introducere in automatica. suport de curs

238

Upload: sava-ionutz

Post on 06-Nov-2015

780 views

Category:

Documents


110 download

DESCRIPTION

Introducere in automatica

TRANSCRIPT

  • DDrr.. IInngg.. tteeffaann PPrreeiittll DDrr.. IInngg.. ZZssuuzzssaa PPrreeiittll

    IInnttrroodduucceerree nn

    AAuuttoommaattiicc

    - suport de curs -

    EDITURA CONSPRESS

    2013

  • Copyright 2013, Editura Conspress

    EDITURA CONSPRESS este recunoscut de

    Consiliul Naional al Cercetrii tiinifice din nvmntul Superior

    Lucrare elaborat n cadrul proiectului: "Reea naional de centre pentru dezvoltarea programelor de studii cu rute flexibile i a unor instrumente didactice la specializarea de licen i masterat, din domeniul Ingineria Sistemelor"

    Descrierea CIP a Bibliotecii Naionale a Romniei

    PREITL, TEFAN ; PREITL, ZSUZSA Introducere n automatic : suport de curs / tefan Preitl, Zsuzsa Preitl Bucureti : Conspress, 2013 Bibliogr. ISBN 978-973-100-266-8 62

    Colecia Carte universitar

    CONSPRESS B-dul Lacul Tei nr 124, sector 2

    cod 020396, Bucureti Tel: (021) 242 2719 / 300; Fax: (021) 242 0781

  • i

    INTRODUCERE IN AUTOMATICA

    CUPRINS

    PREFATA

    CUPRINS

    INTRODUCERE

    LISTA DE PRESCURTARI UTILIZATE

    Cap.1. INTRODUCERE IN CONDUCEREA AUTOMAT A PROCESELOR

    1.1. Conducerea proceselor. Automatizarea conducerii

    A. Conceptul de conducere. Conceptul de conducere automata B. Exemplu introductiv de sistem cu conducere C. Evolutia tehnica si tehnologica a Dispozitivelor de Conducere Automata (DC sau DCA). Functii

    de baza ce trebuie asigurate de un DCA.. Exemple D. Cateva exemple de conducere

    1.2. Evoluii n automatizarea conducerii proceselor. Domenii representative pentru automatica

    A. O succinta retrospective asupra istoriei conducerii proceselor B. Domeniul Ingineria sistemelor (Automate), Automatica i Informatica Aplicat C. Aplicatii de conducere pentru sisteme mecatronice

    1.3. Obiectivele lucrarii

    Cap. 2. CONCEPTELE DE BAZ ALE CONDUCERII AUTOMATE

    2.1. Metode i soluii de conducere automat

    2.2. Structura i funciile unui Sistem cu Conducere Automata (SCA) complex

    2.2.1. Aspecte generale

    2.2.2. Diferite structurari pentru reprezentarea funciilor de conducere. Sarcinile unui DC complex A. Varianta 1-a de structurare a funciilor de conducere B. Varianta a 2-a de structurare si de detaliere a funciilor de conducere. Sarcinile unui DC complex C. Aplicatii de conducere pentru sisteme mecatronice

    2.2.3. Posibilitati si soluii de implementare a funciilor de conducere A. Implementarea soluiei de conducere, a DC cu echipamente individuale realizate n tehnologie

    strict analogic (cu eventuale extensii numerice). B. Implementarea soluiei de conducere, a DC, cu echipamente / module individuale numerice,

    specializate pe funcii de conducere bine precizate C. Implementarea soluiei de conducere, a DC, pe echipamente numerice dedicate conducerii

  • ii

    2.2.3. Funcii de conducere avansat A. Integrarea soluiilor de conducere numeric n structurile de conducere ierarhizate. B. Estimarea parametrilor i a strilor C. Detectarea si diagnostizarea defectelor D. Redundana actului de conducere (la nivelul sistemului de conducere)

    2.3. Abordarea unei probleme de conducere automat: dezvoltarea i implementarea sistemelor de conducere automat

    Cap. 3. ABORDAREA SISTEMICA A REALITATII. PROCESE CONDUSE

    3.1. Aspecte generale. Reprezentri prin scheme bloc. Principiile modelrii matematice ale sistemelor fizice

    3.1.1. Conceptul de sistem. Sistem fizic, sistem dinamic i procese tehnice. A. Sistem fizic, proces fizic, structur i mrimi caracteristice. B. Procese tehnice (industriale sau neindustriale) C. Descompunerea SF (procesului) n subsisteme (subprocese). Efecte de cuplare

    3.1.2. Modele matematice utilizate in caracterizarea SF (proceselor) continuale

    3.1.3. Clasificarea sistemelor dinamice continuale: puncte de vedere A. Clasificarea semnalelor i a variabilelor asociate.continuale

    (a) Dup caracterul mulimii T , al momentelor de timp (b) Dup caracterul mulimii U, (c) Dup modul de prezentare a informaiei coninute n semnal (d) Semnale continuale si strategii de prelucrare a informatiei continute in aceste semnale

    B. Categorisirea structurii sistemelor: sisteme deterministe si sisteme stohastice.

    3.2. Sisteme dinamice (SD) deterministe (continuale). Caracterizarea matematica a sistemelor deterministe prin MM deterministe

    3.2.1. Caracterizarea sistemelor in domeniul timp si in domeniul operational. A. Caracterizarea in domeniul timp prin modele intrare-stare-ieire a sistemelor deterministe. (a) Sistemul dinamic cu timp continuu (SD-t-C) (b) Sistemul dinamic cu timp discret (SD-t-D) B. Sisteme liniare (SL), caracterizari matematice prin MM-ISI. (a) Proprietatea de liniaritate, sisteme liniare (SL), ssisteme liniare invariante (SLI) (b) Caracterizarea prin MM-ISI a SLI multivariabil la intrare si la iesire (MIMO) (c) Caracterizarea prin MM-ISI a SLI monovariabil la intrare si la iesire (SISO) C. Caracterizarea in domeniul timp prin modele intrare-ieire (MM-II)

    (a) Cazul sistemelor monovariabile cu o intrare si o iesire (b) Cazul sistemelor multivariabile.

    3.2.2. Caracterizare in domeniul operational: cazul sistemelor liniare (S-L) A. Cazul sistemelor cu timp continuu. Transformarea Laplace, definirea matematic B. Cazul sistemelor cu timp discret. Transformarea Laplace discret (transformarea Z). C. MM n domeniul operaional: funcia de transfer, matricea de transfer

    (a) Cazul sistemelor cu timp continuu (SD-t-C) (b) Cazul sistemelor cu timp discret (SD-t-D)

    D. Conexiuni de sisteme (SLI) (a) Conexiunea serie de sisteme. (b) Conexiunea paralel de sisteme

  • iii

    (c) Conexiunea cu (in) reacie a dou sisteme

    3.2.3. Posibiliti de determinare a MM asociate SF (procese conduse) continuale. Reprezentarea sistemelor prin scheme bloc

    A. Reprezentarea grafic a sistemelor. B. Posibiliti de determinare a MM asociate proceselor (SF) (a) Determinarea pe cale analitic a MM asociate unui SF (identificarea analitic, IA) (b) Determinarea pe cale experimental a MM aferent PC (identificarea experimental, IE)

    3.3. Elementele modelare matematica a proceselor cu timp continuu (constructia pe cale analitic a MM aferente sistemelor cu timp continuu)

    3.3.1. Tipuri de procese de transfer de mas, energie i informaie. Exemple A. Tipuri de transfer de materie-energie-informaie B. Exemple

    3.3.2. Procese i subprocese cu parametri concentrai. Exemple

    3.3.3. Ecuatii de baza ce pot fi utilizate in caracterizarea proceselor de transfer de masa si de energie

    A. Ecuatii de bilan de mas B. Ecuatii de bilan de energie.

    3.3.4. Modele matematice neliniare i modele matematice liniare (liniarizate). Liniarizarea MM neliniare

    A. Posibiliti de liniarizarea MM neliniare (MM-NL) (a) Esena liniarizrii. (b) Aplicarea procedurii generale de liniarizare. Cazuri de liniarizare remarcabile

    3.4. Perturbaiile

    3.5. Sisteme cu evenimente discrete

    3.5.1. Sistemele (procesele) continuale sau cu timp continuu (continue in timp)

    3.5.2. Sistemele (procese) cu evenimente discrete (SED). Sistemele cu evenimente discrete cu semnale cu doua stari (logica binara) (SELBD).

    A. Sistemele cu evenimente discrete cu semnale cu doua stari (logica binara) (SELBD) B. Operatii logice binare (de baza) C. Functii logice. Formele algebrice ale functiilor logice

    (a) Reprezentarea sub forma tabelei de adevar (b) Reprezentarea sub forma algebrica (c) Retele de functii logice: retele combinationale si retele secventiale (mixte) (d) Implementarea SC-C prin scheme electrice / scheme cu relee

    D. Alte metode de abordare a dezvoltarii si proiectarii sistemelor de comanda automata (a) Diagrama secvenial aferenta functionarii PC(a) Diagrama secvenial aferenta functionarii

    PC (b) Diagrame de tranziie a strilor (c) Reelele Petri

    Cap. 4. EXEMPLE DE PROCESE CONDUSE

    4.1. Maini unelte. Masin de freza tip portal

    4.2. Generator sincron antrenat de o turbin hidraulic, cuplat la sistemul energetic

  • iv

    4.3. Main de splat automat programabil (MSA-p)

    4.4. Instalaie de nclzire pentru o cldire cu mai multe (grupuri de) incinte

    4.5. Robot industrial fix

    4.6. Reactor de amestec (1)

    4.7. Sisteme transportoare cu banda / conveior

    4.8. Controlul accesului si al circulatiei vehiculelor pe (sisteme de) autostrzi

    4.9. Reactor de amestec (2)

    Cap.5. PERIFERICE DE PROCES, REGULATOARE SI SOLUTII INTEGRATE DE CONDUCERE

    5.1. Echipamente (elemente) de msur utilizate in conducerea proceselor

    5.1.1. Senzori i Traductoare A. Aspecte generale

    B. O succint clasificare a senzorilor C. Semnale interne, convertoare de semnal, amplificatoare de semnal (masurat). D. Elemente de msur analogice. E. Elemente de msur numerice F. Senzori pentru masurarea marimilor analogice G. Senzori pentru semnale logice: senzori binari i traductoare binare (a) Senzorii binari (traductoare binare, logice) cu contact mecanic (b) Senzori (traductoare) cu dou stri (binare) fr contact

    5.1.2. Senzori inteligeni. Sisteme de msur integrate

    5.2. Elemente de execuie (EE)

    5.2.1. Cerinele de baz n raport cu un EE in vederea integrarii intr-o structura de SCA

    5.2.2. Exemple de elemente de executie A. Elemente de execuie electrice (electromecanice) (a) Punte cu tiristoare (convertor curent alternativ-curent continuu controlat) (b) Servomotoare (servosisteme) electrice/electromecanice (SS-E)

    B. Elemente de execuie fluidice (hidraulice, pneumatice) C. Elemente de execuie binare. Amplificatoare de (n) putere cu doua stari stabile

    5.3. Sisteme de Reglare Automata. Regulatoare automate

    5.3.1. Structura si functiile unui sistem de reglare automata (SRA)

    5.3.2. Regulatoare tipizate. Algoritmi de reglare tipizati. Regulatoare electronice realizate cu amplificatoare operationale

    A. Structuri informationale clasice pentru regulatoarele tipizate B. Regulatoare industriale C. Principii de realizare a algoritmilor de reglare pe cale electronica cu Filtre Active cu

    Amplificatoare Operationale (FA cu AO) D. Proprietatile de baza ale regulatoarelor tipizate. Recomandari privind alegerea si utilizarea unui

    anumit tip de regulator (a) Regulatorul Proportional (RG-P) (b) Regulatorul Proportional-Integrator-Derivativ (RG-PID)

  • v

    (c) Regulatorul Proportional-Integrator (RG-PI) (d) Utilizarea componentei de tip Derivativ (D) in structura regulatoarelor (e) Regulatorul Proportional-Derivativ (PDT-1)

    5.3.3. Implementarea numerica a legilor (algoritmilor) de reglare analogice. algoritmi de reglare numeric cvasicontinu (CvC).

