1. Základní pojmy a definice

1.1. Řízení

Řízení je cílevědomá činnost, při níž se hodnotí a zpracovávají informace o řízeném objektu nebo procesu i informace o dějích vně tohoto procesu a podle nich se ovládají příslušná zařízení tak, aby bylo dosaženo předepsaného cíle. Řízení se dělí na ovládání a regulaci:

Ovládání: je řízení bez zpětné kontroly měřením. Lze ho použít u jednoduchých, dobře poznaných procesů či objektů (např. pevně naprogramovaný algoritmus jednoduché automatické pračky).

Regulace: je důležitým druhem řízení. Umožňuje udržování určitých fyzikálních veličin na stanovených hodnotách. Při tom se v průběhu regulace zjišťují hodnoty těchto veličin a srovnávají se s hodnotami, které mají mít. Podle zjištěných odchylek, které jsou mírou přesnosti regulace, se zasahuje do regulovaného procesu tak, aby tyto odchylky byly udržovány na minimu. Měří se výstup systému a podle velikosti výstupu se vhodně volí řízení (regulace). Při regulaci vždy existuje zpětná vazba od výstupu systému na jeho vstup.

1.2. Systémy a veličiny regulace

Regulační systém (regulační obvod): je zvláštní druh složeného zpětnovazebního systému, který je tvořen řídícím a řízeným systémem.

Řídící systém (regulátor): je zařízení, kterým se uskutečňuje řízení (regulace).

Řízený systém (regulovaná soustava): je zařízení (systém), na které působí regulátor.

Regulovaná veličina (y): je veličina, jejíž hodnota je regulací udržována v předepsaných podmínkách. Je zároveň rovna výstupní veličině řízeného systému a současně vstupuje do regulátoru.

Žádaná hodnota regulované veličiny (w): je předepsaná hodnota, na které má být regulovaná veličina udržována.

Regulační odchylka (e = w - y): je rozdíl skutečné hodnoty regulované veličiny a žádané hodnoty regulované veličiny. Vstupuje do regulátoru. Vzniká změníme-li žádanou hodnotu, nebo když na systém působí poruchové veličiny.

Akční veličina (y_R = výstup regulátoru; u = vstup řízeného systému): zasahuje do regulačního procesu tak, aby regulační odchylka byla minimální. Je to výstupní veličina řídícího systému a současně vstupní veličina řízeného systému.

Poruchová veličina (v): je neúmyslná a nepředvídaná změna regulované veličiny.

Příklad regulace výšky hladiny:

Regulační odchylka (e) se uskutečňuje v součtovém členu, který je představován pákou P. Poruchová veličina v (odtok) působí ve stejném místě jako akční veličina y_R (přítok), ale s opačným znaménkem. Regulace hladiny je typickým příkladem regulace na konstantní hodnotu.

Blokové schéma předchozího regulačního obvodu

Regulátor přímý nepotřebuje vlastní zdroj energie a veškerou energii potřebnou ke své činnosti odebírá z regulované soustavy.

Regulátor nepřímý (indirektní) je složitější než regulátor přímý, pracuje vždy s pomocným zdrojem energie.

Příklad blokového schéma nepřímého regulátoru

snímač (čidlo): přeměňuje obecně libovolnou fyzikální veličinu na takovou fyzikální veličinu, která se v ústředním členu lehce a pohodlně zpracovává

řídící člen: přeměňuje řídící veličinu na veličinu stejného charakteru, jako má veličina vystupují z čidla

funkční člen: obsahuje funkce, které signál regulační odchylky derivují, integrují nebo provádějí i některé logické operace

regulační organ: bývá spojen s pohonem - servomotorem a uskutečňuje působení regulátoru na regulovaný proces.

1.3. Druhy regulace

Regulace na konstantní hodnotu: žádaná hodnota regulované veličiny je udržována na konstantní hodnotě.

