CW01 - TeorieCW01 - Teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb...

CW01 - Teorie

měření a

regulace

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.ZS – 2014/2015

cv. 7.0Teorie regulace

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

cv.7.-2Teorie regulace

Teorie měření

a regulace

ZS – 2014/2015

Ústav technologie, mechanizace

a řízení staveb

T- MaR

© VR - ZS 2010/2011

Další hlavní téma předmětu

se dotýká obsáhlé oblasti

řízení systémů ………….…

…. jsou míněny systémy technologické,

pohonné, apod. – jedná se tedy o

REGULACE

……

KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY

T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

aneb

TEORIE ŘÍZENÍ

Základy

KYBERNETIKY


TEORIE REGULACE

chcete-li

T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

TEORIE ŘÍZENÍ

TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA

Kybernetika

… popis obecných zákonitostí týkajících se řízení a řídicích systémů

i přenosu informací.

Velice úzce souvisí s rozvojem techniky, který nastal v období před

druhou světovou válkou a v jejím průběhu.

Hnacím motorem tehdejšího vývoje a pokroku bylo bohužel váleč-

nické úsilí.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Ruku v ruce s válečným úsilím a tedy s rozvojem zbrojního

průmyslu šel i všeobecný rozmach průmyslu a technologických

procesů, které začaly vyžadovat kvalitnější řízení, než které bylo,

dejme tomu, v polovině meziválečného období.

V té době se ukázalo, že člověk a jeho reakční doby jsou pro mnoho

procesů příliš dlouhé, že nestačí zpracovat potřebné množství

informací z procesu a vyhodnotit z nich příslušné zásahy.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Potvrdilo se tak známé, že člověk je málo pružným článkem řízení a

že je nezbytné ho nahradit stále pozorným, stále stejně rychle

reagujícím a stále stejně reagujícím nezávislým (automaticky

pracujícím) systémem.

Rozvíjející se technika nutně vyžadovala „odstranit“ člověka a jeho

působení ……

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Je známo, že jako první formulovali základní poznatky

N. Wiesner, J. Biglow a A. Rosenblueth

při studiu fyziologických procesů ve vztahu obsluha – stroj.

Vzhledem k časovému období to bylo z vojenské oblasti – při práci

na principech protileteckých zaměřovačů, při sledování jejich pra-

covních procesů a při praktické práci s nimi.

A nebyli sami, jen válečné utajování mnohé další osobnosti zamlčelo

tak, že se nakonec „ztratili“ v nejrůznějších válečnických archivech.

Ale naštěstí jejich výsledky a závěry už to tak striktně nepotkalo.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Diskuze kolem tehdejších poznatků a další rozvoj přijatých závěrů

vedlo v letech 1947 – 1948 k definování zásad nového oboru

nazvaného Kybernetics - Kybernetika.

Jméno bylo odvozeno od řeckého „kybernetikos“, které lze přeložit

jako kormidelník (ten co určuje směr).

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ

Za zakladatele kybernetiky je považován

americký matematik Norbert Wiener,

který vydal v roce 1948 knihu

„Kybernetika aneb Řízení a sdě-

lování u organismů a strojů“Shromáždil, sladil a teoreticky skloubil a

následně v knize popsal své výsledky – de-

finoval teorie a principy tohoto základního

(systémového) vědního oboru.

Proto je považován za „otce kybernetiky“ a tato jeho kniha se

stala určitou „biblí“ kybernetických systémů a kybernetiků.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Nejdůležitější principy kybernetiky:Zpětná vazba …..

Informace …..

Model…..

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Zpětná vazba

Do základů byla zahrnuta i teorie řízení systémů založená na zpětné

vazbě a jejích účincích v systému řízení.

Teorie zpětné vazby byla definována již roku 1868, kdy o ní teh-

dejší význačný fyzik - teoretik C. Maxwell zveřejnil odbornou

studii, ale k dalšímu teoretickému rozvoji a návazně k aplikač-

nímu pojetí se „propracovala“ až v tomto období.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Zpětná vazba

Do základů byla zahrnuta i teorie řízení systémů založená na zpětné

vazbě a jejích účincích v systému řízení.

Teorie zpětné vazby byla definována již roku 1868, kdy o ní teh-

dejší význačný fyzik - teoretik C. Maxwell zveřejnil odbornou

studii, ale k dalšímu teoretickému rozvoji a návazně k aplikač-

nímu pojetí se „propracovala“ až v tomto období.

© VR - ZS 2010/2011


TEORIE ŘÍZENÍ


Zpětná vazba

Princip zpětné vazby byl znám již dříve v regulační technice a

používal se při návrhu zpětnovazebních zesilovačů pro účely

sdělovací techniky.

