cw01 - teoriecw01 - teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb...
TRANSCRIPT
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
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
Nejdůležitější principy kybernetiky:Zpětná vazba …..
Informace …..
Model…..
© VR - ZS 2010/2011
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
TEORIE ŘÍZENÍ
TEORIE ŘÍZENÍ - KYBERNETIKA
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).
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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.
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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.
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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 …
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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) !
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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)
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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.
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
Základy teorie řízení
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)
Základní struktura systému automatického řízení
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
Základy teorie řízení
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).
Základní struktura systému automatického řízení
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
Základy teorie řízení
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
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
Základy teorie řízení
Pokud je regulátor informován o výsledcích své regulační činnosti
zpětnou vazbou, vznikne regulační obvod, jehož blokové schema je
Základní struktura systému automatického řízení
-
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
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
TEORIE ŘÍZENÍ
© VR - ZS 2009/2010
Základy teorie řízení
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.
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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)
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
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
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Základní pojmy
PŘESNOST REGULACE – dovolená odchylka skutečné
hodnoty výstupní veličiny od požadované – reprezentuje
statické vlastnosti systému
PŘESNOST ŘÍZENÍ – dovolená odchylka skutečné
hodnoty regulační odchylky
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Základní pojmy
T- MaR
© VR - ZS 2009/2010
… a to by bylo
vše
7......
T- MaRKYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
© VR - ZS 2009/2010
ŘÍZENÍ
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY