AUTOMATIZACIJA BRODSKOG SUSTAVA IGOR KEGALJ, dipl.ing. i prof. mentor

AUTOMATIZACIJA BRODSKOG SUSTAVA IGOR KEGALJ, dipl.ing. i prof. mentor

AUTOMATIZACIJA BRODSKOG SUSTAVA

POMORSKA KOLA BAKAR

PREDAVANJA 2012./2013.

IGOR KEGALJ, dipl.ing. i prof. mentor21. UVOD

22. SUSTAVI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA

22.1. UPRAVLJANJE I REGULACIJA

22.1.1. BLOK DIJAGRAM OSNOVNI SIMBOLI

22.1.2. OBJEKT AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA

23. TEMELJNE STRUKTURE AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA SUSTAVIMA

23.1. OTVORENI SUSTAV UPRAVLJANJA

23.2. KOMPEZACIJA POREMEAJA

23.3.KOREKCIJA VODEE VELIINENE

23.4. ZATVORENI SUSTAV REGULACIJE

23.5. SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA S VIE POVRATNIH

2VEZA

24. NAELA AUTOMATSKE REGULACIJE

24.1. OSNOVNI ELEMENTI REGULACIJSKOG KRUGA

24.2. REGULATORI

24.2.1. P REGULATOR

24.2.2. I REGULATOR

24.2.3. D REGULATOR

24.2.4. PI REGULATOR

24.2.5. PD REGULATOR

24.2.6. PID REGULATOR

25. DRUGE STRUKTURE SAU

1. UVOD

Razvoj brodske automatizacije bio je u tijesnoj vezi s opim razvojem teorije i prakse automatskog upravljanja. Prvi automatski regulator razine vode u kotlu konstruirao je Rus I. I. Polzunov 1765. godine, a engleski mehaniar James Watt je 1784. godine konstruirao centrifugalni regulator broja okretaja parnog stroja. Nestabilnost, jedna od neeljenih posljedica upravljanja u zatvorenom krugu bila je vrlo rano uoena, pa je D. K. Maxwell (Engleska, 1868.) pokuao dati teorijsku obradu tog problema. Znaajan doprinos rjeavanju opcih problema stabilnosti dali su Hurwitz (1875), Routh (1884) i Ljapounov (1892). Njihovi radovi zajedno s glavnim djelima poznatih matematiara Laplacea (1749.-1827.), Fouriera (1758.-1830.) i Couchya (1789.-1857.) osnova su modernih inenjerskih metoda za analizu stabilnosti. Jedan od najvanijih radova bio je Nyguistov (1932.). Analizirao je stabilnost sustava u odnosu prema frekvencijskom odzivu sustava u otvorenom krugu. Hazen je 1934. publicirao prvi detaljni analiticki prikaz sustava automatske regulacije u zatvorenom krugu. Od tog trenutka pa do danas naglo se razvija automatizacija. Meu najistaknutijim treba svakako spomenuti Bodea i Nicholasa u podruju frekvencijskog odziva, Guillemina u sintezi mrea, Evansa u razvoju metode geometrijskih korijena i dr. U drugoj polovici 40-ih godina 20. stoljea konstruirani su elektroniki raunski strojevi za univerzalnu pretvorbu informacija u diskretne signale. Zbog sposobnosti raunskih strojeva da logiki obrade informacije velikom brzinom, omoguena je automatizacija raznih oblika intelektualnog rada, kao npr. upravljanja. Zahvaljujui tim mogunostima oni su postali osnova automatskih sustava. Uvoenje raunskih strojeva u automatizaciju i regulaciju na brodovima poelo je 60-ih i poetkom 70-ih godina.

2. SUSTAVI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA

Poveanje sloenosti brodskih sustava trailo je njihovu automatizaciju, a sve sa ciljem boljih eksploatacijskih karakteristika broda koje se iskazuju u:

- smanjenju brojnosti posade,

- smanjenju trokova za posadu,

- smanjenju vremena operacija s teretom,

- smanjenju kvarova,

- smanjenju utroka goriva,

- poboljanju odravanja,

- poboljanju radnih uvjeta.

Automatizacija se provodi:

- daljinskim upravljanjem brodskih ureaja,

- regulacijom brodskih ureaja,

- daljinskim mjerenjima,

- signalizacijom,

- centralizacijom dobivenih informacija o procesima,

- predoavanjem i registracijom informacija u obliku najpogodnijem ovjeku,

- automatskom obradom dobivenih informacija,

- programiranjem izvoenja vanijih i sloenijih operacija, itd.

Openito, ugradnjom kompjuterskog sustava na brod mogu se ugraditi i

izvravati brojne funkcije, kao npr.:

- protusudarni sustavi,

- odreivanje poloaja pomou satelita,

- izraunavanje poloaja zbrajanjem kurseva,

- navigacijski prorauni,

- upravljanje ukrcaja i iskrcaja tereta,

- izraunavanje stanja broda,

- izraunavanje najpogodnijih uvjeta krcanja,

- otkrivanje pogreaka u strojarnici,

- registriranje podataka o strojevima u strojarnici,

- upravljanje zakretnim momentom glavnog stroja,

- kompjuterska lijenika dijagnoza, itd.

esto se s obzirom na specifinosti u primjenama automatizacija na brodu dijeli i prema podrujima primjene na:

- automatizaciju pogonskog kompleksa,

- automatizaciju rukovanja teretom,

- automatizaciju zapovjednog mosta,

- automatizaciju komunikacija.