    5.3.4. Constructii de regulatoare automate si module suplimentare (a) Regulatoare automate realizate ca module independente (b) Echipamente (module, elemente) auxiliare care deservesc functionalitatea regulatoarelor

    5.4. Implementarea aplicatiilor de conducere prin Sisteme SCADA: solutii integrate pentru implementare a aplicatiilor de conducere complexe

    5.5. Conducerea asistata de calculator a proceselor industriale: pozitii decizionale

    5.6. Doua exemple reprezentative de utilizare a EM si EE pe autovehicolele moderne

    Cap.6. STRUCTURI DE CONDUCERE AUTOMATA

    6.1 Aspecte generale

    A. Structura general a unui SCA a unui PC, realizata cu echipamente convenionale, cu funcii specifice diferitelor tipuri de aciuni

    B. Structura general pentru un SCA de conducere a unui PC cu echipamente numerice dedicate.

    6.2. Conceptul de Sistem de Sisteme (System of Systems, SoS) si de System of Systems Engineering (SoSE)

    6.3. Exemple de structuri de sisteme cu conducere automata

    A. Conducerea unui sistem de acionare cu motoare de c.c. (clasice si speciale) sau de c.a.. Exemplu de abordare a unei probleme de reglare automata

    B. Conducerea unei instalaii de nclzire cental (a) Varianta (1)-a, de conducere convenional (b) Varianta a (2)-a de conducere numeric a sistemului

    C. Conducerea reactorului de amestec 2. (a) Varianta (1)-a, de conducere convenional (b) Varianta a (2)-a de conducere numeric, cu logica programata

    D. Conducerea (reglarea) circulaiei si accesului vehiculelor pe autostrada.

    Cap.7. INSTRUMENTAREA PROCESELOR INDUSTRIALE AUTOMATIZATE

    7.1 Reprezentarea grafic a instrumentrii proceselor in vederea conducerii

    A. Reprezentari grafice ce utilizeaza simbolizari specifice B. Reprezentare a schemelor de reglare automata, prin scheme de principiu. Exemple C. Scheme de interconectare a echipamentelor (planuri de conexiuni) D. Simbolizari si reprezentari grafice pentru scheme de comanda (electrice). Exemple

    7.2. Categorisirea echipamentelor din punct de vedere a cerinelor metrologice i al proteciei la incendiu i explozie (protecia IP)

    A. Aspecte privind categorisirea metrologic a echipamentelor de msur B. Cerine de protecie constructiv a echipamentelor de automatizare

  • vi

    BIBLIOGRAFIE SELECTIVA

  • vii

    Rolul scolii este acela de a ne invata cum sa invatam, sa ne dezvolte dragostea pentru cunoastere, sa ne invete sa traim bucuriile creatiei si rezultatele muncii, sa ne dezvolte

    dragostea fata de munca intelectuala si sa ne ajute sa gasim intr-un final, acel ceva care ne face placere sa il facem.

    Szent-Gyrgyi Albert,

    Laureat al Premiului Nobel pentru Fiziologie si Medicina, 1937 (traducere libera)

    INTRODUCERE

    Dece o Introducere in Automatica? Este cunoscut faptul ca in ultimii 50 70 de ani, urmare cresterii complexitatii proceselor, rolul conducerii automate a devenit de importanta deosebita. In acest context, domeniul conducerii automate a cunoscut o dezvoltare exploziva, atat pe plan stiintific cat si pe cel al tehnologiilor de implementare a solutiilor de conducere si pe aceasta baza si largirea aplicatiilor posibile. Desi nu se poate vorbi de o data ferma a inceputurilor automaticii acestea pot fi localizate la nivelul sfarsitului secolului al XIX-lea - inceputului secolului al XX-lea dar inceputurilor automaticii moderne pot fi legate cu preponderenta - de rezultate de cercetare din anii 1930-1940. Rezultatele pot fi conectate la abordarile teoretice legate de filtrajul semnalelor cat si (apoi) la rezultatele (istorice) legate de o abordare sistemica a realitatii formulate de catre R.E. Kalman, la primul Congres Mondial de Automatica de la Moscova, din anul 1960 (First IFAC Congress in Automatic Control, Moscow, 1960), [43], [44]. In anii care au urmat (incluzand prezentul continuu) viitorul automaticii a fost si este regasit in toate planurile:

    - de cercetare, privind elaborarea unor noi metode de conducere si de abordare a conducerii,

    - de implementare a solutiilor de conducere,

    - de largire a domeniilor aplicative (industriale, neindustriale s.a.).

    Daca utilizarea calculatorului a devenit un domeniu aflat la indemana tuturor, domeniul automaticii apare adeseori ca ceva pierdut in sfera aplicatiilor deservite de calculator, al proceselor tehnice (conduse), domenii de care se pot ocupa altii. Acest lucru este insa departe de a fi adevarat.

    Algoritmizarea si implementarea in aplicatii a (tuturor) sarcinilor legate de conducerea proceselor complexe ridica probleme deosebite, pentru a caror rezolvare, simpla calitate de foarte bun calculatorist - inginer de specialitate este departe de a fi acoperitoare. Automatizarea solicita apelarea unor cunostinte din domenii foarte variate, de la stiintele exacte (matematica si fizica in primul rand) si cele tehnice generale pana la domenii tehnice aplicative specifice, biologie, medicina, comunicatii s.a.. Prin cunostintele insusite, viitorul inginer automatist, devine cel care impreuna cu tehnologul de proces poate asigura cele mai bune solutii pentru conducere. In contextul celor de mai sus, prezenta lucrare a fost orientata spre a asigura:

    (1) Intelegerea cat mai corecta chiar si la nivel introductiv - a continutului si preocuparilor din acest domeniu fascinant, interdisciplinar dar adeseori foarte dificil (a se vedea cercetarile teoretice din domeniu);

    (2) O adaptare a continutului disciplinei de Introducere in Automatica la cerintele initierii in domeniul ingineriei sistemelor (automate); acest lucru este necesar intru cat foarte multi studenti din anii mici -

  • viii

    sau elevi din anii terminali, aflati in fata alternativei de alegere a viitorului profesional - au foarte putine cunostinte despre domeniul Inginerie Sistemelor Automate, al Conducerii Automate pe cand, in domeniul calculatoarelor, studentii (elevii) au inca din liceu o buna pregatire preliminara. Evident acest lucru presupune si o buna plasare a unei astfel de discipline in Planurile de Invatamant;

    (3) Prezentarea unor informaii axate pe specificul pregatirii inginerului (licenta) in domeniul conducerii sistemelor mecatronice si al aplicatiilor din domeniul automotive, domenii de interes relativ usor de abordat, aflat la indemana oricarui cititor (a se vedea prezenta automobilului modern in viata de toate zilele).

    (4) Orientarea formularilor spre adancirea aptitudinilor in abordarea aplicatiilor de conducere.

    Autorii cartii au avut si privilegiul de a avea multi absolventi si tineri colegi, de exceptie, care astazi sunt cadre didactice la Universitati recunoscute din Europa sau sunt ingineri de cercetare-dezvoltare-proiectare la firme de prestigiu din U.E., in domenii de varf legate de conducerea proceselor. Parte din acesti absolventi au sustinut si doctorate stralucite atat in tara cat si la Universitati foarte bine cotate din cadrul U.E.. Satisfactiile spirituale pe care le-au obtinut in munca desfasurata (insotite si de cele materiale) i-au facut pe multi sa afirme ca daca ar fi sa o iau de la capat tot de automatica m-as apuca.

    Prezentarile au la baza pe de o parte - o experienta de peste 10 ani in predarea unei astfel de discipline si de peste 40 de ani de preocupari teoretice si aplicative in domeniul automaticii - iar pe de alta experienta didactica si de cercetare-dezvoltare-proiectare si implementare de solutii de conducere automata dobandita in in strainatate. La elaborarea prezentului material a fost folosita si experienta autorilor, dobandita la diverse Universitati din strainatate, incununata adeseori de satisfactia aprecierilor pozitive din partea unei bune parti a auditorului. Evident, in toata aceasta perioada au existat critici asupra continutului sau a nivelului prezentarilor, ceea ce este absolut normal; de cele pe care le-am considerat pozitive, am tinut seama in redactarea finala a lucrarii.

    In buna parte, lucrarea poate fi abordata si de cititorii de la nivelul de elev de liceu chiar daca cunostiinte minimale de matematica superioara le lipsesc; pasajele cu acest continut pot fi sarite intru cat pe de o parte ele nu sunt intotdeauna justificate in detaliu - iar pe de alta parte - pentru studentii care doresc sa se specializeze in acest domeniu, ele vor fi studiate in detaliu la disciplinele de specialitate.

    Scrierea acestei lucrari urmareste si cresterea competentelor si aptitudinilor viitorilor specialisti in Ingineria Sistemelor (Automate) intr-o abordarea integrata a cunostintelor. In lucrare am incercat sa includem doar parti referitoare la conducerea proceselor, in general, fara a aborda structuri si strategii specifice, fara detalieri privind abordarea teoretica a tuturor fatetelor legate de conducerea proceselor, fara detalieri legate de echipamentele de automatizare si de implementare a solutiilor. Au facut exceptie de la aceasta doar unele exemple (studii de caz prezentate insa intr-o maniera simplificat) care sa deschida orizontul si dorinta tinerilor spre cercetare si perfectionare.

    Conducerea automata (automatica) are aplicabilitate in toate domeniile industriale si neindustriale. Unul din aceste domenii este de exemplu cel al mecatronicii si in particular al aplicatiilor automotive. Domeniul a fost luat in seama datorita interesului deosebit pentru integrarea in campul muncii a viitorilor absolventi in specializarea Ingineria Sistemelor (Automate). Locuri de munca in domeniu - foarte tentante - se intalnesc pentru cei foarte bine pregatiti peste tot, in Romania, U.E. si nu numai. Nu este locul nici rolul de a face publicitate pentru cineva; totusi pentru a vedea actualitatea si necesitatea permanentei perfectionari in domeniu autoriil si-au permis sa indice doar un singur site, [78] http://www.picontrolsolutions.com/allproducts.htm , de la care plecand, cititorul va gasi foarte multe informatii privind si viitorul permanent asupra domeniului.

  • ix

    Pentru a crea o imagine cat mai sugestiva asupra automaticii, lucrarea este structurata pe 7 capitole, in care este dominanta abordarea intr-o maniera relativ clasica a problemelor de baza ale conducerii automatice

    Elaborarea si acceptarea unei astfel de lucrari chiar cu caracter introductiv poate fi legata si de o noua structurare a disciplinelor din planul de invatamant a specializarii (dar nu numai), spre a oferi informatii si cunostinte (minimale) asupra domeniului si asupra integrarii continutului disciplinelor de specialitate in aria controlului automat. Cum orice abordare de inceput a automaticii poate fi diferita, probabil ca si punctele de vedere relative la continutul lucrarii pot fi mult diferite. In planurile de invatamant s-au introdus si se introduc in permanenta cunostinte introductive din domeniul informatic dar in acelas timp, cele care contureaza domeniul automaticii fie sunt tardiv introduse sau chiar deloc. Drept urmare, conluzia personala a autorului este ca, utilitatea unei astfel de discipline este de foarte bun augur dar utilitatea plasarii ei mai tarziu de anul I de studiu, sem. 2 poate fi discutabila.

