M. Voicu, IA (I)M. Voicu, IA (I) C1 (37)C1 (37) 11
Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi, IaiFacultatea de Automatic i Calculatoare
2013 2014
IntroducereIntroducere n automaticn automaticAnul II, semestrul 4
M. Voicu, IA (I)M. Voicu, IA (I) C1 (37)C1 (37) 22
Suportul de curs se bazeaz pe manualul:
www.mvoicu.intr-automatica.ac.tuiasi.rowww.mvoicu.intr-automatica.ac.tuiasi.ro
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 3
Capitolul I
INTRODUCERE
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 4
1. Automatizarea: coninut, categorii i scopuri
automatautomat adjectivadjectiv sau substantivsubstantiv
AutomatAutomat calitatea unui sistem fizico-tehnic de a efectua,pe baza unei comenzi, o operaie sau un complex deoperaii fr participarea direct a operatorului uman.
Un automatUn automat un dispozitiv, un aparat sau o instalaie ngeneral un sistem - care opereaz sau funcioneaz n
mod automat.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 5
AutomatizareAutomatizare:aciunea de concepere, de realizare deautomate i de echipare a sistemelor fizico-tehnicecu automate pentru efectuarea unor operaii, micri,aciuni etc., fr participarea direct a omului.
Categorii de automatizri: de comand, de msurare, de reglare, de protecie, i de semnalizare.
Toate acestea pot fi locale sau la distan (teleautomatizri).
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 6
Scopurile generale ale automatizrii: productivitatea consumurile specifice precizia execuiei sigurana n funcionare protecia instalaiilor evitarea de ctre om a efortului fizic i a mediilor nocive.
Crearea instalaiilor tehnologice i a tehnologiiloreste un atribut al inginerieiingineriei.
IngineriaIngineria:cunoaterea i utilizarea materialelor i forelor
naturii pentru beneficiul umanitii, folosind maini,instalaii i construcii concepute, realizate iutilizate n cadrul unor organizaii socio-economice.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 7
Inginerul automatistInginerul automatist ,cunoscnd structura si proprietatile unui sistem,concepe i realizeaz automatizarea acestuia.
Profesie inter- i multidisciplinar: cunotine de matematic, fizic, chimie, biologie,
electrotehnic, electronic, tehnic de calcul,informatic i de automaticautomatic,adecvat operante n conceperea,realizarea i utilizarea automatizrilor;
cultur tiinific i tehnic dublat de viziune sistemic; soluii de automatizare pentru diverse sisteme:
mecanice, electrice, termice, fluidice,chimice, biologice sau combinaii ale acestora.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 8
2. De la mecanizare la automatizareDezvoltarea istoric a produciei:
revolurevoluia industrialia industrial (sec. XVIII);utilizarea mainilor acionate de maina cu vapori;
revolurevoluiaia tiintiinificoifico -- tehnic contemporan tehnic contemporan;automatizarea i informatizarea global a societii.
Trepte de dezvoltare: manufacturare mecanizare automatizareautomatizare cibernetizarecibernetizare;
prelucrarea computaional complex a informaiei.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 9
OPERATORUMAN
Fig. I.1.a. Structura unei mecanizri
PRESCRIPII
PERTURBAII
COMENZI
INFORMAII
PROCES
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 10
F
FvFr
vntul lateral
32 m
100 km/h Audi TT: 1,50 mPorsche 911: 1,65 mVW Golf: 1,67 m
F fora de traciuneFv fora vntuluiFr fora rezultanttr traiectoria
90 km/hPrescripii: o s e a u a
Perturbaii: v n t u l l a t e r a l
tr
Exemplu de proces perturbat:efectul vntului lateral asupra unui autovehicul
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 11
Exemplu: compensarea efectului vntului lateral asupra unui autovehicul
F
FvFr
vntul lateral
ofer
soseaua
vntul lateral
volanul
poziia
autovehiculpe
osea
tr
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 12
MecanizareMecanizare:mainile au rolul de executant;omul este participant directparticipant direct i necesari necesar.
Munca manual se nlocuiete cu mecanisme, aparatei maini acionate de convertori de energie adecvai.
Omul ia parte la procesul de producie n calitatede manipulator al mijloacelor de mecanizare.
Omul urmrete numeroase mrimi fizice i influeneazfluxurile de substanfluxurile de substan,, de energiede energie i de informai de informaieie.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 13
OperatorulOperatorul constituie calea de reaccalea de reacieie.Este procesor de informaie.
PProcesulrocesul constituie calea directcalea direct.Se proceseaz substan i energie.
OperatorulOperatorulprelucreaz informainformaiiii i execut
comenzicomenzi conform cu prescripprescripiileiile.
OOperatorulperatorul este necesar deoareceperturbaperturbaiileiile abat procesul de la evoluia corect.
