Struktura i charakterystyka układów sterowania i regulacji

Dążenie do zapewnienia jak największej efektywności procesów produkcyjnych, przejawiającej się maksymalizacją wydajności i jakości, zmniejszaniem rozmiarów urządzeń, ograniczaniem zużycia energii oraz wzrostem złożoności procesów technologicznych, powoduje eliminowanie (lub ograniczenie) udziału człowieka w zakresie realizacji procesów, szczególnie w zakresie sterowania procesami. Wynika z tego konieczność automatyzowania procesów produkcyjnych.

Rozróżnia się grupy procesów:

• przetwórcze (związane ze zmianą stanu fizycznego lub składu chemicznego materiałów),
• obróbcze (związane ze zmiana kształtu materiału),
• transportowe.

Automatyka obejmuje zagadnienia teoretyczne i praktyczne zmierzające do eliminowania lub ograniczania bezpośredniego udziału człowieka przy wykonywaniu różnych zadań.

Automatyzacja jest to wprowadzanie elementów, urządzeń, układów zastępujących pracę człowieka przy realizacji różnych procesów (nie tylko produkcyjnych). Na co dzień korzystamy z lodówek, pralek automatycznych, wind, systemów automatycznych w pojazdach – co świadczy o powszechnym wpływie automatyki na życie ludzi. Każdy proces technologiczny można przedstawić w postaci schematu blokowego. Na proces oddziałują strumienie materiałów i energii. Optymalizacji przebiegu procesu, czyli minimalizacji zużycia energii, minimalizacji strat, maksymalizacji parametrów informacji wyjściowych przy założeniu stałości informacji wejściowych, można dokonywać poprzez odpowiednie sterowanie procesem. Sterowanie procesu polega na oddziaływaniu na strumienie energii lub materiałów w taki sposób, aby zrealizowany został zamierzony przebieg procesu. Oddziaływanie to może być realizowane przez człowieka (sterowanie ręczne) lub przez zespół środków technicznych zastępujących człowieka w czynnościach nadzoru i wpływania na przebieg procesu (sterowanie automatyczne). Zanim proces będzie można zautomatyzować, musi być on wcześniej poddany mechanizacji.

Mechanizacja polega na zmniejszaniu lub eliminowaniu wysiłku fizycznego człowieka (zmniejszaniu lub eliminowaniu pracy fizycznej człowieka) zaangażowanego w realizację procesu, natomiast dzięki automatyzacji można ograniczyć (lub wyeliminować) nie tylko wysiłek fizyczny, ale również wysiłek umysłowy człowieka. Przykładem mechanizacji może być zastąpienie ręcznego posuwu suportu obrabiarki przesuwem za pomocą silnika elektrycznego uruchamianego przyciskami. Automatyzacja jest realizowana dzięki budowaniu układów automatyki. Układem automatyki jest zespół elementów biorący bezpośredni udział w sterowaniu automatycznym określonego procesu oraz elementów pomocniczych uporządkowanych na zasadzie ich wzajemnej współpracy, tzn. zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów.

Ze względu na strukturę układu, w którym odbywa się sterowanie rozróżniamy układy sterowania w układzie:

• otwartym (rys. 1.2.),
• zamkniętym, tj. w układzie ze sprzężeniem zwrotnym (rys. 1.3.).

W uproszczeniu układ sterowania można przedstawić za pomocą schematu blokowego przedstawionego na rysunku 1.2.
 

Rys. 1.2. Schemat blokowy układu sterowania
[https://sites.google.com/site/zsaiowzywcu/technika-kl-2-mopim/automatyka]

Celem działania układu sterowania otwartego jest kształtowanie sygnału wyjściowego zgodnie z programem określonym przez sygnał zadany. Sygnał zadany może być wprowadzany przez:

• człowieka,
• urządzenie pomiarowe informujące o zaistnieniu pewnego szczególnego stanu układu,
• urządzenie zmieniające ten sygnał według założonego programu w czasie.
   

