IZVRŠILNI SISTEMI

IZVRŠILNI SISTEMI

(izobraževalni program Elektronika – izbirni predmet - 2. letnik)

POGONI IN MEHANIZMI

(izobraževalni program Mehatronika – izbirni predmet - 2. letnik)

IZS – PIM - Splošno

• Nosilec predmeta: Franc Štravs , univ. dipl. inž. el.

• Predavanja: 36 ur

• Laboratorijske vaje / Seminarske vaje: 24 / 12 = 36 ur

• Izpit: P ogoj za pristop k pisnemu izpitu so uspešno opravljene laboratorijske vaje

• Povezava z ostalimi predmeti:

– Krmilno-regulacijski sistemi – Sistemi vodenja procesov – Projektiranje

– Pogonska tehnika

Priporočena literatura

• Interna gradiva na: ftp://ftp.scv.si/

• Gradniki sistemov vodenja, R. Karba, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, 1994

• Krmilni ventili, D. Đonlagić, B. Tovornik, Fakulteta za elektrotehniko in informatiko, 1997

• Mehatronika, priročnik, Pasadena, 2009

• Spletni viri, (sproti - na predavanjih, vajah), kreativno iskanje

• Tehnična dokumentacija , ( OMRON, …)

Vsebina predmeta IZS - PIM

1. Izvršilni členi v sistemu vodenja

• Zgradba sistema vodenja

• Elementi sistema vodenja

• Senzorji in izvršilni elementi in sistemih vodenja

• Značilnosti senzorike in pripadajoči signali

• Osnovne električne karakteristike izvršilnih členov

• Osnovne mehanske karakteristike izvršilnih členov

Vsebina predmeta IZS - PIM

2. Osnove za izvajanje prenosa gibanja

• Pomen in pregled standardizacije komponent - (SIST, ISO, DIN),

• Značilnosti podpornih komponent za prenos gibanja (ležaji, zobniki , jermeni, verižniki, sklopke, zavore, …)

• Osnove gonil

• Osnove mehanizmov

Vsebina predmeta IZS - POM

3. Osnove pnevmatskih in hidravličnih aktuatorjev

• Principi delovanja komponent in aktuatorjev v pnevmatskem sistemu

• Principi delovanja komponent in aktuatorjev hidravličnem sistemu

• p/I in I/p pretvorba

• Sistemi za pnevmatsko napajanje

• Sistemi za hidravlično napajanje

Vsebina predmeta IZS - POM

4. Osnove električnih aktuatorjev

• Principi delovanja naprav za krmiljenje električnih aktuatorjev

• Ventili, kot specifični izvršilni členi

• Črpalke in frekvenčno regulirani pogoni kot izvršilni členi v sistemu vodenja

• Mehki zagon električnega aktuatorja – elektromotorja

• Električne instalacije v elektromehanskih napravah

Vsebina predmeta IZS - POM

5. Krmiljenje električnih aktuatorjev

• Krmilne in regulacijske metode za električne aktuatorje

• Krmiljenje dvopoložajnega ventila

• Regulacijske metode in regulacija zveznega ventila

• Osnove frekvenčne (vektorske) regulacije elektromotorjev

• Zagon elektromotorja po načinu zvezda-trikot

• Osnove mehkega zagona elektromotorja

Vsebina predmeta IZS - POM

6. Osnove servosistemov

• Princip delovanja in elementi servo sistema

• Odprtozančno krmiljenje in zaprtozančna regulacija servosistema

• Servomotor in servo-krmilnik

• Načini krmiljenja servo-krmilnika;

– napetostno

– pulzno-širinsko

– preko hitre industrijske komunikacije

Vsebina predmeta IZS - POM

7. Eno-osni in več-osni manipulatorji

• Vloga in vrste enoosnih manipulatorjev

• Vloga in vrste več-osnih manipulatorjev

• Krmilni sistemi za manipulatorje

• Osnove programiranja krmilnikov za manipulatorje

Vsebina predmeta IZS - POM

8. Procesni računalniki in industrijski regulatorji

• Prosto programirljivi krmilniki (PLC) v vlogi krmiljenja izvršilnih členov,

• Industrijski kompaktni regulatorji izvršilnih členov

Vsebina predmeta IZS - POM

9. Industrijska omrežja na nivoju izvršilnih členov

• Osnovne značilnosti in pregled industrijskih omrežij v sistemu vodenja (hierarhična struktura)

• Standardni protokoli in zahteve za komunikacijo med komponentami avtomatiziranih naprav

• Problemi v industrijskih omrežjih

1. Regulacijska zanka

Primer: Regulacija nivoja tekočine s plovcem

1.2 Krmiljenje in regulacija

Definicija sistema, elementa in procesa

• Sistem je množica elementov, ki so medsebojno odvisni in povezani tako, da delujejo kot celota.

