Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού"

Πολωνα Σπυρόπουλος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

διαγράμματα Δ. Δημογιαννόπουλος, dimogian@teipir.gr Επ.

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑIΟΥ & ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τ.Τ. Τμήματα Ναυτιλίας και Επιχειρηματικών Υπηρεσιών & Μηχ. Αυτοματισμού ΤΕ Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού Ενότητα # 1: Βασικές έννοιες Μπλόκ διαγράμματα Δ. Δημογιαννόπουλος, dimogian@teipir.gr Επ. Καθηγητής Τμήματος Μηχανικών Αυτοματισμού Τ.Ε Σ. Βασιλειάδου, svasil@teipir.gr Καθηγήτρια Εφαρμογών Τμήματος Μηχανικών Αυτοματισμού Τ.Ε

2 Σκοποί ενότητας Ορισμός συστήματος αποσαφήνιση εννοιών Συστήματα & έλεγχος ως επιστήμη και καθημερινότητα Μέθοδοι απεικόνισης (μελέτης!) εφαρμογών: Χαρακτηριστικά λειτουργίας, συν και πλην. 2

3 Περιεχόμενα ενότητας (1) Βασικές έννοιες Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 (Συμπεράσματα) Βασικές έννοιες Κατηγορίες Χαρακτηριστικών Συστημάτων 3

4 Περιεχόμενα ενότητας (2) Μπλόκ διαγράμματα Απεικόνιση Συστημάτων Μπλόκ διαγράμματα Διαταραχή Μπλόκ διαγράμματα Παράδειγμα συστήματος με διαταραχή Μπλόκ διαγράμματα Open loop Μπλόκ διαγράμματα Open loop (Προβλήματα) 4

5 Περιεχόμενα ενότητας (3) Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Συμπεράσματα) Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Παραδείγματα) Καθημερινά παραδείγματα Συστημάτων και ελέγχου τους Παρατηρήσεις 5

6 Βασικές έννοιες

7 Σύστημα Βασικές έννοιες Σύνολο μηχανισμών/συσκευών στο περιβάλλον που επιτελούν συγκεκριμένη δραστηριότητα. 7

8 Σύστημα Βασικές έννοιες Σύνολο μηχανισμών/συσκευών στο περιβάλλον που επιτελούν συγκεκριμένη δραστηριότητα. Ελεγχόμενο Σύστημα Σύνολο μηχανισμών/συσκευών στο περιβάλλον που επιτελούν συγκεκριμένη δραστηριότητα και το οποίο θέλουμε να έχει συγκεκριμένη συμπεριφορά. 8

9 Σύστημα Βασικές έννοιες Σύνολο μηχανισμών/συσκευών στο περιβάλλον που επιτελούν συγκεκριμένη δραστηριότητα. Ελεγχόμενο Σύστημα Σύστημα Ελέγχου Σύνολο μηχανισμών/συσκευών στο περιβάλλον που επιτελούν συγκεκριμένη δραστηριότητα και το οποίο θέλουμε να έχει συγκεκριμένη συμπεριφορά. Σύνολο διατάξεων εφαρμοζόμενων στο Ελεγχόμενο Σύστημα μέσω των οποίων υλοποιείται η επιθυμητή συμπεριφορά αυτού. 9

10 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1

11 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 Παράδειγμα 1: Ρυθμιστής του Watt 11

12 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 Σύστημα ελεγχόμενο: Κινητήριος άξονας περιστρεφόμενος με ω [r/s] (+ρουλεμάν κτλ) Σύστημα ελέγχου: Ατμολέβητας, θυρίδα εισαγωγής, φτερωτή τουρμπίνας, γρανάζια, μηχανισμός μαζών κτλ. Έλεγχος (Αυτόματος): Επίτευξη της ταχύτητας ω [r/s] χωρίς παρέμβαση ανθρώπου 12

