AUTOMATYZACJA I ROBOTYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
1. Krótka charakterystyka systemów wspomagania komputerowego, integracja CAD – CAM:
• Komputerowe wspomaganie projektowania CAD/CADD,
CAD (znane też jako CADD – Projektowanie i kreślenie wspomagane komputerowo) – Komputerowe wspomaganie projektowania/kreślenia. zastosowanie sprzętu i oprogramowania komputerowego w projektowaniu technicznym. Znamienne dla CAD jest cyfrowe modelowanie geometryczne mające na celu opracowanie zapisu konstrukcji wyrobu (jednego obiektu technicznego lub ich układu).
• Komputerowe wspomaganie wytwarzania CAM/CIM,
CAM –System komputerowy integrujący fazę projektowania i wytwarzania. Cechą charakterystyczną systemu jest transformacja (przetwarzanie) obiektów (modeli powstałych w wyniku modelowania komputerowego 2D/3D) na instrukcje maszynowe (kod NC), które umożliwiają wytwarzanie elementów.
CIM – Totalna integracja CAD i CAM. Dziś termin ten zastępuje się określeniem MPM. Obejmuje wszystkie aspekty wytwarzania wspomaganego przez komputer, systemy wspomagania logistyki i technologii produkcji. Charakteryzuje się m.in. możliwością elastycznego reagowania na potrzeby rynku, wprowadzaniem zmian oraz programem modernizacji produktów procesów wytwórczych.
• Komputerowe wspomaganie projektowania CAE - Oprogramowanie komputerowe wspomagające prace inżyniera takie jak CAD z obliczeniami wytrzymałości MES (Metoda elementów skończonych – zaawansowana mat. metoda obliczeń właściwości fiz. układów 2D/3D poddanych pewnemu oddziaływaniu zewnętrznemu. Polega na podziale obszaru na skośne elementy uśredniające stan fiz. ciała i przeprowadzeniu faktycznych obliczeń tylko dla węzłów tego podziału. Poza węzłami wyznaczana właściwość jest przybliżona na podst. wartości najbliższych węzłów. Za pomocą tej metody można badać w mechanice komputerowej (CAE) wytrzymałość konstrukcji, symulować odkształcenia, naprężenia, przemieszczenia, przepływ ciepła, cieczy itp. Bada się też dynamikę, kinematykę i statykę maszyn).
• PDM - Zarządzanie dokumentacją produktu - to funkcja biznesowa, często w ramach zarządzania cyklem życia produktu, odpowiedzialna za tworzenie, zarządzanie i publikowanie danych o produkcie. System zarządzania danymi produktu (PDM) umożliwia gromadzenie i udostępnianie danych o strukturze produktu, jego dokumentacji i procesach jego wytwarzania, wraz z możliwością przetwarzania w bazie danych.
• MPM - Zarządzanie procesem wytwarzania- to zbiór technologii i metod stosowanych do określenia w jaki sposób produkty mają być wytwarzane. Istotą MPM jest badanie alternatywnych scenariuszy linii produkcyjnych w celu zwiększenia efektywności linii montażowych, skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek oraz umożliwienie szybkiego reagowania na produkt bądź zmianę produktu.
• PLM - Zarządzanie cyklem życiowym produktu - proces zarządzania całym cyklem życia produktu, począwszy od koncepcji, poprzez projektowanie i produkcję, obsługę oraz wycofanie produktu. PLM integruje ludzi, dane, procesy i systemy biznesowe i stanowi podstawę informacji o produktach dla firm i przedsiębiorstw.
Zalety PLM:
· Redukcja czasu wprowadzania produktu na rynek,
· Lepsza jakość produktu,
· Zmniejszone koszty tworzenia prototypów,
· Łatwość optymalizacji produktu,
· Redukcja kosztów,
· Oszczędności uzyskane poprzez pełną integrację prac inżynierskich.
Integracja CAD/CAM:
2. Maszyny CNC, kod G (idea stosowania, możliwości i ograniczenia).
CNC – numeryczne sterowanie przy użyciu komputera. Chodzi o maszyny, które mogą być sterowane przez komputery za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych oraz języków sterowania.
Kod G (G-code) – język zapisu poleceń dla urządzeń CNC. Nazwa właściwa: kod RS 274D.
Definiuje operacje, które należy wykonać, aby otrzymać przedmiot zaprojektowany z użyciem narzędzi CAD.
Istnieje wiele odmian G-code, które przyjmują nazwy zależne od producentów maszyn CNC.
Mimo standaryzacji - różny format dla sterowników różnych producentów.
Kody G:
G00
.
G99
3. Konwersja analog-cyfra i cyfra-analog; częstość próbkowania, zasada (częstotliwość) Nyquist’a, głębokość bitowa, błąd kwantyzacji.
Konwersja analog-cyfra:
Przetwarzanie sygnału analogowego x(t) na sygnał cyfrowy może być rozpatrywane jako następujące po sobie 3 elementarne operacje:
1. próbkowanie czyli dyskretyzacja sygnału w czasie,
Sygnały analogowe – sygnały o czasie ciągłym (w każdej chwili sygnał ma określoną wartość)
Sygnał analogowy x(t) => sygnał cyfrowy – zmiana ta polega na przyporządkowaniu liczby x(n), określającej wartość sygnału, kolejnym chwilom n w zadanych odstępach czasu Tp
Sygnały cyfrowe – sygnały o czasie dyskretnym (znamy wartość sygnału tylko w określonych /dyskretnych chwilach).
Częstość próbkowania
Próbkowanie (sampling) - pobieranie i zapamiętanie wartości sygnału w ściśle określonych chwilach.
Pobieranie danych o przebiegu analogowymi ich zapis w postaci cyfrowej. Polega na wielokrotnym pomiarze w równych odstępach czasu wartości chwilowej sygnału analogowego (próbki).
Okres próbkowania Tp - przedział czasu między kolejnymi chwilami pobierania próbek z sygnału analogowego, a jego odwrotność – częstotliwość próbkowania: fx /Tp (zgodny z poniższą zasadą!). Podawana w hercach lub liczbie próbek na sekundę.
Zasada (częstotliwość) Nyquista
Gdyby częstotliwość próbkowania była mniejsza od szerokości pasma częstotliwości sygnału, to kolejne widma nałożyłyby się na siebie. Spowodowałoby to efekt aliasingu (nałożenia), czyli niejednoznaczności w odczycie próbkowanego sygnału.
Aby uniknąć niejednoznaczności w interpretacji wyniku próbkowania, częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej dwukrotnie większa niż szerokość pasma częstotliwości sygnału badanego. Jest to twierdzenie Shannona. Częstotliwość fx /2 – częstotliwość Nyquista. Jest to krytyczna częstotliwość próbkowania, poniżej której sygnał zostanie mocno zniekształcony. Dla granicy ludzkiego słuchu równej 22 kHz, częstotliwość ta wyniesie więc 44 kHz. Stąd CD Audio wykorzystuje próbkowanie 44.1 kHz.
Jeśli w sygnale analogowym obecne są składowe o częstotliwości wyższej od częstotliwości Nyquista, spowoduje to powstanie błędów próbkowania (aliasing). Jednak ucho ludzkie nie słyszy częstotliwości wyższych niż 22 kHz, dlatego te składowe sygnału są wycinane przed próbkowaniem poprzez zastosowanie filtru dolnoprzepustowego.
2. kwantowanie czyli dyskretyzacja wartości sygnału
Kwantyzacja sygnału – polega na przyporządkowaniu kolejnym próbkom przebiegu określonych wartości (poziomy kwantowania) za pomocą pewnej liczby cyfr/liczby bitów. Inaczej: „zaokrąglanie" wartości do określonej skali; q – przedział kwantowania
Błąd kwantyzacji - (zwany również szumem kwantyzacji) zniekształca ciągły sygnał analogowy, zaokrąglając jego wartości do najbliższych, odpowiadających mu wartości dyskretnych, wskutek czego nie można odróżnić dwóch różnych próbek o zbliżonych do siebie wartościach. Zwiększenie rozdzielczości przetwornika zmniejsza błąd kwantyzacji.
3. kodowanie uzyskanego sygnału dyskretnego
4. przesyłanie
Głębokość (rozdzielczość) bitowa kwantyzacji- ilość bitów opisująca każdą próbkę. wielkość pojedynczej próbki lub ilość bitów na które składa się pojedyncza próbka. Im jest większa, tym większa jest też „dokładność” zacyfrowanego sygnału w stosunku do oryginału.
Rozdzielczość bitowa określa liczbę bitów opisujących każdą próbkę dźwięku (czyli każdą liczbę reprezentującą chwilową wartość sygnału). Rozdzielczość bitowa rośnie wykładniczo, czyli 8-bitowy dźwięk może zawierać 28, czyli 256 różnych poziomów wartości, zaś dźwięk 16-bitowy może ich zawierać już 216, czyli 65 536. Z tego względu cyfrowy dźwięk 16-bitowy zawiera znacznie więcej informacji o pierwotnym sygnale niż dźwięk 8-bitowy o tej samej długości. W rezultacie, dzięki dodatkowej informacji zawartej w dźwięku 16-bitowym jest zredukowany szum występujący w tle, zaś sam dźwięk jest bogatszy i czystszy. Ten sam dźwięk nagrany z rozdzielczością 8-bitową jest zaszumiony i "płytki".