• Element je objekt, za katerega pred obravnavo ne

poznamo notranjih veličin in odvisnosti, temveč le tiste, ki jih lahko opišemo s spremembo vhodnih in izhodni veličin.

• Proces je v splošnem vsaka kvalitativna in/ali

kvantitativna sprememba v odvisnosti od časa – to je

torej dinamični sistem, ki ga vzdržujemo v željenih

mejah.

1.2. Krmiljenje in regulacija

Krmiljenje

• Krmilni signali gredo proti krmiljenemu procesu v določeni smeri in v predpisanem redosledu

• Krmiljena veličina nima nobenega vpliva na krmilni signal – odprta zanka

• Odprtozančni sistemi so enostavni, kar se odraža v ceni, zanesljivosti in obstojnosti

• Po svoji naravi so stabilni, pri čemer pa mora biti seveda stabilen tudi krmiljeni proces

• So nenatančni v smislu nezmožnosti proizvajanja

krmilnega signala, ki naj bi popravil razliko med doseženo

in želeno vrednostjo odziva

1.2. Krmiljenje in regulacija

Regulacija

• Regulirano veličino primerjamo z želeno in v odvisnosti od te razlike tvorimo regulirno veličino tako, da le ta povzroča

regulirno veličino, ki se približuje želeni vrednosti – zaprta zanka.

• Zaprtozančni sistemi so zato sposobni relativno hitrega

odgovora na zahtevano spremembo in so relativno natančni v prilagajanju doseženega odziva k želenemu.

• Zaprtozančni sistemi se lahko tudi destabilizirajo (okvare na opremi) in če ima to lahko katastrofalne posledice (vodenje avionov, nuklearnih elektrarn ipd.), se proti okvaram

zavarujemo z različnimi ukrepi, ki pa v sistem vnašajo dodatno opremo in kompleksnost.

• →

1.2. Krmiljenje in regulacija

Regulacija

• ←

• Potreba po merjenju regulirnih veličin pri zaprtozančnih

sistemih lahko pomeni možnost vnosa različnih šumov, katerih vpliv pa se pri prehodu skozi regulacijsko zanko največkrat

tako oslabi, da skoraj ne vplivajo na regulirane veličine. Pri tem se moramo zavedati, da regulacija nikdar ne more bitri bolj točna, kot je meritev, največkrat pa je še veliko slabša.

• Kljub relativni hitrosti odziva se moramo pri zaprtozančnih

sistemih zavedati, da se regulacijska akcija, ki naj bi popravila

razliko med želeno in doseženo vrednostjo regulirane veličine

ne more začeti prej, preden do te razlike ne pride (npr. vpliv

motnje se mora torej že pojaviti na izhodu).

1.2. Krmiljenje in regulacija

Primer regulacije nivoja

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

Osnovni blok diagram regulacijske zanke

→

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

• Regulirani sistem – v splošnem tvorijo regulirani sistem oprema in materiali, ki so povezani z neko proizvodnjo. Med mnogimi dinamičnimi

spremenljivkami, ki jih lahko vsebuje regulirani sistem ali pa njegov matematični in/ali fizični model največkrat želimo regulirati le eno. Zato takšne procese imenujemo univariabilne. Pri multivariabilnih procesih pa reguliramo več medsebojno povezanih spremenljivk.

→

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

• Meritev – da bi lahko regulirali izbrane dinamične spremenljivke procesa, moramo dobiti o njih neko informacijo, ki jo omogočajo meritve. V splošnem meritev

pretvori spremenljivko (regulirano veličino) v nek analogni signal, kot je npr. tlak v pnevmatskih sistemih, elektrina napetost ali tok. Napravo, ki izvrši omenjeno

pretvorbo, imenujemo merilni pretvornik. Najpogostejši so merilniki premikov, temperature, tlaka, pretoka in nivoja, pa tudi različni analitični merilniki. Izhodne signale merilnih pretvornikov uporabimo v regulacijski zanki.

• Vrednotenje – v procesu vodenja pomeni vrednotenje ocenitev meritve in določitev ustrezne regulacijske akcije. Te del zanke imenujemo regulator.