W przypadku wprowadzania sygnału sterującego przez człowieka mówimy o sterowaniu ręcznym. W sytuacji, kiedy robi to urządzenie – mówimy o sterowaniu automatycznym.

Rys. 1.3. Schemat blokowy układu sterowania w układzie zamkniętym
[https://sites.google.com/site/zsaiowzywcu/technika-kl-2-mopim/automatyka]

Cechą charakterystyczną układu sterowania otwartego jest brak informacji o wartości sygnału wyjściowego i nie gwarantuje pełnego osiągnięcia celu sterowania. Układy te spełniają stosunkowo proste funkcje i nie umożliwiają uzyskania dużej dokładności sterowania. Mała dokładność układów sterowania otwartego związana jest z występowaniem zakłóceń.

Aby skompensować wpływ zakłóceń na wartość sygnału wyjściowego należy mierzyć wartość wielkości wyjściowej, a następnie porównywać z wartością zadaną i wynik porównania wykorzystać do korygującego działania urządzenia sterującego. Realizacja tego działania odbywa się dzięki istnieniu sprzężenia zwrotnego. Istnienie sprzężenia zwrotnego jest cecha charakterystyczną układów sterowania zamkniętego.

W układzie zamkniętym można wyróżnić tak zwany tor główny, w którym znajduje się zawsze obiekt regulacji (sterowania) i tor sprzężenia zwrotnego (krócej: sprzężenie zwrotne), w którym znajdują się elementy mierzące wielkość regulowaną (sterowaną), porównujące ją z wartością zadaną itd. Tor główny odpowiada najczęściej podstawowemu procesowi technologicznemu i jest zwykle miejscem występowania najistotniejszych dla procesu zakłóceń. Pętla sprzężenia zwrotnego obejmuje tor główny od węzła sumacyjnego do węzła rozgałęźnego i tor sprzężenia zwrotnego od węzła rozgałęźnego do węzła sumacyjnego (zgodnie z kierunkiem przepływu sygnałów). Ze sprzężeniem zwrotnym mamy do czynienia, gdy w procesie skutek oddziałuje na przyczynę, czyli innymi słowy sygnał wyjściowy sterowanego procesu ma wpływ na sygnał wejściowy. Sprzężenie zwrotne może być:

• dodatnie,
• ujemne.
   

Sprzężenie zwrotne dodatnie występuje wtedy, gdy wzrost któregokolwiek z sygnałów w pętli, po przejściu przez wszystkie elementy tworzące pętlę, spowoduje dalsze zwiększanie wartości tego sygnału (tzn. gdy skutek wzmacnia przyczynę).

Sprzężenie zwrotne ujemne będzie występować w przypadku, gdy wzrost któregokolwiek z sygnałów, po przejściu przez wszystkie elementy tworzące pętlę, pociąga za sobą kompensację tego wzrostu (tzn. gdy skutek osłabia przyczynę).

Sterowanie – celowe oddziaływanie na określony obiekt (urządzenie lub proces), tak, aby osiągnąć pożądane zachowanie obiektu (urządzenia lub pożądane cechy procesu).

Sygnał – dowolna wielkość fizyczna występująca w procesie sterowania, będąca funkcją czasu i wykorzystywana do przekazywania informacji. Informacja zawarta jest w wartości lub kształcie przebiegu sygnału. Sygnałem może być więc np. napięcie elektryczne, prąd lub częstotliwość w układach elektrycznych, ciśnienie w układach pneumatycznych lub hydraulicznych, przesunięcie (liniowe lub kątowe) w układach mechanicznych.

Określone wartości napięć czy ciśnień lub określony kształt ich zmiany dostarczają danych o stanie układu zatem sygnał jest nośnikiem informacji.

Obiekt sterowania (obiekt sterowany) – jest to proces (lub urządzenie) poddawany sterowaniu.

Sygnały wejściowe (wymuszające) – sygnały mające wpływ na przebieg procesu realizowanego przez obiekt sterowania. Sygnały wejściowe mogą być:

• sterujące (użyteczne), zwane sterowaniami,
• zakłócające, zwane zakłóceniami.