13 Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 (Συμπεράσματα) Άρα: Ποσότητα ατμού άνοιγμα θυρίδας εισαγωγής => Πιέση σε φτερωτή => Ταχύτητα άξονα και {Φυγοκέντριση μαζών m} Πώς εκτελείται αυτόματη ρύθμιση του άξονα; 13

14 Αν ΑΡΑ Βασικές έννοιες Παράδειγμα 1 ω αυξηθεί m γυρίζουν γρηγορότερα απόσταση διευρύνεται δακτύλιος βάσης πάνω θυρίδα εισαγωγής κλείνει ω μειώνεται! (Συμπεράσματα) Αυτόματος καθορισμός επιθυμητής ταχύτητας ω του άξονα 14

15 Βασικές έννοιες Κατηγορίες Χαρακτηριστικών Συστήματος

16 Βασικές έννοιες Κατηγοριοποίηση Σύστημα: Μάζα-ελατήριο {έχει συγκεκριμένη δομή (structure)!} 16

17 Βασικές έννοιες Κατηγοριοποίηση Σύστημα: Μάζα-ελατήριο {έχει συγκεκριμένη δομή (structure)!} Περιβάλλον: Τοίχος, δάπεδο με τριβή 17

18 Βασικές έννοιες Κατηγοριοποίηση Σύστημα: Μάζα-ελατήριο {έχει συγκεκριμένη δομή (structure)!} Περιβάλλον: Τοίχος, δάπεδο με τριβή Εισάγεται: Δύναμη f(t), το σύστημα μέσω χρήσης αυτής 18

19 Βασικές έννοιες Κατηγοριοποίηση Σύστημα: Μάζα-ελατήριο {έχει συγκεκριμένη δομή (structure)!} Περιβάλλον: Τοίχος, δάπεδο με τριβή Εισάγεται: Δύναμη f(t), το σύστημα μέσω χρήσης αυτής Εξάγεται: Μετατόπιση y(t) που είναι και το χρήσιμο «προϊόν» 19

20 Μπλόκ Διαγράμματα Απεικόνιση Συστημάτων

εισάγεται Block: Κομμάτι συστήματος ή όλο (με κάποια

21 Μπλόκ Διαγράμματα Συστημάτων Θέλουμε κωδικοποιημένο συμβολισμό των προηγουμένων: Είσοδος: Ενέργεια που εισάγεται Block: Κομμάτι συστήματος ή όλο (με κάποια δομή) που επεξεργάζεται ενέργεια Έξοδος: Προϊόν της διαδικασίας 21

22 Μπλόκ διαγράμματα - Διαταραχή Και η τριβή; 22

23 Μπλόκ διαγράμματα - Διαταραχή Και η τριβή; Είναι κάτι (εδώ!) ανεπιθύμητο που χαλάει το προϊόν (έξοδο) 23

24 Μπλόκ διαγράμματα - Διαταραχή Και η τριβή; Είναι κάτι (εδώ!) ανεπιθύμητο που χαλάει το προϊόν (έξοδο) δηλαδή κάτι σαν «θόρυβος» (noise) ή διαταραχή (disturbance) 24

25 Μπλόκ Διαγράμματα Παράδειγμα συστήματος με Διαταραχή

26 Μπλόκ διαγράμματα Παράδειγμα συστήματος με διαταραχές Παράδειγμα συστήματος με διαταραχές: 26

27 Μπλόκ διαγράμματα Παράδειγμα συστήματος με διαταραχές Παράδειγμα συστήματος με διαταραχές: Ριπές Ανέμου Λεπτομέρειες Καιρού Σφάλματα οργάνων. 27

28 Μπλόκ διαγράμματα Φυσικά θέλουμε μια λεπτομερέστερη αναπαράσταση του συστήματος (Γιατί; Μα εάν δεν το περιγράψεις σωστά, πώς μετά να ερμηνεύσεις σωστά τη λειτουργία του;) ΑΡΑ Για την αλυσίδα σταδίων καθορισμού κλίσης ρύγχους (Pitch) του αεροσκάφους: 28