    Dr. Ing. Stefan Preitl Dr. Ing. Zsuzsa Preitl

  • xi

    LISTA DE PRESCURTARI UTILIZATE

    (in ordinea alfabetica)

    In lista de abrevieri nu au fost incluse abrevierile cu caracter strict local (capitol, exemplu)

    AO - Amplificator Operational

    a.r. - algoritm de reglare a.r.n. - algoritm de reglare numerica CvC - (conducere) Cvasi-Continual CP - Calculator de Proces CAN - Convertor Analog-Numeric CNA - Convertor Numeric-Analogic CS - Caracteristica Statica DC(A) - Dispozitiv de Conducere (Automata) EC - Element de Comparatie EE (E) - Elemente (echipamente) de Execuie EM (M) - Elemente (echipamente) de Msur ET - Element de Transfer ES - Element de esantionare EA - Echipament de Automatizare ER - Element de Retinere FA cu AO - Filtre Aactive cu Amplificatoare Operationale f.d.t. - funcia de transfer GS - Generator Sincron IA - Identificare Analitic IE - Identificare Experimental IT - Instalaia Tehnologica

    l.r. - lege de reglare MM - Model Matematic MM-t-D - MM cu timp Discret MM-t-C - MM cu timp Continuu MM-II - model matematic intrare-ieire MM-ISI - model matematic intrare-stare-ieire MBD - Model-Based Design MIMO - Multi-Input-Multi-Output (system) MM-NL - MM neliniar MM-Ln - MM liniarizat OC - Obiectivele Conducerii OR - Organe de Reglare OS - Observator de Stare (State Observer) OU - Operator Uman PC - Proces Condus PT - Proces Tehnic (uneori Tehnologic) PF - Proces Fizic p.d.f.s.c. - puncte de funcionare staionar constant RG - Regulator (automat) RSC - Regim Staionar Constant SCA - Sistem cu Conducere Automat

  • xii

    SCA-CD - Sistem cu Conducere Automat n Circuit Deschis (CD) SCM-CD - Sistem cu Conducere Manual n Circuit Deschis (CD) SCA-CI - Sistem cu Conducere Automat n Circuit Inchis (CI) SC-C - Sistemele de Comanda Combinationale SC-S - Sistemele de Comanda Secventiale SCD - Sisteme de Conducere Distribuite SRA - Sisteme de Reglare Automata SD - Sistem Dinamic SF - Sistem Fizic SM - Sistem Mecatronic SE - Sistem Energetic SL - Sistem Liniar SNL - Sistem Neliniar SLn - Sistem Liniarizat SLI - Sistem Liniar Invariant SD-t-C - Sistem Dinamic cu timp Continuu SD-t-D - Sistem Dinamic cu timp Discret SLC - Sistemele Locale de Conducere SISO - Single-Input-Single-Output (system) SoS - System of Systems, Sisteme de Sisteme SoSE - System of Systems Engineering Tp - Traductor primar ZOH - Zero-Order-Hold

  • 1

    Cap.1. INTRODUCERE IN CONDUCEREA AUTOMAT A PROCESELOR

    1.1. Conducerea proceselor. Automatizarea conducerii

    Conducerea proceselor constituie una din preocuprile de baz ale tehnicienilor, fiind orientat spre realizarea unor produse de calitate corespunztoare (ntr-un sens general). Principial, conducerea unui proces se poate realiza:

    - manual (conducere manual), prin intervenia nemijlocit i adeseori (necesar) continu a unui operator uman,

    - automat (conducere automat), prin intermediul unor echipamente dedicate conducerii, cand operatorul uman - care deserveste conducerea - devine adeseori doar un supervizor al desfasurarii procesului.

    A. Conceptul de conducere. Conceptul de conducere automata. Cuceririle tiinei i dezvoltrile tehnologice au permis elaborarea unor tehnologii (procese tehnologice) din ce n ce mai avansate i mai complicate; de exemplu procesele din industriile de vrf:

    - industria constructoare de maini respectiv produsele create sau utilizate de aceeasta: sisteme mecatronice, roboi industriali i neindustriali, linii tehnologice complet automatizate, sisteme independente s.a.,

    - sisteme de transport: autovehicule, avioane, nave spaiale .a., - industria casnic, industria chimic, industria energetic .a..

    Aceste procese necesit - in acelai timp - i elaborarea unor metode, strategii i echipamente de conducere - din ce n ce mai complexe (sofisticate) - capabile s preia funcii de conducere din ce n ce mai complexe.

    Sistemele cu Conducere Automat (prescurtat SCA) pot elimina parial sau chiar total intervenia operatorului uman. Un SCA presupune existena a dou subsisteme (entiti/module funcionale, ) interconectate:

    - subsistemul de conducere, care este denumit Dispozitiv de Conducere (Automata) (DC(A)). - subsistemul condus, care este denumit si Procesul Condus (PC) respectiv Proces Tehnic (PT); acesta

    se desfasoara intr-o instalaie Tehnologica (IT).

    In fig.1.1-1 este prezentat schema de principiu a interconexiunii celor dou subsisteme DC < - > PC realizat prin intermediul perifericelor de proces (echipamente dedicate interconectarii functionale si informationale a celor doua subsisteme).

    Fig.1.1-1. Schema de principiu a interconexiunii celor dou subsisteme DC PC

    In categoria perifericelor de proces se includ: - perifericele de interconectare tradiionale: echipamentele de intervenie n proces sau elementele

    (echipamentele) de execuie (EE) i elementele (echipamentele) de msur (EM); prin intermediul EE se asigur introducerea energiei (materii, materiale) necesare conducerii respectiv al EM achiziionarea informaiilor necesare in conducerea procesului; astfel de echipamnete exist de regul i n cazul sistemelor cu conducere manual. Aceste periferice sunt incluse in IT;

  • 2

    - perifericele de interconectare informationala, de conversie a naturii informaiei: convertoarele analog-numerice i numeric-analogice. Aceste periferice sunt incluse in DC.

    Funcionalitatea unui SCA este determinat de cunoasterea procesului d.p.v.d. tehnologic si de definirea clar i complet a obiectivelor conducerii (sensul n detaliu al acestor termeni va fi precizat ulterior).

    B. Exemplu introductiv de sistem cu conducere. Se considera "sistemul de nclzire a unei locuine"; sistemul va fi vzut n "evoluia istoric" a sistemelor de incalzire evolutie care a fost si este corelat cu evoluia tehnologic a " instalaiilor de nclzire i a echipamentelor de conducere aferente.

    Obiectivul de baza a unui sistem de nclzire: asigurarea temperaturii dorite in camera, c(t) (mai complet, a unui confort termic adecvat) la un consum energetic cat mai redus. Fluctuaiile temperaturii exterioare e(t) constitue perturbaie pentru temperatura din incint. Se supun discutiei urmatoarele solutii tehnice.

    Soluia I-a (clasic) bazata pe utilizarea unei sobe traditionale cu combustibil solid, alimentat de locatar. Sistemul de nclzire este unul tradiional, fig.1.1-2 (a), si are la baz traditionala "soba cu lemne, alimentat cu agentul energetic primar traditional lemne, crbune (solid) sau gaz metan. Soluia corespunde situatiei conducerii manuale, care se realizeaza prin interventia nemijlocita a operatorului uman. Prescrierea valorii dorite (mai general, a evolutiei dorite) pentru temperature din incinta este data de senzatia termica a locatarului (eventual si un termometru local) si este apoi realizata prin alimentarea manuala cu lemne a sobei.

    Intregul proces este bazat pe experienta operatorului uman, care va actiona (pe baza senzaiilor si a experientei proprii) n funcie de "ct de cald este n incint" alimentand "instalaia" cu agentul energetic. Prin aceasta interventie se asigura o evoluie a temperaturii din incint, c(t), mai mult sau mai puin apropiat de evoluia dorit, cd(t). Experiena in interventie a operatorului in reglarea temperaturii trebuie sa ia in seama in permanenta si temperaturea exterioara, e(t). Interventia operatorului uman se va manifesta n "meninerea funcionrii procesului" (meninerea focului n sob cu utilizarea unui anumit tip de combustibil), dar si n intreinerea instalaiei tehnologice (soba) s.a..

    Chiar si pe baza unei experiene proprii minimale a cititorului, se poate conchide faptul c asigurarea cerinei c(t)= cd(t) este dificil, chiar imposibil, temperatura n incint cd(t) oscilnd n jurul valorii / evoluiei dorite (perioade de supranclzire alternate de perioade de subnclzire a camerei). Mai mult, aceasta evolutie este nsoit adeseori i de "randamentul energetic" relativ slab al sobelor tradiionale.

    Principalele probleme energetice cu care se confrunt un astfel de sistem de nclzire se manifest prin: - pierderi semnificative la co si randamentul sobei (constructie); - pierderi prin deschiderea geamului, dac c(t) >> cd(t) (in vederea aerisirii); - arderea unei cantiti neraionale de combustibil, arderea incomplete a combustibilului s.a.; - pentru sigurana functionarii devine necesara urmririea permanenta a desfasurarii procesului .a..

    Soluia a II-a (mai modern) bazata pe utilizarea unui sistem de nclzire mai eficient: soba tradiional cu arderea controlata prin echipament a agentului energetic primar (gaz metan), fig.1.1-2 (b). Controlul arderii gazului este relativ uor asigurat: dozarea cantitatii de gaz metan ars n sob poate fi asigurat prin utilizarea unui dispozitv de conducere automata (DCA), cu sarcina principal de a regla temperatura in camera.; elementul esential al DCA (dar nu numai) este regulatorul de temperatur (RG). Acesta va modifica (regal) prin intermediul unui robinet de reglare (RR), debitul de gaz asfel nct temperatura n incint, c(t) - masurata de un traductor de temperature (TT) - s fie cat mai aproape de cea dorit cd(t) (de exemplu, o valoare constanta), care poate fi fixata (prescrisa) de pe regulator; astfel prin EM si RG se inchide o bucla de reglare a temperaturii.

    Functionarea instalaiei impune i existena unor "msuri (echipamente) suplimentare care sa asigurare funcionarea sigura (eventual si monitorizarea consumului de gaz):

    - existenta unui robinet de siguran (RS), care, la pierderea tensiunii de alimentare a RG sau la stingerea accidental a flcrii sau la reducerea presiunii gazului s opreasc funcionarea instalatiei,

  • 3

    - robinetul "by-pass", (RByP) va aciona dependent de modul de aciune al RG. De exemplu la nchiderea complet a RR prin acest robinet se va asigura meninerea arderii flcrii (sau a flacrii de veghe),

    - controlul funcionrii sigure a cazanului si a evacurii gazelor arse .a.. Functionalitatea lacestora trebuie corelata cu functionalitatea RG (a DCA in ansamblu).

