au predavan

Automatsko upravljanje 2008/2009

Prof.dr.sc. Nedjeljko Peric, Prof.dr.sc. Zoran VukicDoc.dr.sc. Mato Baotic, dr.sc. Mario Vaak

Zavod za automatiku i racunalno inenjerstvoFakultet elektrotehnike i racunarstva

Predavanje 02 - Povijest razvoja automatike

Automatsko upravljanje :: Predavanje 02 - Povijest razvoja automatike c 2008 Peric,VukicBaotic&Vaak 1 / 53

Uvod

Cilj

Spoznati znacaj automatike za tehnoloki razvitak ljudske civilizacijekroz kratki povijesni pregled nekih vanih tehnickih rjeenja iteoretskih postignuca

Spoznati irinu primjene automatike u dananjim tehnickimsustavima

Spoznati trendove razvoja automatike te njene moguce primjene uraznim podrucjima ljudske djelatnosti


Uvod

to je automatika danas?

Automatsko upravljanje

+

(Procesno) racunarstvo

+

Komunikacijske tehnologije

Sinergija automatskog upravljanja (Control), racunarstva(Computing) i komunikacija (Communication): C3 sloeni

med_usobno povezani sustav

AUTOMATIKA

Automatika je genericka disciplina


Kratki povijesni pregled

Kratki povijesni pregled automatike

Rana uporaba - od antike do srednjeg vijeka

Industrijska revolucija i Wattov regulator

Automatsko upravljanje - od fenomenolokog pristupa dosustavske znanosti

Automatsko upravljanje - drugi razvojni val

Automatika danas i sutra



Od antike do srednjeg vijeka

Izumitelji anticke Grcke mnoge svoje izume temeljili su na povratnojvezi

Nacelo povratne veze i ucinci koje ona ima na dinamickoponaanje sustava nisu bili tada prepoznati

Zatvoreni sustavi upravljanja koriste se za regulaciju, primjerice,razine, teine i sl.

Najpoznatiji izumitelji toga vremena: Ktesibios (vodeni sat - Clepsydra) Philon (uljna lampa) Heron (regulacija razlike razina)



Primjer 2.1: Clepsydra

Kazaljka sata se podiekako se u donju posuduulijeva voda iz rezervoara

Kada se napuni donjaposuda, dod

_e do istjecanja

vode kroz cijev na dnuposude te se pokrenezupcanicki mehanizam

Mehanizam okrene bubanjza 1/365 punog okreta, tj. 1dan Slika 2.1: Clepsydra



Cornelis Drebbel (1572.1633.)

Cornelis Drebbel je pocetkom 17. stoljeca izumio prvi zatvorenisustav automatskog upravljanja neovisno o antickim izumima -regulator temperature koji je koriten u inkubatoru za pilice

Loite

Plovak

Priguiva

Topli plinovi

Voda

Metalnaploa

Alkohol

iva

Slika 2.2: Drebbelov regulator temperature Drebbel je za kralja Jamesa I izradio i prvu podmornicu, cija suispitivanja obavljena na Temzi 1620.-1624. god. na dubinama 4-5 m



Industrijska revolucija vanija dostignuca

Vjetrenjace 1787.Parni strojevi 1788.Governors (regulatori) 1890.Vodne turbine 1893.(PID regulatori 1930.)



Wattov centrifugalni mehanizam

James Watt (1736 1819)

Regulacija brzine vrtnjeparnog stroja - 1788.godine

Wattov "Flyball governor"regulator

S povecanjem brzinevrtnje stroja, kugle sepodiu i zatvarajuregulacijski ventil, dotokpare se smanjuje i brzinavrtnje opada

Referentna velicina -konstantna

Regulacijskiventil

Brzinavrtnje

Remeniprijenos

P

Centarrotacije kugli(nepomian)

Opruno-poluni mehanizam zapostavljanje eljene vrijednosti

Slika 2.3: Wattow flyball regulator



Opis Wattova regulatora (1)

Na remeni prijenos spojeno jecentrifugalno njihalo koje prekopoluge aktivira ventil kroz koji prolazipara (pod odred

_enim tlakom i

temperaturom); dotokom pareodred

_ena je brzina vrtnje stroja

Toplinska energija pare dovedenapreko ventila pretvara se u stroju umehanicku energiju

Da bi se brzina vrtnje stroja odravalakonstantnom, mora se dovoditikonstantna struja pare (ako nemasmetnji)

Regulacijskiventil

Brzinavrtnje

Remeniprijenos

P



Smetnje koje mogu djelovati na sustav: promjena stanja pare (tlak, temperatura) promjena opterecenja stroja