Vrednotenje lahko izvedemo ročno, v tem primeru ga izvede operater, ali pa avtomatsko z obdelavo omenjenih pnevmatskih ali električnih izhodov merilnih pretvornikov, ki jih primerjamo z želenimi vrednostmi. Regulator zahteva meritve regulirnih veličin, kakor tudi definicijo njihovih želenih vrednosti, ki jih imenujemo nastavitvene točke.

• Izvršni člen – to je element, ki direktno vpliva na regulirani sistem. Sprejme signal iz regulatorja in ga pretvori v ustrezno operacijo na reguliranem sistemu.

Mnogokrat je to v procesni industriji regulacijski ventil, pogosto pa so uporabljeni tudi različni motorji in črpalke.

→

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

Blokovna shema gradnikov regulacijske zanke

→

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

Predstavitev regulacijskega sistema s vplivom motnje

→

1.3. Osnovni elementi sistema za vodenje procesov

Predstavitev regulacijskega sistema brez vpliva motnje

→

1.4 Sistem označevanja v tehnoloških shemah

Procesna linija Električni signal Pnevmatski signal Hidravlični signal

FT 117

TC 100

FC 30

Lokalno montiran instrument Regulator na kontrolni plošči v komandnem prostoru

Regulator za kontrolno ploščo v komandnem prostoru

Prva črka:

C – zmes P - tlak

E – napetost T - temperatura F – pretok S - hitrost

I – tok Z - pozicija

L – nivo Ph – kislost medija

Druga črka:

C – regulator

E – primarni element I - prikaz

R – registrator

T – pretvornik, tipalo V – ventil

Z - pogon

1.4 Oznake elementov tehnoloških shem

Primer sheme procesa podanega v obliki P&ID

→

1.5 Splošne zahteve pri regulaciji

• Stabilnost sistema

– Hiter

– Dovolj dušen

– Primerno majhen pogrešek: ε = r – y – Regulacijsko delovanje (slika)

– Sledilno delovanje regulacijske zanke (slika)

– Vrednotenje časovnega odziva regulacijske zanke

(slika)

1.5 Splošne zahteve pri regulaciji

Regulacijsko delovanje

→ Podkritično dušen odziv sistema na motnjo

→ Nadkritično dušen odziv sistema na motnjo

1.5.1. Zahteve pri načrtovanju in vrednotenju regulacijske zanke

Časovni odziv regulacijskega sistema delimo na dva dela:

→ Prehodni pojav

→ Ustaljeno (stacionarno delovanje)

1.5.1. Zahteve pri načrtovanju in vrednotenju regulacijske zanke

Vrednotenje časovnega odziva regulacijske zanke

1.6 Učinki povratne zanke

• Struktura odprte zanke (slika)

• Struktura zaprte zanke (slika)

• Definicije, izrazi

• Vplivi in učinki povratne zanke

1.6 Učinki povratne zanke

• Struktura odprte zanke (glej slikovno podporo )

• Struktura zaprte zanke (glej slikovno podporo )

• Definicije, izrazi

• Prenosna funkcija (y)

– R (regulator) – S (sistem

• Vplivi in učinki povratne zanke

1.6 Učinki povratne zanke

• Vplivi in učinki povratne zanke

– Vpliv na dinamično obnašanje – Vpliv na stabilnost sistema

– Vpliv na občutljivost sistema na spremembo

sistemskih parametrov

1.7 Klasifikacija sistemov vodenja

• Regulirani objekt

– Procesno vodenje, procesni regulatorji

• Vrsta regulirane veličine

– Odmik, hitrost, pospešek, sila, torzija, mehanska napetost, temperatura, tlak, masa, …

• Uporabljene regulirne veličine

– Električne, mehanske, hidravlične, pnevmatske,

kombinacija naštetih

1.7 Klasifikacija sistemov vodenja

• Značaj regulacijskih elementov

– Analogni (zvezni V/I), digitalni (binarni V/I), hibridni (kombinacija) regulacijski elementi

• Linearnost regulacijskega sistema

– Linearni in nelinearni sistemi

• Število regulacijskih zank

– Enozančni in večzančni sistemi

• Značaj regulirnega signala

– Zvezno delujoči regulator, sekvenčni regulacijski sistem

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja

• Ročno vodenje

– Ročni vklop/izklop posameznih izvršnih členov (slika)

• Dvopoložajno vodenje

– Električno krmiljen vklop/izklop posameznih izvršnih členov (slika)

• Proporcionalno vodenje

– Proporcionalna regulacija: spreminjanje odprtosti npr. ventila v smislu popravljanja pretoka vroče vode v nekem razmerju do spremembe pogreška e.