    Calitatea procesului de reglare a temperaturii in incinta, va depinde de tipul, proprietile i modul de actiune (lucru) al regulatorului de temperatur utilizat. n aceast faz se poate constata (din nou, intuitiv) i faptul c prin reglarea temperaturii prin intermediul debitului de gaz ars:

    - confortul termic n incint poate fi net mbuntit (temperatura in camera este masurata de echipamente obiective),

    - randamentul procesului de nclzire poate fi simitor mbuntit (se arde doar ataa gaz ct este necesar),

    - randamentul natural al sobei (initiale) nu este ns semnificativ mbuntit., doar calitatea arderii; - Sistemul trebuie - respectiv poate fi - inzestrat si cu functii suplimentare ca de exemplu (1) sistemul

    de protectie la stingerea flacarii, (2) sistem de protectie la prezenta in camera a gazului metan sau gazelor de ardere (in speta CO), (3) sistem de pornire programata, (4) sistem de preparare a apei calde menajere.

    Soluia I-a, clasic, bazata pe utilizarea unei sobe traditionale cu combustibil solid, alimentat de locatar. Soluia corespunde situatiei de conducere manuala realizata prin interventia nemijlocita a operatorului uman

    Soluia a II-a (mai modern), bazata pe utilizarea unui sistem de nclzire folosind o soba tradiional avnd ca agent energetic primar gazul metan al carui debit este reglat. Sistemul poate fi inzestrat si cu functii suplimentare de conducere.

    Soluia a III-a (i mai modern), bazata pe un sistem de incalzire ce utilizeaza o centrala de incalzire si i un sistem de nclzire central cu calorifere montate repartizat n incintele inclzite (mai multe).

    Fig.1.1-2. Exemplu de proces condus i soluii de automatizare a procesului

    Soluia a III-a (i mai modern) bazat pe un sistem de incalzire ce utilizeaza o centrala proprie (de apartament, de cladire) i sistemul de nclzire central cu calorifere montate repartizat n incintele

  • 4

    inclzite, fig.1.1-2 (c). Solutia poate asigura (non-stop) incalzirea mai multor incinte si productia apei calde menajere. Sistemul este / poate fi inzestrat cu multe functii suplimentare, ca de exemplu:

    (1) sistemul de pornire si de prescriere programata pe termen lung a referintei de temperatura (diagrama de variatie a temperaturii, functie de zilele saptamanii, de exemplu),

    (2) sistemul de protectie la stingerea flacarii, (3) sistemul de protectie la prezenta gazului metan sau a gazelor de ardere (in speta CO) in camera, (4) sistemul de protectie la depasirea temperaturii maxime a apei din circ. de incalzire, (5) sistemul de corectie a referintei functie de temperatura externa s.a..

    Sunt posibile mai multe variante de sisteme de nclzire centrala care functie de complexitate - pot asigura grade de confort i eficien (si costuri) mult diferite.

    Varianta I-a (mai simpla). Solutia asigura reglarea temperaturii la valoarea dorita numai ntr-una din incintele ce compun grupul de incinte; valoarea dorita poate fi asigurata dup un grafic al temperaturii dorite (impuse) programat n timp, pe durata unei zile si reluat sistematic - de exemplu pentru camera nr.1 - numit si camer etalon (incinta pilot). Temperaturile (locale) din celelalte camere se pot asigura prin robinetele de reglare montate local (RL) actionate fie manual de ctre operatorul uman fie prin termostat. Tehnologia de nclzire are la baz de exemplu - reglarea temperaturii in incinte prin reglarea temperaturii agentului termic primar - apa cald a(t) - prin reglarea cantitii de gaze metan ars in cazan.

    Varianta a II-a (mai complex). Soluia asigur prescrierea i reglarea local a temperaturii n fiecare camer. Acest lucru poate fi asigurat (de exemplu) prin reglarea debitului de agent termic secundar (apa cald) prin elementele de nclzire din fiecare camera i extinderea structurii dispozitivului de conducere cu o "corecie" a temperaturii agentului termic funcie de debitul de cldur solicitat local; in aceasta vaianta soluia nu este ns economic. Solutia poate fi mbuntit i prin introducerea unei "bucle de compensare" a temperaturii apei calde funcie de temperatura exerioar, e(t).

    Varianta a III-a (i mai complex). Soluia se bazeaz pe realizarea unei reglri n mai multe trepte (a se vedea mai trziu, la exemplul dat in cap.4 respectiv in cap.6), prin utilizarea unui robinet cu patru ci, dup cum urmeaz: - o bucl de reglare a temperaturii apei n circuitul primar al cazanului; - o bucl de reglare a temperaturii apei n circuitul secundar pe canalul de tur prin care se

    alimenteaz corpurile de nczire din fiecare camer; - o bucl de reglare a temperaturii apei n din fiecare camer prin robinetele de reglare locale montate

    pe fiecare din corpurile de nczire.

    Calitatea procesului de reglare poate fi mbuntit prin introducerea "buclei de compensare" a temperaturii apei calde funcie de temperatura exerioar, e(t). Pe msura complicrii soluiei de reglare, confortul termic oferit devine din ce n ce mai ridicat dar si costurile legate de investitia initiala si apoi de intretinerea ulterioara devin mai mari.

    Pe baza acestui exemplu simplu (intuitiv), relativ la structurile de conducere automata se pot rezuma cteva aspecte de principiu:

    Pentru sistemele care se bazeaz pe conducere automat, instalaia tehnologica (IT) (cazanul) in care se desfasoara procesul tehnic - producerea agentului termic - devine mult mai complicat i corespunzator i mai costisitoare dect "soba tradiional". n acelai timp insa intregul proces devine mai eficient, cu randament energetic mai ridicat i ofera si un confort termic sporit. Aceste instalaii se preteaz mult mai uor la utilizarea unor soluii de conducere automat;

    Dispozitivul de conducere (DC) utilizat in conducere devine "din ce n ce mai complex (complicat)" dar poate prelua - pe lnga funcia de baza, de reglare a temperaturii n incint - o multitudine de alte funcii de conducere (suplimentare), din ce ce mai complexe, ca de exemplu: - posibilitatea prescrierii/ programrii temperaturii dorite pe perioade bine determinate, cu adaptarea

    acestei dorine la condiiile de confort solicitat de locatar i funcie de temperature exterioara, - supravegherea funcionrii procesului i asigurarea funcionrii sigure a ntregii instalaii, - controlul simultan al mai multor mrimi din cadrul procesului, ceea ce implic creterea complexitii

    sistemului de conducere, respectarea unor cerine de conducere deosebite .a.m.d..

  • 5

    Exemplul de conducere sistemul de inclzire a unei incinte prezentat este unul relativ simplu.

    C. Evolutia tehnica si tehnologica a Dispozitivelor de Conducere Automata (DC sau DCA). Functii de baza ce trebuie asigurate de un DCA. Exemple [27] [30]. In cazul proceselor complexe, devine necesara inzestrarea DCA cu funcii de conducere suplimentare care complica structura acestuia. Cresterea cerintelor - tehnice si functionale - in raport cu sistemul de conducere a devenit posibil numai odat cu dezvoltrile tehnicilor i tehnologiilor moderne de prelucrare a informaiei in particular - cele legata de conducere. Aceasta a fost la inceput analogica (mecanice, electromecanica, electronica analogica) dar acum este predominant (eminamente) numerica.

    Tehnicile de conducere - din ce in ce mai sofisticate - pot fi insa implementate relativ usor numai pe echipamente de conducere numerica. Aceste echipamente trebuie prevazute cu interfete (periferice) de proces fiabile si din ce in ce mai performante, prin care sa se asigure:

    (1) comanda EE (electrice, pneumatice, hidraulice, mecanice) respectiv (2) conectarea la DC a unor EM (senzori si traductoare) adecvate, adeseori din ce in ce mai sofisticate

    (senzori inteligenti).

    Pentru asigurarea conducerii, DC prelucreaza informatiile privind functionarea dorita (referinte) si cele preluate din proces (functionarea reala); in acest scop DC sunt inzestrate cu foarte multe posibilitati de prelucrare a informatiilor necesare conducerii, solutii care trebuie dezvoltate.

    In principiu pentru dezvoltarea unei soluii de conducere (moderna) respectiv in vederea implementarii solutiei de conducere este necesara indeplinirea urmtoarelor cerinte (o prima enumerare de principiu)

    Cunoaterea detaliata a procesului. Aceasta cunoastere se refera la (1) cunoasterea instalaiei tehnologice n care se desfoar procesul i a procesului tehnologiic in sine

    (desfasurare, conditionari regimuri s.a.), (2) cunoasterea unor modele matematice (MM) ce caracterizeaza evolutia procesului - i (3) definirea obiectivelor conducerii acestuia (desfasurare, conditionari regimuri s.a.). In speta, este

    necesara

    precizarea evoluiei dorite pentru procesul condus - mrimile caracteristice (deocamdat vor fi denumii i parametri tehnologici) ai procesului;

    definirea restriciilor care sunt impuse n derularea procesului; definirea condiiilor de siguran a funcionrii i a msurilor ce trebuie luate pentru asigurarea

    acestei funcionri sigure.

    Asigurarea evoluiei dorite a procesului prin definirea interventiilor necesare in conducerea procesului i compararea evoluiei reale cu evoluia dorit (incluznd incadrarea n restricii). n funcie de diferenele constatate DC trebuie sa poata decide asupra interveniilor ce trebuie efectuate n derularea procesului. De regul interveniile trebuie s fie imediate (in timp util) intru cat orice ntrziere n luarea deciziilor i n intervenia n proces poate conduce "probleme asupra funcionrii stabile a sistemului cu conducere automata".

    Asigurarea funcionrii sigure i monitorizarea evoluiei procesului.

    Interconectarea DC (local) cu alte sisteme de conducere sau includerea sistemului (procesului) local in sisteme de conducere mai complexe (de exemplu n sisteme cu conducere ierarhizat).

    Cateva observatii de principiu. 1. Aciunea de conducere se realizeaz continuu, chiar dac dispozitivul de conducere automata (DC) sau operatorul uman "vede" (ia cunotin de) evoluia procesului "din cnd n cnd", la momente de timp (bine) determinate. in cazul conducerii automate numerice aceasta va fi definita de perioada de esantionare a informatiilor de conducere si de inetrventie a DC in derularea PC.

    2. DC sau operatorul uman trebuie s asigure evolutia in conditii de "siguran maxima" a procesului i c evolutia marimilor acestuia este/poate fi menina ntre limitele admisibile.

    3. In situatiile speciale, in care se constat abateri de la funcionarea normala poate fi necesar o intervenie "corespunztoare" de regime anormal (de avarie) a DC sau a operatorului uman, concretizata de exemplu

  • 6

    prin schimbarea regimului de conducere sau chiar prin oprirea in siguranta a acestuia. Pentru constatarea situatiilor de functionare se utilizeaz elemente de semnalizare, de avertizare, de blocare, de oprire programata a procesului s.a.. Pe toata durata de derulare, procesul trebuie monitorizat corespunzator, la nevoie evolutia in timp a acestuia trebuie sa poata fi reconstituita.

    4. Dac DC este "suficient de performant", atunci - n aciunea de conducere - operatorul uman va prelua doar funcii specifice unui nivel ierarhic superior (de exemplu modificarea refeinelor, analize de situatii si unele funcii legate de supervizare a funcionrii PC). Vor putea exista si situatii in care operatorul uman sa preia conducerea procesului (a se vedea observatia care urmeaza).

    5. In cazul conducerii manuale a PC, pentru asigurarea funciilor de conducere, operatorul trebuie s fie "instruit corespunztor".

