Sisteme automate

Notiuni generale

Conducerea unui proces se face, de obicei, utilizand un sistem automat (SA). Acesta este format din doua parti:

- instalatia automatizata, adica instalatia tehnologica ce face obiectul unei functii de automatizare si

- dispozitivul de automatizare, care cuprinde ansamblul echipamentelor prin care se realizeaza functia de automatizare.

Evolutia unui proces din cadrul unei instalatii automatizate (IA) poate fi urmarita sau influentata cu ajutorul mai multor marimi fizice. Aceste marimi fizice pot fi clasificate in:

- marimi de iesire: y₁, y₂,.,y_n;

Acestea sunt variabile dependente care intereseaza, pentru ca sunt folosite in evaluare procesului din IA.

- marimi de intrare : u₁, u₂, .,u_m

Acestea influenteaza evolutia procesului ca variabile independente (in raport cu IA).

Unele dintre ele sunt utilizate special pentru a realiza obiectivele conducerii si deci pot fi "impuse" de sistemul de conducere automata. Acestea sunt marimile de executie : u_m1, u_m2, .,u_ms. Alte marimi de intrare influenteaza marimile de iesire intr-un mod "necontrolabil" de catre sistemul de conducere automata si, deci, independent de obiectivele de conducere ale acestuia. Ele se numesc marimi perturbatoare: u_p1, u_p2, .,u_pt.

Exemplul 1: Pentru ilustrarea acestor notiuni vom lua cazul simplu al unui rezervor de lichid, ca in figura de mai jos:

Semnificatia marimilor fizice din figura este urmoarea:

- p₁ : presiunea lichidului in amonte de rezervor;

- D₁ si D₂ : debitele de intrare si respectiv iesire din rezervor;

- c₁ si c₂ : cursele celor doua robinete;

- H: nivelul de lichid in rezervor.

Consideram ca marimea fizica care intereseaza est nivelul H al lichidului in rezervor si ca acesta face obiectul sistemului de conducere (marime de iesire). In functie de conjunctura de functionare a acestuia, se definesc marimile de intrare, de executie si de perturbatie.

O prima situatie de functionare este ilustrata in schema de mai jos:

Marimea de executie este figurata la stanga I.A., in timp ce marimile perturbatoare apar deasupra I.A.

Perturbatia c₂ variaza in mod sistematic, datorita cererii de lichid a utilajului din aval. Spunem ca c₂ este o perturbatie principala. O perturbatie principala traduce o variatie a fluxului de substanta sau energie prin I.A. Ea se mai numeste si sarcina. Celelalte prturbatii se numesc perturbatii secundare. In conjunctura de mai sus, p₁ este perturbatie secundara.

O alta situatie de functionare este ilustrata in schema de mai jos:

In aceasta conjunctura de functionare, c₂ este perturbatia principala, datorita sarcinii impuse utilajului din amonte.

Exemplul 2: Consideram un motor electric de c.c. comandat prin indus, la care ne intereseaza turatia:

Marimile fizice care intervin au semnificatiile urmatoare:

- U tensinea continua de comanda pe indus;

- U_ex: tensiunea de excitatie presupusa independenta;

- n: turatia motorului;

- M_r: cuplul mecanic rezistent, numit si sarcina

SA poate fi reprezentat astfel:

In ambele exemple, constatam ca IA este modelata intrare-iesire si are mai multe marimi de intrare si una de iesire, deci nu este un sistem monovariabil (o intrare si o iesire).

Datorita proprietatii de superpozitie a efectelor intrarilor asupra iesirii unice, vom putea trata sistemul de comanda, in general, ca un sistem monovariabil, in care vom considera pe rand cate o intrare . Vom analiza si proiecta sistemul de conducere, pe rand, in functie de marimea de executie si de perturbatii, incercand sa gasim, in final, un compromis intre cele doua situatii. Aceasta inseamna ca sistemul automat sa functioneze corect (i.e raspunzand la niste criterii de performanta impuse) atat in raport cu marimea de executie cat si cu perturbatiile.