– Spreminjanje zvezne odprtosti npr. ventila omogoča ustrezen aktuator, običajno električni ali pnevmatski. (slika)

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja

• Ročno vodenje

– Ročni vklop/izklop posameznih izvršnih členov

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja

• Dvopoložajno vodenje

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja

• Dvopoložajno vodenje

1.8 Intuitivni pristop k pojmu vodenja

• Proporcionalno – integralno (PI) vodenje

– (slika)

• Proporcionalno – diferencirno (PD) vodenje

– (slika)

• Proporcionalno – integrirno – diferencirno (PID) vodenje

– (slika)

• Krmiljenje z upoštevanjem motnje (feedforward control)

– (slika)

• Regulacija razmerja (ratio control)

– (slika)

• Kaskadna regulacija

– (slika)

1.8.1 Proporcionalno vodenje

• Proporcionalno vodenje

– Proporcionalna regulacija: spreminjanje odprtosti npr. ventila v smislu popravljanja pretoka vroče vode v nekem razmerju do spremembe pogreška e.

– Spreminjanje zvezne odprtosti npr. ventila omogoča ustrezen aktuator, običajno električni ali pnevmatski.

1.8.1 Proporcionalno vodenje

• Odziv procesa pri proporcionalnem vodenju

1.8.1 Proporcionalno - integrirno vodenje

• Odziv procesa pri proporcionalno – integrirnem vodenju

1.8.1 Proporcionalno – integrirno vodenje

• Odziv procesa pri proporcionalno - integrirnem vodenju

2. Pnevmatski in hidravlični aktuatorji

• Specifika pnevmatike in hidravlike

• Pnevmatsko krmiljenje in aktuatorji (v dodatkih )

• Hidravlično krmiljenje in aktuatorji (v dodatkih)

3. Izvršilni sistemi

Izvršni členi

Vplivajo na:

- Transport olja, plina, zračni tlak, električni tok itd.

- Krmili jih regulator z regulirnim signalom

- Predstavljajo zvezo med regulatorjem in procesom - Prilagojeni morajo biti regulatorju in procesu

- Večina jih je konstruiranih tako, da jih je mogoče premikati ročno ali avtomatsko

- S svojimi pogoni – aktuatorji – so mnogokrat povezani v celoto - Glede na izhodni signal ločimo:

- Hidravlične - Pnevmatske - Električne

- Njihovo delovanje je lahko zvezno ali nezvezno

3. Izvršni členi

Izbira vrste izvršnega člena z ozirom na regulirano veličino:

- Pretok tekočine ventil - Pretok plina loputa

- Električni tok tiristor

- Električna napetost nastavljivi transformator

- Signali na izhodih merilnikov ne zadoščajo za pogon izvršnih členov v regulacijski zanki. Zato je potrebno energijski nivo ustrezno povečati.

- Ojačevalnik moči; koeficient ojačenja moči

- Pri aktuatorskih ojačevalnikih se poleg ojačenja moči izvrši tudi pretvorba vhodnega signala (električni, pnevmatski) v kinematični izhod, ki ga

potrebujemo za pogon končnega izvršnega člena. To so aktuatorji.

- Delovanje aktuatorjev je ravno nasprotno, kot delovanje merilnikov.

3. Izvršni členi

Izhod aktuatorja je lahko translatorni ali rotacijski (preko zobatih prenosov, vijačni prenosi itd.)

Aktuatorji v regulacijskih zankah morajo zadostiti naslednjim pogojem:

- Imeti morajo predpisani koeficient ojačenja moči, - Karakteristika naj bo približno linearna,

- Področje neobčutljivosti ne sme biti večje od predpisanega praga,

- Časovna konstanta aktuatorja naj bo čim manjša, pri čemer ne presega vnaprej določene vrednosti.