    6. Dac procesului este condus automat, toate funciile de conducere trebuie preluate si realizate de catre DC. n consecin DC trebuie sa fie dezvoltat in direct conexiune cu cerinele de desfurare a procesului in toate regimurile de functionare posibile. Aceste cerinte se definesc prin obiectivele care trebuie asigurate prin conducerea procesului, restriciile impuse n funcionare .a.; soluia de conducere adoptat (dezvoltat) trebuie apoi implementat la un nivel tehnic corespunztor.

    7. Trebuie insa remarcat si faptul ca in anumite situatii extreme, pot apare si conflicte intre decizia de intervetie luata de operatorul uman si decizia dictata de DC automata; exemple: (1) Conflicte posibile intre decizia ce poate fi luata in regimuri extreme de catre un pilot de avion si decizia

    luata de pilotul automat; (2) Conflicte posibil intre deciziile sistemului de stabilizarea mersului (ESC, ESP, DSC) unui automobil

    modern si decizia pe care ar trebui sa le ia conducatoru auto. Gestionarea unor astfel de conflicte trebuie realizata la dezvoltarea DC automata dar este o problema de maxima dificultate si raspundere.

    Pe aceste baze, pentru dezvoltarea unui DC "performant", specialistul n "conducerea automat" trebuie s posede cunotiine fundamentale i - dup caz - chiar (foarte) detaliate n multe domenii ale tiinei, tehnicii si tehnologiilor.

    Fr a ncerca o prezentare exhaustiv a acestor cunostinte, se menioneaz doar parte din ele i anume:

    - cunotiine de baz i n capitole speciale de matematici superioare,

    - cunotiine de baz de electrotehnic (inclusiv maini electrice) i de electronic (de putere),

    - cunotiine profunde n domeniul teoriei sistemelor automate,

    - cunotiine de baz i de detaliu n domeniul structurilor de reglare automat si al dezvoltrii algoritmilor de reglare automat clasice si avansate,

    - cunotiine de baz i de detaliu n domeniul sistemelor de comand automat (sisteme cu evenimente discrete), al dezvoltrii strategiilor si algorimizarii specifice sistemelor de comand automat,

    - cunotiine profunde n domeniul tehnicilor de modelare i simulare,

    - cunotiine de baz n domeniul tehnicilor de msurare (traductoare, senzori .a.),

    - cunotiine de baz n domeniul tehnicilor tehnicilor de prelucrarea imaginilor, a vederii artificiale

    - cunotiine de baz i chiar de detaliu n domeniul elementelor de execuie (sisteme de poziionare, sisteme de acionare .a.),

    - cunotiine profunde n domeniul infrastructurii sistemelor de conducere automat: echipamente electronice analogice, echipamente numerice (hardware general i dedicat pentru conducere),

    - software / programare (general i dedicat pentru conducere),

    - cunotiine de baz n domeniul tehnicilor de prelucrare (tratare) a informaiei n vederea derulrii aciunilor legsate de conducere,

    - cunotiine generale n domeniul proceselor industriale abordate ca "proces condus" i inspecial al celor in a cror conducere se specializeaz (domeniul aplicatiei):

  • 7

    - industria constructoare de maini: linii tehnologice automatizate, roboi industriali,

    - industria energetic: producerea i utilizarea raional a diferitelor forme de energie (energie electric, pneumatic, hidraulic, termic, nuclear .a.),

    - industia "alimentar" i agroalimentar,

    - industria chimic, petrochimic, a fabricrii medicamentelor,

    - industria materialelor de construcii,

    - industria "bunurilor de larg consum",

    - instalaii neindustriale (construcii, transporturi),

    - sisteme de circulaie (auto, aero, navale),

    - industria militar (aviaie, rachete, .a.)

    - transporturi, dirijarea circulatiei rutiere (controlul circulaiei la diferite nivele);

    - sisteme mecatronice complexe, acionri electrice automatizate,

    - autovehicolul modern s.a..

    D. Cateva exemple de conducere. In continuare se prezinta trei exemple reprezentative referitoare la rolul si locul conducerii automate in aplicatiile industriale si al cerintelor care se inpun.

    Din punctulul de vedere al specificului lor, sistemele de conducere de pe autovehiculele moderne se incadreaza in categoria Sistemelor Mecatronice (SM), fig.1.1-3.

    Fig.1.1-3. Amplasarea componentele electrice i electronice ntr-un automobil modern

    Economicitatea functionarii sistemului de tractiune, manifestata prin consum redus si cresterea performantelor energetice (randament) obtinut la nivelul motorului, prin managementul functionarii motorului,

    Sigurana n trafic: prin controlul si stabilizarea mersului (rularii) autovihicolului - stabilizarea mersului (ESC, ESP, DSC), - controlul franarii (ABS), - controlul vitezei, - suspensia activa s.a..

    Fiabilitatea proceselor (subsistemelor);

    a. Sistemele de conducere de la nivelul unui autovehicolul modern. Un autovehicul modern poate incorpora mai multe zeci de elemente de executie (electrice, electromecanice, hidraulice, pneumatice), mai multe zeci de senzori (inclusiv senzori inteligenti) si multe sisteme cu microprocessor (procesoare de semnal) dedicate conducerii subsistemelor ce asigura functionarea autovehicolului; in acest caz rolul algoritmilor de prelucrare a informatiei in vederea conducerii este primordial.

    Principalele facilitati oferite de Sistemele Mecatronice [31] inglobate in construcia autovehicolului modern se refera la:

  • 8

    Asigurarea confortului pasagerilor (climatizare, senzor de ploaie, conectarea si reglarea automata a luminilor de mers, s.a.);

    Protecia mediului inconjurator. b. Automatizarea liniilor de asamblare a autovehiculelor (linii tehnologice automatizate). In cazul acestor aplicatii (clase de procese) conducerea este bazat predominant pe fenomene care sunt cu evenimente discrete (sisteme cu evenimente discrete, sisteme cu comanda automata), fig.1.1-4. Figura se refera la o linie de asamblare a autovehiculelor (http://www.youtube.com/watch?v=KEQdn57Kz1Q ).

    Evident, ca si in cadrul unui proces de asamblare, se manifesta nenumarate subprocese in care sunt incluse si parti de reglare automata a unor marimi legate de asamblarea componentelor (de exemplu procesele de sudare a subansamblelor care se asambleaza s.a.).

    c. Automatizarea procesului de incarcare in sticle a unui fluid (bere, apa minerala, ulei s.a.). In acest caz un rol esential revine reglarii unor marimi caracteristice ale proceselor (denumite uneori si parametrii tehnologici), bazat pe semnale cu evolutie continua in timp, urmarite continuu (semnale continuale) prin intermediul unor sisteme de reglare automata, fig.1.1-5. (de ex. [87]).

    Fig.1.1-4. Sisteme predominant cu comanda automata (contine si reglari de pozitie/pozitionare exacta)

    Figura 1.1-5 se refera la o linie tehnologica de fabricare a berii si de imbuteliere a berii in sticle, unde procesele de reglare si comenzile se intrepatrund (intrebare pentru cititor: cum credeti ca se poate umple o sticla de bere astfel incat aceasta sa contina exact 1/2 litri?).

    Fig.1.1-5. Sisteme cu reglare automata si cu comanda automata

    In ultimele doua exemple, solutiile de conducere sunt implementate cu echipamente industriale de inalta tehnicitate, dedicate conducerii (echipamente dedicate). Astfel de echipamente (sisteme de conducere) dar si solutii la cheie sunt oferite de foarte multe firme cu tradiie si renume din domeniul dezvoltrii echipamentelor de conducere automat i a structurilor de conducere dedicate.

    In fig.1.1-6 se prezinta succint integrarea functiilor de conducere prin echipamente de conducere dedicate si software de conducere specializat pe o familie de echipamente de conducere impreuna cu software-ul de dezvoltare si de implementare a solutiilor de conducere. Echipamentele (apartinand in acest caz familiei SIMATIC) pot fi utilizate pentru procese industriale si neindustriale foarte complexe - din foarte multe domenii tehnice (industrii de fabricatie a produselor, energetica s.a.) si netehnice.

  • 9

    Dezvoltarea structurilor de conducere automata complexe (dezvoltarea si implementarea strategiilor de conducere, suport de conducere hardware, sisteme de comunicatie, software de implementare .a.) necesita cunostinte specifice asigurate cel putin in parte - de pregatirea specialitilor in domeniul automaticii i informaticii industriale (ingineria sistemelor), figura 1.1-7 (de ex. [87]) (specificarea din randul de jos).

    (a) (b)

    Echipamente de conducere numerica dedicate

    (c) (d) Interfatare-comunicare software de conducere specializat

    Fig.1.1-6. Integrarea functiilor de conducere prin echipamente de conducere dedicate si software de conducere specializat (sistem SIMATIC RT 200 (sistem SCADA, par.6.2))

    Dezvoltarea sistemelor de

    conducere Sisteme de comunicare,

    echipamente de conducere Sisteme de siguranta,protectie,

    diagnostizarea defectiunilor Instrumentarea procesului, punee in

    functiune, probe tehnologice

    Fig.1.1-7. Activitati de baza pentru un specialist in Ingineria Sistemelor Automate isi gaseste locul (selectiuni)

  • 10

    Exista foarte multe aplicatii de varf ale automatizarilor in diverse domenii. Aplicatii de varf sunt in domeniul fabricarii si asamblarii autoturismelor moderne (a se vedea de exemplu Fabrica Volkswagen.pps sau http://www.youtube.com/watch?v=KEQdn57Kz1Q ). O alta aplicatie remarcabila se refera la uzinile complet automatizate care asigur prelucrarea complexa a blocului motor pentru autovehiculele, a subansamblelor principale i apoi si asamblarea motoarelor (liniile tehnologice dotate cu toate echipamentele de interfatare aferente). Capacitatea de prelucrare a unei astfel de uzine poate fi de ordinul sute de mii de blocuri motor pe an. Cateva informaii absolut generale relativ la conducerea automata a proceselor dintr-o astfel de uzina:

    - Conducerea numeric complet a proceselor tehnologice de prelucrare, cu utilizarea unor calculatoare de proces conectate n structur ierarhizat;

    - Numarul personalului muncitor n hala de fabricaie este minimala; personalul apare preponderant doar in faza de asamblare finala a motoarelor respectiv la interfaarea cu clienii (beneficiarii produsului finit);

    - Supervizarea desfurrii ntregului proces este asigurat de un numar minimal de personal de deservire care asigura i intervenia operativa n cazul unor situaii anormale; de regula acest personal este cu studii superioare sau instruit la nivel corespunzator.

    1.2. Evoluii n automatizarea conducerii proceselor. Domenii representative pentru automatica

    Pe msura evoluiei societilor inspre societatea industriala si informatizata, contribuia de munc fizic a sczut continuu. Scderea avut la baz, n ordine, apariia mainilor, instalaiilor i a liniilor tehnologice din ce in ce mai complexe i a echipamentelor specializate ce deservesc aceste linii (fig.1.1-4, 1.1-5) corelat cu dezvoltarea unor sisteme si echipamente de conducere care pot asigura conducerea. Aici se pot include si numeroasele aplicatii de conducere a unor echipamente si instalatii neindustriale (medical, casnic s.a.).

    Evoluia societilor industriale i post industriale este bazat pe doi piloni importani:

    evoluia n domeniul resurselor energetice primare i al producerii / conversiei energiei (electric, mecanic, termica, nuclear),

    evoluia tiinifica, tehnica i tehnologica de tratare a informaiei (la inceput bazat pe prelucrare analogic apoi pe prelucrare numeric).