Automatizacija je tehnika disciplina koja obuhvaa sve mjere s kojima se smanjuje udio ljudskog rada u proizvodnji i s kojima se postie vii stupanj ekonomine i rentabilne proizvodnje u pogledu utroka sirovine, energije i vremena. To je vii stupanj mehanizacije pri kojem je ovjek osloboen i od upravljanja proizvodnim procesima. ovjek samo obavlja opi nadzor i popravak mehanizma. Ureaji, strojevi ili bilo kakvi drugi sustavi nazivaju se automatskim ako izvravaju svoje osnovne funkcije bez neposrednog ovjejeg sudjelovanja. Razvoj automatizacije na brodovima pojavio se zato to je ovjeku teko ili nemogue upravljati radom svih brodskih ureaja, a da ne smanjuje njihovu uinkovitost. Razlikuju se dva tipa automatizacije: djelomina i kompleksna automatizacija. Kod djelomine automatizacije na automatsko upravljanje djeluje odreeni ureaj, mehanizam koji posredno sudjeluje u proizvodnom procesu. Automatski sustav upravljanja ostvaruje jednostavne funkcije, povezane sa signalizacijom, kontrolom, blokiranjem, zatitom i donoenjem odluka koje se preuzimaju od operatora-ovjeka. Kod kompleksne automatizacije bez neposrednog ovjekova udjela ispunjavaju se sve operacije proizvodnog procesa, ukljuujui odabir radnog reima, osiguravajui najbolje efekte u zadanim uvjetima. Kompleksna automatizacija je povezana sa posluivanjem svih ureaja i njihovom upravljanju u cjelini. Da bi se mogli rijeiti svi zadatci u kompleksnoj automatizaciji, potrebna je raunalna tehnika. Uvoenjem automatizacije raste uinkovitost rada posade, smanjuju se tete na strojevima i zastoji broda, poboljavaju se radni uvjeti i ivot posade na brodu, smanjuju se eksploatacijski trokovi i poveava ouvanost tereta. Uporaba automatizacije na brodu smanjuje broj osoblja. Na nekim je brojnost posade manja od 15 do 50%. Kompleksna automatizacija tehnikih sustava na brodovima omoguila je da se povea prijevozna sposobnost od 3 do 5% pri istodobnom padu eksploatacijskih trokova od 3 do 4%. Iz toga zakljuujemo da automatizacija ima gospodarsko i drutveno znaenje.

Zadae brodskih automatskih sustava su:

- signalizacija,

- kontrola blokiranja,

- zatita,

- upravljanje,

- regulacija.

Sustavi automatske signalizacije izvjeuju brodsku posadu o stanju brodskih postrojenja. Sustavi automatske kontrole mjere razliite parametre brodskih ureaja i usporeuju ih s doputenim vrijednostima te daju zvune ili svjetlosne signale kad parametri odstupe od zadanih vrijednosti. Sustavi automatske blokade i zatite spreavaju nastanak havarnih situacija. Ako nastupe kritine vrijednosti kontroliranih parametara, automatski se iskljuuju zatieni strojevi. Prethodno spomenuti automatski sustavi slue za upravljanje, nadzor i zatitu bilo kojih brodskih ureaja. Suvremeni su brodovi obuhvaeni djelominom ili potpunom automatizacijom, osobito ureaji u strojarnici. Brodska elektrina centrala obvezno ima automatski sustav s kojim se podrava stabilnost napona i frekvencije te sustav automatske sinkronizacije. Na mnogim brodovima ugraeni su automatski sustavi daljinskog upravljanja, a automatizacija procesa omoguuje upuivanje, prekretanje i prijelaz na nominalni reim rada glavnog stroja. Na brodovima se ugrauju automatska kormila, automatske protupoarne stanice kojima se nadzire temperatura i prisutnost dima u brodskim prostorijama. Kod elektrinog pogona brodskog vijka ureaji automatizacije osiguravaju stabilni rad pri upuivanju, koenju, postojanu snagu na vratilu vijka i zatitu propelerskog ureaja od nenormalnih radnih reima. U novije vrijeme sve se vie uvode ureaji sredinje kontrole i upravljanja povezani s raunalima, te ureaji kojima se rjeavaju navigacijske zadae.

2.1. UPRAVLJANJE I REGULACIJA

Pod pojmom upravljanja podrazumijevamo upravljanje procesom pri kojem jedna ili vie ulaznih veliina utjeu na izlaznu veliinu prema zakonitostima koja su svojstvena tom sustavu. Upravljajue djelovanje oblikuje se prema poremeajnim djelovanjima na objekt upravljanja bez povratne informacije o rezultatima tog djelovanja. Pri regulaciji nadzire se izlazna veliina koja djeluje povratno na ulaznu veliinu. Takvo djelovanje naziva se upravljanje preko povratne veze. U sustavima automatskog upravljanja i regulacije koristi se razni instrumenti koji omoguuju rad sustava. Najee su to mjerni elementi, pretvornici i pojaala. Mjerni elementi mjere razne veliine, koje se zatim pretvaraju pomou raznih pretvaraa u fizikalne veliine pogodne za usporedbu. Osim tih elemenata cesto se u automatizaciji upotrebljavaju pojaala signala i elektronika raunala, koja su sve vie u upotrebi zbog prorauna regulirajueg djelovanja.

2.1.1. BLOK DIJAGRAM OSNOVNI SIMBOLI

Blok dijagram prikazuje tijek signala kroz sustav te meusobnu vezu komponenata koje grade neki sustav. Grafiki simboli blok dijagrama omoguuju da se komponente sustava opiu na nedvosmislen i ekonomian nain. Izraavanje djelovanja sustava pomou blok dijagrama predstavlja prvi korak u matematikoj analizi sustava upravljanja. U automatici blok dijagram se korist za prikaz sustava, odnosno komponenata koji grade odreeni sustav upravljanja, te signala koji prolaze kroz taj sustav (informacijski tok). Treba naglasiti da se blok dijagramom ne prikazuje fizikalna struktura sustava, energetski tokovi ili tokovi materijala te energetski izvori nekog sustava.

etiri osnovna simbola koji se koriste su:

blok pravokutnik koji predstavlja odreenu dinamiku ili statiku

komponentu sustava,

signalne linije linije koje imaju strelicu kojom se pokazuje smjer prolaza (informacijskog) signala i kojima se meusobno povezuju komponente sustava upravljanja. Signali koji ulaze u blok predstavljaju nezavisne varijable (pobude ili uzroke), dok signali koji izlaze iz bloka predstavljaju zavisne varijable (izlaze, odzive ili posljedice). Strelica oznauje signal odnosno kvantificiranu fizikalnu varijablu, koja djeluje samo u smjeru koju oznaava strelica. Njen znaaj je to indicira kauzalnu relaciju, a ne tijek energije ili materijala,

komparator ili sumacijska toka krui kojim se oznaava toka na kojoj se u sustavu usporeuju (oduzimaju ili pribrajaju dva ili vie signala),

toka odvajanja toka (katkad podebljana) na signalnoj liniji kojom se oznaava da neki signal naputa neku signalnu liniju.