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi

Splošna struktura električnega izvršnega člena (slika)

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi

Splošna struktura električnega izvršnega člena Predojačevalniki služijo:

- Kombinaciji signalov, - Ojačevanje signalov, - Preoblikovanje signalov, - Pretvorbe signalov,

- Kompenzacija …

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi

Splošna struktura električnega izvršnega člena Močnostni ojačevalniki:

- Tranzistorski (MOSFET), - Tiristorski,

- Ojačevalniki s triaki, - Mehanski ojačevalniki,

- Frekvenčni pretvorniki (pretvarjajo izmenično napetost ene v izmenično napetost druge frekvence)…

3.1 Električni ojačevalniki in končni izvršni členi

Splošna struktura električnega izvršnega člena Servomotor:

- Izmenični

- Običajno dvofazni indukcijski (sinhronski) motor s kletko

- Enosmerni

- Prednost: uporaba enosmernih regulacijskih signalov, slabosti izhajajo iz komutatorja - Načini vzbujanja: serijsko, paralelno, kombinirano, zunanje

- Koračni motorji

- Iz računalniške periferije v industrijsko uporabo - Hiter odziv, manjše moči

- Izmenični motor

- Eno ali večfazni indukcijski motor

- Frekvenčni pretvorniki

- pretvarjajo izmenično napetost ene v izmenično napetost druge frekvence …

3.1.2 Močnostni ojačevalniki

Možne vezave z močnostnimi ojačevalniki

3.1.3 Električni motorji

Elektromehanski pretvorniki: povezava med električnimi in mehanskimi sistemi

Če mehanski sistem dovaja energijo električnemu, je to generator.

Če električni sistem dovaja energijo mehanskemu, je to motor.

3.1.3 Električni motorji

Sinhronski motor:

Če armaturno navitje napajamo z izmeničnim, vzbujevalno pa z enosmernim tokom (običajno na rotorju), dobimo sinhronski motor.

Enosmerni motor:

Če obe navitji napajamo z enosmernim tokom, dobimo enosmerni motor.

Asinhronski ali indukcijski motor:

Če obe navitji napajamo z izmeničnim tokom, dobimo asinhronski oz.

indukcijski motor.

Koračni motor:

Elektromagnetni inkrementalni aktuator

3.1.3 Električni motorji

Enosmerni motorji

Serijski enosmerni motor

3.1.3 Električni motorji

Enosmerni motorji

Regulacija hitrosti serijskega enosmernega motorja

3.1.3 Električni motorji

Enosmerni motorji

Paralelni enosmerni motor

3.1.3 Električni motorji

Enosmerni motorji

Enosmerni motor z zunanjim (neodvisnim) vzbujanjem

3.1.3 Električni motorji

Izmenični motorji

“Dvofazni” indukcijski motor

3.1.3 Električni motorji

Koračni motorji

- S permanentnim magnetom

- S spremenljivo magnetno upornostjo (reluktanco) - Hibridni tip koračnega motorja

3.1.4 Elektromagneti (Solenoidi)

Nezvezno delujoči električni aktuatorji, solenoidi, se uporabljajo za tvorbo translatornega premika, ki ga povzroči nek regulirni signal iz iz ojačevalnika za aktuator.

Solenoid z vlečenjem:

Solenoid s potiskanjem

3.2 Pnevmatski ojačevalniki

Ojačevalniki s tekočinami - Curkovna cev,

- Sklop šoba – zaslon, - Batni ojačevalnik

Ojačevalnik s plini (pnevmatski) - Curkovna cev,

- Sklop šoba – zaslon, - Coanda ojačevalnik

3.2 Pnevmatski ojačevalniki

Večstopenjski ojačevalniki – z njimi lahko izboljšamo naslednje lastnosti enostopenjskih ojačevalnikov:

- Nelinearna karakteristika, - Prepočasen dinamični odziv, - Premajhna točnost.

3.2.1 Primerjava hidravličnih in pnevmatskih ojačevalnikov

HIDRAVLIČNI:

- Visoko razmerje moč – teža, - Visoki momenti,

- Hiter odziv,

- Visoka močnostna učinkovitost, - Samomazanje in samohlajenje,

- Robustnost, translatorne in rotacijske izvedbe,

- Problematičnost spojev zaradi potrebe po idelani tesnitvi, - Nevarnost večjih iztekanj olja,

- Nevarnost spremembe lastnosti olja pri višjih temperaturah, - Visoka cena,

- Nelinearnost.

3.2.1 Primerjava hidravličnih in pnevmatskih ojačevalnikov

PNEVMATSKI:

- Relativno ceneni,

- Napajanje je pogosto enostavno dosegljivo, - Varnost pri eksplozivnih okoljih,

- Higieničnost,

- Možnost spuščanja zraka v atmosfero, - Nizka močnostna učinkovitost,

- Nezaželeno obnašanje zaradi velike stisljivosti zraka