Automatika Segédlet Elektronikus eszközök szak II: évfolyam Nappali Müszaki Manager szak II: évfolyam Nappali

Automatika Segédlet

Elektronikus eszközök szak II: évfolyam Nappali

Müszaki Manager szak II: évfolyam Nappali

Követelmény.

A vizsga írásbeli és szóbeli. Az írásbeli vizsga 65 perces, és 2 példát kell megoldani, valamint 3 összefoglaló kérdésre kell válaszolni 10-15 mondatban, vagy magyarázott egyenletekkel, illetve ábrákkal. A vizsgára minden hallgató hozzon magával 1-2 db. mm papírt, 3-4 db. A4-es üres lapot, ceruzát, tollat és vonalzót.

A szóbeli vizsgán a jelöltek az összefoglaló kérdésböl kapnak 2 kérdést, és 2 jó válasz esetén javít, 2 rossz válasz esetén ront, 1-1 jó és rossz válasz esetén marad a megajánlott jegy. Az írásbeli vizsgán elért legalább 35%-os eredmény a szóbeli vizsgára bocsátás feltétele.

Az írásbeli alapján az induló jegy.

19 pont, vagy kevesebb: (1) elégtelen

20-25 pont: szóbelizhet

26-31 pont: (2) elégséges

32-40 pont: (3) közepes

41-46 pont: (4) jó

47-50 pont között: (5) jeles

A vizsga eredménye a szóbeli alapján alakul ki. A szóbeli vizsgán egynél több jegyet is lehet javítani.

Kijelölt tankönyvek:

1. KKMF-1164 Dr. Mórocz István: Irányítástechnika I. (Analóg szabályozástechnika)

2. KKMF-1167 Dr. Harkay Tamás - Dr. Tverdota Miklós: Villamos vezérléstechnika

A felkészülést segíti:

3. Neszveda József: Automatika Segédlet (A Segédlet kiegészíti és a jegyzetek megírása óta eltelt több mint 10 év változásainak megfelelöen pontosítja a kijelölt tankönyvek anyagát)

Az automatizálással foglalkozó tudományterületek

Általános folyamatirányítási modell

A technológia, berendezés modellezése (identifikáció)

Az összetett rendszert fel kell bontani egy kimenetü vezérlési láncokra, illetve szabályozási körökre.

A folyamatjellemzök értelmezési tartománya

Minden fizikai jellemzöre (nyomás, szint, hömérséklet, stb.) meg kell adni egy alsó és felsö határt, és a szakasz modell csak ezen a határon belül érvényes.

Müszerezés

Érzékelök, távadók, végrehajtók, beavatkozók, irányító berendezés hardver

Ezek kiválasztása és illesztése a technológiához önálló tudományterület.

Irányító algoritmus

Vezérlés definíciója

Ismert egy pontos szakasz modell, és így megadható egy algoritmus, hogy a vezérelt jellemzö kívánt értékéhez milyen módosító jellemzök szükségesek. A pontos modell azt jelenti, hogy minden olyan hatás, amely a mérnöki hibahatáron túl befolyásolja a vezérelt jellemzö értékét, szerepel a modellben.

Szabályozás definíciója

A mért a szabályozott jellemzö 828c22i összehasonlításra kerül az elöírt értékkel, és ha eltérés van, akkor a módosító jellemzövel az eltérés korrigálásra kerül. Nem kell pontos modell. A számításba nem bevont hatások okozzák az eltéréseket, amit a szabályozási hurok korrigál.

Összehasonlítás (elönyök, hátrányok)

A szabályozáshoz nem kell pontos szakasz modell, sokkal kevesebb jellemzöt kell mérni, ezáltal olcsóbb, viszont elöször mindig fellép a hiba, amit a szabályozás kiküszöböl, valamint a belsö visszacsatolás miatt az irányítás instabillá válhat.

A vezérlés gyors, hibamentes, és mindig stabil. Az iparban az irányítási feladatok 85% - 95% -t vezérléssel oldják meg.

Szabályozást akkor alkalmaznak, ha a szabályozás által nyújtott pontosság kielégítö, és bonyolult, vagy nem is lehetséges pontos szakasz modellt alkotni, vagy ha a pontos modellben sok a mérendö jel, és így drága a megvalósítása.

A mikroprocesszor alapú irányítóberendezések

Mikrokontrollerek

Az alap áramköri elemek (CPU, RAM, SIO, stb.) egy NYÁK lapon kialakított kombinációja.

Nincs ipari körülménye közötti müködésre felkészítve.

Programozása:

CPU "assembler", vagy magas szintü programozási nyelv (QBasic, QuickC) felületet biztosító fejlesztö rendszer. (külön termék)

Alkalmazási területe:

Nagy, közepesen nagy sorozatban gyártott termékekben, csak az adott feladatra kifejlesztett és optimalizált vezérlö berendezése.

Programozható logikai vezérlök (PLC)

Történelmi elözmények

Ipari rendszerek automatizálása logikai áramkörös, relés, pneumatikus, hidraulikus berendezésekkel.

Definíció:

Ipari körülmények közötti müködésre felkészített, hardveresen kész, szabványos, irányítástechnikai programnyelveken programozható berendezések.

