Předmět je určen pro studenty třetího ročníku bakalářského studia katedry automatizační techniky a řízení na fakultě strojní. Student by měl mít po absolvování tohoto předmětu základní znalosti o vybraných technických prostředcích potřebných pro realizaci řídicích systémů. Jsou to základní znalosti z oblasti snímačů a senzorů, řídicích systémů, a akčních členů a pohonů.
Na cvičeních se studenti seznamují se základními vlastnostmi senzorů a akčních členů formou měření přechodových a statických charakteristik s následným vyhodnocením naměřených dat s využitím výpočetní techniky a softwarové podpory (výstupem je 6 protokolů). Protokoly musí odevzdat do konce aktuálního semestru, jinak je nutné celý předmět absolvovat znovu.
Témata předmětu (přednášek)
- Seznámení s problematikou a obsahem studovaného předmětu, systémy řízení, měřicí obvod, měřicí řetězec, regulační a řídicí obvod, řídicí a diagnostický systém. Příklady a metodika návrhů měřicích a řídicích systémů.
- Statické a dynamické vlastnosti členů měřicích a řídicích obvodů (statická charakteristika, citlivost, přesnost, spolehlivost, přechodová a frekvenční charakteristika, dynamická chyba, identifikace dynamických vlastností, důvody identifikace, …).
- Snímače, senzory, čidla a převodníky (struktura, vlastnosti, rozdělení, pasivní a aktivní snímače). Převodníky A/Č a Č/A – rozdělení, vlastnosti, zapojení, využití, porovnání, převodníky v inteligentních senzorech, převodníky PWM.
- Principy snímačů – příklady pasivních snímačů: odporové, kapacitní, fotoelektrické, indukční, … . Měřicí a vyhodnocovací obvody pro zpracování signálů ze snímačů.
- Měření mechanicko-silových statických a dynamických veličin (poloha, rozměr, posunutí, otáčky, rychlost, zrychlení, síla, chvění, …). Měření tlaku a průtoků plynů a kapalin, výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů a ostatních vybraných veličin.
- Měření tepelných veličin a tepla (principy, vlastnosti, kontaktní a bezkontaktní snímače, provedení, aplikace).
- Akční členy (DC/AC motory, krokové motory, lineární motory, synchronní a asynchronní motory, magnety, … ).
- Řídicí systémy PLC, Regulátory, IPC, … .
- SCADA/MMI systémy.
CZ (podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6
EN (podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6
Otázky
- Základní pojmy (prvek, systém, podsystém, vazba, regulační obvod, rovnice regulace, měřicí řetězec, postup při návrhu měřicího řetězce, … ).
- Statické vlastnosti členů regulačního obvodu (třída přesnosti, citlivost, hystereze, … ).
- Dynamické vlastnosti členů regulačního obvodu (přechodová charakteristika, frekvenční charakteristika, přenos, časová konstanta, …, identifikace soustavy).
- Hierarchická struktura řízení SCADA/HMI (popis technických, programových prostředků a vazeb, centrální řízení, distribuované řízení, výhody…).
- Převodníky A/D, D/A, PWM (blokové schéma, princip, … ).
- Typy modulací (popis principu, použití, … ).
- Základní rozdělení snímačů (definice skupin, použití, …).
- Měření mechanicko-silových statických a dynamických veličin (poloha, rozměr, posunutí, otáčky, rychlost, zrychlení, chvění, síla).
- Měření tepelných veličin a tepla (princip, vlastnosti, kontaktní a bezkontaktní snímače, provedení, aplikace).
- Měření tlaku a průtoku plynu a kapalin, výšky hladiny, kapalin a sypkých materiálů.
- Kapacitní snímače (příklady měřených veličin, principy, použití, …. ).
- Indukční a indukčnostní snímače (příklady měřených veličin, princip, použití, …).
- Odporové snímače (příklady měřených veličin, princip, použití, …).
- Akční členy a pohony (základní rozdělení, motory, popis, princip, … ).
- PLC – logická úloha (základní dělení, popis vnitřní struktury, programovací jazyky, rozšiřující moduly, …).
- Jednočipové počítače řady PIC (vnitřní struktura, základní instrukce, popis vývojového prostředí, …).
- Základní dělení programových prostředků a příklady použití.
Cvičení
Úloha 1: Vyhodnocení náhodných chyb při měření tlaku (podklady)
- Určete náhodné chyby jednotlivých odečtů a aritmetického průměru pro soubor 10, 20 a 30 měření a porovnejte jejich velikosti.
- Změřte přetlak v měřeném objektu.
- Sestrojte empirickou křivku četnosti chyb pro daný soubor měření a vyhodnoťte jejich průběh.
Úloha 2: Fotoelektrické snímače (podklady)
- Určete vliv výměnných barevných filtrů na světelnou charakteristiku uvedených fotodetektorů.