    Cel de-al doilea pilon constituie suportul de baz al conducerii automate. Conducerea automat a proceselor este bazat eminamente pe prelucrarea informaiei legate de conducere de ctre DC i anume:

    culegerea informaiei privind derularea proceselor, al aciunilor externe asupra procesului i al modificrilor ce pot apare la nivelul procesului i transmiterea informaiei ctre DC (PC DC),

    prelucrarea de ctre DC a informaiilor relative la desfurarea procesului n vederea elaborrii comenziilor necesare in conducere; n cazul sistemelor de reglare automate comenzile vor fi notate cu variabila u(t),

    transmiterea informaiilor n vederea realizrii obiectivelor de conducere (sub forma comenzii u(t)) dinspre DC ctre PC (DC PC).

    Istoria conducerii automate, a automaticii este strans legat de dezvoltrile teoretice n urmtoarele direcii:

    matematica, matematica aplicata,

    teoria sistemelor,

    strategiile structuri si a algoritmilor de conducere (reglare, comand, supraveghere), tehnica masurarilor,

    tehnologiile de conducere (suportul fizic de realizare / hardware si de implementare / software a solutiilor algoritmice),

    electronica, microelectronica, mecanica (cu toate capitolele colaterale) si sisteme combinate.

    Complexitatea sistemelor de conducere s-a dezvoltat n strns corelaie cu:

    capacitatea de prelucrare a informaiei n unitatea de timp a dispozitivelor de conducere, calitatea i complexitatea prelucrrii informaiilor.

  • 11

    A. O succinta retrospective asupra istoriei conducerii proceselor. In istoria conducerii proceselor (si al automatizarii - in ultim instan) se pot distinge mai multe etape care pot fi puse in conexiune cu capacitatea de prelucrare a informaiei de ctre dispozitivul de conducere:

    1. Etapa pre-automatizrii, caracterizat de faptul c procesele erau conduse manual, prin intervenia nemijlocit operatorului uman la o capacitate medie de prelucrare a informaiilor de maximum cteva operaii/secund (definire numrului de operaii este una convenional).

    2. Etapa automatizrii clasice, convenionale, bazat n principal pe prelucrarea informaiei (primare sau secundare) sub forma analogic, de ctre echipamente de automatizare analogice: mecanice, hidraulice, pneumatice, electrice si electronice; numrul de operaii de conducere efectuabile a crescut odat cu creterea numrului i complexitii echipamentelor de automatizare implementate si a vitezei de aciune a acestora.

    De exemplu: n cazul utilizarii DC analogice, un echipament de automatizare realizeaz (concomitent) de regul una sau un numr redus de funcii de automatizare. Pentru realizarea simultana a mai multor functii trebuie utilizate echipamente dedicate, distincte, interconectate cu functionalitatea conditionata. Dinamica implementabil n sistemele de conducere analogic realizate cu module electronice analogice a evoluat de la echipamentele relative lente la cele rapide (foarte rapide).

    3. Etapa automatizrii moderne, bazata pe DC realizate cu echipamente numerice. Se bazeaza pe prelucrarea numeric a informaiei; aceast prelucrare are la baz algoritmul/algoritmi de prelucrare numeric, si utilizeaza un software de implementare a algoritmului pe un suport hardware. Suportul hardware a devenit din ce n ce mai performant. n condiiile n care capacitatea de prelucrare a echipamentelor numerice crete exploziv, numrul de operaii demultiplicate prin DC crete cu foarte multe ordine de mrime permind:

    - realizarea unor structuri de conducere foarte performante bazate si pe extinderea numarului funciilor de conducere,

    - creterea complexitii sistemelor de conducere automat, descentralizarea si ierarhizarea acestora.

    Ca efect, (aproape) toate procesele tehnologice industriale si neindustriale complexe aflate n faze de dezvoltare i de punere n funciune din industriile tradiionale de vrf (energetic, construcia de maini, chimie, navale, militar .a.m.d.) sunt conduse automat, interveniile operatorilor umani fiind redus la minimum. Personalul tradiional de operare, de deservire i de intervenie este obligat s se perfecioneze d.p.d.v. profesional n mod continuu i orientat pe aplicaii specifice.

    B. Domeniul Ingineria Sistemelor (Automate), Automatica i Informatica Aplicat (informatica industrial, informatica tehnic). Urmare evolutiei deosebite din ultimii 30 50 de ani, Ingineria Sistemelor Automate a devenit o specializare de pregatire stiintifica si inginereasca care se ocup cu:

    - abordarea sistematica si reprezentarea sistemic a realitii in vederea cunoasterii in detaliu a ei si mai departe a stapanirii evolutiei sale in sensul dorit,

    - dezvoltarea solutiilor de conducere (integrat) a proceselor, - informatizarea celor dou preocupri menionate.

    Specializarea trebuie sa ofere cunotine integratoare de tipul proces abordare sistemica conducere (automata) informatizare - hardware software. Ca urmare specializarea de Ingineria Sistemelor (Automate) se bazeaza pe si asigura:

    - o palet larg de cuntine stiintifice si tehnice generale, utilizabile n diverse domenii; - posibilitatea perfecionrii continue a specialistului (in conceptia longlife - learning); - direcii de aplicare a cunotinelor n domenii de permanent actualitate; - direcii de cercetare (teoretice si aplicative) aflate ntr-un continuu avnt.

    C. Aplicatii de conducere pentru sisteme mecatronice. Un domeniu de actualitate deosebita a automaticii, cu arie de rspndire foarte larg l consttituie mecatronica (mecanica-electronica). Terminologia de mecatronic a fost introdus in anii 970 si acoper ideea conducerii sistemelor mecanice prin utilizarea sistemelor electronice (elemente de executie) cu structuri de conducere automat ce au la baza algoritmi de conducere performanti.

  • 12

    Cele trei domenii se interptrund i se susin reciproc. Bazat pe faptul ca aplicatia (procesul) este de tip mecanic si echipamentul de conducere este in buna parte electronic, iniial sistemele mecatronice au fost considerate un apanaj al domeniului mechanic+electronic. Acesata conceptie s-a dovedit a fi neacoperitoare; ulterior, necesitatea atingerii unor performante din ce in ce mai ridicate pentru aceste sisteme (sisteme mecanice) precum si dezvoltarea de noi si noi sisteme, din ce in ce mai complexe, dedicate unor aplicaii (mecanice) bine definite, au solicitat introducerea sistemelor de conducere ca elemente dominante in asigurarea performantelor stricte; in astfel de aplicatii prezenta buclelor de reglare (de exemplu controlul poziiei, vitezei, acceleraiei unui sistem mechanic respective a forei/cuplului) devine indispensabila .

    Astfel pe langa extinderea aplicatiilor cu partea de electronic de putere i apoi i de electronic de comand analogic (partea electronic +tronic din terminologie) in prezent sistemele mecatronice sunt sisteme integrate la care conducerea este asigurat (eminamente) de sisteme bazate pe tehnici numerice de prelucrare a informatiei, sub forma unor algoritmi din ce in ce mai complecsi.

    In acest sens, in fig.1.2-1 este data o reprezentare sugestiva privind integrarea pe nivele de competenta a conducerii avansate a unui sistem mecatronic bazat pe module hardware si software (information processing and integration using hardware and software tools [4]). Nivelul superior de integrare: baze de cunostinte

    si de procesare (algoritmi de conducere): - de integrare a informatiilor

    oferite de diferiti senzori - algorimi de conducere si de

    adaptare Nivelul intermediar, de conducere:

    - conducerea online, - diagnostizarea defecttiunilor - interfatarea DC-PC. Nivelul de baz: Procesul condus cu subsistemele integrate

    Fig.1.2-1. Integrarea pe nivele de competenta a conducerii unui sistem mecatronic

    Ca si exemplificare a aservirii domeniului mecatronic conducerii bazata pe principiile automaticii moderne se mentioneaza urmatoarele:

    - sub diferite forme aplicatia mecatronica este prezent n preocuprile pregatirii in domeniul automatic, a diferitelor alte departamente din Universitatile tehnice,

    - sub diferite forme, mecatronica este prezenta cu pondere foarte mare si n industria regiunilor aflate in boom stiintific si tehnologic,

    - dedicarea a zezi si zeci de subiecte de cercetare stiintifica si aplicativa domeniului aplicatiilor mecatronice.

    In fig.1.2-2 (prelucrare dupa [4]) sunt sintetizate cateva exemple reprezentative de sisteme mecatronice pentru care solutiile de control (conducere) este oferita de automatica moderna. Trebuie insa remarcat faptul

  • 13

    ca multe din aceste sisteme sunt specifice si altor domenii, de exemplu: energetice, actionari si tractiune electrica s.a..

    Fig.1.2-2. O categorisire a proceselor / sistemelor mecanice (dupa [4])

    Autovehicolul mecatronic. Autovehiculele moderne sunt doar unul din suporturile aplicaiilor mecatronice, fig.1.2-2. Astfel, un autovehicol modern este dotat cu zeci si zeci de elemente de executie mecanice actionate electric, hidrauluic sau pneumatic, precum si cu zeci si zeci de senzori care deservesc conducerea sistemelor mecatronice locale. Fara a intra in detalii, din cadrul acestor sisteme mecanice integrate cu sisteme electrice (electronice) controlate de DCA se amintesc:

    - Ambreaje electromagnetice i ambreiajele cu acionare electromagnetic, cutii de viteze controlate electronic,

    - Sistemele de management a motorului (sistemele de injectie controlata, fig. 1.2-3 (a), (b), (c) si sistemul de injecie directa a benzinei, FSI - Fuel Stratified Injection, (VW), (d),

    - Sistemele de franare controlata (Anti-lok Braking System, ABS), fig.1.2-4 si extensia pentru controlul

    traciunii la accelerare a autovehicului,

    (a)

    (c) (d) (b)

    Detectorul de turatie

    Modulul de control electronic (in locul distribuitorului clasic)

    Elementul de executie (actuatorul/electronic)

    Fig. 1.2-3. Elementele unui sistem modern de injectie

    - Sistemul de stabilizare a mersului (dinamicii) masinii bazat pe sistemele de control cunoscute sub denumirile (comerciale) de Electronic Stability Control - ESC sau Electronic Stability Programme, ESP sau Dynamic Stability Control, DSC), fig.1.2-5. Sistemul DSC este un sistem deosebit de complex controlat numeric pe baza unor algoritmi de reglare complecsi care trebuie sa intervina atunci cnd detecteaz pierderea controlului soferului asupra autovehicolului, acionnd sistemul de frnare astfel nct oferul sa recapte controlul. Frnarea este acionat automat, selectiv i independent pe oricare dintre roi (de ex., pe roata exterioar din fa pentru contracararea supravirrii sau pe roata

  • 14

    interioar din spate pentru contracararea subvirrii). Unele sisteme DSC reduc i putearea motorului pn cnd este recptat controlul asupra autovehicolului. Mai trebuie mentionat ca sistemul DSC nu mbuntete performana n virare, ci previne pierderea controlului asupra vehicolului; ca urmare actiunile presupun in continuare interactiunea sistemului cu conducatorul vehicolului. Pentru realizarea functionalitatii, sistemle DSC se bazeaz pe informatiile oferite de un numar mare de senzori care detecteaz diferenele de vitez de rotaie ntre roile fa i spate, deplasarea asiului n lateral fa de traiectoria impus de sistemul de direcie s.a. Reacia sistemului DSC este foarte prompt, de ordinul milisecundelor.

