notatki.pdf

Podstawy automatyki i robotyki

Mzyk, Muszyński, Halawa

Interdyscyplinarność AiR

Matematyka (algebra, równania różniczkowe, analiza funkcjonalna), fizyka(mechanika, dynamika,termodynamika,

elektronika, optyka), informatka (teoria algorytmów, bazy danych, sieci komputerowe).

Pojęcie obiektu i jego prezentacja graficzna:

Przykłady i interpretacje:

termometr lekarski, działo wojskowe, źrenica oka, kocioł C.O., zbiornik z cieczą,

testowanie nowego leku, prognozowanie cen indeksów giełdowych, automatyczne

rozpoznawanie (klasyfikacja)

Układ automatycznej regulacji:

Przykład. Sterowanie ręczne napełnianiem zbiornika:

t ∞ ∣ E  t ∣

• czas regulacji t r : minimalne t r , także dla t ≥ t r zachodzi ∣ E  t − E ust ∣≤ ,

np. =5%∣ E 0− E ust ∣

• przeregulowanie



lim

•

kryterium całkowe ISE

ISE = ∫ 0

E 2  t  dt - Integral

Square Error

Etapy tworzenia systemu automatycznego

sterowania:

1. eksperyment na obiekcie

2. akwizycja i przetwarzanie

otrzymanych danych pomiarowych

3. modelowanie i identyfikacja modelu

matematycznego obiektu

4. sformułowanie i rozwiązanie problemu

sterowania obiektem (procesem)

5. rozwiązanie problemu sterowania

optymalnego

6. praktyczna realizacja układu (algorytmu) sterowania i/lub regulacji

Metody opisu liniowego układu dynamicznego z czasem ciągłym:

• liniowe równanie różniczkowe rzędu m, (zakładamy że: a m ≠0, l ≤ m , dodatkowo u  t =0 dla

t 0 )

Przykładowe kryteria oceny jakości sterowania:

• uchyb w stanie ustalonym E ust E ust =

dt m  a m −1 d m −1 y  t 

dt m −1 ... a 1 d y  t 

dt  a 0 y  t =

= b b d l u  t 

dt l  b l −1 d l −1 u  t 

dt l −1 ... b 1 d u  t 

dt  b 0 u  t 

z warunkiem początkowym (razem m liczb)

dt m −1 / t =0−

Przykład równania rzędu m=1 i odpowiedzi warunku początkowego:

3y '  t 2y t =7u t  , y 0−=10

• charakterystyka impulsowa k(t) (tzw. o dpowiedź impulsowa ), czyli postać y(t) przy u  t = t  i

zerowym warunkiem początkowym. Przykład odpowiedzi skokowej: k  t = e − t

Uwaga: Gdy warunek początkowy rzeczywiście zerowy, wtedy sygnał wyjściowy jest splotem wejścia i

charakterystyki impulsowej y  t = u  t ∗ k  t = ∫ 0

dy  t 

dt / t =0− ,

d m −1 y  t 

∞

u  t − k  d  . Gdy tak nie jest, dochodzi

k  t  e − st dt = b l s l  ...  b 1 s  b 0

a m s m ... a 1 s  a 0

Uwaga: Gdy warunek początkowy jest zerowy, wtedy Y  s = K  s  U  s  (tylko wtedy!!!)

równanie stanu x '  t = Ax  t  bu  t 

y  t = c T x  t 

u(t), y(t) — wejście i wyjście obiektu (skalarne)

x(t) — wektor stanu (kolumna, k elementów zmieniających się w czasie)

A — macierz parametrów, kwadratowa k × k

b, c — wektory parametrów (kolumny k-elementowe)

Układy wielowymiarowe (MIMO)

∞

Model inercyjny pierwszego rzędu

y '  t = c E  t 

Równanie oznacza, że szybkość zmian y(t) jest proporcjonalna (liniowo ze stałym współczynnikiem c) do różnicy

y zad  t − y  t = E  t  , tzn. mała różnica y zad  t − y  t  powolny narost y(t), duża różnica

y zad  t − y  t  szybki narost y(t). y zad  t  traktujemy jako wejście układu regulacji, y(t) traktujemy jako

wyjście układu regulacji. Zakładamy, że w chwili t=0 zarówno sygnał wejściowy, jak i wartość zadana były zerowe:

y(0)=0, y zad 0=0 . W chwili t=0 przełączono wartość zadaną y zad z 0 na 1, tzn dla t>0: y(t)=?

y zad 1=1 : y '  t = c  y zad  t − y  t  , oznaczamy T = 1

Ty '  t  y  t = y zad  t  , po dokonanie

a m d m y  t 

y 0− ,

składowa zależna od warunku początkowego.

• charakterystyka skokowa  t  (tzw. odpowiedź skokowa ), czyli postać y(t) przy u  t = 1  t  i

zerowym warunkiem początkowym. Przykład odpowiedzi skokowej:  t =3t

• transmitancja K  s =ℒ{ k  t }= ∫ 0

transformacji Laplace'a TsY  s  Y  s = Y zad  s  otrzymujemy zależności wy-we: y  s = 1

Ts 1 Y zad  s 

Y  s = K UR  s  Y zad  s  K UR  s  - transmitancja układu regulacji

Identyfikacja i symulacja

Inercja wyższego rzędu

u(t) — położenie zaworu termostatycznego, odcinającego dopływ gorącej

wody do grzejnika C.O.

x(t) — temperatura grzejnika C.O.

y(t) — temperatura powietrza w ogrzewanym przez grzejnik pomieszczeniu

u(t) → x(t) układ inercyjny I rzędu

x(t) → y(t) układ inercyjny I rzędu

u(t) → y(t) układ inercyjny II rzędu

Wyjście y(t) zależy od wejścia u(t) pośrednio.

Konkluzje

• przy sterowaniu obiektem inercyjnym I rzędu (np. żelazko) reakcja na osiągnięcie wartości granicznej

następuje natychmiast (w momencie wyłączenia żelazko natychmiast schładza się w momencie załączenia —

nagrzewa)

• przy sterowaniu obiektem inercyjnym wyższego rzędu (np. zawór grzejnik- pomieszczenie) występuje

niebezpieczna bezwładność (po zamknięciu zaworu w pomieszczeniu nadal nagrzewa się powietrze, aż do

wystygnięcia grzejnika)

Sterowanie obiektem

całkującym

wartość zadana: na przemian: 1

(napełnij) i 0 (opróżnij) obszar

nieczułości (tzw. dead-zone):

0.2

Roboty przemysłowe – wybrane pojęcia, budowa, zastosowania, przykłady

Mechanizacja polega na zastępowaniu w procesie produkcyjnym pracy fizycznej człowieka przez prace maszyn.

Automatyzacja polega na zastępowaniu człowieka w sterowaniu ręcznymi urządzeniami pracującymi bez

bezpośredniego udziału człowieka.

Robotyzacja – polega na automatyzacji pracy produkcyjnej, lub innych procesów za pomocą manipulatorów i robotów.

Robotyka

Dziedzina nauki i techniki, zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, programowania, projektowania,

zastosowań i eksploatacji robotów i manipulatorów

Robotyka teoretyczna

Robotyka ogólna

Robotyka przemysłowa

Robotyka mobilna

Robotyka medyczna i rehabilitacyjna

Robotyka usługowa

…

Robot przemysłowy

Wg normy ISO ITR 8373

Manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie sterowana, programowana, wielozadaniowa maszyna

manipulacyjna o wielu stopniach swobody, posiadająca zdolności manipulacyjne lub lokomocyjne, stacjonarna lub

mobilna, dla ważnych zastosowań przemysłowych.

Wg A. Moreckiego

Robot to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych czynności manipulacyjnych i lokomocyjnych

człowieka, mające określony poziom energetyczny, informacyjny i sztucznej inteligencji (autonomii działania w

pewnym otoczeniu)

Wg H.J.Warnecke

Robot to urządzenie przeznaczone do automatycznej manipulacji z możliwością wykonywania programowalnych

ruchów względem kilku osi, zaopatrzone w chwytaki lub narzędzia i skonstruowane specjalnie do zastosowań w

przemyśle.

Istotne cechy robotów przemysłowych:

• Automatyczność działania

• Programowalność

• Posiadanie kilku stopni swobody

Roboty przemysłowe to podklasa robotów.

Podstawowe określenia

Manipulacja - tok czynności w przemysłowym procesie produkcyjnym, polegający na: uchwyceniu określonego

obiektu manipulacji, transportowaniu, pozycjonowaniu lub orientowaniu tego obiektu względem przyjętej bazy, oraz

przygotowujący ten obiekt do wykonywania na nim lub za jego pomocą operacji technologicznych.

Manipulator (przemysłowy) —urządzenie przeznaczone do wspomagania lub całkowitego zastąpienia człowieka przy

wykonywaniu czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym, sterowane ręcznie lub

automatycznie za po moca własnego układu sterującego stało programowanego lub zewnętrznego układu sterującego.

Robot (przemysłowy) —urządzenie automatyczne przeznaczone do wykonywania czynności manipulacyjnych w

przemysłowym procesie produkcyjnym, mające układ ruchu składający się, co najmniej z trzech zespołów ruchu i

własny programowalny układ sterujący.

Różnice między manipulatorem a robotem:

manipulator

– wykonuje zamknięty cykl ruchów powtarzalnych

– na ogół ma sztywny program (z reguły zmiana programu pracy manipulatora wymaga fizycznych zmian w

jego konstrukcji)

– sztywny program współpracy z ewentualnymi urządzeniami technologicznymi

robot

– może realizować dużą liczbę różnorodnych czynności manipulacyjnych za pomocą sygnałów generowanych

w programowalnym układzie sterowania

– najczęściej czynności powtarzalne, ale mogące ulec zmianie odpowiednio do zmiany programu, stanu

środowiska lub podanej informacji

– cykl ruchów manipulacyjnych lub (i) lokomocyjnych

– wykorzystanie układów wejść/wyjść dla współpracy z urządzeniami technologicznymi, układami sensorów,

systemami komunikacji

Manipulatory, pedipulatory…:

Manipulator automatyczny – urządzenie o niezmiennym programie wykonywanych ruchów.

Manipulator zdalny (teleoperator) – manipulator posiadający własny napęd i zdalnie sterowany przez operatora

człowieka.

Manipulator ręczny – manipulator wprawiany w ruch siła mięśni operatora.

Pedipulator – maszyna krocząca, dwu lub więcej nona, o różnym stopniu autonomiczności

Sposoby instalowania:

Łańcuch kinematyczny manipulatora

Para kinematyczna – dwa ogniwa połączone przegubem (połączeniem ruchomym)

Łańcuch kinematyczny manipulatora – połączenie pewnej liczby

par kinematycznych

Łańcuch kinematyczny może w ogólności składać się z 3

odcinków:

•odcinek globalny (G) – zapewnia lokomocję robota

•odcinek regionalny (R) – zapewnia pozycjonowanie efektora

•odcinek lokalny (L) – zapewnia orientację efektora

Przeguby V klasy:

Struktura łańcucha kinematycznego:

para

pryzmatyczna

(przesuwna,

translacyjna)

para

obrotowa

(rotacyjna)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: