M. Voicu, IA (I)M. Voicu, IA (I) C1 (37)C1 (37) 11

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, IaşiFacultatea de Automatică şi Calculatoare

2013 – 2014

IntroducereIntroducere îîn automaticăn automaticăAnul II, semestrul 4

M. Voicu, IA (I)M. Voicu, IA (I) C1 (37)C1 (37) 22

Suportul de curs se bazează 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: conţinut, categorii şi scopuri

automatautomat adjectivadjectiv sau substantivsubstantiv

• AutomatAutomat – calitatea unui sistem fizico-tehnic de a efectua,pe baza unei comenzi, o operaţie sau un complex deoperaţii fără participarea directă a operatorului uman.

• Un automatUn automat – un dispozitiv, un aparat sau o instalaţie ­ îngeneral un sistem - care operează sau funcţionează în

mod automat.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 5

• AutomatizareAutomatizare:acţiunea de concepere, de realizare deautomate şi de echipare a sistemelor fizico-tehnicecu automate pentru efectuarea unor operaţii, mişcări,acţiuni etc., fără participarea directă a omului.

• Categorii de automatizări:• de comandă,• de măsurare,• de reglare,• de protecţie, şi• de semnalizare.

Toate acestea pot fi locale sau la distanţă (teleautomatizări).

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 6

• Scopurile generale ale automatizării:• productivitatea• consumurile specifice• precizia execuţiei• siguranţa în funcţionare• protecţia instalaţiilor• evitarea de către om a efortului fizic şi a mediilor nocive.

• Crearea instalaţiilor tehnologice şi a tehnologiiloreste un atribut al inginerieiingineriei.

IngineriaIngineria:cunoaşterea şi utilizarea materialelor şi forţelor

naturii pentru beneficiul umanităţii, folosind maşini,instalaţii şi construcţii concepute, realizate şiutilizate în cadrul unor organizaţii socio-economice.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 7

Inginerul automatistInginerul automatist ,cunoscând structura si proprietatile unui sistem,concepe şi realizează automatizarea acestuia.

Profesie inter- şi multidisciplinară: cunoştinţe de matematică, fizică, chimie, biologie,

electrotehnică, electronică, tehnică de calcul,informatică şi de automaticăautomatică,adecvat operante în conceperea,realizarea şi utilizarea automatizărilor;

cultură ştiinţifică şi tehnică dublată de viziune sistemică; soluţii de automatizare pentru diverse sisteme:

mecanice, electrice, termice, fluidice,chimice, biologice sau combinaţii ale acestora.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 8

2. De la mecanizare la automatizareDezvoltarea istorică a producţiei:

• revolurevoluţţia industrialăia industrială (sec. XVIII);utilizarea maşinilor acţionate de maşina cu vapori;

• revolurevoluţţiaia şştiintiinţţificoifico -- tehnică contemporană tehnică contemporană;automatizarea şi informatizarea globală a societăţii.

Trepte de dezvoltare: manufacturare mecanizare automatizareautomatizare –– cibernetizarecibernetizare;

prelucrarea computaţională complexă a informaţiei.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 9

OPERATORUMAN

Fig. I.1.a. Structura unei mecanizări

PRESCRIPŢII

PERTURBAŢII

COMENZI

INFORMAŢII

PROCES

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 10

F

FvFr

vântul lateral

32 m

100 km/h Audi TT: 1,50 mPorsche 911: 1,65 mVW Golf: 1,67 m

F – forţa de tracţiuneFv – forţa vântuluiFr – forţa rezultantătr – traiectoria

90 km/h

Prescripţii: ş o s e a u a

Perturbaţii: v â n t u l l a t e r a l

tr

Exemplu de proces perturbat:efectul vântului lateral asupra unui autovehicul

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 11

Exemplu: compensarea efectului vântului lateral asupra unui autovehicul

F

Fv

Fr

vântul lateral

şofer

soseaua

vântul lateral

volanul

poziţia

autovehiculpe

şosea

tr

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 12

MecanizareMecanizare:maşinile au rolul de executant;omul este participant directparticipant direct şşi necesari necesar.

• Munca manuală se înlocuieşte cu mecanisme, aparateşi maşini acţionate de convertori de energie adecvaţi.

• Omul ia parte la procesul de producţie în calitatede manipulator al mijloacelor de mecanizare.

• Omul urmăreşte numeroase mărimi fizice şi influenţeazăfluxurile de substanfluxurile de substanţţăă,, de energiede energie şşi de informai de informaţţieie.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 13

• OperatorulOperatorul constituie calea de reaccalea de reacţţieie.Este procesor de informaţie.

• PProcesulrocesul constituie calea directăcalea directă.Se procesează substanţă şi energie.

• OperatorulOperatorulprelucrează informainformaţţiiii şi execută

comenzicomenzi conform cu prescripprescripţţiileiile.

• OOperatorulperatorul este necesar deoareceperturbaperturbaţţiileiile abat procesul de la evoluţia corectă.

• OOperatorulperatorul observă abatereaabaterea şi executăcomenzicomenzi pentru reducerea efectului perturbaperturbaţţiiloriilor,respectiv a abateriiabaterii între evoluţia prescrisăprescrisă şi

evoluţia curentăcurentă a procesuluiprocesului.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 14

OPERATORUMAN

PRESCRIPŢII

PERTURBAŢII

COMENZI

INFORMAŢII

PROCES

Structura

CALEA DE REACŢIE

CALEA DIRECTĂ

DEAUTOMATIZARE

DISPOZITIV

unei automatizăriunei mecanizări /Fig. I.1.b.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 15

Q1

LTLichid

tehnologicR

Rt

Qt

N T

Q2

PompăTermometru

Agent termic

RTRecipienttehnologic

NivelmetruMotor

M

P

C

Fig. I.2. Exemplul 2.1- mecanizare -

Perturbaţii: la reglarea nivelului – Q2la reglarea temperaturii – Q1

SCSchimbătorde căldură

Operator

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 16

M

Q1

R

Qt

Q2

SC

P

EVt

NC

TC

+

–

Perturbaţii:la reglarea nivelului – Q2la reglarea temperaturii – Q1

Prescrieri:la reglarea nivelului –la reglarea temperaturii –

HHnn

HHtt

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)

Mărimea prescrisă HHnn

se ajustează deplasâdcontactele C pe verticală.

HHnn

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 18

Fig. I.4. b. Electroventil (EVt)

–

lichid

ventil

resortantagonist

la termometrulcu contact

piesă feromagnetică

conductă

bobină

forţa electro-magnetică

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 19

N S

NS

1. magnet

tub de sticlă

+

la bobinaelectroventilului

2. piuliţămagnetizată

3. şurub fix

contactpoziţionabil

mercur

Fig. I. 4. c. Termometru cu contact electric (TC)

HHttMărimea prescrisă HHtt

se ajustează rotindmagnetul 1 care,la rându-i, roteştepiuliţa magnetizată 2pe şurubul 3.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 20

Se exercită în sensul reducerii abateriireducerii abaterii dintre

valoarea prescrisăprescrisă (a mărimii reglate) şi

valoarea curentăcurentă (a mărimii reglate).

Funcţiile operatorului uman: Tip de activitate:

• prelevarea informaţiei din proces senzorială

• prelucrarea informaţiei şielaborarea deciziei de comandă intelectuală

• comanda organelor de reglare motorie

Abaterea este provocată de perturbaperturbaţţieie sau de prescriereprescriere.Q1 / Q2 modifică temperatura / nivelul.Ht / Hn modifică temperatura / nivelul.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 21

AutomatizareaAutomatizarea: Omul nu participă direct la producţie.Omul are funcţii noi, respectiv de:

conducere,comandă,supraveghere.

Dispozitivul de automatizareDispozitivul de automatizare este constituit din:traductortraductor ; măsoară valoarea curentă: nivel, temperatură;regulatorregulator ; elaborează comanda de anulare a abaterii

dintre valoarea prescrisă (în regulator) şivaloarea curentă (măsurată de traductor);

element de execuelement de execuţţieie ; amplifică comanda generatăde regulator şi modifică fluxurile de energieşi/sau de substanţă din procesul automatizat.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 22

Comparaţie între cele două soluţii:• mecanizaremecanizare: aparatele fac posibilă includerea

operatorului uman (fig. I.1) prin

următoarele interfeinterfeţţee:

aparate de măsură (indicaţii vizuale) şi

organe de reglare (comenzi manuale);

• automatizareautomatizare: aparatele de măsură şi organele

de reglare nu sunt utilizabile ca atare;

ele trebuie modificate pentru a se

realiza lanţul:

traductortraductor –– regulatorregulator –– element de execuelement de execuţţieie.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 23

Ingineria automatizăriiIngineria automatizării: crearea de traductoare, regulatoare şielemente de execuţie; crearea automatizărilor.

Tehnica automatizăriiTehnica automatizării :tehnica măsurăriitehnica măsurării: prelevarea, compararea, convertirea,

amplificarea, indicarea şi înregistrareamărimilor fizice;

tehnica reglăriitehnica reglării: elaborarea comenzilor care asigurămodificarea fluxurilor de substanţă,energie şi informaţie;

tehnica telematiciitehnica telematicii: transmiterea la distanţă a informaţiilorîntre om şi maşină sau între maşini;

tehnica detehnica de calcucalcull: codificarea, prelucrarea, stocarea,decodificarea şi distribuţia informaţiilor.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 24

3. Ce este un sistem automat?La ex. 2.1 şi 2.2 temperatura variază deoarece există un

consum (Q2) şi un adaus (Q1).Prin variaţia adecvată a lui Qt, abatereaabaterea dintre

valoareavaloarea prescrisăprescrisă şi valoareavaloarea curentăcurentăale temperaturii se poate reduce până la anulare.

Reducerea abateriiReducerea abaterii este posibilă prin:1 Un operator prelucrează informaţii din proces

şi acţionează prin organul de reglare Rtîn sensul anulării abateriianulării abaterii.

2 Un dispozitiv de automatizare prelucrează informaţiidin proces şi acţionează prin organul de reglare Rtîn sensul anulării abateriianulării 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+

–HHnn

HHtt

M

Q1

R

Qt

Q2

SC

P

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 26

Soluţiile sunt izomorfeizomorfe. În ambele există calea decalea de reacreacţţieie.

ReacReacţţia negativăia negativă asigură evoluţia spre anulanulaarreaea abateriiabaterii..

ReacReacţţiaia este un concept fundamental în automatică.

Ea poate fi:negativănegativăpozitivăpozitivă..

Ca soluţie tehnică reacţia negativă s-a utilizat odată cu

realizarea primelor sisteme automate.

Noţiunea de reacţie a apărut în electronică.

Universalitatea ei a fost descoperită către sfârşitul anilor '30.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 27

nerv optic

creier

globulocular muşchi de

deschidere

info

rmaţ

ievi

zual

ă

retina

com

enzi

CA

LEA

DE

RE

AC

ŢIE C

ALE

A D

IRE

CTĂ

pupilamuşchi deînchidere

Reacţia este prezentă în 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 apă• cca 1600, incubatorul lui Drebbel• 1769, regulatorul centrifugal (James Watt) pentru

reglarea automată a turaţiei maşinii cu vapori

4. Câteva repere istorice

James Watt1736–1819

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 29

Regulatorulcentrifugal

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 30

a

MAŞINACU

VAPORI

ABUR UZAT

ABUR VIU

c5

32

c

11b b

1 – mase centrifugale2 – resort (poate lipsi)3 – mecanism patrulater4 – culisă5 – clapetă de reglare