- Seznamte se s předloženými součástkami pro detekci světelného záření a určete jejich parametry.
- Proveďte na měřicím přípravku měření: (světelné charakteristiky fototranzistoru KP 101, světelné charakteristiky fotoodporu, světelné charakteristiky fotodiody 1PP75 v hradlovém a odporovém zapojení).
- Spočítejte rovnice regresních přímek v lineárních úsecích statických charakteristik, proveďte celkové zhodnocení a srovnání.
Úloha 3: Zapojení teploměrů (podklady), pt100/I.
- Zapojte termočlánek k měřicímu přístroji pomocí kompenzačního vedení a kompenzační krabice.
- Zapojte odporový teploměr k měřicímu přístroji KV.
- Porovnejte dynamické vlastnosti obou teploměrů na základě porovnání jejich časových konstant.
- Odhadněte statické chyby obou teploměrů ve srovnání se rtuťovým teploměrem.
Úloha 4: Měření statických charakteristik odporového snímače s proudovým a napěťovým výstupem (podklady)
- Seznamte se s odporovým snímačem úhlu natočení (polohy) a přístroji pro vyhodnocení změny odporu v závislosti na úhlu natočení.
- Změřte přítomnost napájecího napětí na zdroji (jeho hodnotu) a hodnoty odporů jednotlivých komponent v měřicím obvodu.
- Změřte statické charakteristiky odporového snímače v zapojení: (přímém, tj. v sérii s ampérmetrem, potenciometrickém, tj. s paralelním voltmetrem, s odporovým výstupem).
- Proveďte linearizaci charakteristik regresní přímkou v jejich lineární části, jejich zhodnocení a porovnání. Vypočtěte hystereze a odhadněte maximální poměrné náhodné chyby.
Úloha 5a: Měření na DC motoru (podklady)
- Seznamte se s modelem DC motoru, I/O jednotkou a softwarem firmy RC didactic.
- Změřte statickou charakteristiku systémů a proveďte její aproximaci.
- Změřte přechodovou charakteristiku pro tři pracovní body a určete přenosy a parametry modelu.
- Změřte jeden bod frekvenční charakteristiky pro čas T<0.5s a určete amplitudu a fázový posun pro tento bod.
Úloha 5b: IRC snímač – Statické charakteristiky.
Úloha 6: Měření na TVM.
- Změřte přechodové charakteristiky průtoku pro jednotlivé pracovní body systému.
- Vykreslete grafy pro jednotlivé průběhy.
- Definujte typ a parametry soustavy pro jednotlivé pracovní body.
- Vykreslete statickou charakteristiku systému.
- Zhodnoťte dosažené výsledky.
Semestrální projekt: Návrh měřicího řetězce
Zadání náhradního projektu 2021
- Zpracování rešerše k danému tématu. (cca na 7-10 stran) osnova
- Návrh měřicího řetězce pro vybraný typ senzoru. (cca na 7-10 stran)
Rešerši zpracujte cca na 7-10 stran. (je to částečná náhrada za zbylé tři praktická měření, tři měření jste již zpracovali). V závorkách máte některé body, které by se měly v rešerši min. objevit.
Navrhněte měřicí řetězec pro danou veličinu s doporučeným snímačem. Specifikujte jednotlivé komponenty řetězce pro možnost interpretace zobrazení měřené veličiny jak analogově, tak spojitě.
Vytvořte technickou dokumentaci k tomuto návrhu, podle které by byl technik schopen daný řetězec sestavit a zprovoznit vlastní měření. (specifikace komponent, katalogy na internetu, výpočet výsledné nejistoty měření zahrnující všechny nejistoty měření dílčích komponent, schématické značení dle normy viz. odkaz “Aplikace a praxe”, podrobnější popis stavebních prvků řetězce …).
Grafická úprava obou technické zprávy bude odpovídat grafické úpravě BP tj. (obsah, symboly a zkratky, literature, apod.).
Úlohy:
Literatura
SCHMID, Dietmar. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Přeložil Jiří HANDLÍŘ. Praha: Europa-Sobotáles cz., 2005. ISBN 80-86706-10-9.
BALÁTĚ, Jaroslav. Technické prostředky automatického řízení. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986.
Odkazy
Dyn. vl., Principy snímačů, Snímače, Snímače I, Snímače II, Prostředky automatického řízení, Nejistoty, Převodníky, Aplikace a praxe, Snímače II, Tech. prostředky, PIC, HirStrRiz, Kapacitní snímače.
EN
HUGHES, Thomas A. Measurement and control basics. 4th ed. Research Triangle Park: ISA, c2007. Resources for measurement and control series. ISBN 978-1-55617-916-7.
BOLTON, W. Instrumentation and control systems. Amsterdam: Elsevier, 2007. ISBN 978-0-7506-6432-5.
Measurement and Control Basics. Instrumentation Books, Introduction to sensors.