Vlečná regulace: regulovaná veličina se mění v závislosti na jiné fyzikální veličině. Řídící veličina w není konstantní.

Programovaná regulace: je zvláštním případem vlečné regulace. Žádaná hodnota regulované veličiny je dána předem časovým plánem neboli programem.

1.4. Rozvětvené regulační okruhy jsou okruhy

Rozvětvené regulační okruhy jsou okruhy, kde kromě základních veličin jsou k dosažení lepších vlastností regulace zaváděny další pomocné veličiny jako např.:

Pomocná regulovaná veličina: je veličina, která vznikne odbočením regulované veličiny v místě soustavy, kde zpoždění není ještě tak velké. Zlepšuje stabilitu obvodu.

Měřená porucha: poruchová veličina v se zavádí do regulátoru dříve, než by se mohla projevit na výstupu regulované soustavy:

Pomocná akční veličina (y_{R p}): je druhá akční veličina, která umožňuje, aby vliv poruchy byl kompenzován dříve.

Např. hlavní akční veličina ovládá přívod páry do výměníku tepla, regulovaná veličina je teplota odtékajícího média, pomocná akční veličina při poklesu teploty (vznik poruchové veličiny) zmenší průtok média.

Regulační obvod s pomocnou akční veličinou

1.5. Několikaparametrová regulace

je regulace, při které se reguluje současně několik parametrů, které se vzájemně ovlivňují a nelze tedy takovou regulaci rozdělit na několik jednoparametrových regulací.

Příkladem je regulace rychlosti otáčení a napětí střídavého regulátoru, samostatně pracujícího do sítě, poháněného parní turbínou.

Na jedné soustavě (turbína - generátor) se regulují na konstantní hodnotu dvě regulované veličiny, napětí a kmitočet. Tyto veličiny se navzájem ovlivňují. Výstupní napětí generátoru je úměrné rychlosti otáčení a budícímu proudu generátoru. Velikost napětí lze tedy ovládat jak přítokem páry, tak také změnou buzení. Na této soustavě jsou použity dva regulátory. Regulátor rychlosti řídí přítok páry k turbíně a regulátor napětí řídí buzení generátoru.

Zvětší-li se zatížení v síti, klesne napětí generátoru. Regulátor napětí začne přibuzováním tento úbytek vyrovnávat. Tím se zvětší výkon dodávaný generátorem do sítě a tedy se také zvětší zatížení turbíny. Rychlost otáčení turbíny začne klesat. Pokles rychlosti však znamená snižování kmitočtu. Regulace napětí tak vyvolala pokles kmitočtu sítě. Proti poklesu rychlosti otáčení turbíny působí však regulátor rychlosti otáčení otvíráním přívodu páry. Se zvětšováním rychlosti otáčení se také zvyšuje výstupní napětí generátoru. Stejně jako působí regulace napětí na kmitočet, působí regulace kmitočtu na napětí.

Příklad regulace rychlosti otáčení a napětí střídavého regulátoru poháněného parní turbínou.

1.6. Vlastnosti automatického řízení

Vlastnosti systému z hlediska řízení jsou charakterizovány změnami veličin, které určují stav tohoto systému v každém okamžiku v závislosti na změnách vnějších veličin na něj působících. Pro posouzení vlastností řízení jsou rozhodující tzv. dynamické charakteristiky. Kromě spolehlivosti celého systému jsou základními požadavky stabilita, přesnost řízení a kvalita (jakost) regulačních pochodů.

Stabilita obvodu automatického řízení Obvod automatického řízení je stabilní tehdy, když regulovaná veličina, byla-li vyvedena zněnou kterékoli vstupní veličiny (nejčastěji poruchy) ze své rovnovážné polohy, se ustálí po ukončení této změny opět na stejné nebo nové rovnovážné poloze. Někdy se považuje za stabilní i takový obvod, v němž se regulovaná veličina kolem rovnovážné polohy periodicky mění, pokud odchylky od rovnovážné polohy nejsou větší než dovolené chyby. Stabilita je nutnou podmínkou pro správnou funkci celého obvodu automatického řízení.

Přesnost automatického řízení Přesnost je dána chybou, s jakou systém automatického řízení udržuje regulovanou veličinu v předepsaných mezích. Udává se nejčastěji v procentech hodnoty regulované veličiny v ustáleném stavu. Je dána použitým typem systému automatického řízení a jeho konstrukcí.

Jde-li o regulaci na konstantní hodnotu nebo když řídící veličiny se nemění, pak se jedná o tzv. statickou přesnost.

Ta je dána maximální chybou, s jakou regulátor udržuje v ustáleném stavu při ustáleném konstantním působení všech poruch regulovanou veličinu na požadované hodnotě. Nebo v případě, že regulovaná veličina v ustáleném stavu kmitá malou amplitudou kolem střední hodnoty regulované veličiny, je statická přesnost dána odchylkou této střední hodnoty od požadované velikosti regulované veličiny.

Jde-li o systém automatického řízení požaduje se ještě tzv. dynamická přesnost.

Ta je určena chybou (odchylkou) nebo střední hodnotou chyby, s jakou regulovaná veličina sleduje měnící se řídící veličinu. Kvalita (jakost) regulačního pochodu.

Kvalita se může charakterizovat průběhem přechodového děje regulované veličiny nebo odchylky při skokové změně vstupní veličiny obvodu. Tento průběh se nazývá přechodovou charakteristikou. Od každého obvodu automatického řízení se žádá, aby přechodové odchylky během přechodového děje a celková doba odezvy nepřekročily určité hodnoty stanovené podle požadavků provozu nebo technologického procesu. Pak tento obvod automatického řízení je optimální.

Při řešení technologických pochodů se dynamické vlastnosti i parametry řízených objektů a signálů mohou měnit v širokých mezích a často nepředvídaným způsobem. Potom počáteční informace, podle které je obvod automatického řízení navrhován, není dostatečná a je nutno zasahovat i v průběhu vlastní práce řízeného systému, aby bylo dosaženo optimálního chodu systému a jeho stability. Praxe tak vyvolala vytváření nových obvodů automatického řízení, které mají kvalitativně nové vlastnosti. Realizace těchto obvodů vychází z napodobení živých organismů ve smyslu změny vnitřních vlastností systému tak, aby se tento optimálně přizpůsobil vnějším podmínkám. Takové obvody se nazývají adaptivní.

Nejvyšší technicky realizovatelné systémy automatického řízení dokážou samočinně změnit vedle struktury nebo nastavení jednotlivých parametrů také algoritmus řízení. Samy určují na základě "poučování se", jak měnit strukturu a nastavení členů obvodu v průběhu řízení.

1.7. Základní rozdělení systémů automatického řízení

Lineární systémy automatického řízení jsou takové systémy, které lze matematicky popsat s dostatečnou přesností lineárními rovnicemi (algebraickými, diferenciálními, integrálními, diferenčními atd.). Základní vlastností je u těchto systémů platnost principu superpozice, který dovoluje určovat chování systémů při určitých signálech z jejich chování při působení složek těchto signálů. Tak je možno rozložit složitou úlohu na několik úloh mnohem jednodušších a řešit tak i velmi složité systémy.

Nelineární systémy automatického řízení jsou takové systémy, jejichž vlastnosti jsou popsány nelineárními rovnicemi. Neplatí u nich princip superpozice. Patří mezi ně také reléové systémy a různé druhy dvou a vícepolohových regulací.

Spojité systémy automatického řízení jsou takové systémy , jejichž signály se mění spojitě.

Nespojité (diskrétní) systémy automatického řízení jsou takové systémy, jejichž signály jsou přetržité v čase nebo nespojité v úrovni. Jde-li o nespojitost v čase, nazývají se impulsními. Mění-li se signály nespojitě co do úrovně, zahrnují se takové systémy mezi nelineární.