OOperatorulperatorul observ abatereaabaterea i executcomenzicomenzi pentru reducerea efectului perturbaperturbaiiloriilor,respectiv a abateriiabaterii ntre evoluia prescrisprescris i
evoluia curentcurent a procesuluiprocesului.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 14
OPERATORUMAN
PRESCRIPII
PERTURBAII
COMENZI
INFORMAII
PROCES
Structura
CALEA DE REACIE
CALEA DIRECT
DEAUTOMATIZARE
DISPOZITIV
unei automatizriunei mecanizri /Fig. I.1.b.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 15
Q1
LTLichid
tehnologicR
Rt
Qt
N T
Q2
PompTermometru
Agent termic
RTRecipienttehnologic
NivelmetruMotor
M
P
C
Fig. I.2. Exemplul 2.1- mecanizare -
Perturbaii: la reglarea nivelului Q2la reglarea temperaturii Q1
SCSchimbtorde cldur
Operator
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 16
M
Q1
R
Qt
Q2
SC
P
EVt
NC
TC
+
Perturbaii:la reglarea nivelului Q2la reglarea temperaturii Q1
Prescrieri:la reglarea nivelului la reglarea temperaturii
HHnnHHtt
Fig. I.3. Ex. 2.2- automatizare -
HHnn
HHtt
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 17
NCC
Fig. I.4. a. Nivelmetru cu contact electric (NC)
Mrimea prescris HHnnse ajusteaz deplasdcontactele C pe vertical.
HHnn
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 18
Fig. I.4. b. Electroventil (EVt)
lichid
ventil
resortantagonist
la termometrulcu contact
pies feromagnetic
conduct
bobin
fora electro-magnetic
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 19
N S
NS
1. magnet
tub de sticl
+
la bobinaelectroventilului
2. piulimagnetizat
3. urub fix
contactpoziionabil
mercur
Fig. I. 4. c. Termometru cu contact electric (TC)
HHttMrimea prescris HHttse ajusteaz rotindmagnetul 1 care,la rndu-i, rotetepiulia magnetizat 2pe urubul 3.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 20
Se exercit n sensul reducerii abateriireducerii abaterii dintrevaloarea prescrisprescris (a mrimii reglate) i
valoarea curentcurent (a mrimii reglate).
Funciile operatorului uman: Tip de activitate:
prelevarea informaiei din proces senzorial
prelucrarea informaiei ielaborarea deciziei de comand intelectual
comanda organelor de reglare motorie
Abaterea este provocat de perturbaperturbaieie sau de prescriereprescriere.Q1 / Q2 modific temperatura / nivelul.Ht / Hn modific temperatura / nivelul.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 21
AutomatizareaAutomatizarea: Omul nu particip direct la producie.Omul are funcii noi, respectiv de:
conducere,comand,supraveghere.
Dispozitivul de automatizareDispozitivul de automatizare este constituit din:traductortraductor ; msoar valoarea curent: nivel, temperatur;regulatorregulator ; elaboreaz comanda de anulare a abaterii
dintre valoarea prescris (n regulator) ivaloarea curent (msurat de traductor);
element de execuelement de execuieie ; amplific comanda generatde regulator i modific fluxurile de energiei/sau de substan din procesul automatizat.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 22
Comparaie ntre cele dou soluii: mecanizaremecanizare: aparatele fac posibil includerea
operatorului uman (fig. I.1) prin
urmtoarele interfeinterfeee: aparate de msur (indicaii vizuale) i organe de reglare (comenzi manuale);
automatizareautomatizare: aparatele de msur i organelede reglare nu sunt utilizabile ca atare;
ele trebuie modificate pentru a se
realiza lanul:
traductortraductor regulatorregulator element de execuelement de execuieie.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 23
Ingineria automatizriiIngineria automatizrii: crearea de traductoare, regulatoare ielemente de execuie; crearea automatizrilor.
Tehnica automatizriiTehnica automatizrii :tehnica msurriitehnica msurrii: prelevarea, compararea, convertirea,
amplificarea, indicarea i nregistrareamrimilor fizice;
tehnica reglriitehnica reglrii: elaborarea comenzilor care asigurmodificarea fluxurilor de substan,energie i informaie;
tehnica telematiciitehnica telematicii: transmiterea la distan a informaiilorntre om i main sau ntre maini;
tehnica detehnica de calcucalcull: codificarea, prelucrarea, stocarea,decodificarea i distribuia informaiilor.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 24
3. Ce este un sistem automat?La ex. 2.1 i 2.2 temperatura variaz deoarece exist un
consum (Q2) i un adaus (Q1).Prin variaia adecvat a lui Qt, abatereaabaterea dintre
valoareavaloarea prescrisprescris i valoareavaloarea curentcurentale temperaturii se poate reduce pn la anulare.
Reducerea abateriiReducerea abaterii este posibil prin:1 Un operator prelucreaz informaii din proces
i acioneaz prin organul de reglare Rtn sensul anulrii abateriianulrii abaterii.
2 Un dispozitiv de automatizare prelucreaz informaiidin proces i acioneaz prin organul de reglare Rtn sensul anulrii abateriianulrii abaterii.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 25
Q1
R
Rt
Qt
N T
Q2
M
P
C
Fig. I.2. Ex. 2.1 Fig. I.3. Ex. 2.2
mecanizare automatizare
EVt
NC
TC+
HHnnHHtt
M
Q1
R
Qt
Q2
SC
P
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 26
Soluiile sunt izomorfeizomorfe. n ambele exist calea decalea de reacreacieie.ReacReacia negativia negativ asigur evoluia spre anulanulaarreaea abateriiabaterii..
