KURZUS: Irányítástechnika

MODUL: Az alapfogalmak áttekintő összefoglalása

1.2. lecke: Illusztratív példák

| Cél: A 2. lecke célja, hogy illusztratív példákon keresztül a hallgató megismerje a zárt szabályozási kör felépítését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
felrajzolni a szabályozás hatásvázlatát egyszerű példákra, és azonosítani az egyes tagokat.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak:
folyamat, szabályozási kör, szabályozási kör jelei, tag.
Jegyzetfüzetébe rajzolja fel az egyes példákat reprezentáló irányítási rendszerek blokkvázlatát!
A következőkben az 1. lecke 2. ábráján szereplő zárt szabályozási kör elemeit azonosítjuk néhány egyszerű, a hétköznapi életben fellelhető példán keresztül.
Menetirány tartása
Autóval közlekedve a menetirány szabályozását mi magunk végezzük kézi szabályozással. A szabályozott jellemző tehát a menetirány, az alapjel pedig a tervezett irány. A menetirány aktuális, pillanatnyi állapotát mi magunk érzékeljük, s a kormányt ennek megfelelően mozgatjuk. A folyamatba való beavatkozást a kormánykeréken keresztül biztosítjuk.
Nagyon sok szabályozást ma is kézzel végzünk (zuhanyozás alkalmával a megfelelő hőfok beállítása, a szoba hőmérsékletének beállítása stb.), de sok esetben az emberi reakcióidő túl hosszú, az emberi szervezet nem elég megbízható, a szabályozást gépekre bízzuk.
Zsilip
Folyókon, csatornákon, de akár egy egyszerű öntözőrendszeren is zsilipek segítségével lehet a vízszint magasságát szabályozni.
A folyamat tehát a víz szintjének alakulása. Az alapjel a víz szintjének kívánt magassága, a vízszint aktuális magasságát (a szabályozott jellemzőt) pedig mérni lehet. Ha a vízszint túl magas, akkor a zsilipet ki kell nyitni, ha a vízszint túl alacsony, akkor a zsilipet le kell zárni. Ezt végzi a szabályozó mechanizmus, a beavatkozás tehát zárást és nyitást jelent.
Hasonló elven működik a tartályokban lévő folyadék szintjének beállítása.
Tartály nyomásszabályozása
Egy gáztartályban a nyomást állandó értéken kell tartani, s mindezt önműködő szabályozással kell megoldani.
Az alapjel a nyomás értéke, amin a tartályban lévő gáz nyomását tartani kell. Ennek alapján állítják be a fúvóka szelepében található rugó előfeszítését, ami így gyakorlatilag a gáz nyomását méri. A fúvóka kinyit, ha a csőben lévő gáz nyomása meghaladja az alapjel által megszabott szintet, ellenkező esetben lezár.
Autóval emelkedőn
A gépkocsiba beépített TEMPOMAT-rendszer célja, hogy az autó sebességét egy kívánt szinten tartsa.
A szabályozandó folyamat tehát az autó sebességének szinten tartása, az alapjel a beállított sebesség, a szabályozott jellemző pedig az autó aktuális sebessége. A szabályozó rendszer az autó célul tűzött, valamint tényleges sebességének eltérésétől függően változtatja a motor nyomatékát, így a sebesség mindig a kívánt értékű lesz.
A berendezés alapvetően villamos rendszerű. A célul tűzött sebességgel arányos villamos alapjelet az alapjelképző állítja elő. A sebességmérő szenzor kimenőjele szintén villamos feszültség, így az alapjel és ellenőrzőjel különbsége, vagyis a hibajel villamos úton könnyen képezhető. A beavatkozójel teljesítményerősítés után egy villamos motort működtet, mely beállítja gázpedál szögét.
Logisztikai feladatok
A logisztika anyagok, energiák, információk rendszereken belüli és rendszerek közötti áramlásának létrehozásával, irányításával és lebonyolításával kapcsolatos tevékenységek összessége.
A fogyasztók, azaz a piac felveszi a megtermelt javakat. Bizonyos termékekből néha nagyobb mennyiségre, néha kevesebb mennyiségre van szükség. A piac tehát maga a szabályozott szakasz. Az alapjel reprezentálja, hogy mennyi árura volna szükség, ez a piaci igény. A szabályozott jellemző a termék aktuális mennyisége a piacon. Az igényeket felmérik, az információt visszacsatolják a terméket előállító gyárhoz, ami a megfelelő döntési mechanizmus lefolytatása után több, vagy épp kevesebb terméket bocsájt ki, esetleg a raktárhoz nyúl, vagy elraktároz.
Villanyvasaló hőfokszabályozása
A villanyvasalóban olyan hőfokszabályozó berendezés van, amely például ki- bekapcsolja a fűtőtekercs áramát, miáltal a vasalólap melegszik, vagy hűl.
A kívánt hőmérsékletet, azaz az alapjelet egy forgatógombbal lehet beállítani. A vasalólap hőmérsékletét (a szabályozott jellemzőt) egy ún. ikerfém méri: ha a hőmérséklet meghaladja a kívánt értéket, az ikerfém a hőtágulás következtében kihajlik, s így megszakad az az áramkör, amely a vasalólapot hevíti. Ha a hőmérséklet lecsökken, akkor az ikerfémes kapcsoló ismét bekapcsol, a vasalólap melegszik. Az ikerfém tehát a szabályozást is megvalósítja.
Ezt kétállású szabályozásnak is nevezik, a ki- bekapcsolás miatt a hőmérséklet ingadozik a kívánt érték körül.
Kemence hőfokszabályozása
Ipari csarnokokban, a gyártósorokról lejövő eszközök ellenőrzése céljából sok helyen alkalmaznak kemencét, hőkamrát a hőmérsékleti hatások tesztelésére. A szabályozási feladat ebben az esetben a kemence hőmérsékletének állandó értéken tartása.
Ebben a rendszerben az irányítandó folyamat a kemence terében a hőmérséklet valamely szinten tartása, a szabályozott jellemző tehát a hőmérséklet. A hőmérsékletet hőelemmel mérjük. A hőelem olyan érzékelő, amely a hőmérséklettel arányos jelet állít elő, s ezt a jelet hasonlítjuk össze a kívánt hőmérséklettel arányos villamos jellel. A két érték különbsége vezérel egy beavatkozó elektronikát, ami a fűtőtekercs fűtőteljesítményét növeli, vagy épp csökkenti, ahogy szükséges.
A szabályozás nehézsége abban áll, hogy a fűtőtekercs teljesítményének módosítása nem azonnal érzékelteti hatását, bizonyos késleltetés áll elő.
Kemencéknél sok esetben valamilyen menetrend szerinti szabályozást kell véghezvinni, amikor a hőmérsékletprofil időfüggvényét kell tartani.
Generátor fordulatszámának szabályozása
Közismert, hogy a villamos hálózat frekvenciája 50Hz. Az 50Hz-es hálózati feszültséget hatalmas forgógépek (generátorok) állítják elő erőművekben. A generátor által előállított teljesítmény a mindenkori felhasznált teljesítményhez kell igazodjon, különben a generátort hajtó turbina fordulatszáma megváltozik. A fordulatszám tehát a szabályozott jellemző, amit adott értéken kell tartani. A felhasznált teljesítmény figyelése alapján lehet a turbinára hatni, miáltal a fordulatszámot szabályozzák.
Rúdegyensúlyozás
A cirkuszi mutatvány, a rúdegyensúlyozás jól ismert (fordított ingának is nevezik). Ebben az esetben a cél, hogy a rúd függőleges maradjon, azaz dőlésszöge a függőlegeshez képest ne változzon. Az alapjel ezek szerint a nulla fok. A rúd dőlésszöge a szabályozott jellemző, a hibajel a kettő különbsége. Ha a rúd elkezd dőlni, akkor kézzel óvatosan, vagy gyors mozdulattal utána kell menni, vagyis szabályozni kell.
Lebegtetés
A mágneses gyorsvasút alapgondolata, hogy mágneses erőket felhasználva megemelik a vonatot, miáltal az lebegve siklik a pályán. Így elég nagy sebességet is el lehet érni, mivel a súrlódás nagyon kicsi.
A mágneses elvű lebegtetésnél az alapjel egy magasságérték, amelyen lebegtetni akarjuk a rendszert, a magasság aktuális értékét visszacsatolva hibajelet lehet előállítani. Ez a hibajel egy elektronikát vezérel, amely az elektromágnes áramát módosítja úgy, hogy az előírt magasságot meg tudjuk tartani.
Összefoglaló
A szabályozás, vagyis egy folyamatba való beavatkozás a szabályozott jellemző mérése alapján történik. A szabályozott jellemzők mérésére a legkülönfélébb mérőberendezések léteznek, amiket szenzoroknak is nevezünk.
A szabályozás során tehát megadjuk az alapjelet, vagyis a szabályozott jellemző azon értékét, amin azt tartani szeretnénk. Folyamatosan mérjük a szabályozott jellemző pillanatnyi értékét, amit összehasonlítunk az alapjellel. A két érték különbsége alapján úgy változtatjuk a beavatkozó jelet, hogy a különbség csökkenjen, ha lehet, megszűnjön.
A szabályozási kör tehát egy nagyon összetett rendszer. Érzékelőket, beavatkozó aktuátorokat, különféle berendezéseket tartalmaz, amelyeknek összehangoltan kell működni.
Felmerül a kérdés: minek szabályozni valamilyen folyamatot? A fenti példákból érezhető, hogy ha a folyamatokba nem avatkozunk be, akkor valamely jellemző értéke előbb-utóbb nemkívánatos mértékben változna meg. Ennek oka például a zavaró hatások megjelenése, amelyek előre nem ismertek, a szabályozástól függetlenek, s gyakorlatilag mindig fennállnak. Mivel a zavaró hatás fellép, a szabályozott jellemző módosul, miáltal a szabályozó működésbe lép, s így a zavar hatása is megszűnik. A szabályozás tehát képes a zavaró hatások következményeit csökkenteni.
A fenti példákból kitűnik, hogy a szabályozott jellemző jellege rendkívül változatos. Ilyen jellemző például tartályok vízállása, fordulatszám, sebesség, irány, teljesítmény, frekvencia, hőmérséklet, súly stb. Ebből a rövid listából is lehet érezni, hogy az érzékelők palettája, szerkezeti sokfélesége igen széles, sőt a legtöbb jellemzőt többféle módon is lehet mérni.
A beavatkozó szervet a szabályozó működteti. A beavatkozó szerv jellege, formája igen szerteágazó. Ha például anyagáramot (folyadékot) kell szabályozni, akkor a beavatkozó szerv valamilyen csap, vagy szelep stb.
A lecke végén megállapíthatjuk, hogy a szabályozás tulajdonságaira a szabályozási kör egyes részeinek, illetve egyes jellemzőinek időbeli viselkedése hatással van. Általában a szabályozási köröket nem lehet a viselkedés alapján vizsgálni, vagy épp tervezni. Szükséges tehát, hogy a szabályozási kört és annak részegységeit valamilyen egzakt matematikai módszer segítségével vizsgáljuk. A következőkben ezzel foglalkozunk.

| Önellenőrző kérdés
Fogalmazza meg a fenti példákat saját szavaival!
Foglalja össze saját szavaival a szabályozás lényegét!
Foglalja össze a szabályozásban résztvevő tagokat, adja meg a szakszavakat!