Az irányítástechnika alapfogalmai

Irányítástechnikai alapfogalmak

Az irányítástechnika területét két nagy részre osztjuk fel: vezérlésre és szabályozásra. A két irányítási forma a szabályozott jellemző és a zavarjelek érzékelésében és feldolgozásában különbözik egymástól, ezért fontos a megkülönböztetés.

Vezérlés és szabályozás

A vezérlés legfontosabb jellemzője, hogy nyíltláncú, a kimenetről nincs visszajelzés, következésképpen nincs visszacsatolás sem. A szabályozásnál van a kimenetről információ, tehát van mérés, és van visszacsatolás is. A kettő között az a különbség, hogy a szabályozással sokkal megbízhatóbban lehet a kívánt eredményeket elérni – alapjelkövetést és zavarelhárítást –, mint vezérléssel. A szabályozások sokkal kevésbé érzékenyek a zavarásokra, mint a vezérlések, hiszen a kimenetről van információ, amellyel a folyamatot korrigálhatjuk, a zavarások hatását csökkenthetjük.

Automatika

Magába foglalja mindazon módszerek, eszközök, berendezések,

törvényszerűségek összességeit, amelyek segítségével az automatizálás

előfeltételei vizsgálhatók, az irányító eszközök és irányító berendezések

megteremthetőek, kialakíthatóak az irányítási feladat céljából.

Irányítástechnika:

A műszaki tudományok olyan ága, ami az önműködő irányítás törvényszerűségével és gyakorlati megvalósításával foglalkozik. Irányítás fogalma: olyan művelet, amely a folyamatot elindítja, működését fenntartja, szükség esetén változtatja, vagy leállítja.

Folyamat: 

Anyag, energia vagy információ átalakítása és/vagy szállítása. Technikai folyamat: olyan folyamat, amelynél az irányított jellemzőket technikai eszközökkel mérjük és/vagy irányítjuk.

Jel: 

Olyan fizikai mennyiség, amely információtartalommal bír.

Jellemző: 

Az irányított folyamat állapotát meghatározó, ill. befolyásoló paraméterek.

Az automatika az irányítástechnikánál egy sokkal tágabb tudománykör. Ide tartoznak olyan társadalomismereti, foglalkoztatáselméleti, közgazdasági, matematikai hátterek is, amelyeket a műszaki képzés során nem mindenesetben érintünk. Az irányítástechnika az automatika résztudománya, amely már az önműködő irányítás elméleti és gyakorlati kérdéseivel foglalkozik.

 Jelek felosztása  Általános osztályozás 

• Determinisztikus

➢ Állandó

➢ Változó

 Periodikus

✗ Szinuszos

✗ Nemszinuszos

 Nem periodikus

✗ Kváziperiodikus

✗ Tranziens (átmeneti)

• Sztochasztikus

➢ Stacionárius

 Ergodikus

 Nemergodikus

➢ Nemstacionárius

Determinisztikus jel: 

Az őt keltő hatások ismertek, bármely időpillanatban előre meghatározható az értéke. A múltbeli állapota és a jelenlegi értéke alapján a jövőbeni lefolyása egyértelműen megadható. Sztochasztikus jel: az őt keltő hatások egy része ismert csak, adott időpontban az értéke valószínűségszámítás és statisztikai  függvények segítségével behatárolható. A múltbeli állapota és a jelenlegi értéke alapján a jövőbeni lefolyása csak becsülhető.

Periodikus jel: 

Létezik olyan T periódusidő, amelynek eltelte után a jel ismétlődik.

Azokat a jeleket nevezzük periodikus jeleknek, amelyek előállíthatóak

szinuszos jelek összegeként (Shannon-tétel).

Nem periodikus jel: nem létezik olyan T periódusidő, amelynek eltelte után a jel

ismétlődik.

Kváziperiodikus jel: Nem rendelkeznek véges periódusidővel.

Tranziens jel: átmeneti jelenség. Egyszeri nemperiodikus folyamatok, amelyek

véges energiával rendelkeznek. Pl. egy tápegység be- és kikapcsolási

jelleggörbéje.

Stacionárius jel: a valószínűségszámításunk (becslésünk) paraméterei (pl. szórás,

várható érték) időben állandóak. A vizsgálat eredménye nem függ a

vizsgálat időbeni helyétől.

Nemstacionárius (hisztérikus) jel:

A valószínűségszámításunk (becslésünk) paraméterei (pl. szórás,

várható érték) időben nem állandóak. A vizsgálat eredménye függ a

vizsgálat időbeni helyétől. Pl. hazafelé a Bormegállóból.

Ergodikus jel: a sokaságátlag és az időátlag megegyezik.

Nemergodikus jel: a sokaságátlag és az időátlag nem egyezik meg.

Sokaságátlag: egy adott időpillanatban nagyszámú mérési eljárás

Időbeni átlag: egy mérési eljárás különböző időpontokban való megismétlése.

Másik osztályozási szempont

Analóg jel: időben és amplitúdóban is folytonos jel.

Diszkrét idejű analóg jel: időben diszkrét, amplitúdóban folytonos jel.