Programozása:

Szabványos, irányítástechnikai programnyelvek (IEC1131-3)

Alkalmazási területe:

Nagy, közepesen nagy, kis technológiák, berendezések komplett irányítása, beleértve a nehézipari, nehézvegyipari körülményeket.

Jelenleg ez a legelterjedtebb.

Számítógép bázisú rendszerek

Történelmi elözmények

Mérési adatgyüjtök, intelligens müszerezés.

Definíció:

Tiszta ipari (irodaépületek, tesztlabor, gyártásközi ellenörzés, stb.) körülmények közötti müködésre felkészített, hardveresen kész, gyártó specifikus programnyelveken programozható berendezések.

Programozása:

Gyártó specifikus grafikus programnyelvek, opciószerüen szabványos, irányítástechnikai programnyelvek (IEC1131-3)

Alkalmazási területe:

Elektromágneses zajterhelés szempontjából tiszta, közepesen nagy, és kis technológiák, berendezések komplett irányítása, mérési adatgyüjtés, mérésanalízis.

Folyamatirányító gépek

Történelmi elözmények

Központi irányító termek.

Definíció:

Nagy, és/vagy nagyon megbízható müködést igénylö technológiák. Felkészített a redundáns müködésre. A megjelenítö (SCADA) szoftver, és a vezérlö szoftver közös adatbázisból dolgozik.

Programozása:

Gyártó specifikus grafikus programnyelvek, opciószerüen a vezérlö szoftver blokk fejlesztéséhez használhatók a szabványos, irányítástechnikai programnyelvek (IEC1131-3)

Alkalmazási területe:

Erömüvek, vegyipar, gyógyszergyártás, stb. komplett irányítása.

Programozható Logikai Vezérlök

Ipari körülmények közötti müködésre felkészített, hardveresen kész, szabványos, irányítástechnikai programnyelveken programozható berendezések.

Szoftver

Rendszer szoftver

Feladatai: Kapcsolattartás a perifériákkal (billentyüzet, nyomtató, stb.), az adatforgalom irányítása, önteszt, a felhasználói program futatása.

A személyi számítógép rendszer szoftvere manapság tipikusan Windows. Ez alatt fut a Fejlesztö szoftver.

A PLC CPU rendszer szoftvere gyártó specifikus és a PLC szerves része, nem cserélhetö, nem módosítható. Ez futatja a Felhasználói programot.

Fejlesztö szoftver

Feladatai: A felhasználói program megírása, szintaktikai ellenörzése, lefordítása gépi kóddá, letöltése a PLC CPU-ba. A program futatásának ellenörzése, debug, on-line adatmódosítás, stb.

Az 1995-ös szabványosítási elvek alapján (IEC1131) a legegyszerübb felépítésü PLC-töl, a legösszetettebb fel-építésüig ugyanazzal a Fejlesztö szoftverrel programozható. Ez a kisméretü feladatok irányítására szolgáló PLK-k programozását a szükségesnél bonyolultabbá tette.

Felhasználói program

Ez írja le az adott konkrét alkalmazáshoz illeszkedö irányító algoritmusokat. A PLC CPU-ban csak egyetlen felhasználói program fut.

Osztályozása hardver felépítés alapján

Kompakt

Egyetlen zárt tokozatban elhelyezkedö, kötött számú (10 - 30) be, és kimeneti ipari csatlakozással, és korlátozott szoftver eröforrással rendelkezö eszköz. Általában nem bövíthetö. Tipikus alkalmazási terület: egyedi gépek vezérlése. Manapság kiszorítja ezeket az eszközöket a piacról a Vezérlö relék.

A vezérlö relék: Abban különbözik a kompakt PLC-töl, hogy a szakmunkások számára készült dokumentumokban használt grafikus szimbólumokkal programozható.

Modulárisan kompakt

A fent ábra ilyen elrendezést ábrázol. Különbözö sebességü PLC CPU, különbözö méretü memóriával válaszható, és különbözö típusú (16/32 digitális bemenet, vagy kimenet, digitális vagy analóg be-, kimenet, stb.) I/O modulok füzhetök hozzá. Így az adott alkalmazáshoz legjobban illeszkedö be, kimenet állítható össze. A tipikus maximális terjedelem 1000 be/kimeneti jel. Szokványos szerelö sínre pattinthatók. A lokális I/O bövítések belsö buszát rövid szalagkábellel kötik össze. A többi I/O soros adatátviteli hálózaton keresztül érhetö el.

Modulvázas ("rack")

Szerelösín helyett modultartó vázba (rack) kerülnek a zárt tokozatban elhelyezkedö modulok. A modultartó váz hátlapjára szerelt NYÁK-on helyezkedik el a busz rendszer. A nagyteljesítményü, nagy sebességü PLC CPU-ok kedvelt kiviteli formája. A tipikus terjedelem 2-3000 be/kimeneti jel.

Hálózatos

Egy-egy irányítási részfeladatot önállóan (saját vezérlö program) ellátó kompakt, modulárisan kompakt, vagy modulvázas PLC a gépcsoportok müködésének összehangolása érdekében ipari kommunikációs hálózaton keresztül cserél információt.