4

a – mişcări de rotaţieb – mişcări pendularec – mişcări de translaţie

a

Fig. I.8. Regulatorul centrifugal pentru reglareaautomată a turaţiei maşinii cu vapori

regulatorulcentrifugalregulatorulcentrifugal

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 31

Maşină cu vapori fixă

Regulatorulcentrifugal

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 32

•1869, J. C. Maxwell primul studiu matematic alstabilităţii unor sisteme automate, urmat în 1876de I. A. Vyshnegradskii cu un studiu mai amplu

4. Câteva repere istorice

•Interbelic (SUA), telecomunicaţii cu amplificatoareelectronice cu reacţie; metoda frecvenţială;

• Interbelic (fosta URSS), metoda domeniului timpului.

J.C. Maxwell1831–1879

I.A. Vyshnegradskii1831–1895

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 33

5. Automatica şi cibernetica;sisteme şi semnale

AutomaticaAutomatica = cercetarea teoretică a sistemelorautomate şi studiul, conceperea şi

realizarea mijloacelor tehnice

de automatizare.

CiberneticaCibernetica = "studiul analitic al izomorfismului întrestructura comunicaţiilor în mecanisme,

în organisme şi în societăţi".

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 34

Se au în vedere trei aspecte privitoare la comunicaţii:1 Aparatele, operatorul sau dispozitivul de automatizare

şi recipientul tehnologic formează un sistemsistem.Sistemul are o structurăstructură.

2 ElElementeleementele sistemuluisistemului sunt conectate prin semnalesemnale.Se transmit de la cauzăcauză (mărime de intrare)

la efectefect (mărime de ieşire).

3 Acţiunea comună a părţilor realizează scopul:anularea abateriianularea abaterii şi respectivccompensareaompensarea efectului perturbaefectului perturbaţţiiloriilor.Această proprietate nu este a elementelor sistemului.Este un rezultat al structuriistructurii şi al comunicacomunicaţţiiloriilor.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 35

SSistemistem = o unitate relativ delimitată faţă de mediu prinstructura sa internă. Noţiunea este relativă.

Una şi aceeaşi realitate poate conţine mai multe sisteme.

Între sisteme se transmit informaţii. Noţiunea de informainformaţţieierezultă prin abstractizarea semnificaţiilor uzuale.

O informaţie nu este cunoscută aprioric.

Realizarea unei informaţii concrete înlătură o incertitudineincertitudine.Această incertitudine este cuantificabilă – are o valoarevaloare.

O mărime fizico-tehnică purtătoare de informaţie = semnalsemnal.PParametruarametru informainformaţţionalional = param. dependent de informaţie.

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 36

Semnalele sunt funcţii şi de timp.TimpulTimpul evoluează continuu, în sens unic, de la trecut,

prin prezent, spre viitor.Semnalele se pot clasifica:

1După natura fizică : mecanice, electrice, optice etc;2După valorile parametrului informaţional:

analogice, discrete (digitale, binare);3După valorile variabilei timp:

continue, discrete în timp (eşantionate).

t

x(t) semnal analogic continuu

semnal eşantionat uniform

x*(t)

M. Voicu, IA (I) C1 (37) 37

4După previzibilitatea evoluţiei viitoare:deterministe, stohastice (aleatoare).

SistemeleSistemele procesează semnalesemnale.Noţiunile de sistemsistem şi semnalsemnal sunt duale.

În lipsa semnalelorsemnalelor // sistemelorsistemelorexistenţa sistemelorsistemelor // semnalelorsemnalelor este insesizabilă.

Clasificarea sistemelor după natura semnalelor procesate:sisteme analogice sau discrete,sisteme continue sau discrete în timp (cu eşantionare),sisteme deterministe sau stohastice (aleatoare).