Kvantált (diszkrét értékű) analóg jel: időben folytonos, amplitúdóban diszkrét jel.

Diszkrét idejű, kvantált (digitális) jel: időben és amplitúdóban is diszkrét jel.

 Az irányítás

Irányító rendszer: mindazon eszközöknek, berendezéseknek az összességét értjük,

amelyek együttműködése révén az önműködő irányítás megvalósul.

Irányítandó rendszer: az irányító rendszertől függetlenül létező műszaki berendezés,

létesítmény. Irányított szakasz  néven is ismert.

Irányítási rendszer: az irányító és az irányítandó rendszer együttese.

Az irányítás csoportosítási lehetőségei

• Emberi beavatkozás alapján

➢ Kézi

➢ Önműködő

• Segédenergia szerint

➢ Segédenergia nélküli

➢ Segédenergiával működő (pneumatikus, hidraulikus, villamos, vegyes [hibrid]

• Visszahatás szerint

➢ Van visszahatás (szabályozás)

➢ Nincs visszahatás (vezérlés)

• Jelleg szerint

➢ Mérés, adatgyűjtés

➢ Vezérlés

➢ Szabályozás

Kézi irányítás során legalább egy részművelet emberi közreműködéssel történik, míg az

önműködő irányítás teljes mértékben emberi beavatkozás nélkül valósul meg.

Az analóg, diszkrét, digitális fogalmakat a Digitális technika tárgy keretében már tisztáztuk.

Az irányított rendszert jelképező tagot (8. oldal) nevezzük irányított szakasznak. Vagyis az irányított rendszer egy valóságos entitás, míg az irányított szakasz az ezt leképző absztrakció.

4 Az irányító rendszer részegységei az irányításhoz szükséges energiát az irányítandó rendszerből veszik. Közvetlen működésű irányításnak is nevezik.

 Pl. elektropneumatikus, elektrohidraulikus rendszerek.

Az irányítás felosztása

• Mérés, adatgyűjtés:

A szakaszról információkat gyűjtünk, majd a feldolgozás helyére

szállítjuk, ott feldolgozzuk és a megfelelő formában megjelenítjük.

Nyitott hatásláncú tevékenység, nincs beavatkozás.

• Vezérlés:

olyan irányítási tevékenység, amelyben a rendelkezés és a beavatkozás a

vezérelt jellemző értékétől függetlenül a vezérelt szakasz különböző

jellemzőitől vagy egyéb feltételektől jön létre, és a vezérelt jellemző

értékének változása nem hat vissza a vezérlő berendezésre. Nyitott

hatásláncú tevékenység, de van beavatkozás (2. ábra).

• Szabályozás:

egy olyan irányítási tevékenység, amelynél az irányított jellemző

változását összehasonlítjuk a szabályozás célkitűzéseivel és az eltérés

előjeleitől és nagyságától függően oly módon befolyásoljuk a

folyamatokat, hogy az eltérés zérus, vagy minimális legyen. Zárt

hatásláncú tevékenység, beavatkozás van .

Mérés, adatgyűjtés

Irányító rendszer

Irányítási rendszer

Irányítandó rendszer

(irányított szakasz)

 Vezérlés Irányító rendszer

Irányítandó rendszer

(irányított szakasz)

Irányítási rendszer

Az irányítás részműveletei

• Érzékelés: információszerzés az irányítandó folyamat(ok)ról, ill. jellemző(ik)ről.

• Ítéletalkotás: mérlegelés és döntéshozatal a rendelkezés szükségességéről.7

• Rendelkezés: utasítás a szükséges mértékű beavatkozásra.

• Jelformálás: jelátalakítás, jelerősítés8

/jelcsillapítás.

• Beavatkozás: az irányított szakasz befolyásolása a rendelkezés alapján.

Nézzünk egy konkrét példát! Egy kazán hőmérsékletének szabályozás során valamilyen

érzékelő/szenzor segítségével mérjük az irányított szakasz irányított jellemzőjét (a hőmérsékletet).

Ez az érzékelés folyamata. Az ítéletalkotás során egy hiszterézises komparátor10 eldönti, hogy ez a

hőmérsékletérték egy előre megadott értéknél nagyobb-e11, vagy egy előre megadott értéknél

kisebb-e 12, vagy esetleg a megadott tartományon belül van. Az eredmény alapján rendelkezünk a

beavatkozás szükségességéről. Amennyiben be kell avatkozni a folyamatba, azt a legtöbb esetben

nem teheti meg a rendelkező szerv.13 Ez ugyanis kis energiájú villamos analóg, vagy diszkrét jelet

szolgáltat. Ez a jel különböző átalakítások (jelformálás) után jut el a beavatkozó szervhez14, ami a

tényleges módosítást (beavatkozást) elvégzi.

Vagyis annak eldöntése, hogy be kell-e avatkozni az irányítandó folyamatba.

Itt ne kizárólag az Elektronika tantárgy keretében az erősítőtechnikában már megismert áramkörökre gondoljunk! Az irányítástechnikában erősítőnek minősül egy relé, vagy mágneskapcsoló is, amit kis teljesítményű jellel tudunk kapcsolni és vele nagy energiájú berendezéseket működtetni.