Manapság dinamikusan terjedö hálózat típusok: Profibus-DP, DeviceNet, CANopen.

Elterjedten alkalmazott még a Modbus, Interbus-S, LON.

Az szabványos ipari be-, kimenetek (I/O) müszaki adatai

Kétállapotú

Mind a bemenetek, mind a kimenetek optócsatolóval galvanikusan leválasztottak. A galvanikus leválasztás megörzése érdekében egymástól független tápfeszültséggel kell ellátni a be, és kimeneteket, valamint a belsö áramköröket.

Bemenetek 0 - 24 V logika (értelmezése 0 - 7 V = 0, 14 -30 V =1)

Kimenetek

Tranzisztoros 0 - 24 V logika

Relés (kontaktus értelmezése nyitott=0, zárt=1)

Analóg

Jeltartományok (0 - 10 V, 4 - 20 mA, stb.)

Felbontás (10, 12)

(Személyi számítógép bázisú rendszerekben szokásos a 14, 15 bit felbontás, amennyiben jelanalízis is szükséges.)

A felhasználói program futatásának módja

Ciklikus programfutatás

Megszakítások típusai

Gyártók által írt (Elsödlegesek. A hardver hibák lekezelése.)

Felhasználó által írt (Csak nagy teljesítményü PLC-re jellemzö. Pl.: adott idöközönként, adott bemenetre érkezö jel hatására ugrik a megszakítás lekezelö szubrutinra.)

Reakció idö fogalma, és összetevöi

A PLC valamely bemenetén történt jelváltozás hatása nem azonnal jelenik meg a kimeneteken. Ez a késlekedés a reakcióidö.

T_R : Az a idö, amely ahhoz szükséges, hogy a bemeneten történö jelváltozás hatására megváltozzék a kimenet.

T_IN : A kétállapotú bemeneteken levö RC szürö.

T_OUT : A kétállapotú bemeneteken levö RC csillapítótag, vagy a reed relé tekercse.

T_C : Az önteszttöl öntesztig szükséges idö.

T_N : A hálózati állomások lekérdezési ideje.

T_M : A megszakítás program feldolgozásának ideje.

A T_C ciklusidö függ a CPU sebességétöl és a felhasználói program hosszától, valamint hogy milyen típusú utasításokat tartalmaz a program. A katalógusok 1024 (1 kszó) átlagosan elöforduló utasítássor lefutásához szükséges idöt adják meg.

Szabványos irányítástechnikai programnyelvek (IEC1131-3)

Szöveges nyelvek

Structural Text = Strukturált szöveg

A magas szintü nyelvekhez hasonlít, de nem azonos egyikkel sem. A "C", vagy "Pascal" utasítás készletéhez képest kevesebbel operál. Van néhány sajátos utasítása. A szintaktikája egyszerübb, és kötöttebb.

Instruction Line Utasítássoros

Az "assembler" programnyelvekhez hasonlít. Egyszerüsített és szabványos utasításkészlete van.

Grafikus nyelvek

Ladder Diagram = Létra diagram

A kontaktus logikát alkalmazza a kétállapotú jeleknél, és paraméterezhetö téglalap szimbólumokat a többi müveletre. Az áramút-rajzos logikai tervekhez hasonló grafikai objektumokat használ.

Function Block = Funkció blokk

A digitális logikai áramkörök szimbólum készletéhez hasonló grafikai objektumokat használ.

Function Chart = Funkció térkép (a Grafset szabványosított változata)

Az IEC848 technológiai leírónyelv grafikai objektumait, és szintaktikáját használja.

A programnyelvek általános struktúrája

Egymásba ágyazott szerkezet

Programból hívható, mint beágyazott szubrutin programok, funkció blokkok, függvények.

Funkció blokkból hívható, mint beágyazott szubrutin funkció blokkok, függvények.

Függvényböl hívható, mint beágyazott szubrutin függvények.

Program

Az adott alkalmazásra egyedileg megírt célprogram.

Funkció blokk (Funkcióelem)

Gyakran elöforduló feladatokra (pl.: idözítések, számlálás, stb.) jól tesztelt szubrutin (kész, könyvtárból hívható program), amely részére minden meghíváskor definiálni kell a bemeneti és a kimeneti változókat. (bemeneti változó, amellyel a szubrutin számol, kimeneti változó a szubrutin futatásának eredménye.)

A felhasználói program fordítja (compiler) minden funkcióblokk híváshoz lefoglal memória területet a szubrutin be-, és kimeneti változóinak. Igy e változók a felhasználói program bármely pontjáról elérhetök.

Függvény

Gyakran elöforduló feladatokra (pl.: gyökvonás, konvertálás, stb.) jól tesztelt szubrutin, amely részére minden meghíváskor definiálni kell a bemeneti és a kimeneti változókat.

A felhasználói program fordítja (compiler) minden függvényhíváshoz lefoglal memória területet a szubrutin bemeneti változóinak. A kimeneti változó a munkaregiszterben képzödik és a következö utasítássorban kell feldolgozni, mert különben felülíródik.