Sygnały sterujące generowane są celowo przez człowieka lub urządzenia sterujące i wprowadzane do układu w celu kształtowania sposobu przebiegu procesu realizowanego w obiekcie sterowania.

Sygnały zakłócające związane są z otoczeniem, w którym proces jest realizowany lub ze specyfiką przebiegu procesu – mogą nimi być np. niestabilność temperatury lub ciśnienia środowiska, w którym realizowany jest proces, niestabilność strumienia energii dostarczanej do obiektu sterowania, straty materiałów lub energii występujące podczas przebiegu procesu. Sygnały zakłócające wpływają negatywnie na przebieg procesu i są niepożądane.

Sygnały wyjściowe – sygnały będące efektem realizacji przez obiekt sterowania procesu technologicznego. Sygnały te oddziałują na otoczenie (środowisko, w którym przebiega proces, inne urządzenia, inne powiązane procesy.

Urządzenie sterujące(sterownik, regulator) – urządzenie przetwarzające sygnały wejściowe (zadane) i generujące sygnały sterujące przekazywane do obiektu sterowania.

Przykładem układu sterowania w systemie otwartym jest układ sterowania poziomu wody w zbiorniku. Aby osiągnąć określony przyrost poziomu wody h należy włączyć pompę na czas t. Nie występuje w tym przypadku bezpośrednie powiązanie między przyrostem poziomu wody w zbiorniku, a czasem pracy pompy. Załączenie pompy nie zależy od przyrostu poziomu cieczy, lecz od decyzji operatora pompy (rys. 1.4.).
 

Rys. 1.4. Przykład układu sterowania otwartego
[ftp://ztchs.p.lodz.pl/Automatyka-WdWInzynierii/WdWI-2012-AD.pdf]

Układ automatycznego sterowania w systemie zamkniętym nazywany jest układem automatycznej regulacji.

Regulacją nazywa się taki sposób sterowania, w którym wykorzystano sprzężenie zwrotne, tzn. oddziaływanie wyjścia obiektu na wejście polegające na tym, że sygnały odpowiedzi danego obiektu mają wpływ na kształtowanie sygnałów sterujących (rys. 1.4.).

Podstawowymi członami układu regulacji są: regulator i obiekt regulacji, a występujące w nim sygnały to:

x(t) – sygnał regulowany (wyjściowy),
x0(t) – sygnał wartości zadanej,
e(t) – sygnał uchybu,
u(t) – sygnał sterujący (nastawiający),
z(t) – sygnał zakłócający.

Rys. 1.5. Schemat układu automatycznej regulacji
[opracowanie własne]

Przykładem układu automatycznej regulacji jest układ regulacji temperatury przedstawiony poniżej. Zadaniem tego układu regulacji jest utrzymanie wewnątrz pojemnika stałej temperatury ϑ0 wyższej od temperatury otoczenia ϑz. Rolę elementu zadającego, czujnika, sumatora i regulatora spełnia termometr stykowy, którego górna elektroda może być odpowiednio przesuwana. Przekaźnik, przerywający obwód zasilania grzejnika wówczas, gdy temperatura wewnątrz pojemnika ϑ przekroczy wartość zadaną ϑ0, pełni funkcję wzmacniacza mocy i może być uważany za element wyjściowy regulatora. Wielkością
regulowaną jest temperatura ϑ wewnątrz pojemnika, sygnałem sterującym – napięcie U zasilające grzejnik, a zakłóceniem zmieniająca się temperatura otoczenia ϑz.

Rys. 1.6. Przykład układu automatycznej regulacji temperatury
[ftp://ztchs.p.lodz.pl/Automatyka-WdWInzynierii/WdWI-2012-AD.pdf]

Rys. 1.7. Schemat blokowy układu automatycznej regulacji temperatury przedstawionego na rys. 1.6.
[ftp://ztchs.p.lodz.pl/Automatyka-WdWInzynierii/WdWI-2012-AD.pdf]
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.