Regulator treba kompenzirati utjecajesmetnji koje djeluju na sustav;regulirana velicina (u ovome slucajubrzina vrtnje stroja) treba ostati navrijednosti odred

_enoj

namjetenom/eljenom vrijednocu(engl. setpoint)

eljena vrijednost namjeta sepomocu opruno-polunogmehanizma

Ovdje se radi o cvrstoj regulaciji(stabilizaciji, regulaciji smetnje) (engl.regulator problem)

Poloaj uporita P poluge ucentrifugalnom regulatoru odred

_uje

pojacanje regulatora: KR =l2l1

Regulacijskiventil

Brzinavrtnje

Remeniprijenos

P



21




Ako je uporite poluge P pomaknuto daleko u desno (malopojacanje regulatora), tada se za relativno veliku promjenu brzinevrtnje relativno malo promjeni poloaj ventila. U ovom slucaju nijezajamceno da ce regulator kompenzirati utjecaj poremecaja

Ako se uporite poluge pomakne premalijevo (veliko pojacanje regulatora), ondace mala promjena brzine vrtnje jakodjelovati na poloaj ventila. U ovomslucaju mogu nastupiti oscilacije brzinevrtnje. Ako se oscilacije raspiruju, moenastupiti nestabilni rad sustava

Na temelju razmatranja na ovom primjerudolazi se do sutinske postavkeautomatskog upravljanja u pogledutehnicke uporabe sustava: Regulator semora tako projektirati da osigurastabilnost sustava

Regulacijskiventil

Brzinavrtnje

Remeniprijenos

P





Regulacija brzine vrtnje parnog stroja

Regulator Izvrni lan(organ)

Vladanje sobzirom na

vodeuvrijednost


smetnju


smetnju

proces

ue

z3

z1

++

+

...

z3'

z1'

.

.

.

Tok pare

r +

_

Centrifugalni regulator(poluga)

Ventil Mjerenje brzine vrtnje(Centrifugalno njihalo)

smetnje:- stanje pare- protutlak- troilo

n = y

Turbinski slog

Brzina vrtnje

Mjerni lan

Slika 2.4: Blokovski prikaz regulacije brzine vrtnje parnog stroja



Pokretni objekti

Wilbur Wright (1901.):

We know how to construct airplanes. Men also know how to buildengines. Inability to balance and steer still confronts students of theflying problem. When this one feature has been worked out, theage of flying will have arrived, for all other difficulties are of minorimportance.

Prema tome, upravljanje je kljucni cimbenik koji omogucava let.



Upravljanje letom

Braca Wright 1903. Prvi uspjeni eksperimentalni letu Kitty Hawk

Cinjenica da je ova letjelica bilanestabilna, dala je jaki stimulansrazvoju autopilota zasnovanogna povratnoj vezi

Sperryev autopilot 1912. Dobio nagradu u Parizu za najsigurniji zrakoplov Sigurnost se zasnivala na iro stabiliziranom njihalu i povratnoj vezi kaokljucnim elementima/mehanizmima njegova autopilota

Sputnik 1957.

Apollo 1969.

Mars Pathfinder 1997.



Elektronika i komunikacije (1)

Elektronika se pojavila 1906. izumom audiona, prototipavakuumske cijevi (Lee De Forest)

Prva primjena povratne veze u elektronici bilo je patentiranopojacalo s vakuumskom cijevi (pionir raketne tehnike RobertGoddard)

Telefonski razgovori na velike udaljenosti

Problem: Kako pojacati signal bez izoblicenja uslijed nelinearnihkarakteristika cijevnih pojacala te kako izbjeci drift pojacala?




Problem prijenosa signala

Blackov izum 1928. (Harold Stephen Black 1898. 1983.)

Blackov izum pojacala s negativnom povratnom vezom omogucioje proizvodnju stabilnih pojacala s linearnim karakteristikamaunatoc nelinearnosti vakuumske cijevi

-A

R1

R2

V1 V2

Slika 2.5: Pojacalo s negativnompovratnom vezom

V2V1

= R2R1

1

1 + 1A(1+ R2

R1)

(2-1)




Mervin Kelley o Blacku prigodom dodjele priznanja IEEE LammeMedal (1957):

It is no exageration to say that without Blacks invention of thefeedback amplifier, the present long-distance telephone andtelevision networks, which covers our entire country and thetransoceanic telephone cables would not exist.




Pojacala s povratnom vezom inicirala su snaan razvoj teorije imetoda projektiranja sustava automatskog upravljanja

Problem (ne)stabilnosti (koristio se pojam "singing" kao sinonim zanestabilnost)

Nyquistov kriterij ispitivanja stabilnosti sustava 1932.

Bodeov clanak o stabilnosti sustava 1940.

Bode: Network Analysis and Feedback Amplifier Design 1945.



Matematika i automatika (1)

Oduvijek je bila jaka interakcija izmed_u matematike i automatike

to je nedvojbeno doprinijelo razvoju automatike Teoretsku podlogu Wattova regulatora postavio je James ClarkeMaxwell 1868. g., vie od 100 godina nakon Wattova izuma

Maxwell je otkrio da je stabilnost sustava povezana s algebarskimproblemom odred

_ivanja poloaja polova sustava u kompleksnoj

ravnini

Slicna je situacija bila i pri razvoju vodnih turbina kada je inenjerStodola traio pomoc od matematicara Hurwitza




Suvremena tehnicka i tehnoloka dostignuca u mnogim sferamaljudske djelatnosti, u kojima automatsko upravljanje (posebiceoptimalno upravljanje) ima kljucnu ulogu, zasnivaju se na radovimavrsnih matematicara:

Euler (1707. 1783.) Lagrange (1736. 1813.) Jacobi (1804. 1851.) Hamilton (1805. 1865.) Pontryagin (1908. 1988.) Bellman (1920. 1984.) ...




Vanija teoretska dostignuca: James Clarke Maxwell (1831.-1879.) 1868.

diferencijalne jednadbe za opis dinamickih sustava linearizacija nelinearnih sustava korjeni i stabilnost sustava (n < 3)

Edward John Routh (1831.-1907.) 1877. stabilnost (algebarski postupak)

Adolf Hurwitz (1859.-1919.) 1895. stabilnost (algebarski postupak)

Aleksandar M. Ljapunov (1857.-1918.) 1893. stabilnost (nelinearni i linearni sustavi)

Harry Nyquist (1889.-1976.) 1932. kriterij stabilnosti (frekvencijski postupak)

Hendrik W. Bode (1905.-1982.) 1945. kriterij stabilnosti (frekvencijski postupak)

Norbert Wiener (1894.-1964.) 1948. kibernetski pristup sustavima




Vanija teoretska dostignuca: Walter R. Evans (1920.-1999.) 1948.

krivulja mjesta korjena (s domena) Pontryagin (1908.1988.) 1952.

princip maksimuma (proirenje Euler-Lagrangeove teorije varijacijskogracuna)

Richard Bellman (1920.-1984.) 1957. dinamicko programiranje (proirenje Hamilton-Jakobijeve teorije

varijacijskog racuna)



Automatsko upravljanje - Od fenomenolokog pristupa dosustavske znanosti (1)

"Fenomenoloki" pristup automatskom upravljanju razvoj teorije itehnike automatskog upravljanja po pojedinim inenjerskimstrukama i za pojedine primjene

Pristup automatskom upravljanju kao metodolokoj znanosti,neovisnoj o podrucju primjene sustavi upravljanja iz razlicitihpodrucja prikazuju se na jedinstven nacin (razdoblje: pocetak 20.stoljeca do tridesetih godina 20. stoljeca)

Intenzivan razvoj automatike za vrijeme II. svjetskog rata (razvijenradar i sustav upravljanja paljbom; upravljanje je iznimno vaan diou ovim sustavima)

Uoblicuje se teorija automatskog upravljanja pod nazivom teorijaservomehanizama, koja koristi blokovske dijagrame i alate zaapstraktni prikaz




Za analizu i sintezu koriste se: teorija kompleksne varijable Laplaceova transformacija

Metodologija projektiranja zasniva se na frekvencijskim i grafickimpostupcima

analogna racunala

Koriteni koncepti upravljanja: povratna veza unaprijedno upravljanje

Mnogi rezultati istraivanja za vojne svrhe znacajnije se primjenjujuu civilnom sektoru

Uvodi se automatsko upravljanje kao bitna disciplina u inenjerskuedukaciju prakticki u citavom svijetu

Automatsko upravljanje postaje prva sustavska znanost




Otvaraju se specijalizirane tvrtke za razvoj, projektiranje iproizvodnju opreme za automatizaciju

Organiziraju se znanstveni i strucni skupovi te pokrecu casopisi natematiku teorije i primjene automatskog upravljanja

1956. se osniva International Federation of Automatic Control(IFAC)

http://www.ifac-control.org Prvi svjetski kongres IFAC organiziran u Moskvi 1960. 1957. u Zagrebu osnovana strukovna udruga JUgoslavenskiseminar za REgulaciju, Mjerenje i Automatizaciju (JUREMA), danasHrvatska udruga za Komunikacije, Racunarstvo, Elektroniku,Mjerenja i Automatiku (KoREMA)

http://www.korema.hr U Zagrebu pokrenut 1960. znanstveno-strucni casopis Automatika(danas izdavac KoREMA)

http://www.korema.hr/automatika/hr/index.htmlAutomatsko upravljanje :: Predavanje 02 - Povijest razvoja automatike c 2008 Peric,VukicBaotic&Vaak 26 / 53


Automatsko upravljanje - Drugi razvojni val (1)

Prvi razvojni val povezan je s industrijskom i postindustrijskomrevolucijom u kojoj je Wattov regulator dao veliki doprinos

Drugi razvojni val automatskog upravljanja obuhvaca praktickidrugu polovinu 20. stoljeca

Glavni pokretaci razvoja su: presti u svemirskoj utrci (izmed

_u SAD-a i SSSR-a)

primjena digitalnih racunala u automatizaciji industrijskih procesa

Sputnik je lansiran 1957.

Prvo procesno racunalo je primijenjeno u rafineriji nafte 1959.

Utemeljena teorija analize i sinteze sustava upravljanja pomocuvarijabli stanja (prikaz sustava u prostoru stanja)

Intenzivan razvoj teorije automatskog upravljanja

Zapocinje sinergijski proces upravljanja, racunarstva i komunikacijau realizaciji sloenih sustava upravljanja (C3), nastaje paradigmaInformacijsko-Komunikacijske tehnologije (ICT)



Automatsko upravljanje - Drugi razvojni val (2)

Intenzivan razvoj podspecijalnosti: Optimalno upravljanje Nelinearni sustavi automatskog upravljanja Identifikacija i estimacija sustava Adaptivno upravljanje Stohasticko upravljanje Modelsko prediktivno upravljanje Robusno upravljanje Upravljanje hibridnim sustavima Distribuirano upravljanje Computer Aided Control Engineering (CACE)


Stanje automatike danas


Postoji iroki spektar ideja, koncepata, teorija i metodaprojektiranja sustava upravljanja

iroka primjena u raznim proizvodnim i uslunim podrucjima

Tendencije daljnjeg brzog razvoja!! Postojece stanje razvoja automatike ima i dosta otvorenihproblema (izazova):

robusnost sustava upravljanja upravljanje hibridnim sustavima

Holisticki pristup istraivanju biolokih i ekonomskih sustava zasnovanna nacelima automatskog upravljanja



Primjer 2.2: Aktuatori, procesi, senzori i regulatori uvezanimreom



Primjer 2.3: Rafinerija nafte



Primjer 2.4: Postrojenje u industriji papira



Primjer 2.5: Valjaonicko postrojenje u eljezari



Primjer 2.6: Segment reverzibilne valjaonice

Senzori oblikai temperature

Aktuator pritisnih valjakaAktuator za pozicioniranje valjakaAktuator ubrizgavanja



Primjer 2.7: Upravljacko-nadzorni centar sloenogpostrojenja

(a) starija izvedba (b) novija izvedba



Primjer 2.8: Vjetroagregat



Primjer 2.9: Borbeni zrakoplov



Primjer 2.10: Platforma naftne buotine



Dananje primjene automatike

iroka primjena automatike u mnogim podrucjima:

energetika (proizvodnja, prijenos i distribucija) procesna industrija

transport

robotika

mehatronika

nano proizvodnja

autoindustrija

brodogradnja

komunikacije

automatizacija zgrada

racunarstvo

instrumentacija

svemirska istraivanja

medicina

fizika

ekonomija

biologija

Danas postoji dobro razvijena teorija analize i sinteze sustavaupravljanja i prikladni racunalni alati.


to nas ceka sutra?

Energetika sutra? (1)

Novi izvori energije imperativ opstojnosti ljudske civilizacije

Obnovljivi izvori energije: energija hidropotencijala energija vjetra energija sunca geotermalna energija energija biomase energija morskih valova ...

Ucinkovitost pretvorbe obnovljivih izvora energije u elektricnuenergiju (primjerice, stupanj iskoritenja energije vjetra uvjetroturbini, stupanj iskoritenja energije sunca u fotonaponskimsustavima...)

Stohasticka narav obnovljivih izvora energije procjenaraspoloivosti obnovljivih izvora energije zasnovana na predikciji


to nas ceka sutra?