Funkcióelem és függvény típusok

Az IEC szabvány által definiált

Gyártó specifikus

A felhasználó által írt.

Az utasítássoros és a létra diagramos program nyelvek

Instruction Line Utasítássoros

Az utasítássor felépítése

	Címke		Utasítás		Változó		Kommentár

Szekvencia

A felhasználói program legkisebb egysége. Legalább egy, de legtöbbször jóval több utasítássorból áll, és egy kerek logikai állításnak, vagy egyéb müveletsornak felel meg. (pl. Ha a kézi vagy az automatikus start jel magas, és nincs hiba jel, és a védörács a helyén van, akkor a motort müködtetö kimenöjel legyen magas. Ugró utasítás címkéje mindig csak a szekvencia elsö sorára mutathat.

Ladder Diagram = Létra diagram

Grafikai szimbólumok

Bemeneti grafikai objektumok. Kimeneti grafikai objektumok.

Záró kontaktus.      Nyitó kontaktus. Eredménytároló.

Bemeneti grafikai objektumok. Kimeneti grafikai objektumok.

Funkcióelem, függvény                           Funkcióelem, függvény

vagy Komparáló utasítás.

Szubrutinhívás vagy ugró-utasítás

	Utasítás típus     Címke

Létraág

Ez felel meg a szekvenciának. Balról jobbra haladva kell értelmezni. A jobboldali utolsó grafikai objektum mindig kimeneti típusú.

A Windowshoz jól illeszkedik, mert könnyü az egérrel ikonokból grafikai objektumokat húzogatni. A szakmunkások szeretik, mert szemléletes számukra.

Function chart = Funkciótérképes programnyelv (Grafszet továbbfejlesztése)

Grafikai szimbólumok

Lépés (a rendszer egy állapota)

Utasítás, vagy parancs (az adott állapothoz tartozó müveletek)

Átmenet (az egyik állapotból a másik állapotba jutás feltétele)

Elágazások (Vagy típus = csak az egyik ágon folytatódik, ÉS típus = több ágon folytatódik)

Kétállapotú jelet szolgáltató érzékelök

Helyzetérzékelök

Mechanikusan müködtetett kontaktusok

Nyomógombok, mikrokapcsolók, teleszkópos, görgökaros kontaktusadók.

Müködési elv, fontosabb müszaki paraméterek, tipikus felhasználási területek.

Fénysorompók, Optó-kapcsolók

Adó, vevö típusú, Reflexiós típusú, Autóreflexiós típusú

Müködési elv, fontosabb müszaki paraméterek, tipikus felhasználási területek.

Közelítéskapcsolók

Induktív, Kapacitív

Müködési elv, fontosabb müszaki paraméterek, tipikus felhasználási területek.

Állapotérzékelök

Olcsóbb, mint az analóg, mert a jelátalakító kimenete kontaktus, vagy kétállapotú jel, és így nem kell lineáris karakterisztikájú érzékelö.

Szintkapcsolók

Nyomáskapcsolók

Hömérsékletkapcsolók

Forgásérzékelök

Kétállapotú jelet fogadó beavatkozók, végrehajtók

Szelepek, tolózárak

Pneumatikus illetve villamos végrehajtó motorok nyitják, és zárják.

Mágnesszelep

A végrehajtó egy mágnes. A gerjesztett tekercs belsejében elmozduló fémrúd mechanikai áttételen keresztül nyitja vagy zárja a szelepet.

Mágneskapcsolók

Müködési elv

Gerjesztett tekercs belsejében elmozduló fémrúd mechanikai áttételen keresztül nyit vagy bont kontaktusokat. A kialakításuk olyan, hogy rendelkeznek a nagy áramok megszakításakor keletkezö elektromos ívek kioltására szolgáló mechanizmusokkal.

Csoportosításuk

Kapcsolt teljesítmény szerint, a gerjesztö oldali feszültség típusa (DC, AC) és a feszültség amplitúdója alapján.

Villamos motorok

Müködési elv

Csoportosításuk

Egyen-áramú és váltó-áramú motorok. Az utóbbiak lehetnek egy vagy háromfázisuak.

Pneumatikus munkahengerek

Müködési elv

A dugattyú elvén müködik. A tengelyt a dugattyúház két térfelén levö nyomáskülönbség mozgatja.

Csoportosításuk

Müködtetö nyomás, mozgásirány (egyenes, forgó), és tengelylöket hossz szerint.

Impulzus szelepek

A dugattyúházba be-, és kiáramló levegö útját vezérlik. A típusúkat jelzö x/y jelentése: x= az impulzus szelep nyugalmi állapotainak száma, y= a szeleptesten levö levegö járatok száma. A szeleptestre mechanikus, pneumatikus, és elektro-pneumatikus vezérlök illeszthetök, amelyekkel a nyugalmi állapotok közötti átváltás vezérelhetö.

Alkalmazásának elönyei

Nagy erökifejtésre képes viszonylag kis mechanikus méret esetén is, alapból tudja az egyenes vonalú mozgást (a forgó mozgáshoz kell mechanikai áttétel) és így nincs megszorulás, valamint nem terhelödhet túl szélsö helyzetben, rázkódásra, piszokra kevéssé érzékeny.