Blok dijagram prema tome predstavlja slikoviti prikaz meuovisnosti razliitih komponenata koje formiraju neki sustav upravljanja pri emu se uzrono - posljedina veza u sustavu moe vidjeti praenjem strelica na signalnim linijama. Do blok dijagrama dolazi se iz strukturnog ili shematskog prikaza nekog sustava tako da se identificiraju pojedine komponente i njihova uloga u sustavu. Komponente mogu biti elektrike, mehanike, hidraulike, pneumatske, optike, ili kombinirane.

Kod izgradnje blok dijagrama moraju se identificirati:

1. signali koji nose informaciju i koji se koriste za upravljanje,

2. signali koji remete ponaanje sustava (poremeajni signali i mjereni umovi),

3. komponente koje obraduju ili koje primaju te signale i alju svoje signale drugim komponentama ili same sebi.

Energetski izvori neophodni za rad komponenata sustava ne prikazuju se blok dijagramom, iako su iznimno vani za pravilan rad sustava. Oni moraju biti pravilno dimenzionirani i pouzdani u radu elimo li imati kvalitetan rad sustava upravljanja. Tijek materijala koji takoer postoji kod nekih sustava upravljanja, (kao npr. kod valjaonikih stanova u eljezarama), ili pak kvaliteta uratka (kao npr. kvaliteta papira u papirnoj industriji) implicitno su sadrane u performansama sustava koje se trae i koje su unaprijed poznate.

Slika 2.1 Blok dijagram upravljanja brodom po kursu

Na primjeru blok dijagrama sustava upravljanja brodom po kursu koji je prikazan na slici 2.1 mogu se uoiti odreeni nedostatci ovakvog prikaza. Naime, blok dijagram moe na sasvim zadovoljavajui nain prikazati prolaz informacija (koje su bitne za sustav upravljanja) kroz zatvoreni sustav, to se ne moe reci za prikaz energije u sustavu. Tako se npr. vanjski poremeaji koji djeluju na brod (valovi, vjetar, morska struja i neki drugi) mogu u blok dijagramu ukljuiti samo na ulaznim ili izlaznim stezaljkama bloka brod pomou sumacijske toke. Kako se radi o imbenicima koji djeluju na brod odreenom silom i momentom, niti jedna od ovih stezaljki ne predstavlja za tu svrhu odgovarajuu fizikalnu veliinu, pa je stoga nuno odreenim prilagodbama (filterima) ove poremeaje ukljuiti u razmatranje problema upravljanje brodom po kursu.2.1.2. OBJEKT AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA

Objekt upravljanja naziva se tehniki sustav koji obavlja odreene radnje (procese). Upravljani objekt moe biti sam brod, glavni propulzijski stroj, generatori elektrine struje na brodu, elektromotori razliitih pogona itd. Procesi se odvijaju na razliitim objektima upravljanja, kategorizirani razliitim fizikalnim veliinama. Kao primjer takve veliine moe posluiti napon na stezaljkama generatora brodske elektrane, dobava uputnog zraka, temperature u rashladnim komorama, broj okretaja glavnog motora i slino. Objekt upravljanja redovito nije u stanju suprotstaviti se raznim poremeajima sa strane. Zbog toga se na objekt upravljanja ostvaruje posebno djelovanje izvana kako bi se postigle neke potrebne veliine - parametri, karakteristini za objekta upravljanja. Takav parametar naziva se upravljana veliina. Posebno djelovanje izvana na objekt upravljanja ostvaruje se preko sustava upravljanja. Na slici 2.2 prikazana je shema objekta upravljanja.

Slika 2.2 Shema objekta upravljanja

3. TEMELJNE STRUKTURE AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA SUSTAVIMA

Strukture sustava automatskog upravljanja SAU

Cilj

Nauiti osnovne strukture SAU, te njihove prednosti i nedostatke

Spoznati dobre i loe strane SAU bez povratne veze

Spoznati dobre i loe strane SAU s povratnom vezom

Razumjeti razloge za primjenu SAU s vie povratnih veza

Razumjeti naela rada adaptivnih SAU

Razumjeti naela rada SAU s unutarnjim modelom

Osnovne strukture SAU

SAU bez povratne veze u otvorenom krugu (engl. Open Loop, OL)

SAU s povratnom vezom u zatvorenom krugu (engl. Closed Loop, CL)

Upoznavi statika i dinamika svojstva objekta upravljanja moemo napraviti i njegov matematiki model, a na temelju matematikog modela se zasniva i algoritam upravljanja. Algoritam upravljanja ce osigurati realizaciju zadanog algoritma funkcioniranja sustava. Stvarno (zadano pomou algoritma funkcioniranja) i eljeno ponaanje sustava ce se razlikovati. Sustav se ne moe dobro opisati jednim matematikim modelom u svim svojim radnim tokama i sa svim poremeajnim veliinama. Klasifikaciju sustava automatskog upravljanja mogue je provesti prema strukturi upravljanja ili pak nekom drugom svojstvu takvih sustava.

Sustavi automatskog upravljanja se najee dijele na dvije temeljne grupe:

sustav upravljanja u otvorenom krugu, kod kojih se ne upravlja pomou informacija s objekta upravljanja,

sustav upravljanja u zatvorenom krugu, kod kojih se informacije s objekta upravljanja koriste u upravljanju.

Sustavi automatske regulacije moraju ispunjavati sljedee zahtjeve:

sustav mora biti stabilan na svim statikim radnim reimima,

statika pogreka mora se nalaziti u doputenim granicama bez obzira na radni reim,

kvalitativni pokazatelji prijelaznog procesa moraju ispunjavati postavljene uvjete odreene eksploatacijom objekta regulacije,

sustav mora udovoljavati sigurnosnim zahtjevima.

Osim ovih opih zahtjeva, obveznih za svaki regulacijski sustav, brodskim se sustavima postavljaju i dodatni zahtjevi. Brodski regulatori moraju biti malih dimenzija i male mase. Treba voditi rauna i o uvjetima u kojima brodski regulatori rade, gdje svakako moramo spomenuti ljuljanje i naginjanje broda, poveanu vlanost zraka itd.

3.1. OTVORENI SUSTAV UPRAVLJANJA

Kao to je ve reeno, otvoreni sustavi upravljanja su sustavi kod kojih regulator ne koristi informaciju sa izlaza procesa. Ovakvi sustavi se obino koriste kada nije mogue mjeriti regulacijsku veliinu ili kada se radi o poznatoj sredini na poznati nain bez poremeaja (npr. stroj za pranje rublja),. Otvoreni sustavi su uglavnom stabilni sustavi kod kojih nema nestabilnosti i oscilacija prilikom odvijanja procesa.

Slika 2.3 Shema otvorenog sustava upravljanja

Na slici 2.3 prikazana je shema otvorenog sustava upravljanja prema kojoj regulator na temelju vodee veliine generira upravljaku veliinu koja se pojaava u aktuatoru i stvara se izvrna veliina kojom se djeluje na objekt upravljanja. Kao primjere otvorenog sustava upravljanja jo moemo spomenuti; stroj za pranje posuda, stroj za pranje automobila, te semafor kod kojeg se raspored paljenja svjetla odvija po ve unaprijed zadanom vremenskom intervalu bez obzira na gustou prometa.

Ovakvim sustavima upravljanja je svojstveno da:

pojedine operacije odvijaju se po tono odreenom vremenskom slijedu,

rade po poznatom programu (rad u otvorenom krugu po zadanom programu naziva se jo i sekvencijsko programsko upravljanje, a ureaj pomou kojega se to obavlja programator),

povremena kalibracija je nuna da bi se osigurala eljena tonost sustava.

Otvoreni sustavi upravljanja mogu se koristiti ako su osigurani sljedei uvjeti:

odnos izmeu postavne (vodee) veliine i regulacijske (izlazne) veliine precizno je definiran,

ne postoji unutarnji poremeaj, kao to su promjene dinamikih svojstava komponenata sustava,

ne postoje vanjski poremeaji koji djeluju na sustav, tj. sustav radi u strogo deterministikim uvjetima.

Kada se moe koristiti SAU bez povratne veze?

Kada je proces (objekt) kojim se upravlja stabilan Kada nije mogue mjeriti izlaznu (reguliranu) veliinu

Kada nema izraenijih djelovanja nekompenziranih poremeaja na proces (objekt) kojim se upravlja

Kada nema promjene dinamikog vladanja upravljanog procesa (objekta), tj. kada se radi o vremenski invarijantnom sustavu

Svojstva SAU bez povratne veze

Sustav se moe prikazati kao slijed u seriju spojenih blokova koji radi po principu uzrono posljedinog djelovanja; rad sustava odvija se po tono odreenom vremenskom slijedu

Sustav radi po unaprijed definiranom i "ugraenom programu" (u praksi pod nazivom "programska regulacija")

Za svaki reim rada sustava zadaje se postavna veliina; primjerice, sustav upravljanja temperaturom prostorije, ili sustav upravljanja strojem za pranje rublja

Sustav je potrebno povremeno kalibrirati (zbog vremenske promjene njegovih karakteristika) kako bi se osigurala traena tonost sustava

Dobre strane SAU bez povratne veze

Jednostavan i prirodan koncept upravljanja

Prikladan kada reguliranu veliinu nije mogue mjeriti (na jednostavan nain)

Niska cijena izvedbe, ugradnje i odravanja

Zajamena stabilnost sustava uz pretpostavku stabilnog procesa kojim se upravlja

Loe strane SAU bez povratne veze

Poremeaji koji djeluju na proces i promjene parametara procesa uzrokuju odstupanje regulirane veliine od eljene vrijednosti

Potrebna je povremena kalibracija sustava da bi se postigla eljena kvaliteta upravljanja

Kod vremenski promjenljivih sustava i nestabilnih sustava, SAU bez povratne veze nije mogue primijeniti

Tipine primjene SAU bez povratne veze

Uputanje postrojenja u rad i njegovo dovoenje u automatski reim rada

Zaustavljanje postrojenja i njegovo dovoenje u miran ili siguran reim rada

U sustavima blokada i zatita u postrojenjima

Upravljanje elektrohidraulikim i elektropneumatskim ventilima

Proizvodni pogoni automatizirane proizvodne linije

U ekonomskim sustavima temeljenim na planskoj ekonomiji

...

3.2. KOMPEZACIJA POREMEAJA

U sluaju da na sustav ipak djeluju vanjski poremeaji koji su mjerljivi i neznatni tada se struktura mora mijenjati kao to je prikazano na slici 2.4.

Slika 2.4 Otvoreni sustav upravljanja s kompenzacijom mjerljivih poremeaja

Kod ovakve kompenzacije pojavljuje se unaprijedna petlja od izmjerenog poremeaja prema regulatoru. Zadaa petlje je da regulatoru dostavi informaciju o poremeaju koji djeluje na objekt. Regulator taj poremeaj nastoji kompenzirati to je mogue tonije tj. to vie umanjiti njegov utjecaj na regulacijsku veliinu. Selektor reference slui za pretvaranje vodee veliine u signal takvih fizikalnih svojstva da se moe pribrojiti signalu koji dolazi iz kompenzatora poremeaja. Primjer takvog sustava je sustav klimatizacije. Kod njega temperaturni detektori izvan kue slue za kompenzaciju poremeaja uslijed promjene vanjske temperature.

3.3.KOREKCIJA VODEE VELIINENE

elimo li poboljati svojstva dinamike otvorenog kruga, uvodimo korekciju vodee veliine. Npr. ako elimo bri odziv regulacijske veliine na vodeu veliinu, tada emo sustav strukturirati kao na danom blok dijagramu na slici 2.5.

Slika 2.5 Otvoreni sustav upravljanja s korekcijom vodee veline

Ovdje korektor vodee veliine dodaje u poetku odreen iznos signala na referentni signal, kako bi na ulazu u regulator signal bio povean u poetnim trenutcima, te stoga i regulator bre reagirao, usmjerivi objekt prema eljenom stanju u kraem vremenskom periodu nego to bi to inae bilo bez korekcije.

Meu prednosti sustava upravljanja u otvorenom krugu ubrajamo:

jednostavna konstrukcija,

niska cijena kotanja i odravanja,

stabilnost sustava,

mogu se koristiti kada regulacijsku veliinu nije mogue izmjeriti.

Dok u nedostatke ovih sustava ubrajamo:

poremeaji i promjene u kalibraciji izvor su pogreaka, pa regulacijska veliina moe odstupati od eljene,

sustav se mora povremeno kalibrirati da bi se postigla traena kvaliteta.

3.4. ZATVORENI SUSTAV REGULACIJE

Zatvoreni sustavi regulacije koriteni su jo u antikim vremenima za regulaciju npr. razine, teine i sl. Koncept povratne veze zasluan je za velika dostignua u znanosti i tehnici kraja dvadesetog stoljea. Sam koncept povratne veze se ne koristi samo u tehnici ve i u ekonomiji, sociologiji, biologiji i sl. Prvi zatvoreni sustav automatskog upravljanja koji je izumljen u Europi je temperaturni regulator koji se rabio u inkubatoru za pilice Corneliusa Drebbela poetkom 17. stoljea.

Kod zatvorenih sustava regulirana ili izlazna veliina se mjeri zatim pretvara u potrebnu fizikalnu veliinu i dovodi na komparator kako bi se usporedila s postavnom (referentnom) veliinom. Dobiveni signal razlike djeluje na regulator koji pomou aktuatora upravlja objektom. Sustav automatskog upravljanja (regulacije) u zatvorenom krugu prikazan je na slici 2.7 Postojanje povratne veze bitno mijenja svojstva sustava automatskog upravljanja u usporedbi sa svojstvima samih objekata. Koncept povratne veze je apstraktan, nije vezan za odreeni fizikalni medij. Povratna veza se moe koristiti u elektrinim, mehanikim, pneumatskim, hidraulikim i drugim sustavima.

Slika 2.7 Blok dijagram sustava upravljanja u zatvorenom krugu

Sa slike 2.7 je vidljivo da se ovaj sustav razlikuje od sustava u otvorenom krugu. U ovom sustavu se primjenjuje negativna povratna veza. Povratnom vezom informaciju sa izlaza dovodimo na ulaz. U sluaju da su vodea veliina i regulacijska veliina fizikalno razliiti signali, moramo ih prvo pretvoriti u iste fizikalne veliine a zatim se usporeuju na komparatoru. Signal koji izlazi iz komparatora zove se i signal razlike ili pogreka regulacije, a oznaava se sa ().

Sustavi koji imaju zatvorenu petlju povratne veze manje su osjetljivi na promjene parametara objekta upravljanja od otvorenih sustava upravljanja. Za komponente sustava koje se nalaze u dijelu sustava od referentne veliine do izlazne veliine kaemo da se nalaze u direktnoj grani (stazi), dok su preostale komponente ili u povratnoj vezi, ili izvan petlje povratne veze (npr. u unaprijednoj petlji).

Prednosti sustava upravljanja u zatvorenom krugu su :

Stabilizacija nestabilnog procesa (objekta). Negativna povratna veza omoguuje da se stabilizira nestabilan proces.

Poveana tonost. Pomou negativne povratne veze mogue je pogreku praenja postavne veliine svesti na nulu.

Smanjena osjetljivost sustava na promjene u komponentama. Ugradnjom u povratnoj vezi kvalitetnih komponenata kompenzira se mogua promjenjivost parametara komponenata u direktnoj grani.

Smanjen utjecaj poremeajnih djelovanja.

Poveana brzina odziva. Pomou negativne povratne veze mogue je poveati frekvencijsko podruje u kojem ce djelovati sustav i time ubrzati odziv na pobudu.

Uz ove navedene prednosti, zatvoreni sustavi automatskog upravljanja, imaju i neke nedostatke. Bitni nedostatci zatvorenih sustava su znatno sloenija izvedba od sustava otvorenog upravljanja, te mogunost oscilacija unutar samog sustava. Nedostatci otvorenih i zatvorenih sustava mogu se znatno reducirati na nain da se objedine oba naela u jedan sustav. Takvi sustavi se nazivaju kombinirani sustavi automatskog upravljanja.