    Fig.1.2-4. Structura si modul de actiune Fig.1.2-5. Sistemul de stabilizarea mersului

    a sistemului ABS (ESC, ESP , DSC), amplasarea echipamentelor

    - Suspensiile (pentru autovehicule) electrohidraulice clasice sau controlate i suspensiile electromecanice (electromagnetice) controlate prin microprocesor, fig.1.2-6.

    Suspensie hidraulic (clasic sau controlat)

    Suspensie electromecanic (controlat)

    Fig.1.2-6. Suspensie electromagnetic controlat cu motoare electrice liniare

    Foarte multe din aceste sisteme (procesul) conin neliniariti (de diferite tipuri) i n funcionarea lor se solicit performane din ce n ce mai ridicate. Pentru astfel de sisteme devine necesara dezvoltarea unor soluii de conducere din ce n ce mai sofisticate, a caror implemantare trebuie susinuta de sistemele numerice de conducere (structur+algoritmi - hardware dedicat - software de implementare). Aceste solutii au devenit eseniale n elaborarea sistemelor mecatronice performante.

    Aceasta a condus i la tendina (justificat) de a introduce un domeniu specific automaticii dedicate conducerii unor astfel de sisteme mecatronice complexe (integrate) denumit adaptronic. In cadrul acestui volum se va folosi ns cu precdere denumirea de sisteme mecatronice controlate ca fiind sistem mecatronice ce include i strategia de conducere aferent.

  • 15

    In fig.1.2-7 se prezint integrarea funcional a celor trei categorii de subsisteme: - mecanic; - electronnica de putere; - sistemul de conducere (moderne) i a cunotinelor de baz solicitate de dezvoltarea (inelegerea funcionalitii) unui astfel de sistem. Aceste cunotine au ns la baz alte cunotine generale din domeniile matematic, fizic, metode de programare, chimie, biologie .a.

    CUNOSTINTE

    Teoria sistemelor Modelare matematica Sisteme de comand

    Structuri si algoritmi de reglare

    Informatica aplicata: hardware i

    software de conducere

    CUNOSTINTE Electrotehnic

    Maini i acionri electrice

    Elemente de execuie Electronic de putere

    Electronic de comand

    Senzori i traductoare

    Sisteme mecanice, Maini mecano-energetice, Fig.1.2-7. Integrarea funcional a sistemelor mecatronice i a cunotinelor

    O imagine sintetic asupra integrrii diferitelor categorii de cunotine solicitate de dezvoltarea unui sistem mecatronic respectiv domenii prefereniale de aplicare ale mecatronicii este prezentat si n fig.1.2-8. In cazul soluiilor de conducere, la nivelul strategiilor de conducere sunt incluse, pe lng algoritmul/algoritmii de reglare i o serie de functii de conducere deosebit de compexe, functii care pot fi asigurate numai prin prelucrarea numerica a informaiilor.De exemplu: calculul unor (mrimi) variabile nemsurabile, adaptarea parametrilor regulatoarelor, detecia i diagnostizarea defectelor i n cazul cderii unor echipamnete sau a unor funcii de conducere - reconfigurarea structurii de conducere.

    STRATEGII SI ALGORITMI DE CONDUCERE AUTOMATA

    SUPORTUL FIZIC SI

    INFORMATIONAL DE

    IMPLMENTARE A SOLUTIEI DE CONDUCERE

    INSTRUMEN-TAREA SI

    INTERFATAREA PROCES - DISP. DE CONDUCERE

    (SENZORI, TRADUCTOARE, ELEMENTE DE

    EXECUTIE, ELECTRONICA DE

    PUTERE)

    PROCESE CONDUSE MECANICE SI ELECTROMECANICE

    Fig.1.2-8. Imagine sintetic asupra integrrii diferitelor categorii de cunotine i de aplicaii mecatronice (preluare internet, free acces)

    Pe baza figurii 1.2-2 se mai enumereaza cateva aplicatii cu conducere automata aflate la intersectia cu alte domenii tehnice:

  • 16

    Mainile mecano-energetice si electromecanice integrate cu sisteme electrice (electronice) de conducere automata,

    - maini generatoare (de energie) sau consumatoare de energie (electrice, hidraulice, pneumatice, cu abur, sisteme de ardere a combustibilului, energii neconvenionale), sisteme de conversie a energiei,

    - maini motoare (conversie a energiei n energie mecanic, hidraulic pneumatic .a., - maini unelte, roboi industriali, maini de multiplicat (presa), .a.,

    Incadrarea procesului mecatronic (sistem mecatronic) intr-o structur cu conducere automat cu evidenierea fluxurilor energetice i informaionale este ilustrata in fig.1.2-9.

    Schema sistemului mecatronic

    Nivelul de conducere

    Nivelul de interfatare

    Nivelul proces condus

    Fig.1.2-9. Schema bloc aferenta sisetmului mecatronic (include i structura de conducere)

    Pentru sistemele de acionare electric la care sarcina (partea mecanic fiind diferit de cea prezentat) se pot impune ca obiective:

    - Poziionarea unui mecanism cu urmrirea unei traiectorii de vitez prescrise: reglare de poziie i reglare de vitez,

    - Reglarea vitezei unui vehicul cu acionare electric (partea resurselor energetice primare constituie o alt problem de conducere),

    - Reglarea in conditiile modificarii unor parametric ai procesului (de exemplu a momentului de inertie).

    Aplicatiile de mecanic aplicatii de mecanica fin i micromecanic. senzori si traductoare integrate cu sisteme electrice (electronice) si sisteme de prelucrare a informatiei:

    - sisteme de msur, senzori i traductoare pentru pentru msurarea mrimilor neelectrice, - sisteme optice de precizie, - echipamente medicale de diagnosticare i intervenie (inclusiv subsistemele roboilor medicali).

    Toate sistemele care apar in exemplele prezentate sunt de fapt subsisteme pentru care cunoaterea funcional care este strict necesara pentru caracterizarea matematica a dinamicii sistemului n vederea conducerii - necesit cunotine interdisciplinare. In general, dezvoltarea unui sistem mecatronic revine la:

    - Dezvoltarea procesului, a sistemului (prii) mecanic /electromecanic (apanajul inginerilor mecanici sua/si electrotehnicieni) i

    - Dezvoltarea sistemului de conducere (structur, algoritmi, hardware si software de implementare, inclusiv echipamente periferice aferente).

  • 17

    Cele dou subsisteme nu pot fi dezvoltate independent; ele pot fi dezvoltate doar ca sistem integrat ceea ce solicit interdisciplinaritate n abordare i corespunztor, cunotine interdisciplinare din partea specialitilor implicai. Allte exemple de sisteme mecatronice vor fi prezentate pe parcurs.

    Aplicaii mecatronice din domeniul robotilor medicali. Acesti roboii sunt aplicaii mecatronice de varf utilizati in interventiile chirurgicale moderne (http://en.wikipedia.org/wiki/Robotic_surgery); ele constituie o clas aparte de roboi si manipulatoare, care trebuie sa asigure urmrirea i de pozionare exact a elementului de executie, la care:

    - referina sistemelor prin care se intervine n actul medical este data de chirurg, sau - ieirea reglat o reprezint capul de intervenie operator, care poate fi un mini-bisturiu sau un cap de

    interventie cu laser, sau - investigarea din interiorul organismului este asigurata de camere de luat vederi s.a..

    Se apreciaz c n spitalele de vrf din arile inalt tehnologizate (de exemplu in spitalele universitare sau n spitalele private) peste 70% din interveniile de la nivelul creierului, a inimii i abdomenului sunt efectuate cu ajutorul roboilor medicali dedicai actului chirurgical..

    O succinta prezentare a istoriei chirurgiei asistate de roboti poate fi gasita de exemplu pe site-ul: http://www.websurg.com/robotics/history.php?lng=fr dar nu numai).

    In fig.1.2-10 sunt prezentate exemple de brae robotizate dedicate aplicaiilor medicale (a), un robot chirurgical de uz general (b) respectiv un robot medical utilizat n intervenii neurochirurgicale (c). Din simpla contemplare a figurilor 1.2-10 (a), (b) i (c) se pot desprinde mai multe aspecte:

    (a)

    (b) (c)

    Fig.1.2-10. Exemple de roboi medicali (manipulatoare inteligente) utilizati n interventii chirurgie complexe

    - Un astfel de robot este compus dintr-o parte mecanica de foarte inalta precizie (mecanic fin), foarte complicat, n care precizia de execuie a subansmblelor trebuie sa fie deosebit; sarcina realizarii partii mecanice revine inginerilor specialisti in mecanic fin;

    - Comanda mai general controlul complex al unui astfel de sistem a elementelor de executie din

  • 18

    componenta - poate fi asigurata numai de echipamente numerice; sarcina dezvoltarii unor astfel de sisteme revine dezvoltatorilor de hardware de conducere (dedicat) (a unor structuri de calculatoare de foarte mare fiabilitate) respectiv de implementare software a algoritmilor de conducere dedicate (conlucrare intre ingineri electromecanici, electronisti, automatisti, calculatoristi sau cu informaticieni);

    - Prelucrarea imaginilor necesare actului operator constituie apanajul specialistilor in prelucrarea imaginilor (ingineri automatisti, calculatoristi, electronisti sau informaticienilor);

    - Precizia de urmrire / poziionare a capului operator, de intervenie (manipulator, de fapt un sistem de urmarire de foarte mare precizie) necesit dezvoltarea unor algoritmi de reglare - de pozitionare si de urmarire - foarte performani; dezvoltarea acestora revine inginerilor automatiti (adeseori cu pregtire teoretic i practic deosebit).

    1.3. Obiectivele lucrarii.

    Prezenta lucrare, de Introducere in Automatica (sau Introducere in Conducerea Automata a Proceselor) doreste s formeze o imagine cat mai sugestiva asupra unor problematici ale conducerii automate a proceselor, a automatizrii proceselor, prin evidenierea unor aspecte de baz ale domeniul conducerii automate (fara a deveni un Handbook al domeniului, de tipul [27] - [30], lucrari care sunt mult mai complexe si mai complete).

    Acest lucru constituie un avantaj dar n acelai timp i un dezavantaj: - avantajul deriv din faptul c o astfel de abordare poate s se opreasc la nivele de detaliere reduse,

    lasnd loc pentru aceasta lucrrilor de specialitate; - dezavantajul rezid n faptul c o multitudine de domenii i subdomenii teoretice (deschise unor

    contribuii de cel mai nalt nivel) i aplicative (studii de caz pentru aplicatii de sisteme cu conducere automat specifice) nu pot fi si nu vor fi amintite, creind (pentru unii sau alii) impresia golului neacoperit de domeiul Ingineriei Sistemelor Automate.

    Pentru o informare rapid asupra domeniului automaticii se propune cititorului consultarea unor lucrari de sinteza remarcabile asupra domeniului, (bibliografie in extenso in [27] - [30],) dar si a unor site-uri www adeseori cu caracter informativ dar - uor accesibile cititorului.

  • 19

    Cap. 2. CONCEPTELE DE BAZ ALE CONDUCERII AUTOMATE

    Exemplul de sistem cu conducere automat a temperaturii ntr-o incint (grup de incinte) a evideniat faptul c pe msura complicrii procesului i al accesului la tehnologii si echipamente de automatizare moderne din ce n ce mai performante, prezena operatorului uman devine din ce n ce mai puin necesar i esenial - procesul condus (PC) poate functiona la nivele calitative si de siguranta din ce n ce mai ridicate. Ca efect si funciile operatorului uman pot fi schimbate radical n sensul c din calitatea de operator cu funcia de conducere nemijlocita a procesului, acesta devene specialistul (expertul) care supervizeaza desfasurarea procesului sau/si particip la dezvoltarea i implementarea strategiilor i structurilor de conducere automat.

    ntruct la ora aceasta majoritatea covritoare a echipamentelor / dispozitivelor de conducere sunt pe suport electronic, prezentrile care urmeaz vor presupune implicit acest lucru; ori de cte ori referirile vor fi fcute la alte tipuri de echipamente de conducere, acest lucru va fi evideniat in mod distinct.

