Podstawy automatyki i automatyzacji

stacjonarne

I stopnia

obowiązkowy

W 30/x , C 16/+, L14/+; razem: 60 godz., 5 pkt ECTS

matematyka I / wymagania wstępne: znajomość i umiejętność stosowania rachunku macierzowego, umiejętność rozwiązywania równań, macierzy i wyznaczników, działania na liczbach zespolonych,

matematyka II / wymagania wstępne: znajomość i umiejętność posługiwania się aparatem analizy matematycznej i opisywania zagadnień w jej języku; metody analizy matematycznej, znajomość pojęć, twierdzeń i metod rachunku różniczkowego oraz całkowego funkcji jednej zmiennej i równań różniczkowych zwyczajnych,

matematyka III / wymagania wstępne: znajomość podstawowych pojęć, twierdzeń i metod rachunku różniczkowego i całkowego funkcji wielu zmiennych oraz szeregów funkcyjnych,

fizyka II / wymagania wstępne: umiejętność stosowania matematyki do opisu zjawisk fizycznych i wykorzystania praw fizyki w technice, informatyka / wymagania wstępne: znajomość architektury w systemów komputerowych, znajomość podstawowych funkcji, typów danych i operacji w języku wysokiego poziomu; umiejętność korzystania z funkcji języka Matlab, mechanika / wymagania wstępne: znajomość podstawowych pojęć i metod mechaniki i umiejętność opisu układów mechanicznych w stanach statycznych i dynamicznych,

metrologia / wymagania wstępne: znajomość metod i układów pomiarowych do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych; umiejętność posługiwania się przyrządami, wykonywania pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych,

elektrotechnika i elektronika I / wymagania wstępne: znajomość i interpretacja zjawisk fizycznych występujących w obwodach elektrycznych; umiejętność analizy i projektowania obwodów prądu stałego i przemiennego; wybrane elementy elektroniczne; wzmacniacze operacyjne.

semestr czwarty / lotnictwo i kosmonautyka, / wszystkie specjalności

Dr hab. inż. Andrzej SKOMRA, mjr dr inż. Maciej Henzel

1. Udział w wykładach / 30 godz.

2. Udział w laboratoriach / 14 godz.

3. Udział w ćwiczeniach / 16godz.

4. Udział w seminariach / 0 godz.

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 20 godz. )

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 26 godz.

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 24 godz.

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 0 godz.

9. Realizacja projektu / 0 godz.

10. Udział w konsultacjach / 8 godz

11. Przygotowanie do egzaminu / 10 godz.

12. Przygotowanie do zaliczenia / 0 godz.

13. Udział w egzaminie / 2 godz.

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 140 godz./ 5 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+9+10+13): 70 godz. / 2,5 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową 120 godz./ 4,5 ECTS

Podstawowe pojęcia teorii sterowania. Rodzaje i struktury układów sterowania. Struktura układu regulacji automatycznej. Elementy układów automatyki. Modelowanie obiektów i elementów automatyki. Transmitancja operatorowa, widmowa, przestrzeń stanu. Sterowalność i obserwowalność. Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe. Stabilność-kryteria stabilności. Jakość procesów regulacji – kryteria jakości regulacji. Rodzaje korekcji i typy regulatorów. Synteza układów regulacji metodami klasycznymi. Regulacja impulsowa. Transmitancja dyskretna układu regulacji impulsowej. Regulacja cyfrowa - podstawowe struktury. Sterowanie logiczne i sekwencyjne. Technika systemów automatyzacji: urządzenia pomiarowe (czujniki położenia kątowego), regulatory (sterowniki), urządzenia wykonawcze (elementy nastawcze i wykonawcze). Systemy zautomatyzowane i zrobotyzowane. Struktury robotów I, II i III generacji. Metody symulacyjne badania układów dynamicznych.

Wykład / metoda werbalno-wizualna z wykorzystaniem nowoczesnych technik multimedialnych

1. Podstawowe pojęcia /2/. Sygnał, element, wejście, wyjście, obiekt regulacji, regulator, układ automatycznej regulacji, stan. Klasyfikacje układów automatycznej regulacji. Charakterystyki statyczne układów automatycznej regulacji.

2. Metody opisu własności dynamicznych liniowych układów ciągłych /2/ Transmitancja operatorowa; transmitancja widmowa i charakterystyki częstotliwościowe.

3. Metody opisu własności dynamicznych liniowych układów ciągłych /2/. Charakterystyka impulsowa i charakterystyka skokowa. Opis układów w przestrzeni stanu. System sterowalny. System obserwowalny.

