Název:	Prostředky automatického řízení
Zkratka:	PAŘ
Typ:	povinný
Rozsah:	14 týdnů, týdně 3 hodiny přednášek + 2 hodiny seminárních cvičení
Způsob ukončení:	zkouška
Katedra:	katedra řídicí techniky FM TUL
Přednášející:	Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava (75%) Doc. Ing. Josef Cerha, CSc. (25%)

 
Stručná anotace předmětu:

Obecné požadavky na automatizační přístroje a prostředky, průmyslové analogové a číslicové PID regulátory a jejich konstrukční uspořádání, varianty a modifikace PID algoritmu, experimentální metody nastavování PID regulátorů, principy a implementace samonastavujících se a adaptivních PID regulátorů. Model prediktivní řízení, principy vlastnosti a komerční implementace. Vizualizace technologických procesů, systémy HMI/SCADA a jejich programování. Distribuované řídicí a měřicí systémy, sériová komunikace, průmyslové komunikační systémy: principy jejich práce a nejčastěji používané typy těchto systémů. Skladba, princip činnosti, způsoby řízení a prvky pro realizaci tekutinových mechanismů. Podmínky a způsob jejich aplikace.

 
Témata přednášek:

Rozdělení automatizačních prostředků, obecné požadavky na automatizační zařízení, základní pojmy z oblasti spolehlivosti, krytí přístrojů, přístroje určené pro práci v prostorech s nebezpečím výbuchu.

Analogové PID regulátory, realizace a varianty. Dvou- a třípolohové regulátory, nespojité PD, PI, PID a DPID regulátory. Analogová a číslicová realizace těchto regulátorů, příklady průmyslových provedení.

Struktura a konstrukční uspořádání průmyslových číslicových PID regulátorů, kompaktní a modulární regulátory. Varianty PID algoritmu (sériový, paralelní a ideální tvar), specifické problémy číslicové regulace (aliasing, wind-up), vliv konečné délky slova A/D a D/A převodníků na chování regulátoru. Obvyklé strukturní modifikace, vážení žádané hodnoty, PID regulátory se dvěma stupni volnosti. Techniky pro řízení výrazněji nelineárních soustav (gain scheduling), řízení s rozděleným rozsahem (split range control).

Metody nastavování parametrů PID regulátorů, jež nevyžadují znalost matematického modelu řízené soustavy případně vystačí s přibližným modelem identifikovaným např. z přechodové charakteristiky. Přehled metod a jejich vlastností (ZN pravidla a jejich modifikace; Cohen-Coon; Chien, Hrones a Reswick; pravidlo souhrnné časové konstanty; Latzelova metoda; pravidla vycházející z metody vnitřního modelu (IMC); lambda tuning atd.), zhodnocení jejich použitelnosti a aplikačních oblastí.

Samočinně se nastavující a adaptivní PID regulátory. Nejběžnější algoritmy používané v komerčně dostupných PID regulátorech a PLC blocích (reléová zpětná vazba a její různé implementace v regulátorech firem ABB Automation, Fisher Rosemount a Honeywell; Foxboro EXACT; Honeywell Accutune; blok PID Self-Tuner pro Simatic S7 atd.), jejich principy, možnosti a omezení.

Pokročilé algoritmy používané v průmyslových řídicích systémech. Model prediktivní řízení (MPC) a principy jeho nejdůležitějších variant (zejména algoritmy Dynamic Matrix Control a Model Algorithmic Control).

MPC pro vícerozměrové systémy, nejzákladnější úvod do problematiky MPC s omezeními a robustní MPC. Implementace MPC v komerčně dostupných řídicích systémech.

Vizualizace technologických procesů, systémy HMI/SCADA, základní přehled vývoje a stavu dostupných programových prostředků, jejich architektura a principy jejich programování. Spolupráce vizualizačních programů s hardwarovými prostředky (komunikační rozhraní, interní v/v karty, programovatelné automaty).

Komunikace v řídicích systémech. Distribuované řídicí a měřicí systémy. Sériová komunikace, průmyslové komunikační systémy (fieldbusy). Systémy definované evropskou normou EN 50170 (Profibus, P-Net, WorldFIP), Foundation Fieldbus, totálně distribuované automatizační systémy: technologie LonWorks. Průmyslová komunikační sběrnice CAN. Komunikace na úrovni snímačů a akčních členů: AS-Interface. Protokol HART pro komunikaci se Smart snímači.

