemid3) Toimekauguse järgi: lokaal- / distants- / kaugsüsteemidjm.AUTOMAATIKA EESMÄRGIDÜlesanded1) Majanduslikud: täpsus (kvaliteet), tootlikus,ressursi kokkuhoid,töökindlus,tehniline realiseeritavus2) Ohutus: inimestele (kasutajale),keskkonnale3) Seadmete kaitse: erandolukordade vältimine ja kõrvaldamineAUTOMAATKONTROLLjälgimine (seire),registreerimine (mõõtmine),erandolukordade avastamine (signalisatsioon)Automaatkaitse (ebanorm. olukordade vältimine)HIND(võimalused)maksumus,kulud (aeg)KVALITEET(vajadused)(tehn. tingimused)tootlikkus, täpsus,ohutus, ressurss2

Avatud JSSisendA. JUHTIMISSÜSTEEMIDE(JS) liigitus 1.Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3UY VäljundJuhtseadeProtsessNõuded protsessiJuhttoime(juhitavtööle (seadesuurus)suurus)____________________________________________________________Suletud e. Tagasisidestatud JSr +Seadesuurus(nõudedprotsessitööle)-Häiring 1 Häiring 2 Häiring 3TagasisideAndurr +-eTalitlusskeemina:operating sketchfunktsionaalne muundurxNtäituriga klapp xVjuhitav voog uSEADMEDseadesuuruseetteandmineActuatorHxxCregulaatorUProtsesstransmitter AndurSensorxTxExIRtransmitterandurYsalvestavindikaatory - mõõdetav suurusPROTSESSwCONTROLLER+ -eControlling systemControlalgorithmControl loopsupplyU ActuatormControlledsystemPROCESSFinalcontrolelementyMeasuringequipmentFinal Control equipmentw - reference (desired) value* (also setpoint, SP)e - error signal*, e = w - ŷU - control signal (low power, information)m - manipulated variable*y - controlled variable (actual value, PV)** - IEC chief symbolv*AutomaatjuhtimineAutomaatreguleerimine - juhttoime sõltub ainultveasignaalist. Juhtseade = regulaator(liigitus nõuete ajaliste omaduste järgi:)Stabiliseerimine - seadesuurus püsib muutumatuna.Järgivjuhtimine - juhtimine väliselt muudetavaseadesuurusega.(nt. servosüsteemid)Programmjuhtimine - juhtimine varem koostatud eeskirja(programmi) järgi(nt. arvjuhtimissüsteemid)KirjeldamineJuhitavate protsesside ja teiste süsteemi seadmete lihtsustatud mudeliteesitusvormid. u – sisend, y – väljund, y=f(u)Staatiline karakteristikSteady-statedy(t)du(t)= = 0 ⇒dt dtDünaamiline karakteristiky 0y(u)K 0uNõuded ja piirangud automaatikasüsteemi toimimisele. Dün. siirey(t)w+∆ww-∆ 0.90δÜlereguleerimine∆= nt. 5% seadesuurusestt reg ≤ nõutud siirde aege st ≤ nt . 5%Veasignaale UY VäljundJuhtseadeProtsessJuhttoimeJuhtseadeTäiturseadeReguleerivorganSeadesuuruse stStaatiline vigaY(t)u 0tK 0 ∆U0.10y(0)t risett→ ∞∆U y 0t regReguleerimiseaeg3

Näide (toa temperatuuri juhtimine 1.)seadesuurus (= const; - käsijuhtimine / = f(t); - programmjuhtimine)r(t)tuba21°min max18°H P Õ ÖküttevesiT(°C)tT Ventiilk ° ± …r(t)RadiaatorOtseside – häiringute arvestamineFeedforwardy = F(u,h)hur JSOy = K 0 · u + K h·hyreguleeritav suurusT(°C)26°C20°C15°Cmin max Ventiili pöördenurk – juhttoimeT° skaala ventiilil – seadesuurus15° 20° 26°Häiringute suurust mõõtes on võimalik nende mõju vähendadau = (y - K h·h)/K 0 ; r == y ⇒ u = (r - K h·h)/K 0 = r/K 0 - K h·h/ K 0Probleemid:-ebatäpsed mudelid (K 0 , K h )-mittemõõdetavad häiringud-mittestabiilsed objektid-kiired protsessidküttevesikatlastNäide (toa temperatuuri juhtimine 2.)Välistemperatuuri arvestamine compensationJuhtseadekehvem soojapidavus,väike küttev pindT k °VentiilküttegraafikudRadiaatorT(°C)T k °tubaT V °Tagasiside (staatika)r +-eJS(regulaator)u = K R·e = K R·(r-y)⎛ KO⋅ K ⎞ ⎛ K ⎞Rhy =⎜r⋅hKOK⎟⋅+⎜RKOK⎟⎝1+⋅ ⎠ ⎝1+⋅R ⎠uhy = K 0 · u + K h·hMõisted:TS ahela võimendus L = K 0 · K R L >>1 Loop transfersuletud süsteemi ülekanne (r → y) T ≈ 1 T = L / (1+L)tundlikkus S = 1 / (1+L) S

A. Juhtimissüsteemide(JS) liigitus 2.Signaalid seadmete vahel ja seesPidevad JSSüsteemi signaalid on pideva aja funktsioonid. Nt. e = f(t)(teatud piirkonnas lõpmatu arv väärtusi !?)x(t)Pidevaja s.tihti (el.) analoogsignaal- piiramatu arv amplituudi hetkväärtusiInformatsiooni esituseks signaalidena kasutatakse mitmesuguste füüsiliste suuruste(nt. elektriliste, pneumaatiliste ) variatsioonetkvanditud (quantized) amplituudigaDiskreetaja JSOsades süsteemi punktides on signaalid esitatud impulsside jadana (st.diskrteetajas) või digitaalkoodina. (lõplik e loendatav arv väärtusi)r*+-JuhtseadeD/AU(t)ProtsessY(t)A/Dx(t)Diskreetaja s.tx(t) x*(t) x(t)hoidurmodulaator nt. zoh(Sampler)Diskreetsignaal (sampled-)- piiramatu arv amplituudihetkväärtusi (diskreete), x*(t)amplituud moduleeritud impulss-signaalDigitaalsignaal (digital-)- kvanditud amplituudigasaab esitada kahendarvude jadanarSample& Hold+ A/DJuhtseadetaktAnaloogsignaal(-id)Digitaalsignaal(-id)Digitaalne AJSD/A +holderhttp://www.ddc-online.orgJuhtalgoritmPROTSESSY(t)U(t)mõõteseadmed#Diskreetne protsessT1Olek 2Olek 1 T2Olek nka binaarsed signaalid (kahe amplituudiga)A/D - analog / digital muundurD/A - digital / analog muundurTäielik automatiseerimineAutomatiseerimise tasemedEttevõttejuhtimistaseäriloogika jatooteloomeProtsessidejuhtimistaseandmesidevõrgudseire jaa.juhtimineintegreeritud süsteemid (mitu koostöös):- automaatjuhtimissüsteem (kõrgem eesmärk)- protsessijuhtimissüsteem (operaator)automaatreguleerimissüsteemAndurite /täiturite taselokaalautomaatika5