    Trebuie menionat i faptul c desi elementele de execuie prin care se intervine nemijlocit in derularea procesului pot fi electrice, neelectrice (hidraulice, pneumatice) sau mixte, in cederea conducerii ele trebuie ns interfaate cu dispozitivul de conducere (suport electronic). Din acest punct de vedere, includerea interfetelor, a elementelor de executie si - mai departe - a elementelor de masura n categoria elementelor de conducere ca elemente de decizie din cadrul DC este adeseori forat ntruct ele au doar menirea de a mijloci aciunile de conducere ctre/dinspre proces; exista si exceptii, cum este cazul, de exemplu, al sistemelor de masura inteligente.

    2.1. Metode i soluii de conducere automat

    Prin conducere se nelege ansamblul de intervenii efectuate (1) de ctre un operator uman (conducere manuala) sau (2) de catre un dispozitiv de conducere specializat - dispozitivul de conducere automat (DC sau DCA) (conducere automata) caz in care participarea nemijlocit operatorului uman poate deveni necesara doar in anumite regimuri (particulare) de conducere (de exemplu trecere pe conducere manuala). Obiectivul conducerii este de realizare a in cadrul unui proces tehnologic - unui produs de calitate.

    Observaii. 1. Terminologiile de tipul produs de calitate sau proces tehnologic trebuie acceptate aici ntr-un sens mai larg, intru cat ele pot acoperi aspecte legate atat de de calitatea produsului final ct i cele legate de calitatea comportrii subsistemelor conduse (de exemplu referitoare la evoluia marimilor reglate) prin care se realizeaza produsul de calitate. Astfel prin produs de calitate n cazul unei linii de fabricatie a pinii, cumprtorul se va gndi nemijlocit la produsul final propriu zis, pinea; n conjunctura dezvoltrii unui sistem cu conducere automat (SCA), automatistul vizeaza ansamblul proceselor tehnologice legate de fabricarea pinii, a cror derulare (n timp) trebuie s fie controlat - pentru a obine produsul pine de calitate corespunztoare (de exemplu, coacerea pinii oblig respectarea unui ciclu a temperaturii de coacere (temperatura din cuptor) bine precizat;

    2. Prin proces, n particular proces tehnologic/tehnic (PT), proces condus (PC) se nelege un ansamblu de fenomene de transfer si de transformare (controlat) de materie i/sau energie i/sau informaie, indiferent de domeniu tehnic (energetic, chimie, mecanic) sau netehnic (casnic, biosisteme i multe altele).

    3. Intervenia n desfurarea PC poate nsemna de exemplu: - schimbarea referinelor relative la desfurarea dorita a procesului, - modificarea cu ( + ) a aportului de energie, materii i / sau materiale n (din) proces.

    Principial, procesele tehnice pot fi conduse (fig.2.1-1): - manual, prin intervenia nemijlocit i adeseori continu a unui operator uman (1), i - automat cu utilizarea unor echipamente de automatizare (EA), dedicate conducerii (2).

    ntr-o form mult simplificat operaiile legate de conducerea unui PC se pot desfura:

    (a) Fr urmrirea nemijlocit a desfurrii PC, caz n care se vorbete de o conducere manuala/automata n circuit deschis; In cazul conducerii automate sistemul de conducere astfel creat (SCA) poart denumirea de Sistem cu Conducere Automata (sau M manuala) n Circuit Deschis (SCA-CD/ SCM-CD) (uneori sistem cu

  • 20

    comand manual / automat) (in acest sens insa terminologia va fi evitat, pentru a nu crea confuzii legate de comanda proceselor prin semnale logice); schema bloc aferenta unui SCA-CD (CM-CD) este prezentata n fig.2.1-2 (a).

    Fig.2.1-1. Conducerea manual (a) i automat (b) a unui proces.

    Dezavantajele eseniale ale unui SCA-CD sunt urmtoarele: - perturbaiile care pot aciona asupra PC nefiind cunoscute, efectul lor nu poate fi anticipat; - chiar i n condiiile urmririi atente de ctre un operator uman a derulrii PC, prezena perturbaiilor

    va determina abaterea PC de la desfurarea i funcionarea dorit;

    Fig.2.1-2. Sistem cu conducere automat n circuit deschis (SCA-CD), (a) i n circuit nchis (SCA-CI) (b)

    (b) Cu urmrirea nemijlocit i adeseori continu a desfurrii PC de ctre DC, fig.2.1-2 (b). In acest caz se vorbete de conducere n circuit nchis sau cu reacie sau cu feedback. Sistemul cu Conducere Automata astfel realizat poart denumirea de Sistem cu Conducere Automat n Circuit Inchis (SCA-CI).

    Ansamblul de echipamente de automatizare, interconectate constructiv i funcional, destinat conducerii unui proces (PC), poart denumirea de dispozitiv de conducere (DC) sau dispozitiv de conducere automat (DCA). Luarea deciziei / mai general a deciziilor de intervenie n proces oblig DC (sau operatorul uman, n cazul conducerii manuale) s urmreasca indeaproape desfurarea procesului.

    In cazul proceselor complexe, realizarea multiplelor funcii care nsoesc activitatea de conducere determin i creterea complexitii structurii DC. SCA complexe sunt astfel construite nct DC care le deservesc s poat asigura att conducere n circuit nchis (regimul automat) ct i cu anumite restricii conducere n circuit deschis (de exemplu, regimul de conducere manual).

    n ansamblu, sarcinile de conducere de la nivelul unui DC se pot realiza sub foma urmtoarelor categorii de funcii de conducere (acesta vor fi detaliate n subparagraful 2.2.1):

    - funcia de msurare (M) a marimilor caracteristice ale procesului, functie realizata prin intermediul elementelor de msur (EM); functia are un rol esenial n conducerea automat; pe aceast cale se nchid buclele de conducere (reacia invers, feedback);

    - funcia de intervenie in desfasurarea procesului prin intermediul elementelor de execuie (EE);

    - funcii de comand de elaborarea comenzilor logice combinaionale i secveniale (C); pe aceast cale se asigur intervenia n proces n sensul asigurrii evoluiei dorite pentru acesta;

    - funcii de reglare (R), prin intermediul carora se asigur valorile dorite pentru mrimea / mrimile reglate ale PC; acest lucru revine n ultim instan la asigurarea evoluiei dorite petru PC;

    - funcia de supraveghere a desfasurarii procesului, de diagnostizare a defectiunilor i de asigurare a funcionrii sigure a PC /SCA (S).

    Fiecare din aceste funcii pot fi - la rndul lor demultiplicate prin subsisteme de conducere de la nivelul subsistemelor care compun procesul condus.

  • 21

    Dezvoltarea i implementarea unui SCA presupune mult mai mult dect elabaorarea unei soluii tehnice. Pentru dezvoltarea unui SCA performant dezvoltatorul trebuie sa cunoasca:

    (1) clase de structuri de conducere automata si algoritmi de conducere, spre a putea selecta pentru aplicaia vizat i in raport cu obiectivele propuse structura de conducere (cea mai) adecvat,

    (2) strategiile de dezvoltare (de calcul de proiectare) ale structurilor de conducere (3) funciile de conducere suplimentare necesare indeplinirii functiilor din clasa S. (4) echipamente conducere prin intermediul carora pot fi implementate strategiile de conducere

    preconizate.

    In principiu (lucru mentionat i n finalul capitolului 1) o astfel de activitate solicita: - cunoaterea detaliat a PC, d.p.d.v. funcional i informaional (adeseori dar nu intotdeauna, prin

    intermediul unui MM relativ la proces); - cunoaterea cerinelor, condiiilor si restrictiilor de funcionare a PC (regimuri, restricii, limitri .a.); - definirea clara si cunoasterea sarcinilor (funciilor) de conducere care trebuie preluate de ctre DC; - cunoasterea implicaiilor introducerii PC asupra mediului nconjurtor; - cunoaterea resurselor materiale (echipamente), financiare i umane (specialiti) disponibile pentru

    dezvoltarea, realizarea i utilizarea (exploatarea) DC / SCA; - parcurgerea tuturor etapelor de dezvoltare, de testare, de avizare i de implementare a soluiilor de

    conducere; aceste etape sunt foarte clar definite i ordonate ntr-o succesiune bine stabilit prin contract, proceduri, caiete de sarcini .a..

    Principiile conducerii n circuit nchis (pe baza fig.2.1-2 (b)), pot fi urmarite relativ la funcia de reglare (R) din cazul exemplului privind reglarea (automat) a temperaturii ntr-o incint (solutia a 3-a). In cazul aplicatiei se poate da o prima formulare a sarcinilor de conducere ce trebuie realizate la nivelul DC a SCA-CI:

    - DC s asigure memorarea informaiei privind modul n care trebuie s se desfoare (in timp) PC, - evoluia temperaturii n incint, cd(t); sarcina este asigurata / implementata prin intermediul mrimii de referin notat cu w(t) (r(t) reference signal);

    - DC s asigure urmrirea desfurrii PC prin mrimea msurat y(t) - msura marimii reglate, z(t) care este temperatura din camer, c(t);

    - pe baza comparrii evoluiei reale a PC, y(t), cu evolutia dorit, fixata prin referinta w(t) (sau r(t)):

    e(t)=w(t) - y(t) e(t) eroarea de reglare, (comparatie bazata pe diferenta)

    DC va lua decizia de intervenie n desfurarea PC prin elaborarea mrirmii de comand, u(t) care va fi transmisa ctre PC (interventia in derularea procesului):

    u(t)=f{e(t),p} (p set de parametrii prin care se pot modifica proprietetile DC).

    Semnificaia mrimilor care apar n schemele bloc din fig.2.1-1 i fig.2.1-2 este urmtoarea: w(t) - marime de referin sau de prescriere; u(t) mrimea de comand; z(t) mrimea reglata, ieirea reglata a PC (marimea de apreciere), pe baza careia se apreciaz calitatea desfurrii procesului; y(t) mrime de ieire de msur (msurat prin intermediul elementului de masura, M-y) accesibil prin masurari n vederea reglrii; v(t) mrimea de perturbaie (externa), care in cazul aplicaiei menionate poate fi temperatura extern e(t).

    In schemele bloc mentionate s-au marcat - prin segmente orientate care leag blocurile schemei - sensul de transmitere / vehiculare a mrimilor (de legtur). Aceste mrimi sunt totodat i suport purttor de informaie referitoare la fenomenele din cadrul SCA.

    Pentru ca SCA s fie funcional, mrimile u(t) i y(t) prin care se realizeaz interfaarea dintre DC i PC trebuie s fie acceptate de ctre blocurile corespondente ale DC PC. Acest lucru implic aceeeai natur fizic, acelai domeniu de variaie i acelai nivel energetic (n cazul mrimilor analogice); n cazul mrimilor numerice, condiiile sunt diferite.

    n multe situaii ieirea de msur y(t) este msura ieirii reglate, (mrimea de apreciere) z(t), obinut prin intermediul elementului de msur (M), fig.2.2-3 (a); ea poate fi insa i msura altor mrimi din cadrul procesului, fig.2.1-3