3.5. SUSTAV AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA S VIE POVRATNIH

VEZA

Svaki zatvoreni sustav automatskog upravljanja sadri barem jednu povratnu vezu, pomou koje se signal stvarne promjene izlaza dovodi na ulaz sustava. Taj dovedeni signal na ulazu se usporeuje sa vodeom veliinom. Povratna veza kod koje se izlazna veliina dovodi na element usporedbe s ulaznom veliinom naziva se glavna povratna veza. Osim glavne povratne veze veina sustava ima i sporedne ili dopunske povratne veze (lokalne). S pomonim ili lokalnim povratnim vezama postiu se svojstva pojedinih funkcionalnih cjelina sustava, odnosno sustava u cjelini. Takve dopunske povratne veze se cesto koriste kod pojaala, izvrnih elemenata i korekcijskih komponenata. Sustave upravljanja tako moemo podijeliti i prema broju povratnih petlji, pa tako imamo:

Sustave sa jednom petljom povratne veze,

Sustave sa vie petlja povratne veze (tu ubrajamo i tzv. kaskadne sustave).

Slika 2.8 Kormilarski sustav

Primjer sustava s povratnom vezom dat je na slici 2.8. U sustavu sa slike 2.8 izlazna velcina je kurs _(t). Odstupanje izlazne veliine _(t) od zadanog kursa _o= konst. registrira se (mjeri) iroskopom (2). Uz pomo kormilarskog stroja (3) pomie se regulacijski ureaj (list kormila) za potreban kut. Izvrna je veliina _(t) i ona kompenzira djelovanje poremeajnih veliina (valovi, morske struje, vjetar, itd.) te zadrava brod na zadanom kursu _o.

Automatizacija brodskih strojeva, ureaja i procesa iz dana u dan postaje sve obuhvatnija i kompleksnija s tendencijom potpune amortizacije i integracije funkcija upravljanja i voenja svih brodskih procesa.

Slika 2.9 Integrirani sustav automatskog upravljanja broda

Na slici 2.9 je prikazana shema automatizacije broda koja omoguuje rjeavanje svih zadaa automatizacije na brodu, od samog voenja broda po zadanom kursu, regulacije energetskog kompleksa pa sve do automatskog rukovanja teretom. Kako se brod kao sloeni proces sastoji od vie sustava i podsustava, radi lakeg nadzora i upravljanja sve sustave moramo povezati u jednu cjelinu. Takvo povezivanje danas se ostvaruje pomou digitalnih raunala. Digitalna raunala dobivaju informacije u diskretnom obliku od odgovarajuih mjernih pretvornika koji se mogu svrstati u dvije osnovne grupe. U prvu grupu ili skupinu spadaju davai navigacijskih informacija: dava irokompasa, dava brzine, dava dubine, dava radiolokatora, dava ureaja za odreivanje poloaja broda i dava ljuljanja broda. Informacije iz ove grupe slue za odreivanje parametara gibanja broda, te vanjskih parametara koji imaju vanost pri manevriranju broda. U drugu grupu davaa spadaju: davai informacija o energetskom kompleksu, pomonim mehanizmima i drugim sustavima ope namjene. Slika 2.9 prikazuje hijerarhijski distribuirani sustav automatskog upravljanja od najnie razine (razine senzora) pa do samog nadzora i planiranja koje se nalazi na vrhu zapovjednog lanca sustava automatizacije.

Kada se moe koristiti SAU s povratnom vezom?

Kada je mogue mjeriti reguliranu veliinu

Kada je proces kojim se upravlja nestabilan (koncept negativne povratne veze stabilizira nestabilni proces)

Kada na proces kojim se upravlja djeluju poremeaji (mjerljivi i nemjerljivi)

Kada je proces kojim se upravlja vremenski promjenljiv (u ovom se sluaju osnovna struktura SAU s povratnom vezom moe nadograditi mehanizmom adaptacije)

Dobre strane SAU s povratnom vezom

SAU s povratnom vezom mogu stabilizirati nestabilni proces

SAU s povratnom vezom mogu osigurati savrenu tonost sustava u stacionarnom stanju (e(t ) = 0) prikladnim izborom regulatora

SAU s povratnom vezom poveava robusnost sustava, tj. smanjuje njegovu osjetljivost na promjene parametara komponenata sustava

SAU s povratnom vezom znaajno smanjuju utjecaj poremeaja koji djeluju na proces prikladnim izborom strukture i parametara regulatora

SAU s povratnom vezom znaajno poveava brzinu odziva (propusnog opsega) u odnosu na brzinu odziva nereguliranog procesa

Loe strane SAU s povratnom vezom

SAU s povratnom vezom koji upravlja stabilnim procesom moe postati nestabilan ako nije usklaena dinamika regulatora i upravljanog procesa; zbog toga je iznimno vano dobro poznavanje dinamike upravljanog procesa i odabir strukture i parametara regulatora u skladu s dinamikom procesa

SAU s povratnom vezom su sloeniji i skuplji od SAU bez povratne veze; ova injenica ne smije predstavljati prepreku preferiranju SAU s povratnom vezom, imajui u vidu sve dobre strane SAU s povratnom vezom

Koncept povratne veze moan je koncept, samo ako ga znamo koristiti na dobar nain (znanjem iz automatskog upravljanja); u protivnom, mogu se oekivati havarije.

4. NAELA AUTOMATSKE REGULACIJE

Nain oblikovanja regulacijskog djelovanja i strukture samih uredaja automatske regulacije ovisi o odabranom naelu regulacije.

Naela regulacije zasnivaju se na:

Poremeajnom djelovanju,

Odstupanju regulirane veliine od zadane vrijednosti,

Kombinaciji ta dva djelovanja.

Naelo regulacije prema poremeajnom djelovanju jest naelo njegove kompenzacije. Pri djelovanju poremeaja na objekt regulacije regulirane veliine odstupaju od zadane vrijednosti. Ovisno o rezultatima izmjerenih smetnja mogue je oblikovati takvo regulirajue djelovanje koje osigurava potrebnu vrijednost regulirane veliine. U automatici je mogue jo izvesti i podjelu na sustave prema broju izlaza i ulaza pa tako imamo: sustave sa jednim ulazom i izlazom (SISO), sustav sa vie izlaza i jednim ulazom ili SIMO-sustav, sustav sa vie ulaza i jednim izlazom ili MISO-sustav i sustav sa vie ulaza i izlaza ili MIMO-sustav. MIMO sustav je sustav koji je najblii stvarnim sustavima.