Jelátvivötag

Modell

A modell csak akkor közelíti meg elegendö pontossággal a valóságot, ha a számunkra fontos jellemzök, jelek a kijelölt értéktartományon belül maradnak.

A jelátvivötag be, és kimeneti jeleit célszerü dimenzió nélkülivé tenni.

Statikus karakterisztika

A be, és a kimenet állandósult állapotait ábrázolja, feltételezve, hogy a modellre ható többi jellemzö értéke a vizsgálat alatt állandó.

M

Linearitás, a szuperpozíció elve.

Szuperpozíció elve: A jelátvivö tag bemenetére jutó tetszöleges x₁(t) jelre y₁(t) jel a válasz a kimeneten, a x₂(t) jelre y₂(t) jel a válasz a kimeneten, és mérnöki hibahatáron belül teljesül, hogy ha x₁(t)+ x₂(t) jel jut a bemenetre, akkor a kimeneten y₁(t)+ y₂(t) a válasz. Ha ez teljesül a jelátvivö tag mérnöki szempontból lineárisnak tekinthetö, és elegendö néhány könnyen elöállítható jelre adott választ megvizsgálni, mert ebböl tetszöleges jelre adott válasz kikövetkeztethetö. Szabványos vizsgáló jelek: Egységugrás 1(t), Sebesség ugrás t*1(t). Gyorsulásugrás t²/2*1(t), Szinuszos jel.

Munkaponti linearizáció: Az állandósult állapotokat összerendelö statikus karakterisztikán az M munkapont környezetében kijelölhetö egy olyan a teljes bemeneti jel értelmezési tartományánál szükebb tartomány, ahol a statikus karakterisztika görbéje egyenessel közelíthetö. (Mivel a szuperpozíció elve csak itt teljesül, a szokványos módszerekkel csak itt lehet egyértelmüen biztosítani a szabályozási stabilitását, ezért ebbe a tartományba felnyitott hurokkal, vezérléssel kell eljutatni a rendszert.)

Dinamikus viselkedés a statikus karakterisztikán bemutatva

t

t

A jelátvivö-tag viselkedése az idötartományban

A lineáris, idöben nem változó paraméterekkel rendelkezö jelátvivö tag dinamikus viselkedése (az új állandósult állapot eléréséig tartó tranziens) állandó együtthatós, lineáris differenciál egyenlettel írható le. Pl.:

Laplace transzformáció

Csak úgynevezett belépö függvényeken lehet végrehajtani a Laplace transzformációt, ami azt jelenti, hogy a negatív idötartományban a jel értéke nulla. Ez könnyen teljesíthetö, ha minden jelre vonatkozóan azt az állandósult állapotot, amelyben a jelváltozás elött tartózkodott rendszer tekintjük referencia (nulla) pontnak.

Legfontosabb összefüggések:

Az alap jelátvivö-tagok jellemzése az idö és a frekvenciatartományban

Az arányos, egytárolós, kéttárolós, integráló, differenciáló, és a holtidös alaptagok differenciál egyenlete, átmeneti függvénye (az egységugrásra adott válaszfüggvény), átviteli függvénye (a be és a kimenet operátoros frekvencia függvényének hányadosa), valamint Bode diagramja.

Összetett jelátviteli-tagok

Átviteli függvénnyel jellemzett jelátviteli-tagok soros, párhuzamos, és visszacsatolt eredöje.

Szabályozási kör jelei, jellemzöi, berendezései (szervei)

A berendezéseket jelátvivö-tag modellezi. A jelátvivö-tagokat hatásvonalak kötik össze. A jelek, jellemzök összegzésére (különbségképzésére) összegzö-tagok szolgálnak. A jellemzök adott határokon belül értelmezettek.

A jelátvivötag a fizikai valóság modellje. A vizsgált valóságból figyelmen kívül hagyjuk azokat az összefüggéseket, amelyek a számunkra fontos fizikai jellemzöket nem, vagy csak elhanyagolható mértékben befolyásolják.

A továbbiakban egy bemenö jelü és egy kimenö jelü modellt vizsgálunk. Ha több jel hat a modellre, akkor azt összegzö (különbségképzö) tagokon és további jelátvivö-tagokon keresztül vezetjük rá.

x_z

	3c

2a

2b

3b

3a

1b

1a

x_a x_r x_v x_b x_m x_s

4a

4b

x_e

Egy hurkos szabályozási kör

A szabályozási kör egyensúlyi helyzete

A zárt szabályozási kör átviteli függvényei

x_z

	Yz(s)

Yp2(s)

Yp1(s)

Yk(s)

Yv(s)

x_a x_r x_v x_m x_s

Yt(s)

x_e

Alapjel átviteli függvény, Zavarjel átviteli függvény, Alap-hibajel átviteli függvény, Zavar-hibajel átviteli függvény.

Függvény felírását segíti az alábbi egyszerü szabály, hogy a számlálóban gerjesztö jeltöl ( x_a , vagy x_z ) a gerjesztett jelig ( x_s , vagy x_r ) az elörevezetö ágban található jelátvivö-tagok átviteli függvényeinek szorzata, a nevezöben pedig
1 + a felnyitott hurok átviteli függvény van. Példaképpen a Zavar-hibajel átviteli függvény lett felírva.

Hurok átviteli függvény.

A hurokban szereplö jelátvivö-tagok átviteli függvényeinek szorzata.

Az egyhurkos szabályozási kör típusszáma.

A hurok átviteli függvényben található integráló-tagok számával egyezik meg. (0 típusú: nincs integráló-tag, 1 típusú: egy integráló-tag van, 2 típusú: két integráló-tag van)

Stabilitás vizsgálat

A stabilitás fizikai definíciója:

Egy rendszer, amely állandósult állapotából elegendöen nagy energia tartalmú impulzussal kimozdítva, majd magára hagyva visszatér az eredeti állandósult állapotába az stabil.

Számos vizsgálati módszer közül az alábbi kettö a legelterjedtebb.

Stabilitás vizsgálat a zárt szabályozási kör átviteli függvénye alapján

A módszer számítógépet igényel.

Pólus-zérus elrendezés:

A zárt szabályozási kör átviteli függvényének számlálójában szereplö polinom gyökei a zérusok, a nevezöjének gyökei a pólusok. Ábrázolva ezen gyököket az irracionális számsíkon kapjuk a pólus-zérus elrendezést. A rendszer akkor stabil, ha a pólusok reális része negatív, vagyis a balfélsikon helyezkednek el a pólusok. A pólusok és zérusok tengelyektöl való távolságából meghatározhatók a zárt rendszer minöségi paraméterei. (szabályozási idö, túllendülés)

Gyökhelygörbék.

Ha rendszer valamely paraméterét (pl.: a kompenzáló-tag erösítését) kismértékben megváltoztatjuk, akkor a pólusok és a zérusok kismértékben megváltoznak. Sokszor megismételve az adott paraméter függvényében egy görbesereg alakul ki.

Stabilitás vizsgálat a felnyitott hurok átviteli függvény alapján

A stabilitás a pólusoktól, vagyis a zárt rendszer nevezöjének gyökeitöl függ. gy felírható az alábbi egyenlet.

Természetesen a zérusok elvesztésével a minöségi jellemzök sem határozhatok meg.

Bode stabilitás vizsgálat

A felnyitott átviteli függvény Bode diagramjának és a -1+j0 pont Bode alakjának (az irracionális szám a 0 dB-es tengelynek, és a -180°-os fázistolásnak felel meg) egymáshoz képesti helyzetét határozza meg. Stabil a rendszer, ha azon a frekvencián, ahol a hurok átviteli függvény metszi a 0 db-es tengelyt a fázistolás kevesebb, mint -180° , és azon a frekvencián, ahol a fázistolás a -180° ott az erösítés kisebb, mint 1, azaz a 0 dB-es tengely alatt van.

Fázistartalék: Azon a frekvencián, ahol a hurok átviteli függvény metszi a 0 db-es tengelyt a rendszer fázistolása, és a -180° különbsége. (pl.: -135° - (-180°)=45°)

Erösítéstartalék: Azon a frekvencián, ahol a fázistolás a -180° ott a 0 dB és a tényleges erösítés különbsége.

A zárt szabályozási kör értéktartási és értékkövetési tulajdonságai

Lineáris rendszerek esetén külön vizsgálhatom azokat a jeleket, amelyek a valóságban egyidejüleg hatnak.

Értéktartás: az alapjel állandó, és a zavaróhatás utáni új állandósult állapotban mekkora a maradó szabályozási eltérés.

Értékkövetés: A zavarójel állandó, és az alapjel változást hogyan képes követni a szabályozott jellemzö 828c22i .

A szabályozási hurokban stabilitási problémák miatt legfeljebb két integráló hatás lehet. A zárt szabályozási kör értéktartási és értékkövetési tulajdonsága attól függ, hogy a hurokban hány integráló hatás van (minél több annál jobb), valamint a gerjesztö jel (az alapjel, illetve a zavaró jel) hány integráló hatáson keresztül hat a vizsgált jelre (hibajel, illetve szabályozott jellemzö 828c22i )

Minöségvizsgálat a zárt szabályozási kör átmeneti függvénye alapján

Lineáris szabályozási terület, mint a minöség integrális tényezöje

A számítógép elötti korszakban a négyzetes (effektív) integrálási tényezöt, és annak torzításait mérséklö módosított változatát alkalmazták.

A zárt szabályozási rendszer átmeneti függvényén definiált minöségi jellemzök:

y(t) t Ts

Maradó szabályozási eltérés A valóságos és az ideális végérték közötti eltérés Szabályozási idö A szabályozási, vagy beállási idö elteltével már csak egy adott hibával térhet el a jel a valóságos végértékétöl. Túllendülés

Szakaszmodell közelítések

A szakasz átmeneti függvényét méréssel felvéve - (felnyitott hurokban a módosító jellemzö értékét egységugrás szerüen változtatva kell felvenni a szabályozott jellemzö idöfüggvényét) - a szakasz valóságos idö állandóit nem lehet meghatározni. Mérnöki szempontból azonban, ha ismert az egyenlete egy olyan közelítö görbének, amelynek négyzetes hiba eltérése a valóságos görbétöl kisebb, mint a szabályozási rendszer megengedett hibája, akkor ezt az egyenletet alkalmazhatjuk a kompenzáló-tag struktúrájának és paramétereinek meghatározására.