 A beavatkozás időbeli jellemzőinek és mértékének beállítása. Összehasonlító áramkör. Túl nagy a hőmérséklet, ezért csökkenteni kell. Túl kicsi a hőmérséklet, ezért növelni kell. Amennyiben erre mégis lehetőségünk van, akkor a rendelkező szerv és a beavatkozó szerv egy és ugyanaz az egység is lehet.

14 Itt már az irányított szakasznak megfelelően nagy energiájú esetenként nem villamos jelekkel találkozunk.

Szabályozás Irányító rendszer  Irányítandó rendszer  irányított szakasz) Irányítási rendszer

Az irányítás ábrázolási módjai

Az irányítási rendszereket a leggyakrabban az alábbi módokon tudjuk leírni:

• Szerkezeti vázlat

• Működési vázlat

• Hatásvázlat

➢ tömbvázlat

➢ jelfolyamábra (gráf)

Szerkezeti vázlat

A szerkezetről a legtöbbet árulja el, az irányítás szempontjából lényeges elemeket

egyszerűsítve vagy jelképesen ábrázolja. A működés megértését teszi lehetővé, mert az

irányítástechnikai szempontból lényeges alkatrészeket, elemeket tünteti fel, és az egyes elemek

egymáshoz kapcsolódásáról is tájékoztat.

Elem: a berendezés valamely önálló – irányítási szempontból tovább nem

bontható – alkatrésze vagy egysége.

Szerv: az irányító rendszernek irányító részfeladatot ellátó önálló szerkezeti

egysége. A szerv több elemből is állhat.

Jelvivő vezeték: az egyes szervek közötti jelek továbbítására szolgál.16

Készülék/berendezés: szervekből épülnek fel. Olyan szerkezetileg körülhatárolt egységek,

amelyek önálló irányítási feladat elvégzésére alkalmasak

 Egy tartályt kézi úton, vagy valamilyen automatika segítségével feltöltünk.

Egy mikroprocesszoros rendszer figyeli a tartály folyadékszintjét.

Amennyiben ez meghalad egy szintet a rendszer kiad egy utasítás a leengedő szelepnek.

Kapcsoló, ellenállás, kondenzátor, tranzisztor, pneumatikus szelep.

Nagy távolságok esetén és/vagy megfelelően zavartűrő, szabványos, szervek közötti jelátvitel biztosítására távadókat alkalmazunk. Ezeket gyakran egybeépítik a mérő/érzékelő szervekkel. A távadókról külön dokumentumban írunk.

Tartály vész leengedésének szerkezeti vázlata

Mikroprocesszoros rendszer

A szerkezeti vázlatnál egyszerűbb. A szerkezetek alakját már nem mutatja, csak az

egymáshoz kapcsolódásukat. A 4.1. fejezetben megadott feladat működési vázlatát láthatjuk az

Bejelöltük a mikroprocesszoros rendszert egy szaggatott vonallal, ezt rajzolhattuk volna

egy téglalapban is, hiszen egy eszköz valósítja meg az alapjel képzést, az ítéletalkotást és

rendelkezést is – logikailag néha mégis célszerű több blokkot rajzolnunk. A beavatkozó szerv a

leengedő szelep, az irányított szakasz a tartály, míg az érzékelő a folyadékszintmérő.

A vezérlés és szabályozás általános működési vázlatát külön dokumentumban tárgyaljuk,

ahol össze is hasonlítjuk a két jellemző irányítási formát.

 Hatásvázlat

A szerkezettől – fizikai felépítéstől – teljesen elvonatkoztatunk, csak az irányítási

részműveleteket végző tagokat és a közöttük lévő kapcsolatot jelöljük tömbvázlat és hatásvonal

formájában – ritkább esetben jelfolyamábrával. Hatásláncnak is szokás nevezni.

Egy hatásvázlat, vagy hatáslánc alkalmazása esetén irányítástechnikai tagok segítségével

írjuk tehát le az irányítási folyamatot. A jeleket X-szel, a tagok átvitelét általában Y-nal jelöljük.17

Jelátviteli tag: Az irányítási kör elemeinek, szerveinek jelátviteli sajátosságok leírására

létrehozott absztrakció

.

Tulajdonságai:

• A jel mindig a bemenettől a kimenet felé halad.19

• Független a szerkezeti kiviteltől (a fizikai megvalósítástól).

• Egy differenciálegyenlettel, ill. függvénnyel20 jellemezzük általában a jelátvitelt.

• Az állandósult állapotot, stacionárius állapotnak nevezzük.

• Minden jelnek van átmeneti, (tranziens) állapotbeli tulajdonsága.

Lineáris jelátviteli tag: az a jelátviteli tag, amelynek transzferkarakterikája lineáris és

érvényes rá a szuperpozíció tétele.

Invariáns jelátviteli tag: az a jelátviteli tag, amelyiknél a bemeneti és a kimeneti jel viszonya

(hányadosa) nem függ a gerjesztés időpontjától