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).