4.1. OSNOVNI ELEMENTI REGULACIJSKOG KRUGA

Sustavi automatske regulacije sastoje se od elemenata automatike. Elementom automatike naziva se jednostavna elija, koja izvrava odreenu operaciju sa signalom. Ovisno o funkciji koju obavlja elementi automatike se dijele na mjerne, relejne i izvrne. Na osnovi ovih elemenata se moe oblikovati svaki sustav automatike. Mjerni elementi sustava su namijenjeni za mjerenje tehnikih ili drugih veliina sustava. Uz pomo mjernih elemenata automatski sustavi daju informacije potrebne da se rijee postavljene zadae, pa su vane sastavnice automatike i svih automatskih sustava. Pojaala imaju zadau da pojaaju ulazni signal a mogu biti: elektromehanika, poluvodika, magnetska ili razvodna. Na brodovima s automatskim sustavima regulacije s elektrinim izvrnim slogovima cesto se susreu elektromotori istosmjerne i izmjenine struje, te elektromagneti.

4.2. REGULATORI

U sustavima automatske regulacije, neizostavan element je regulator. Regulator zadrava reguliranu veliinu na eljenoj ili postavljenoj vrijednosti uz odgovarajuu tonost i stabilnost. Na slici 2.10 prikazan je regulator u krugu automatskog upravljanja. Ovisno o zahtjevima regulacijskog kruga odabiremo odgovarajui regulator, a regulatori mogu biti: mehaniki, elektroniki, hidrauliki i kombinirani.

Slika 2.10 Regulator u regulacijskom krugu

Prema tipu regulacijskog djelovanja regulatori mogu biti:

P - regulatori ( regulatori razmjernog djelovanja ),

I - regulatori ( regulatori integralnog djelovanja ),

D regulatori ( regulatori derivacijskog djelovanja ),

Njihove kombinacije PI, PD i PID.

4.2.1. P REGULATOR

P regulator odmah reagira na promjenu ulazne veline odnosno regulacijskog odstupanja _. P regulator ne otklanja to regulacijsko odstupanje izmeu postavne i stvarne vrijednosti regulirane veliine u potpunosti. Kada bi bila stvarna vrijednost jednaka eljenoj, regulator ne bi imao naponskog signala na ulazu, pa ne bi mogao ni djelovati. Pored ovog nedostatka P regulator se uglavnom koristi zbog jednostavnosti, pa prema tome zauzima znaajno mjesto u jednostavnim regulacijskim krugovima.

Na slici 2.11 prikazano je djelovanje P-regulatora, gdje e(t) predstavlja regulacijsko odstupanje, a Yr(t) izlazni signal regulatora. Na grafu 2.1 prikazan je izlazni signal proporcionalnog djelovanja, iz grafa oitavamo da P-regulator ima srednje dugo vrijeme odziva i trajno odstupanje od eljene vrijednosti.

Slika 2.11 Proporcionalno djelovanje

Graf 2.1 Izlazni signal proporcionalnog djelovanja

4.2.2. I REGULATOR

Odskona promjena ulazne veliine I regulatora za posljedicu ima linearni porast odnosno promjenu izlazne veliine do postignua njezine konane vrijednosti. Prema tome integralni regulator potpuno otklanja regulacijsko odstupanje kao posljedicu djelovanja poremeaja u sustavu. Nedostatak ovog regulatora je to radi sporo, te se rijetko upotrebljava sam. U primjeni ga nalazimo u spoju PI ili PID regulatora.

Na slici 2.12 prikazana je vremenska ovisnost regulacijskog odstupanja e(t) i vremenska ovisnost izlaza regulatora Yr(t) . Na grafu 2.2 se vidi ponaanje izlaznog signala integralnog regulatora, iz kojega zakljuujemo da integralni regulator ima dugo vrijeme uspona, trajne oscilacije i da nema odstupanja od eljene vrijednosti.

Slika 2.12 Integralno djelovanje

Graf 2.2 Izlazni signal integralnog djelovanja

4.2.3. D REGULATOR

D regulator odnosno regulator sa derivativnim djelovanjem daje na svom izlazu signal samo ako postoji promjena ulaznog signala u vremenu. Signal na izlazu je vei to je promjena vea. Ovaj se regulator u praksi koristi u kombinaciji s P ili PI regulatorom, jer tada do izraaja dolazi njegovo dobro svojstvo, a to je da jako brzo reagira i otklanja nagle promjene zbog velikog utjecaja poremeaja.

Slika 2.13 predoava derivativno djelovanje regulatora, te njegovu regulaciju prilikom naglih promjena kursa. Na grafu 2.3 vidimo da derivativno djelovanje regulatora ima osobine jako brzog regulatora ( sa malim vremenom uspona) ali isto tako se radi o regulatoru sa trajnim odstupanjem.

Slika 2.13 Derivativno djelovanje

Dijagram 2.3 Izlazni signal derivabilnog djelovanja

4.2.4. PI REGULATOR

Temeljne znaajke PI regulatora su:

Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja, dok integracijsko djelovanje otklanja odstupanje,

Postoje oscilacije za vrijeme prijelaznih pojava.

PI regulatori se mnogo primjenjuju na brodovima ( regulacija brzine rotacijskih strojeva, regulacija temperature medija i sl.)

Slika 2.14 prikazuje kombinaciju proporcionalnog i integralnog djelovanja. Ta kombinacija daje bolja svojstva izlaza koja su ve navedena u prije spomenutom tekstu. Sa grafa 2.4 po obliku izlaznog signala PI-regulatora vidimo da se radi o regulatoru sa srednje dugim vremenom uspona, bez oscilacija i bez trajnog odstupanja.