In general, un sistem automat are mai multe marimi de executie, de perturbatie si de iesire, notate ca mai jos:

Putem figura sistemul automat ca in figura urmatoare:

Considerand grupate marimile de intrare, prin juxtapunerea vectorilor u_m si u_p i.e.

putem reprezenta sistemul, schematic, ca mai jos:

In aceasta situatie, spunem ca sistemul este multivariabil. Analiza si proiectarea unui astfel de sistem se poate face fie recurgand la descompunerea in sisteme monovariabile, fie utilizand metode specifice sistemelor multivariabile de modelare, analiza si sinteza

6.2 Clasificarea sistemelor automate

Sistemele automate se clasifica dupa functia de automatizare pe care o au in raport cu I.A.

1. Sisteme de comanda automata

Schema bloc este urmatoarea:

unde DC_dA, i.e. dispozitiv de comanda automata, este echipamentul automat ce emite comenzile u_m.

Prin componentele vectorului w se impun conditiile de functionare ale sistemului automat.

Sistemul este in circuit deschis; se dau comenzile dar nu se verifica daca efectul comenzilor asupra iesirilor este cel cautat. Cele mai raspandite sisteme de comanda automata utilizeaza comenzi de tip 0,1.

Cand perturbatia este masurabila este posibil sa se utilizeze structura de mai jos:

Sistemul de comanda automata poate modifica marimea de executie u_m astfel incat efectul pe canalul de interactiune u_m-y sa compenseze efectul perturbator pe canalul u_p-y.

Un astfel de sistem de comanda automata se numeste feed-forward.

2.Sisteme de control automat

In acest caz, echipamentul automat din schema bloc de mai jos se numeste dispozitiv de control automat - DCA. Toate informatiile centralizate in DCA si prelucrate se transmit operatorului.

DCA realizeaza:

- masurarea tuturor marimilor fizice din proces,

- inregistrarea evolutiei in timp a unor marimi esentiale,

- contorizarea unor marimi fizice,

- monitorizarea grafica a intregului proces, insemnand o reprezentare sintetica pe scheme sinoptice cu inscrierea valorilor numerice a marimilor fizice, realizarea bilanturilor materiale, energetice si consum specific, elaborarea protocoalelor de proces, realizarea de functiuni de semnalizare dar si de diagnostic.

- depasirea unor limite impuse prin componentele vectorului w de catre marimile fizice din proces. In acest caz, in w s-au cumulat aceste valori ale marimilor fizice care daca sunt depasite se semnaleaza.

Aceste sisteme sunt si ele in circuit deschis, informatia circuland de la I.A. la dispozitivul de automatizare. Informatia transmisa de DCA operatorului poate determina actiuni ale acestuia asupra procesului realizate prin sistemele anterioare (de comanda automata). Din acest motiv pentru conducerea automata se utilizeaza tablouri de comanda si control adecvate necesitatilor de operare ale unui operator tehnologic.

3. Sisteme de reglare automata

Acestea au structura alaturata.

Prin componentele vectorului w se impun evolutiile dorite ale vectorului de iesire.

Dispozitivul de reglare automata, DRA, examineaza marimile de iesire comparandu-le cu valorile impuse si actioneaza prin vectorul u_m asupra instalatiei, astfel incat marimile de iesire sa fie permanent readuse la valorile prescrise.

De data aceasta, sistemul este in circuit inchis si are o functiune de comanda a IA, dar nu si de control.

4. Sisteme de protectie automata

Schema bloc este aceeasi cu cea a sistemelor de reglare automata, dar, in loc de DRA avem DPA, i.e. dispozitiv de protectie automata.

Se schimba semnificatia vectorului w : acesta impune limitele vectorului de iesire, care daca sunt depasite, dispozitivul de protectie da comenzi in sensul readucerii iesiriii inlimitele dorite

5. Sisteme de optimizare automata

Stuctura este cea din figura de mai sus. Dispozitivul de optimizare automata, DOA, are rolul de a extremiza in permanenta un indicator de performanta impus, I.

Prin marimea de executie u_m, DOA comanda instalatia, astfel incat, in permanenta, un criteriu de performanta I sa fie adus la valoarea extrtema (maxima sau minima).