ReacReaciaia este un concept fundamental n automatic.
Ea poate fi:negativnegativpozitivpozitiv..
Ca soluie tehnic reacia negativ s-a utilizat odat cu
realizarea primelor sisteme automate.
Noiunea de reacie a aprut n electronic.
Universalitatea ei a fost descoperit ctre sfritul anilor '30.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 27
nerv optic
creier
globulocular muchi de
deschidere
info
rma
ievi
zual
retina
com
enzi
CA
LEA
DE
RE
AC
IE C
ALE
A D
IRE
CT
pupilamuchi denchidere
Reacia este prezent n toate formele de organizare a materiei.
Exemplul 3.1
Fig. I.5. Reflexul pupilar fotomotor
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 28
sec. IV-III a.Cr.n., ceasul cu ap cca 1600, incubatorul lui Drebbel 1769, regulatorul centrifugal (James Watt) pentru
reglarea automat a turaiei mainii cu vapori
4. Cteva repere istorice
James Watt17361819
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 29
Regulatorulcentrifugal
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 30
a
MAINACU
VAPORI
ABUR UZAT
ABUR VIU
c5
32
c
11b b
1 mase centrifugale2 resort (poate lipsi)3 mecanism patrulater4 culis5 clapet de reglare
4
a micri de rotaieb micri pendularec micri de translaie
a
Fig. I.8. Regulatorul centrifugal pentru reglareaautomat a turaiei mainii cu vapori
regulatorulcentrifugalregulatorulcentrifugal
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 31
Main cu vapori fix
Regulatorulcentrifugal
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 32
1869, J. C. Maxwell primul studiu matematic alstabilitii unor sisteme automate, urmat n 1876de I. A. Vyshnegradskii cu un studiu mai amplu
4. Cteva repere istorice
Interbelic (SUA), telecomunicaii cu amplificatoareelectronice cu reacie; metoda frecvenial;
Interbelic (fosta URSS), metoda domeniului timpului.
J.C. Maxwell18311879
I.A. Vyshnegradskii18311895
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 33
5. Automatica i cibernetica;sisteme i semnale
AutomaticaAutomatica = cercetarea teoretic a sistemelorautomate i studiul, conceperea i
realizarea mijloacelor tehnice
de automatizare.
CiberneticaCibernetica = "studiul analitic al izomorfismului ntrestructura comunicaiilor n mecanisme,
n organisme i n societi".
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 34
Se au n vedere trei aspecte privitoare la comunicaii:1 Aparatele, operatorul sau dispozitivul de automatizare
i recipientul tehnologic formeaz un sistemsistem.Sistemul are o structurstructur.
2 ElElementeleementele sistemuluisistemului sunt conectate prin semnalesemnale.Se transmit de la cauzcauz (mrime de intrare)
la efectefect (mrime de ieire).
3 Aciunea comun a prilor realizeaz scopul:anularea abateriianularea abaterii i respectivccompensareaompensarea efectului perturbaefectului perturbaiiloriilor.Aceast proprietate nu este a elementelor sistemului.Este un rezultat al structuriistructurii i al comunicacomunicaiiloriilor.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 35
SSistemistem = o unitate relativ delimitat fa de mediu prinstructura sa intern. Noiunea este relativ.
Una i aceeai realitate poate conine mai multe sisteme.
ntre sisteme se transmit informaii. Noiunea de informainformaieierezult prin abstractizarea semnificaiilor uzuale.
O informaie nu este cunoscut aprioric.
Realizarea unei informaii concrete nltur o incertitudineincertitudine.Aceast incertitudine este cuantificabil are o valoarevaloare.
O mrime fizico-tehnic purttoare de informaie = semnalsemnal.PParametruarametru informainformaionalional = param. dependent de informaie.
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 36
Semnalele sunt funcii i de timp.TimpulTimpul evolueaz continuu, n sens unic, de la trecut,
prin prezent, spre viitor.Semnalele se pot clasifica:
1Dup natura fizic : mecanice, electrice, optice etc;2Dup valorile parametrului informaional:
analogice, discrete (digitale, binare);3Dup valorile variabilei timp:
continue, discrete n timp (eantionate).
t
x(t) semnal analogic continuu
semnal eantionat uniform
x*(t)
M. Voicu, IA (I) C1 (37) 37
4Dup previzibilitatea evoluiei viitoare:deterministe, stohastice (aleatoare).
SistemeleSistemele proceseaz semnalesemnale.Noiunile de sistemsistem i semnalsemnal sunt duale.
n lipsa semnalelorsemnalelor // sistemelorsistemelorexistena sistemelorsistemelor // semnalelorsemnalelor este insesizabil.
Clasificarea sistemelor dup natura semnalelor procesate:sisteme analogice sau discrete,sisteme continue sau discrete n timp (cu eantionare),sisteme deterministe sau stohastice (aleatoare).