Energetika sutra? (2)

Skladitenje energije krucijalni problem i izazov za znanstvenike izireg spektra tehnickih i prirodnih znanosti

pretvorba elektricne energije u kemijsku energiju procesom elektrolize(proizvodnja H2)

pretvorba kemijske energije u elektricnu energiju pomocu gorivnihclanaka (engl. fuel cell)

Paradigma: zapocinje doba Energetske revolucije (uz aktualnuInformacijsku revoluciju) automatsko upravljanje predstavlja bitnicimbenik u sustavima upravljanja novim izvorima energije

stabilnost EES-a s jako distribuiranim izvorima kvaliteta proizvedene energije


to nas ceka sutra?

Primjer 2.11: Farma vjetroagregata (vjetroelektrana)


to nas ceka sutra?

Primjer 2.12: Postrojenje s fotonaponskim pretvornicima


to nas ceka sutra?


to nas ceka sutra?

Primjer 2.13: Elektrana na krovu stadiona

Stade de Suisse Wankdorf Bern Ugrad

_eno na krov 7930 solarnih modula (proizvod

_ac Kyocera,

Japan) Proizvodi dovoljno energije za 350 cetveroclanih kucanstava Na ovome stadionu odravale su se nogometne utakmiceeuropskog prvenstva UEFA EURO 2008


to nas ceka sutra?

Primjer 2.14: Kombinirano vjetrosolarno postrojenje


to nas ceka sutra?

Transport sutra?

Kopneni, vodni, zracni transport s naglaskom na: sigurnost, pouzdanost i komfor velike brzine prijevoza optimiranje potronje pogonskog goriva novi pogonski sustavi (hibridni pogoni) ekoloki aspekt autonomnost transportnih postrojenja primjenom autopilota i sustavavizije (inteligentna vozila)

Ideja integralnog transporta

Mogu li se ovi zahtjevi ostvariti bez automatskog upravljanja?


to nas ceka sutra?

Primjer 2.15: Maglev vlak


to nas ceka sutra?

Robotika sutra? (1)

Industrijska robotika ula je u zrelu fazu razvoja i primjene.Procjenjuje se da u ovome vremenu u svijetu radi milijun robota

automobilska industrija brodograd

_evna industrija

prehrambena industrija industrija kucanskih aparata

Buduci razvoj industrijskih robota bit ce dominantno usmjeren nabrzinu njihova rada i tocnost

Istraivanja vezana za uslune (servisne) mobilne robote vrlo suintenzivna u zadnjih 20-ak godina (posebice u Japanu) snaglaskom na njihovu autonomnost


to nas ceka sutra?

Robotika sutra? (2)

Neke od ocekivanih primjena mobilnih robota: rutinski poslovi u kucanstvu (roboti-usisivaci praine i cicenje,roboti-kosilice trave...)

posluivanje bolesnih i obnemoglih osoba (robot djelomicezamjenjuje medicinsku sestru...)

istraivanje podvodnih prostora (robot-ronilica) montaa i servisiranje teko pristupacnih/opasnih dijelova objekata(nuklearni reaktori, montaa u zraku, montaa u podvodnimprostorima...)

poslovi u poljoprivredi (branje voca i povrca...) istraivanje svemirskih prostora

Roboti u medicini kirurki zahvati na daljinu (telemedicina) mikroroboti za cicenje krvnih ila

Roboti za zabavu robotski nogomet (robotski tim ACT Croatia, Zagreb)


to nas ceka sutra?

Primjer 2.16: Cryobot i Hydrobot

Cryobot koji se probija kroz led i dolazi do hydrobota, bespilotneronilice, ciji je zadatak skupljanje uzoraka u vodi ispod leda.


to nas ceka sutra?

Primjer 2.17: Umjetna ruka


Zakljucak

Automatika je izazovno znanstveno i strucno podrucje s teorijskog iprakticnog aspekta

Primjena koncepta povratne veze bila je revolucionarna

Primjena sustava upravljanja u proizvodnim i radnim procesima jenuna

Postoji citav niz otvorenih nerijeenih problema vezanih uzautomatsko upravljanje (izazov za nadolazece generacijeautomaticara)

Ohrabrujuca je cinjenica da su postojeca znanja i pozitivni trendrazvoja automatike dobro polazite za rjeavanje otvorenihproblema

Obrazovanje u podrucju automatskog upravljanja kao sustavskeznanosti vrlo je vano za sve tehnicke struke


UvodKratki povijesni pregledStanje automatike danasto nas ceka sutra?

au predavan

Documents