29 Μπλόκ διαγράμματα Παράδειγμα 29

30 Μπλόκ διαγράμματα - Συμπεράσματα ΔΗΛΑΔΗ Παράγεται ρυθμός κλίσης (Pitch rate) με απόφαση του «μυαλού» (=ελεγκτής) και χρησιμοποιώντας μια αλυσίδα συστημάτων 30

31 Μπλόκ Διαγράμματα Open Loop

32 Μπλόκ διαγράμματα Open Loop r(t) Επιθυμητός ρυθμός από συνθήκες πτήσης Πιλότος «Μυαλό» u(t) Κίνηση stick Control Surfaces Πτερύγια κλίσης (flaps, ailerons, κτλ) u cs (t) Μετακίνηση πτερύγιων Aircraft hull Άτρακτος (μέγεθος, φορτίο, αεροδυναμική) y(t) Pitch rate Ελεγκτής αποφασίζει βάση εντολής r(t) Αλυσίδα ελέγχου σε «ευθεία»: Έλεγχος ανοικτού βρόχου (Open loop) Παρατηρήσατε την «ευθεία αλυσίδα» εισόδου-εξόδου: Open loop 32

33 Μπλό Διαγράμματα Open Loop Προβλήματα Και τι συμβαίνει όταν έχουμε ριπές ανέμου; Ή κάποιο από τα πτερύγια λειτουργεί προβληματικά; Ή, Ή, 33

34 Μπλόκ διαγράμματα - Προβλήματα Ο ελεγκτής θα πρέπει να διορθώσει στη βάση του προβλήματος (διαταραχή) που υπάρχει! d Διαταραχή Πιλότος u(t) Control Surfaces u cs (t) Aircraft hull y(t) Ξέρει ο ελεγκτής πώς αλλάζει το y(t) λόγω της διαταραχής όταν έχουμε ανοικτό βρόχο; ΟΧΙ. Άρα τι; 34

35 Μπλόκ Διαγράμματα Closed Loop

36 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop d Διαταραχή Πιλότος u(t) Control Surfaces u cs (t) Aircraft hull y(t) Ανατροφοδότηση (feedback) της εξόδου y(t) και σύγκριση με την επιθυμητή τιμή: Τώρα ο ελεγκτής ΞΕΡΕΙ!!! Έλεγχος κλειστού βρόχου (Closed loop) 36

37 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Συμπεράσματα) Άρα: Με τη χρήση κλειστού βρόχου: Μας επιτρέπεται η πολυτέλεια να έχουμε γνώση για την εκάστοτε (= εξελισσόμενη) κατάσταση της εξόδου σε σχέση με την είσοδο 37

38 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Συμπεράσματα) Άρα: Με τη χρήση κλειστού βρόχου: Μας επιτρέπεται η πολυτέλεια να έχουμε γνώση για την εκάστοτε (= εξελισσόμενη) κατάσταση της εξόδου σε σχέση με την είσοδο Δηλαδή, έχουμε γνώση του σφάλματος (τι «θέλω» τι «έχω») στη ρύθμιση της εξόδου ενός συστήματος, υπό διαταραχές 38

39 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Συμπεράσματα) Άρα: Με τη χρήση κλειστού βρόχου: Μας επιτρέπεται η πολυτέλεια να έχουμε γνώση για την εκάστοτε (= εξελισσόμενη) κατάσταση της εξόδου σε σχέση με την είσοδο Δηλαδή, έχουμε γνώση του σφάλματος (τι «θέλω» τι «έχω») στη ρύθμιση της εξόδου ενός συστήματος, υπό διαταραχές Επομένως και (με χρήση κατάλληλου ελεγκτή) την ελαχιστοποίηση ή μηδενισμό του σφάλματος, σε πλειάδα συνθηκών 39