Slika 2.14 PI regulator i njegovo djelovanje

Graf 2.4 Izlazni signal PI- regulatora

4.2.5. PD REGULATOR

Temeljne znaajke PD regulatora su:

Proporcionalno djelovanje daje neposrednost i stabilnost djelovanja te otklanja vea odstupanja, dok derivacijsko djelovanje daje brzinu odziva.

Preostaje odstupanje regulirane i vodene veliine.

Kombinacija proporcionalnog i derivacijskog djelovanja dana je na slici 2.15 i grafu 2.5. Iz ovih prikaza je vidljivo da se radi o regulatoru sa kratkim vremenom uspona, bez oscilacija ali sa trajnim odstupanjem.

Slika 2.15 PD regulator i njegovo djelovanje

Graf 2.5 Izlazni signal PD regulatora

4.2.6. PID REGULATOR

PID regulator sjedinjuje sva tri regulacijska svojstva ( proporcionalno, integralno i derivacijsko ). To je najee upotrebljavani regulator pogotovo u krugovima gdje se trai via kvaliteta regulacije, ( u pogledu tonosti, stabilnosti i brzini reakcije). Za kvalitetan rad PID regulatora u regulacijskom krugu potrebno je pravilno odrediti konstante razmjernog Kp, integralnog Ti i derivacijskog Td djelovanja.

Slika 2.16 i graf 2.6 prikazuju karakteristike PID-regulatora. PID- regulator ima najbolja svojstva regulacije te je zbog toga i najee koriteni regulator. Iz grafa izlaznog signala PID- regulatora vidimo, da se radi o regulatoru sa brzim odzivom, bez oscilacija i bez trajnog odstupanja to su svakako poeljne karakteristike svakog sustava.

Slika 2.16 PID regulator i njegovo djelovanje

Graf 2.6 Izlazni signal PID regulatora

Primjer PID regulatora sa kompenzacijom ( autopilot )

Slika 2.17 Komponente regulacijske staze (autopilota)

Na slici 2.17 prikazana je regulacijska staza autopilota sa svim pripadajuim komponentama. Pored objekta tu su zastupljeni senzori (mjerna osjetila) (mjerno osjetilo kao dio koji neposredno osjea mjerenu, reguliranu, veliinu i mjerni pretvornik koji mijenja taj signal u signal koji se moe lako oitati, najee u normirani signal), vremenski lan s kojim se oblikuje regulacijsko odstupanje i postie eljeno regulacijsko djelovanje (regulator, kompenzator), pojaalo koje je gotovo uvijek povezano s vremenskim lanom te izvrni ureaji (aktuatori): postavni pogon (najee razni oblici motora, bilo elektrini, hidraulini, i sl.), postavni lan (razni ventili, itd.). Ukoliko je objekt brod, a radi se o voenju broda po odreenom kursu tada bi poremeajne veliine z(t) koje skreu brod sa zadanog kursa u(t) bile vjetar, valovi, struje, i sl. Stvarno kretanje broda, odnosno stvarni kurs y(t), registrira irokompas (mjerni ureaj). Stvarni kurs usporeuje se sa eljenim kursom u(t) u komparatoru te ako postoji razlika na izlazu iz komparatora pojavljuje se regulacijsko odstupanje koje se onda oblikuje u vremenskom clanu. Signal kojim se osmiljeno djeluje da se poniti regulacijsko odstupanje, tj. skretanje sa eljenog kursa, pojaava se u pojaalu te se njim pokree izvrni ureaj: kormilarski ureaj. Postavni pogon je motor, a postavni lan je list kormila. Izvrna veliina je yr(t).

5. DRUGE STRUKTURE SAU

Pored navedenih temeljnih struktura SAU (bez povratne veze i s povratnom vezom), za praksu su vane i mnoge druge strukture, meu njima posebno su znaajne:

Adaptivna struktura sa samougaanjem (samopodeavanjem) parametara regulatora (engl. Self Tuning Regulator, STR struktura)

Adaptivna struktura s referentnim modelom (engl. Model Reference Adaptive System, MRAS struktura)

Struktura SAU zasnovana na unutarnjem modelu (engl. Internal Model Control, IMC struktura)

SAU nalaze iroku primjenu u raznim proizvodnim i radnim postrojenjima i procesima

Izbor strukture SAU ovisi o postavljenim zahtjevima na sustav upravljanja

SAU bez povratne veze u pravilu se koriste za upravljanje procesima (objektima) kada zahtjevi na sustav upravljanja nisu strogi i gdje je mogue primijeniti ovaj koncept upravljanja

SAU s povratnom vezom u pravilu se koriste za upravljanje procesima (objektima) kada su zahtjevi na sustav upravljanja stroiji i u sluajevima kada je nuno koristiti koncept povratne veze

Kombinacijom SAU bez i s povratnom vezom i unaprijednog upravljanja s obzirom na poremeaj koji djeluje na proces moe se postii znaajno poboljanje kvalitete sustava upravljanja

Naprednije strukture SAU predstavljaju prirodno proirenje osnovnih struktura SAU (s i bez povratne veze)

Adaptivne strukture upravljanja sloene su strukture i primjenjuju se u upravljanju procesima iji se parametri mijenjaju ovisno o radnim reimima procesa

Adaptacija parametara regulatora u adaptivnoj strukturi zasniva se na identifikaciji parametara sustava

IMC strukture primjer su struktura iji je regulator zasnovan na matematikom modelu upravljanog procesa

Specifini oblik IMC strukture IMC struktura sa Smithovim prediktorom koristi se za upravljanje procesima s izraenim transportnim kanjenjem

IMC strukture zahtijevaju toan matematiki model procesa koji vjerno opisuje njegovo dinamiko vladanje

Pitanje robusnosti SAU zasnovanih na matematikom modelu procesa kljuan je problem2