Önbeállónak nevezzük a szakaszt, ha az átmeneti függvénye felvesz egy végértéket a szabályozott jellemzö értelmezési tartományán belül. Az önbeálló szakaszok leggyakrabban használt közelítö egyenletei:

               ,

Integrálónak nevezzük a szakaszt, ha az átmeneti függvénye nem vesz fel egy végértéket a szabályozott jellemzö értelmezési tartományán belül, hanem folytonosan nö vagy csökken, míg eléri az egyik végértéket. Az integrálló szakaszok leggyakrabban használt közelítö egyenletei:

          ,

A PID kompenzáló tag felépítése, kompenzálási struktúrák

xr xv

P I PI PD PID

Önbeálló jellegü szakaszok esetén, a szakasz idöállandóinak értékétöl függöen P, PI, vagy PID kompenzálás lehet optimális. Nagy holtidejü szakaszokhoz az I típusú kompenzáló struktúra javasolt.

Integráló jellegü szakaszok esetén, a szakasz idöállandóinak értékétöl függöen P, vagy PD kompenzálás lehet optimális.

Összetett szabályozások

Zavarkompenzálás

Alkalmazásának feltétele: Van egy jól mérhetö, a rendszere jelentösen ható zavaró jellemzö.

Yk(s)

Yt(s)

Yt(s)

Yk(s)

Yv(s)

Yp2(s)

Yz(s)

x_z

Yp1(s)

x_a x_r x_v x_m x_s

x_e

Elörecsatolt zavarkompenzálás elve: A mért zavaró jellemzö hatására egy kompenzáló-tagon keresztül úgy módosítjuk a végrehajtó, és ezáltal a beavatkozó jelet, hogy a módosító jellemzö éppen annyit változzon, hogy kiküszöbölje a zavaró jellemzö hatását a szabályozott jellemzö 828c22i re.

Ha a paraméter-szórások miatt ez nem elég pontos (számos gyakorlati eset), akkor együtt alkalmazzák a visszacsatolt hurokkal.

Kaszkádszabályozás

Alkalmazásának feltétele: Legyen a rendszernek a módosító, és a szabályozott jellemzö 828c22i között egy jól mérhetö belsö jellemzöje, amelyben a zavaró jellemzö változásának hatása hamarabb megjelenik, mint a szabályozott jellemzö 828c22i ben. (pl.: Pozíció szabályozásakor a mechanikát mozgató motor áramfelvétele gyorsabban megváltozik, ha a motor tengelyére ható nyomaték változik, minthogy a nyomatékváltozásból származó pozíció hiba megjelenne.)

Kaszkádszabályozás elve: Ehhez két külöbségképzö és két kompenzáló szükséges. A szakasz belsö jellemzöjét, mint ellenörzö jelet alkalmazva kialakítanak egy belsö szabályozási hurkot, és visszacsatolva a szabályozott jellemzö 828c22i t is kialakítanak egy föhurkot. A belsö hurok alapjele a föhurok végrehajtó jele.

x_z

Yp2(s)

Yk1(s)

x_a x_r x_v x_m x_s

Yp1(s)

Yk2(s)

Yv(s)

Yt1(s)

x_e

x_e

Yt2(s)

Kérdések

Definiálja a technológiai adatszolgáltatás fö feladatköreit.

Ismertesse a közepes, nagy terjedelmü irányítási rendszer felépítését, felbontásának elvét, a vezérlés és a szabályozás közötti választás szempontját.

Ismertesse az irányító berendezések csoportosítását.

Ismertesse a Programozható Logikai Vezérlök kiviteli formáit, a PLC-ék szabványos be-, és kimeneteinek müszaki adatait.

Hogyan fut a felhasználói program a PLC-ben? Mi a reakció idö, és hogyan becsülhetö meg?

Ismertesse a szabványos PLC programozási nyelveket, és a program struktúrát.

Ismertesse az utasítássoros programnyelv szerkezetét, a létradiagramos programnyelv szerkezetét.

Ismertesse a funkció térképes leírási mód grafikus jelképeit, és ezek összekapcsolási szabályait.

A pneumatikus munkahengerek, és alkalmazási területeik.

A helyzetérzékelök csoportosítása müködési elvük alapján, és legfontosabb müszaki paramétereik?

A mágneskapcsolók alkalmazási területe, és legfontosabb müszaki paramétereik?

A szabályozási körnek milyen szabványos megnevezésü elemei és jelei vannak? A szabályozások csoportosítása.

Sorolja fel a jelátviteli alaptagokat és adja meg az átviteli függvényeiket, valamint rajzolja meg az átmeneti függvényeiket és a Bode diagramjaikat.

Milyen módszerekkel lehet az alaptagokból összetett tagokat elöállítani?