40 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Συμπεράσματα) Άρα: Με τη χρήση κλειστού βρόχου: Μας επιτρέπεται η πολυτέλεια να έχουμε γνώση για την εκάστοτε (= εξελισσόμενη) κατάσταση της εξόδου σε σχέση με την είσοδο Δηλαδή, έχουμε γνώση του σφάλματος (τι «θέλω» τι «έχω») στη ρύθμιση της εξόδου ενός συστήματος, υπό διαταραχές Επομένως και (με χρήση κατάλληλου ελεγκτή) την ελαχιστοποίηση ή μηδενισμό του σφάλματος, σε πλειάδα συνθηκών Η επιτήρηση και ανατροφοδότηση της εξόδου (=του σφάλματος) επιτρέπει και τη ρύθμιση της εξέλιξης τους με χρήση κατάλληλου ελεγκτή (ρύθμιση δυναμικών χαρακτηριστικών συστήματος) 40

41 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Άλλο Παράδειγμα) Ρυθμιστής Watt 41

42 Μπλόκ διαγράμματα Closed Loop (Ρυθμιστής Watt) Η ρύθμιση ταχύτητας άξονα με το ρυθμιστή Watt Μέσω θυρίδας, ράβδου r(t) Είσοδος ατμού που αντιστοιχεί σε W επιθυμητή + - Περιορισμός Ατμού Θυρίδα Ελεγκτής Ράβδοι u(t) Στρόβιλος άξονας Μετατροπή Μέτρηση Μάζες m μετατρέπουν ταχύτητα σε κατακόρυφη μετατόπιση δακτυλίου w 1 Γρανάζια w(t) 42

43 Μπλόκ Διαγράμματα Καθημερινή συμπεριφορά και Σ.Α.Ε.

44 Καθημερινά Παραδείγματα Συστημάτων και Ελέγχου τους «Πηγαίνω στη βρύση και γεμίζω ποτήρι με νερό» Ερωτήματα Πώς ελέγχω (θέση μόνο ή και κάτι άλλο); 44

45 Καθημερινά Παραδείγματα Συστημάτων και Ελέγχου τους «Πηγαίνω στη βρύση και γεμίζω ποτήρι με νερό» Ερωτήματα Πώς ελέγχω (θέση μόνο ή και κάτι άλλο); «Μέτρηση/Μετατροπή» γιατί; 45

46 Καθημερινά Παραδείγματα Συστημάτων και Ελέγχου τους «Πηγαίνω στη βρύση και γεμίζω ποτήρι με νερό» Ερωτήματα Πώς ελέγχω (θέση μόνο ή και κάτι άλλο); «Μέτρηση/Μετατροπή» γιατί; Σφάλμα: Πότε σταματώ την λειτουργία του παραπάνω σχήματος; 46

47 Καθημερινά Παραδείγματα Συστημάτων και Ελέγχου τους «Περνώ τον δρόμο, όπου κυκλοφορούν αυτοκίνητα, ώστε να φτάσω στο απέναντι πεζοδρόμιο» «Τοποθετώ το αντικείμενο x πάνω στο τραπέζι, σηκώνοντας το από το πάτωμα» 47

48 και μια εφαρμογή σε οικονομικά συστήματα: Ο κύκλος του ΑΕΠ 47α

49 Παρατηρήσεις Μπορούμε να έχουμε συστήματα περισσοτέρων από μιας εισόδου αλλά/ και εξόδων (Multi Input Multi output MIMO). Η επιλογή του ελεγκτή καθορίζει τη συμπεριφορά του ελεγχόμενου συστήματος. Ο έλεγχος ίσως έχει ως αντικείμενο την παρακολούθηση σήματος (αντί μιας μόνης τιμής) αναφοράς (tracking διαδρομής από robot). Ο έλεγχος μπορεί να έχει ως αντικείμενο την διατήρηση της εξόδου μεταξύ δύο τιμών (έλεγχος θερμοκρασίας χώρου). 48

50 Τέλος Ενότητας

Σχετικά έγγραφα

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 1: Βασικές έννοιες Μπλόκ διαγράμματα Δ. Δημογιαννόπουλος, dimogian@teipir.gr Επ. Καθηγητής Τμήματος Μηχανικών