KURZUS: Irányítástechnika

MODUL: Az alapfogalmak áttekintő összefoglalása

1.1. lecke: Az irányítástechnika alapvető fogalmai

| Cél: A lecke célja, hogy a hallgató ismerje meg az irányítási rendszer és a zárt szabályozási kör általános felépítését, valamint a blokkdiagramokhoz kapcsolódó alapvető fogalmakat és definíciókat.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
felrajzolni az irányítási rendszer blokkvázlatát, elmagyarázni az irányítási rendszer részegységeinek szerepét, felrajzolni a szabályozás hatásvázlatát, felsorolni az egyes építőelemeket és azok szerepét.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak:
folyamat, irányítás, szabályozás, vezérlés, hatásvázlat, jel.
Jegyzetfüzetébe rajzolja fel az irányítási rendszer blokkvázlatát, s jegyezze fel az egyes szervek jelentőségét. Rajzolja fel a zárt szabályozási kör hatásvázlatát is, s jegyezze fel az egyes tagok szerepét. Jegyezze fel a szabályozási kör jeleit is!
A technika eszközei, a műszaki tudományok eredményei a terhes, unalmas, gépies teendők alól szabadítják fel az embert. Az emberi erőt előbb felváltotta az állati vonóerő, később a gépek, miáltal az izomerőt igénylő feladatok alól az ember szinte teljes mértékben mentesül. Ezt erősíti tovább az automatizálás, az önműködő berendezések fejlődése, s ennek egy fontos ága az irányítástechnika.
Az irányítási rendszer következőkben bemutatásra kerülő működési vázlata az 1. ábrán látható.
A különféle ipari, fizikai, kémiai stb. folyamatok üzemeltetése szükségessé teszi a folyamatok megfelelő minőségű, és biztonságos irányítását. Az irányítás során mindig valamely irányítási cél elérése érdekében történik valamilyen beavatkozás a folyamatba. Az irányító berendezés az irányított folyamatról szerzett információk alapján valamilyen döntési mechanizmusnak megfelelően megváltoztatja a folyamat bizonyos, közvetlenül befolyásolható jellemzőit, miáltal a befolyásolni kívánt irányított jellemző az irányítási célhoz közelít. A való életben előforduló folyamatokat különféle zavaró hatások is érik.
Az irányítási rendszer működési vázlata
1. ábra
Milyen jellegű folyamatokra kell itt gondolni, és mi az irányítás? Hétköznapi irányítási feladat például a kellemes hőmérséklet beállítása a lakásban: a cserépkályhába helyezett fa mennyisége, illetve az ablak nyitása/zárása azok a jellemzők, amelyeket közvetlenül befolyásolni tudunk, ahol be tudunk avatkozni a kellő hőmérséklet, mint szabályozási cél érdekében. A hőmérsékletszabályozás egy lényeges, mindennapi életünk minőségét befolyásoló irányítási feladat (például hőfokszabályozós vasaló, mosogatógép, mosógép, kazánok, számítógépek hűtése ventillátorral, légkondicionálás stb.). Iparhoz közelebbi példa egy villamos motor fordulatszámának szabályozása, amely például egy futószalagot hajt, s a futószalagon szállított termék mennyisége az, amire ügyelni kell. Tipikus feladat továbbá egy tartályban lévő folyadék szintjének a szabályozása. A sort lehetne még tovább folytatni.
Az irányítandó folyamatok palettája tehát rendkívül széles. A folyamatok működését sok esetben csak az abban járatos szakemberek segítségével lehet megérteni. A legkülönfélébb folyamatok azonban azonos matematikai egyenletekkel, függvényekkel írhatók le, így az irányítási rendszerek tanulmányozása megközelíthető a matematika oldaláról is. A jelen tananyag ezt az utat követi.
Az információszerzés tulajdonképpen mérőműszereken keresztül történik, ezeket érzékelőknek, vagy szenzoroknak nevezzük (hőmérő, szögelfordulásmérő, sebességmérő stb.), a beavatkozás elvégzésére is rendelkezésre állnak a megfelelő berendezések (motorok, szelepek stb.). Az egyes műveleteket végző bonyolult berendezéseket szerveknek is nevezik.
Az irányítandó folyamatok és az egyes szervek tanulmányozása után felállítható a folyamatot, illetve az irányító berendezést matematikailag leíró modell (differenciálegyenlet, súlyfüggvény, átviteli függvény stb.), amelyekkel a következő leckében foglalkozunk. Már most megjegyezzük, hogy a különböző jellemzőket jelek testesítik meg, amelyek olyan időfüggvények, amelyek információt hordoznak. A jelekről is a következő leckében szólunk bővebben.
Alapvetően kétfajta irányítás különböztethető meg: a vezérlés és a szabályozás. A vezérlés nyitott láncú irányítás (2. ábra), amikor az irányított jellemzőről szerzett információ nem vesz részt az irányításban. Ilyen például egy előre definiált időprogram szerinti működtetés. A szabályozás viszont zárt láncú irányítás, amikor az irányításban a folyamatról szerzett információ lényeges szerepet kap. A 3. ábrán látható ún. negatív visszacsatolást tartalmazó rendszer önműködő, azaz képes az előre nem látható hatásokat, zavarokat is korrigálni.
A vezérlés blokkvázlata
2. ábra
Az egyszerűsített szabályozási kör hatásvázlata a 3. ábrán látható, s a jelképzés, illetve jelátalakítás folyamatát, matematikai lényegét, jellegét emeli ki. A hatásvázlat építőelemeit tagoknak nevezzük. A szabályozott folyamat a szabályozott szakasz, melynek kimenete az y-nal jelölt szabályozott jellemző. Ezt egy érzékelő szerv, egy szenzor méri, s az ye jelet (ellenőrző jel) állítja elő, amit visszacsatolunk a szabályozási kör elejére. Az ua ún. alapjelet az alapjelképző szerv állítja elő, s a szabályozás célja, hogy a szakasz y kimenő jele ezt az ua alapjelet vegye fel. A szabályozott jellemző és az ellenőrző jel különbsége szolgáltatja az yh hibajelet: y h = u a − y e . Ha a szakasz kimenőjele és az alapjel azonos, akkor a hibajel zérus, vagyis szabályozásra nincs szükség, ellenkező esetben a szabályozó automatikusan működésbe lép, s létrejön az u beavatkozó (vagy irányító) jel, amely a szabályozott szakasz egy alkalmasan választott jellemzőjére hat. A zavaró hatásokat az yz jel reprezentálja. Ezek a jelek időfüggvények.
Zárt szabályozási kör hatásvázlata
3. ábra
Ebben a hatásvázlatban számos szervet nem tüntettünk fel az egyszerűség kedvéért, de megjegyezzük, hogy az ellenőrző jelet előállító szenzor, az alapjelet előállító szerv, a hibajelet generáló különbségképző szerv, a szabályozóban helyet foglaló különféle átalakítók, erősítők és a beavatkozó szerv mind-mind nagyon bonyolult berendezések.
A 3. ábrán feltüntetett elnevezéseket és jelöléseket egy egyszerű, jól ismert példával próbáljuk közelebb hozni: a magnószalagot hajtó motor fordulatszámának szabályozása kapcsán. A szabályozott jellemző nyilvánvalóan a motor fordulatszáma, az ellenőrző jel a fordulatszámot mérő szenzor jele, ami valamilyen módon méri a motor fordulatszámát; ez egy villamos feszültségjel. Az alapjel a kívánt fordulatszámmal arányos feszültség. Az alapjel és az ellenőrző jel különbsége a hibajel. A szabályozó kimenőjele a beavatkozó jel, ami általános esetben a hibajel, a hibajel deriváltja és integrálja lineáris kombinációjaként áll elő (ezt a későbbiekben vizsgálni fogjuk). A zavarójel például a terhelőnyomaték, amit a szalag hajtása okoz. A szakasz bemeneti jele tehát a motor kapocsfeszültsége, kimeneti jele pedig a fordulatszám. A szakasz tehát több belső egységből áll: motor, áttételek, dörzshajtás, mérőegység stb.
Alapvetően kétfajta szabályozás van: értéktartó szabályozás és követő szabályozás. A fordulatszám-szabályozásnál maradva, az értéktartó szabályozás esetén a motor fordulatszámát állandó értéken kívánjuk tartani változó terhelőnyomaték mellett; a követő szabályozásnál időben változó fordulatszámot kell a motornak követni.
További illusztratív példákat a következő leckében hozunk.

| Önellenőrző kérdések
Rajzolja fel az irányítási rendszer működési vázlatát! Mit reprezentálnak az egyes elemek?
Mi a vezérlés?
Mi a szabályozás?
Mi a különbség a nyílt és a zárt hatásláncú irányítás között?
Rajzolja fel az egyszerűsített szabályozási kör hatásvázlatát! Magyarázza el az egyes tagok szerepét!
Mit ábrázol a hatásvázlat?