Zakladatelé kybernetiky ale rozpoznali, že jde o velmi obecný

princip. Je především zásluhou kybernetiky, že se stal obecně

známým a umožnil vysvětlit řadu dějů odehrávajících se v

nejrůznějších dynamických systémech.

© VR - ZS 2010/2011

T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010

Důležité pojmy kybernetiky

Mechanizace – proces zavádění strojních mechanizmů osvobozu-

jících člověka od fyzické náročné pracovní činnosti. Ovládání strojů

je svěřeno plně člověku.

Automatizace – vývojové stadium řídicích systémů, kdy jsou

určité řídicí činnosti člověka přebírány strojem (regulačním

systémem).


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010

Důležité principy kybernetiky

Řízení – cílevědomé působení na řízený objekt s úmyslem dosažení

stanoveného (předepsaného, zadaného, určeného) cíle. Obvyklými

ukazateli jsou: spolehlivost, kvalita, přesnost, nižší náklady, úspora

materiálu, rychlejší reakce na poruchy a požadavky zadání, atd.

Ruční řízení – cílevědomé působení člověka přímo na objekt, aby

bylo dosaženo stanoveného cíle.


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010

Důležité principy kybernetiky

Automatické řízení – dtto s vyloučením účasti člověka v někte-

rých fázích procesu řízení. Může být přímé, kdy není potřeba zvlášt-

ního přívodu energie pro řídicí proces. Nebo nepřímé, které si přívod

energie vyžaduje.

Ovládání (řízení v otevřeném obvodě, řízení bez zpětné vazby) –

je to řízení probíhající podle předem stanovených (zadaných) pravi-

del (algoritmů) a bez kontroly provedení řídicích příkazů. Příkladem

je řízení dopravních světel na křižovatce, dodávky zboží bez ob-

jednávek, apod.


T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

ŘÍZENÍÚvodní slovo

Zjednodušený základní přístup k problematice využívá bloková

funkční schemata a jejich matematický popis = diferenciální

časově závislé rovnice popisující dynamické chování

jednotlivých prvků schematu (skutečné soustavy, procesu).

V praktických úlohách se řeší, jak „ovládnout“ (řídit,

regulovat) dynamické - ale i statické vlastnosti –

dané soustavy, aby plnila úkoly na ni kladené a

zároveň, aby vyhovovala v reálném provozu a přitom

byla realizována za ekonomicky únosnou cenu.

Nedá se říci, že by toho bylo málo …


T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

ŘÍZENÍÚvodní slovo

Z toho plyne, že při návrhu regulovaných (řízených) systémů je

potřeba provázat návrh vlastního systému s návrhem jeho regulač-

ních a řídicích prvků a tedy systému (obvodu) jako celku.

Jen tak budou respektovány fyzické vlastnosti skutečných prvků –

existujících v systému i těch, ze kterých bude systém realizován.

Že budou respektovány vzájemné vazby jednotlivých prvků (i když

se jich – těch vazeb – regulační systém přímo nedotýká) !


T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

ŘÍZENÍ* druhy automatické regulace

-- regulovaná soustava + regulátor + zpětná vazba + …..

-- charakteristické vlastnosti – regulační odchylka, přes-

nost regulace

* vztahy a matematický popis

-- statické a dynamické charakteristiky, diferenciální rov-

nice, přenosová funkce, přechodové charakteristiky, frek-

venční charakteristiky, dopravní zpoždění, nelinearity

-- statické a astatické prvky ( 0. až 3. řád)

* realizační prvky (akční členy, regulátory, pohony)


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010

Základy teorie řízení

V teorii řízení jde o systémy reagující v časové závislosti na

podněty – buď podněty vyžádané (zadání nového stavu nebo reakce

na změny výstupu) nebo podněty přicházející z okolí (většinou

formou poruch).

Matematicky je to oblast popisovaná diferenčními a diferenciálními

rovnicemi.

Přitom nelze pominout oblasti statické (na čase nezávislé) popisující

základní charakteristiky a vlastnosti sledovaných systémů.

Tam je matematika na úrovni soustavy lineárních a nelineárních

rovnic a nerovnic.


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010


Základní struktura systému automatického řízení

regulátor R regulovaná soustava S

XW

Y

jedná se o časově závislé systémy a tedy i časově závislé proměnné,

správně w(t), x(t) a y(t)



T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010


w(t) ... žádaná hodnota vstupní veličiny

x(t) ... řídicí veličina na výstupu regulátoru a zároveň na vstupu

regulované soustavy

y(t) ... výstupní veličina regulované soustavy (objektu řízení).



T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010


Základní schema zpětnovazebního regulačního obvodu.