W 8 bitach jest 256 różnych głośności. Ale gdy zastosujemy 2 bajty (16 bitów) to mamy 65536 różnych poziomów głośności. Profesjonalne studia nagraniowe stosują zapis 30 lub 22 bitowy.
zatem: 44100[sampli/(kanał*sekunda)]
2[bajty/sample]*2[kanaly]=176400[bajty/sekundy]
KONWERSJA W SKRÓCIE:
Zapisanie wartości chwilowej sygnału (próbkowaniu) w określonych (najczęściej równych) odstępach czasu, czyli z określoną częstością (tzw. częstotliwość próbkowania). Wartość chwilowa sygnału jest przedstawiana za pomocą słowa kodowego, którego wartości odpowiadają wybranym przedziałom kwantyzacji sygnału wejściowego. Przydział zakresu wartości analogowej jednej wartości cyfrowej jest nazywany kwantyzacją (kwantowanie) sygnału, prowadzi to do pewnej niedokładności (błąd kwantyzacji). Im większa częstotliwość próbkowania i im więcej bitów słowa kodowego reprezentuje każdą próbkę, tym dokładność reprezentacji jest większa, a tak zapisany sygnał jest wierniejszy oryginałowi. Na końcu zamienia się wartość cyfrową na kod binarny (kodowanie).
4. Identyfikacja systemu, układy regulacji; układ otwarty, regulacji ciągłej, regulacji nadążnej, regulacji stałowartościowej, regulacji adaptacyjnej. Regulator, regulator dwustawny, trójstawny, liniowy. Inercja systemu; człon inercyjny I i II rzędu. Charakterystyki układów regulacji; charakterystyki statyczne, dynamiczne, czasowe i częstotliwościowe.
Identyfikacja systemu – w teorii sterowania oznacza rozpoznawanie (tj. sporządzanie opisu mat.) właściwości statycznych i dynamicznych elementów i układów automatyki. W czasie identyfikacji określa się wartości parametrów modelu obiektu (procesu), które wykorzystuje się następnie w doborze nastaw regulatora sterującego.
Układy regulacji – zamknięty układ automatyki, posiadający ujemne sprzężenie zwrotne, którego zadaniem jest sterowanie procesem.
· Układ otwarty – uproszczony układ sterowania w stosunku do układu regulacji, w którym sygnał wejściowy nie zależy od aktualnej wartości sygnału wyjściowego, ponieważ nie występuje sprzężenie zwrotne, a wynika jedynie z wewnętrznego stanu obiektu. Przebieg sygnału następuje tylko w jednym kierunku, od wejścia do wyjścia.
Schemat układu regulacji:
− Element porównujący oblicza różnicę między wartościami sygnału zadanego w(t) a wartością sygnału zwrotnego v(t), otrzymaną przez układ sprzężenia zwrotnego z sygnału wyjściowego y(t) otrzymaną z układu pomiarowego w sterowanym obiekcie. Otrzymany w sumatorze sygnał e(t) zwany jest uchybem.
− Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego u(t) tak aby obiekt sterowany zachowywał się w pożądany sposób (np. w jak najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną).
− Sygnał sterowania u(t) z regulatora steruje elementem wykonawczym, który oddziałuje na obiekt podając sygnał u*(t) (tzw. wymuszenie).
− Na regulowany obiekt działać mogą zakłócenia z(t).
· Układ ciągłe /regulacji ciągłej – wszystkie sygnały (wejściowe i wyjściowe) są funkcjami ciągłymi w czasie i mogą przybierać dowolną wartość z obszaru swojej zmienności. Układy te opisuje się zwykle równaniami różniczkowymi.
· Układ nadążane /regulacji nadążanej (śledzące), serwomechanizmy – działają w taki sposób, aby sygnał wielkości wyjściowej nadążał za zmianami wielkości wejściowej, tzn. aby y(t) = w(t). Zmiany sygnałów wejściowych nie są znane ani przewidywane – są losową funkcją czasu.
· Układ regulacji stałowartościowej (stabilizacji) – w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą (w czasie) wielkość wyjściową mimo zmian wielkości wejściowej i działających na układ zakłóceń.
· Układ regulacji adaptacyjnej –mają zdolność do samoczynnego nastrajania parametrów (np. układu pomiarowego lub regulatora) do zmieniających się parametrów obiektu lub występujących zakłóceń.
Regulator - urządzenie, którego zadaniem jest porównywanie sygnału pomiarowego z sygnałem zadanym i w zależności od powstałego uchybu wytworzenie sygnału sterująceg
Jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego, tak aby obiekt sterowany zachowywał się w pożądany sposób.
Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub poprawy niekorzystnych własności obiektu regulowanego. Regulator może np. poprawić dynamikę obiektu regulowanego (silnik będzie szybciej osiągał żądaną prędkość). Niewłaściwe zastosowanie może prowadzić do niestabilności obwodu regulacji.
·
· Regulator dwustawny: - wielkość wyjściowa może przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną lub minimalną (zwykle zerową).
· Regulator trójstawny - wielkość wyjściowa może przyjmować tylko trzy wartości.
· Regulator liniowy – Regulator PID ze swoimi kilkoma parametrami to niewątpliwie regulator o ograniczonej złożoności. Alternatywnie można zastąpić go przez ogólny regulator liniowy. Ogólny regulator o dwóch stopniach swobody (tak zwany regulator RST, lub regulator R-S-T)
Ogólny regulator liniowy stanowi uogólnienie regulatora PID. Innymi słowy regulator PID jest szczególnym przypadkiem ogólnego regulatora...
amber440