Automatizace (FSI-6AA)

Cílem předmětu je získat základní poznatky z teorie automatického řízení a počítačového modelování a schopnost analyzovat logické, lineární spojité a diskrétní systémy a navrhovat podle požadované funkce jejich řízení s ohledem na stabilitu, přesnost a kvalitu regulace, u logických systémů s cílem minimalizovat počet použitých prvků.

Cílem kurzu je seznámit studenty s hlavními pojmy z automatizace a z řídicích systémů.

První část kurzu seznamuje s logickými řídicími systémy. Uvádí logické funkce, logické prvky a kombinační a sekvenční logické obvody. Součástí tohoto okruhu je minimalizace logických funkcí (pomocí zákonů Booleovy algebry, Karnaughových map a Quine-McCluskeyho metody) a návrh logických obvodů pro slovně zadané úlohy.

Druhá část kurzu obsahuje základní poznatky z lineárních spojitých řídicích systémů. Řeší problémy analýzy prostřednictvím impulsních a přechodových funkcí a frekvenčních metod. Matematickým základem je Laplaceova transformace. Důležitou částí je základní teorie zpětnovazebních systémů včetně vyšetřování jejich stability, přesnosti a kvality regulace, které podle typu řízeného systému završuje volba typu regulátoru a metody návrhu jeho parametrů.

Třetí část kurzu zahrnuje základy diskrétního řízení. Matematickým základem jsou diferenční rovnice a jejich řešení pomocí Z-transformace. V analogii na spojité systémy jsou zavedeny pojmy impulsní a přechodová funkce a frekvenční charakteristiky, ověření stability systému a metody návrhu číslicového regulátoru. 

Podmínky udělení zápočtu: Základní podmínkou pro udělení zápočtu je aktivní absolvování všech laboratorních cvičení a zpracování elaborátů podle pokynů učitele. 
Účast na cvičení je povinná. Vedoucí cvičení provádějí průběžnou kontrolu přítomnosti studentů, jejich aktivity a základních znalostí. Neomluvená neúčast je důvodem k neudělení zápočtu. Jednorázovou neúčast je možno nahradit cvičením s jinou studijní skupinou v tomtéž týdnu nebo zadáním náhradních úloh, delší neúčast se nahrazuje písemným vypracováním náhradních úloh podle pokynů cvičícího.

Zkouška je písemná a příklady pokrývají všechny tři přednášené teoretické okruhy. 

1. Úvod do automatizace. Logické řízení, logické funkce, pravidla Booleovy algebry, vyjádření Booleovských funkcí, minimalizace pravidly Booleovy algebry, Karnaughovou mapou a Quine-McCluskeyho metodou.


2. NAND, NOR, kombinační logické obvody, sekvenční logické obvody, programovatelné automaty. Návrh logických obvodů ze slovního zadání (kombinační např. automatické zapínání osvětlení na chodbě a automatické větrání v koupelně, sekvenční např. výtah, ovládání závor na přejezdu železnice).


3. Příklady mechanických, elektrických a hydromechanických systémů a jejich popis diferenciální rovnicí (hmotnost, pružina, tlumení, translační a rotační pohyb; R, L, C; nádrže s přítokem a odtokem). Spojitý regulační obvod, princip regulace, vnější a vnitřní popis, diferenciální rovnice a její řešení pomocí Laplaceovy transformace, přenos, póly a nuly.


4. Impulsní funkce a charakteristika, přechodová funkce a charakteristika, dělení regulačních členů. Frekvenční přenos, frekvenční charakteristiky v komplexní rovině a v logaritmických souřadnicích. Dopravní zpoždění. Bloková algebra.


5. Regulátory, regulační obvod, charakteristická rovnice, stabilita lineárního spojitého obvodu (nutná a obecná podmínka), algebraická kritéria stability.


6. Frekvenční kritéria stability, přesnost regulace v ustáleném stavu.


7. Kaskádní regulace.


8. Kvalita regulace, Ziegler-Nicholsova metoda návrhu regulátoru, Whiteleyho standardní tvary, seřízení regulátorů podle přechodové charakteristiky regulované soustavy, syntéza regulačního obvodu.


9. Diskrétní regulační obvod, vzorkovač, tvarovač, diferenční rovnice, Z-transformace.


10. Z-přenos, diskrétní impulsní funkce a charakteristika, diskrétní přechodová funkce a charakteristika, frekvenční přenos, frekvenční charakteristika v komplexní rovině.


11. Bloková algebra diskrétních systémů, stabilita diskrétního regulačního obvodu (obecná podmínka). Bilineární transformace. Číslicové regulátory (polohový a přírůstkový algoritmus).


12. Regulátory se dvěma stupni volnosti.


13. Informativně rozšiřující partie automatizace - rozvrhování výrobních procesů a navigace robotů v prostředí s překážkami.

8. Laboratorní cvičení (laboratoř programovatelných automatů, laboratoř elektrických prostředků).
9. Spojité lineární řízení (Ziegler-Nicholsova metoda aplikovaná na obvod se stejnosměrným motorkem).

1. Logické řízení (algebraická minimalizace logické funkce, bloková schémata, seznámení se Siemens LOGO!Soft).
2. Logické řízení (slovní zadání, pravdivostní tabulka, minimalizace Karnaughovou mapou, kombinační logické obvody - simulace).
3. Logické řízení (sekvenční logické obvody – simulace).
4. Spojité lineární řízení (diferenciální rovnice, přenos, impulsní a přechodová funkce, impulsní a přechodová charakteristika, simulace v MATLABu).
5. Spojité lineární řízení (frekvenční přenos, frevenční charakteristika v komplexní rovině, frekvenční charakteristiky v logaritmických souřadnicích, simulace).
6. Spojité lineární řízení (bloková algebra, regulátory, simulace).
7. Spojité lineární řízení (regulační obvod, stabilita regulačního obvodu, simulační verze Ziegler-Nicholsovy metody, simulace).

10. Spojité lineární řízení (početní verze Ziegler-Nicholsovy metody, kritéria stability regulačního obvodu, simulace).
11. Spojité lineární řízení (přesnost regulace, kvalita regulace, simulace).
12. Zápočtová písemka.
13. Zápočet, oprava zápočtové písemky.