-

wx ye

Regulátor

člen zpětné vazby

soustava

u

uy

regulovaná veličina

signál zpětné vazby

žádaná

hodnota

regulační odchylkaporucha

Základní schema zpětnovazebního systému


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010


Pokud je regulátor informován o výsledcích své regulační činnosti

zpětnou vazbou, vznikne regulační obvod, jehož blokové schema je


-

w PR

x

yuw

ue

ŮČR VZ

MČ - ZPV

RS

u1 u2 u3

uy

AO

u4

regulovaná

veličina

signál zpětné

vazby

žádaná

hodnota

regulační odchylka


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010


Zpětnovazební regulační obvod má tyto úkoly:

zabezpečit, aby regulovaná veličina co nejlépe sledovala časový

průběh řídicí veličiny – splnění tohoto požadavku charakterizují

vlastnosti obvodu z hlediska řízení

kompenzovat účinky poruchových signálů tak, aby se jejich pů-

sobení neprojevilo (pokud možno vůbec) v časovém chování

výstupní regulované veličiny.


T- MaR

TEORIE ŘÍZENÍ

© VR - ZS 2009/2010

systémy automatického řízení a regulace

lineární nelineární

spojité diskrétní hybridní

stacionárníí nestacionární

se

soustředěný

mi parametry

s

rozloženými

parametry

deterministické stochastické


Základní pojmy

Analogová regulace – probíhá v čase spojitě (kontinuálně) –

každý bod má pro časový průběh existující limitní

hodnotu zprava i zleva

Číslicová (digitální) regulace – probíhá v čase nespojitě –

řídící či regulační orgán je obvykle realizován na

bázi počítače nebo mikroprocesoru (alespoň jeden

člen R.O. má číslicový – nespojitý - charakter)

Pulsní regulace – probíhá v čase nespojitě – řídící či regulač-

ní orgán působí na řízený objekt v určitých frek-

venčně i amplitudově definovaných pulsech

T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY

Logická regulace – řízení na základě binární logiky a

základních logických zákonů – vykonávají se

jen logické operace

Sekvenční regulace – v čase postupně probíhající řízení

podle předem zadaného řídícího či regulačního

schematu – bez zpětnovazební kontroly řízené

či regulované reality

Regulace pevnou logikou (logickým polem) – předem

naprogramované řízení (obvykle kombinace

logického a sekvenčního) v integrovaném

obvodě (nebo paměti mikroprocesoru)


Základní pojmy

Deterministická regulace – řízení podle signálů přesně defi-

novaných (definovaných typů) = předem známých

Stochastická regulace – řízení podle signálů nedefinovaných

časově a i amplitudově a tvarově = signálů předem

neznámých

Adaptivní regulace – řídící či regulační algoritmus je podle

zadaného úpravného (opravného, korekčního)

algoritmu ovlivňován realitou řízené či regulované

veličiny – algoritmus se tedy mění podle okam-

žitého stavu řízeného či regulovaného procesu


Základní pojmy

Optimální regulace – algoritmus řízení či regulace je průběž-

ně optimalizován podle předem zadaného (zvole-

ného) optimalizačního kritéria (např. kritéria

kvality regulace, minima doby přechodového děje,

energetického minima, ….…)

Extremální regulace – algoritmus řízení či regulace je podmi-

ňován extremálními požadavky vycházejícími z

potřebných (vyžadovaných) vlastností


Základní pojmy

Fuzzy regulace – řízení probíhá podle principů fuzzy logiky

nebo tzv. jazykových modelů – umožňuje defino-

vat hodnotově neurčité (vágní) „mezi-stavy“ typu:

skoro, menší než, větší než, skoro roven, apod.,

definované např. slovně či porovnáváním

Regulace selskou logikou – využívá princip definování

algoritmu neurčitého (vágního) typu ………

Uvedené typy regulací existují (pochopitelně) i v řízení


Základní pojmy

STABILITA – vyrovnaný (ustálený) stav systému při kterém

je zachovávána hodnota všech stavových veličin

STABILIZACE – proces zabezpečení (dosažení) stálosti

stavu a zaručující návraty do tohoto stavu vždy když je

systém vyveden z rovnovážného stavu

KVALITA REGULACE – soubor vlastností zaručující

dosažení stanoveného cíle řízení bez ohledu na momentální i

výchozí stav systému (regulovaného objektu) – je

charakterizováno délkou doby odezvy a typem průběhu –

obvykle udávána jako minimální plocha pod integrálem

regulačního pochodu


Základní pojmy

PŘESNOST REGULACE – dovolená odchylka skutečné

hodnoty výstupní veličiny od požadované – reprezentuje

statické vlastnosti systému

PŘESNOST ŘÍZENÍ – dovolená odchylka skutečné

hodnoty regulační odchylky


Základní pojmy

T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

… a to by bylo

vše

7......


T- MaR

© VR - ZS 2009/2010

ŘÍZENÍ


Date post:	24-Apr-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

CW01 - TeorieCW01 - Teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb...

Documents