Tekutinové systémy. Skladba, princip činnosti. Přenos tlakové energie. Elektrohydraulická analogie. Zdroje tlakové energie. Přímočaré a rotační motory.

Prvky pro řízení tlaku, průtoku a směru toku tekutiny. Elektrohydraulické a elektropneumatické převodníky. Proporcionální ventily, princip, statické a dynamické charakteristiky. Servoventily a jejich aplikace.

 
Náplň cvičení:

Náplň cvičení v zásadě sleduje postup přednášek s tím, že některá témata jako např. konstrukční provedení a krytí automatizačních přístrojů nebo analogové PID regulátory svojí povahou nedávají vhodná témata pro procvičování, naopak programové prostředky pro vizualizaci v rámci cvičení zaujímají podstatně více prostoru než v rámci přednášek. Hlavní témata probíraná na cvičení tak jsou zejména následující:

Implementační aspekty číslicových PID regulátorů, nastavení regulátoru optimální z hlediska potlačení poruch a sledování změn žádané hodnoty, srovnání kvality regulace dosažené s různými typy dynamiky regulovaných soustav při použití jednotlivých popsaných přístupů k nastavování PID regulátorů, řízení nelineárních soustav pomocí PID regulátorů, nastavovací postupy vycházející z metody vnitřního modelu a problém robustnosti regulátoru, jednoduché přístupy k samočinnému nastavování parametrů PID regulátorů (zejména metoda reléové zpětné vazby a její modifikace).

Návrh a ověření řídicího systému složitější regulované soustavy pomocí některé z variant model prediktivního řízení. Uvedené pokusy s PID regulátory a MPC jsou prováděny částečně na laboratorních modelech dostupných v laboratoři TK4 a částečně s využitím simulace a případových studií typických regulačních systémů některých v praxi významných typů regulovaných soustav. Zde je výchozím bodem především soubor článků a studií publikovaný v (Levine, 2000) a některé jednodušší aplikace uváděné v (Camacho & Bordons, 1999).

Základy práce s vizualizačním software, předpokládá se nejprve základní seznámení formou naprogramování několika jednodušších úloh vysloveně školní povahy (v zásadě obdobných jako v učebnici (Schnell & Keim, 1999) ) a v návaznosti na to vytvoření o něco komplexnějšího programu umožňujícího vizualizaci a řízení laboratorního modelu reálné soustavy.

Průmyslová komunikace: demonstrace některých významných systémů (Profibus, AS-Interface, popř. protokol HART pro komunikaci s inteligentními snímači).

Základní návrhové postupy z oblasti tekutinových mechanismů: návrh velikosti přímočarého a rotačního motoru, návrh velikosti řídicích prvků, návrh jednoduchého hydraulického, resp. pneumatického obvodu.

 
Literatura:

Aström, K.,J., & Hägglund, T. (1995), PID Controllers: Theory, Design, and Tuning, 2nd edition, Instrument Society of America (ISA)

Bílý, R., Cagaš, P., Cagaš, R., Hladůvka, D., Kolařík, M., Sobotík, J., Zálešák, M., & Zgarba (1999), Control Web 2000, Praha: Computer Press

Camacho, E.,F., & Bordons, C. (1999), Model Predictive Control, Springer Verlag

Hlava, J. (2000), Prostředky automatického řízení II: Analogové a číslicové regulátory, elektrické pohony, průmyslové komunikační systémy, Praha: Vydavatelství ČVUT

Levine, W., S. (Ed.), (2000), Control System Applications, CRC Press LLC

Pivoňka, J. (1987), Tekutinové mechanismy, Praha: SNTL

Schnell, G., & Keim, V. (1999), Prozessvisualisierung unter Windows, Überwachung und Steuerung technischer Prozesse (SCADA), Wiesbaden: Vieweg Verlag

Strohrmann, G. (1996). Automatisierungstechnik 2, Stellgeräte, Strecken, Projektabwicklung, München, Wien: R. Oldenbourg Verlag

 
Prerekvizity: -

Navazující:    -

 
Datum poslední změny: 14.12.2001