Milyen szakaszmodell közelítéseket ismer az arányos és integráló szakaszok azonosítására?

A szabályozási kör egyensúlyi helyzetének értelmezése és a munkapont beállítása.

A zárt szabályozási kör átviteli függvényeinek definiálása, és szabályozási kör típusszámának definíciója.

A stabilitás vizsgálat zárt szabályozási kör frekvencia átviteli függvényének gyökei, illetve a felnyitott hurokátviteli függvény Bode diagramja alapján.

Szabályozási kör értékkövetési, és értéktartási tulajdonságai.

Minöségi jellemzök az idötartományban.

A PID kompenzáló tag felépítése, és kompenzálási struktúrák.

Az összetett szabályozások elve, és alkalmazási területe.

Mintapéldák

Értékkövetés

x_a x_s

-

x_a = 0 - 10 V

x_s = 20 - 95 C

Értéktartás                  x_z

x_a x_s

x_a = 0 - 10 V

x_s = 20 - 95 C

P kompenzálás

x_a x_s

Ap = ?,

Ha a fázistartalék j_t

PI komenzálás

x_a x_s

Y_PI(s) = ?,

Ha a fázistartalék j_t

A megoldások menete

Értékkövetés

x_a x_s

-

x_a = 0 - 10 V

x_s = 20 - 95 C

A x_r=x_a-x_e állandósult értéke mutatja meg, hogy mekkora hibával képes követni a szabályozási kör az alapjelet.

A fenti határérték tétel ismeretében elegendö a x_r(s) állandósult értékét meghatározni, majd határértéket számítani.

Behelyettesítve.

A számérték megfeleltetése a fizikai mennyiségeknek.

A 0V-hoz tartozik a 20 C, a 10V-hoz tartozik a 95 C, akkor 1V-hoz 7,5 C tartozik.

Ha 1V-hoz 7,5 C tartozik, akkor 0,2-höz 1,5 C. és állandósult állapotban ekkora hibával követi a rendszer az alapjelet.

Értéktartás                  x_z

x_a x_s

x_a = 0 - 10 V

x_s = 20 - 95 C

A x_r=x_a-x_e állandósult értéke mutatja meg, hogy mekkora hibát okoz a zavarójel.

A fenti határérték tétel ismeretében elegendö a x_r(s) állandósult értékét meghatározni, majd határértéket számítani.

Behelyettesítve.

A számérték megfeleltetése a fizikai mennyiségeknek.

A 0V-hoz tartozik a 20 C, a 10V-hoz tartozik a 95 C, akkor 1V-hoz 7,5 C tartozik.

Ha 1V-hoz 7,5 C tartozik, akkor 0,1-höz 0,75 C. és állandósult állapotban ekkora hibát okoz a zavarójel..

P kompenzálás

x_a x_s

Ap = ?,

Ha a fázistartalék j_t

A felnyitott hurok átviteli függvényét kell Bode diagramon ábrázolni, és olyan A_p értéket meghatározni, hogy azon a frekvencián, ahol az amplitúdó átviteli függvény metszi a 0 dB-es tengelyt, ott a fázistolás és a -180 között  45 legyen.

A megoldás menete:

A felnyitott hurok átviteli függvény Bode alakban felírva:

A töréspontok, és az ábrázolandó frekvencia tartomány meghatározása:

Ábrázolni kell az integráló, és az egyidöállandós alaptagokat, majd a fázis diagram eredöjén meg kell keresni azt a frekvenciát, ahol a fázistolás -135 (itt van még j_t fázistartalék).

A fenti frekvencián leolvasva az amplitúdó átvitel értékét dB-ben, megállapíthatjuk, hogy hány dB Ap szükséges ahhoz, hogy éppen ezen a frekvencián messe az amplitúdó átviteli karakterisztika a 0 dB-es tengelyt.

PI komenzálás

x_a x_s

Y_PI(s) = ?,

Ha a fázistartalék j_t

A megoldás menete:

A felnyitott hurok átviteli függvény Bode alakban felírva:

A töréspontok, és az ábrázolandó frekvencia tartomány meghatározása:

Ábrázolni kell az egyidöállandós alaptagokat, majd a fázis diagram eredöjén meg kell keresni azt a frekvenciát, ahol a fázistolás -135 (itt van még j_t fázistartalék).

Ismerni kell a PI kompenzáló elem amplitúdó, és fázismenetét. A fenti frekvenciára kell elhelyezni a PI kompenzálótag fázismenetének azon pontját, ahol a fázistolás értéke mát 0. Ehhez képest 2/3-ad dekáddal alacsonyabb frekvencián van az w_i körfrekvencia, aminek a reciprok értéke a T_i integrálási idö.
A T_i integrálási idö ismeretében be kell rajzolni a PI kompenzálótag amplitúdó menetét, és ezután az eredö amplitúdó menetet. Azon a frekvencián leolvasva az amplitúdó átvitel értékét dB-ben, ahol a fázistartalék j_t megállapíthatjuk, hogy hány dB Ap szükséges ahhoz, hogy éppen ezen a frekvencián messe az amplitúdó átviteli karakterisztika a 0 dB-es tengelyt.