4. Podstawowe człony dynamiczne /2/. Człon bezinercyjny; człon całkujący idealny i człon całkujący z inercją; człon różniczkujący idealny i człon różniczkujący z inercją; człon inercyjny pierwszego rzędu; człon inercyjny drugiego rzędu; człon oscylacyjny; człon opóźniający.

5. Opis układów automatyki za pomocą schematów strukturalnych /2/. Podstawowe elementy schematu blokowego; budowa schematu blokowego; przekształcanie schematów blokowych. Przykłady.

6. Stabilność liniowych układów regulacji automatycznej /2/. Ogólne warunki stabilności; kryterium Hurwitza; kryterium Michajłowa; kryterium Nyquista; kryterium oparte na charakterystykach logarytmicznych; zapas stabilności.

7. Jakość liniowych układów regulacji automatycznej /2/. Dokładność statyczna; układy statyczne i astatyczne; ocena własności dynamicznych na podstawie charakterystyk skokowych i parametrów charakterystyk częstotliwościowych; całkowe kryteria jakości.

8. Korekcja liniowych układów regulacji /2/. Istota i cel korekcji; rodzaje korekcji; regulatory i ich typy.

9. Synteza układów liniowych sterowania automatycznego /2/. Synteza metodami klasycznymi; dobór parametrów regulatora.

10. Regulacja impulsowa /2/. Przekształcenie Z; transmitancja impulsowa (dyskretna); stabilność liniowych układów impulsowych; schemat blokowy układu regulacji impulsowej; transmitancja dyskretna układu regulacji impulsowej.

11. Regulacja cyfrowa /2/. Sterowanie cyfrowe z przetwornikami C/A i A/C; sterowanie cyfrowe z impulsatorem o okresie próbkowania T; podstawowe struktury systemów sterowania cyfrowego; podstawowe algorytmy regulacji cyfrowej bezpośredniej (algorytm pozycyjny, algorytm prędkościowy), elementy cyfrowe automatyki.

12. Sterowanie logiczne i sekwencyjne /2/. Układy kombinacyjne; funkcje przełączające i ich minimalizacja; układy sekwencyjne.

13. Technika systemów automatyzacji /2/. Urządzenia pomiarowe czujniki położenia kątowego (potencjometr, przetwornik obrotowo-impulsowy, przetwornik kodowy, selsyn, transformator położenia kątowego); regulatory; sterownik programowalny PLC.

14. Technika systemów automatyzacji /2/. Urządzenia wykonawcze (elementy nastawcze: zawory regulacyjne, ustawniki pozycyjne i elementy wykonawcze: siłowniki pneumatyczne i hydrauliczne, silniki elektryczne, silniki krokowe, przekaźniki, styczniki).

15. Systemy zautomatyzowane i zrobotyzowane /2/ . Terminy mechanizacja i automatyzacja, system robotowy; podstawowe określenia (manipulacja, manipulator, robot) i podział robotów; struktura robotów I, II i III generacji; obszary zastosowań robotów; elementy i zespoły robotów; charakterystyki funkcjonalne robotów przemysłowych (podawane przez producenta w dokumentacji towarzyszącej).

Ćwiczenia / polegają na grupowym rozwiązywaniu zadań w celu utrwalenia wiedzy określonej efektami W1, W2 oraz opanowania umiejętności U2 .

1. Charakterystyki statyczne układów automatycznej regulacji /2/. Linearyzacja równań opisujących zachowanie się nieliniowego elementu automatycznej regulacji; konstrukcja wypadkowej charakterystyki statycznej członów połączonych szeregowo i równolegle; wyznaczenie charakterystyki statycznej układu automatycznej regulacji.

2. Opis własności dynamicznych liniowych układów ciągłych w dziedzinie czasu i w dziedzinie operatorowej oraz w postaci równań stanu i równania wyjścia /2/. Zapis równań „wejście-wyjście” dla prostych układów dynamicznych; przykładowe obliczanie transformat i oryginałów funkcji zgodnie z prostym i odwrotnym przekształceniem Laplace’a; wyznaczanie transmitancji operatorowej i widmowej; przykłady zapisu modelu obiektu w postaci równań stanu i równania wyjścia.

3. Wyznaczanie charakterystyk czasowych i częstotliwościowych układów automatyki /2/. Przykłady obliczania odpowiedzi impulsowej i skokowej układu; przykłady wyznaczenia charakterystyk częstotliwościowych (amplitudowo-fazowej oraz logarytmicznej: modułu i fazy) układu.

4. Badanie stabilności liniowych układów automatyki z zastosowaniem kryteriów algebraicznych i częstotliwościowych /2/. Przykład zastosowania kryterium Hurwitza; przykład zastosowania kryterium Nyquista; przykład badania stabilności w oparciu o charakterystyki logarytmiczne układu otwartego - określenie zapasu stabilności.

5. Ocena jakości układu regulacji automatycznej na bazie charakterystyk częstotliwościowych /2/. Zapas stabilności; pasmo przenoszenia; moduł rezonansowy; wskaźnik regulacji.

6. Korekcja liniowych układów regulacji automatycznej - dobór członu korekcyjnego /2/. Przykład wykorzystania do korekcji logarytmicznej charakterystyki amplitudowej układu otwartego; dobór członu korekcyjnego. Przykład wykreślania linii pierwiastkowej dla układu zamkniętego.

7. Projekt prostego układu kombinacyjnego /2/. Minimalizacja funkcji przełączającej z wykorzystaniem tablicy Karnaugha (tablica Veitcha), metody Quine’a – McCluskeya oraz metody przekształceń formalnych.

8. Projekt prostego układu sekwencyjnego /2/. Projekt realizowany jest w 5 etapach: wyznaczenie grafu przejść i wyjść na podstawie opisu słownego lub przebiegów czasowych sygnałów wejściowych i wyjściowych; sporządzenie pierwotnej tabeli przejść i wyjść; redukcja pierwotnej tabeli przejść i wyjść; wyznaczenie funkcji przejść; wyznaczenie funkcji wyjść.

Laboratoria / polegają na wykonywaniu przez grupę studentów pomiarów parametrów i charakterystyk układów regulacji ich elementów w celu utrwalenia wiedzy określonej efektami W1,W2 oraz opanowania umiejętności U1.

1. Pomiar charakterystyk czasowych i częstotliwościowych podstawowych członów automatyki /2/. Wyznaczanie charakterystyk czasowych i częstotliwościowych podstawowych elementów automatyki na drodze eksperymentalnej oraz z wykorzystaniem pakietu MATLAB Simulink .

2. Badanie stabilności układu regulacji automatycznej /2/. Badanie stabilności serwomechanizmu poprzez jego zamodelowanie w środowisku Matlab-Simulink. Określenie wartości współczynnika wzmocnienia układu zapewniającego założoną jakość regulacji ,ocenianą na podstawie przebiegu charakterystyk czasowych i częstotliwościowych.

3. Dobór typu regulatora i jego nastaw w procesie syntezy układu regulacji automatycznej /2/. Badanie (w środowisku Matlab Simulink) układu regulacji z regulatorem typu P – wyznaczenie wzmocnienia krytycznego i okresu drgań krytycznych. Zbudowanie na tej postawie modeli układów regulacji z regulatorami typu PI oraz PID. Badania jakości regulacji przy poszczególnych typach regulatorów.

4. Badanie wpływu parametrów korektora na własności dynamiczne układu regulacji automatycznej /2/. Zbudowanie modelu układu regulacji automatycznej (zadanego schematem blokowym) na komputerze analogowym i w programie Matlab Simulink. Badanie charakterystyk skokowych układu (z wykorzystaniem opracowanych modeli) dla różnych parametrów korektora.

5. Badanie dynamicznych charakterystyk aparatury komutacyjnej /2/. Badanie dynamicznych charakterystyk stycznika (przekaźnika) przy skokowym podaniu napięcia na jego cewkę. Badanie charakterystyk dynamicznych stycznika (przekaźnika) przy skokowym wyłączeniu zasilania jego cewki. Pomiar czasu odbijania się styków stycznika (przekaźnika) po włączeniu go do pracy.

6. Modelowanie kombinacyjnych układów przełączających z wykorzystaniem elementów pneumatycznych i elektrycznych /2/. Realizacja przykładowych funkcji przełączających za pomocą elektrycznych elementów stykowych oraz elementów pneumatycznych (stanowisko laboratoryjne firmy FESTO).

7. Projekt sekwencyjnego układu przełączającego z wykorzystaniem sterownika programowalnego /2/. Projekt synchronicznego i asynchronicznego sekwencyjnego układu przełączającego na podstawie tabeli przejść i wyjść i grafu przejść i wyjść z wykorzystaniem programu Proficy Machine Edition. Zaprogramowanie sterownika PLC z użyciem języka LD.

podstawowa:

Janusz Kowal: Podstawy automatyki T1. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2004.

Janusz Kowal: Podstawy automatyki T2. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2004.

Jerzy Mazurek, Hanna Vogt, Witold Żydanowicz: Podstawy automatyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.

Ryszard Zdanowicz: Robotyzacja dyskretnych procesów produkcyjnych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.

uzupełniająca:

Konstanty Kurman: Teoria regulacji, Analiza, Projektowanie. WNT, Warszawa 1975.

Bogumiła Mrozek, Zbigniew Mrozek: Matlab. Wydawnictwo PLJ, Warszawa 1996. Marek Żelazny: Podstawy automatyki, PWN, Warszawa 1976.

W1 / Ma wiedzę w zakresie matematyki niezbędną do opisu dynamiki elementów, układów, urządzeń mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych, zna modele matematyczne układu regulacji automatycznej w postaci: równań różniczkowych, transmitancji operatorowej, równań stanu i równania wyjścia / K_W01.

W2 / Ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę z zakresu zagadnień liniowych układów regulacji automatycznej oraz ogólną wiedzę z zakresu regulacji impulsowej, regulacji cyfrowej, układów przełączających oraz niezbędną wiedzę by prowadzić analizę i syntezę liniowych układów regulacji w dziedzinie czasu i częstotliwości / K_W04.

U1/ Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł dotyczące zagadnień związanych z automatyką i automatyzacją oraz je interpretować, a także wyciągać wnioski oraz w sposób analityczny wyznaczyć podstawowe parametry elementów, układów i urządzeń automatyki / K_U01, K_U08

U2/ Potrafi dobrać właściwe metody i urządzenia do pomiaru podstawowych wielkości charakteryzujących parametry opisujące dynamikę podstawowych elementów automatyki oraz jakość liniowych układów regulacji. Posiada umiejętność przeprowadzania pomiarów oraz oceny ich wyników /K_U07. U3 / Potrafi formułować liniowe modele matematyczne prostych układów regulacji automatycznej i ich elementów wykorzystywanych w lotnictwie oraz posłużyć się oprogramowaniem Matlab Simulink do analizy i syntezy takich układów / K_U09.

U4/ Potrafi planować i organizować pracę indywidualną i w zespole /K_U19.

K1/ Potrafi określić priorytety służące realizacji określonego przez siebie lub innych zadania K_K02.

rzedmiot zaliczany jest na podstawie: egzaminu

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: zaliczenia z oceną;

Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie: zaliczenia z oceną;

Egzamin jest przeprowadzany w formie pisemnego testu sprawdzającego z zadaniami zamkniętymi i otwartymi.

Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych i laboratoryjnych na ocenę pozytywną.

Zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych na ocenę odbywa się na podstawie średniej z pozytywnych ocen z przygotowania i wykonania ćwiczeń audytoryjnych.

Zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych na ocenę odbywa się na podstawie średniej z pozytywnych ocen z przygotowania do wykonania ćwiczeń i sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych.

Efekty W1, W2, U1, U3 sprawdzane są podczas pytań kontrolnych i podczas rozwiązywania zadań na ćwiczeniach rachunkowych.

Efekty W1, W2, U2, U3, U4, K1 sprawdzane są w trakcie odpowiedzi, aktywności w wykonywaniu zadań i przygotowania sprawozdań na ćwiczeniach laboratoryjnych i podczas obrony sprawozdań.

Efekty W1, W2 sprawdzane są na egzaminie.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który udzielił bezbłędnych odpowiedzi na co najmniej 95% pytań pisemnego testu sprawdzającego oraz który posiadł w pełni wiedzę i umiejętności przewidziane efektami kształcenia a ponadto potrafi pozyskiwać niezbędne informacje związane z automatyką korzystając z różnych źródeł.

Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który udzielił bezbłędnych odpowiedzi na co najmniej 90% pytań pisemnego testu sprawdzającego oraz który posiadł w stopniu prawie pełnym wiedzę i umiejętności przewidziane efektami kształcenia a ponadto potrafi pozyskiwać niezbędne informacje związane z automatyką korzystając z różnych źródeł.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który udzielił bezbłędnych odpowiedzi na co najmniej 80% pytań pisemnego testu sprawdzającego oraz który posiadł w stopniu dobrym wiedzę i umiejętności przewidziane efektami kształcenia a ponadto potrafi pozyskiwać niezbędne informacje związane z automatyką korzystając z różnych źródeł.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który udzielił bezbłędnych odpowiedzi na co najmniej 70% pytań pisemnego testu sprawdzającego oraz który posiadł w stopniu dostatecznym wiedzę i umiejętności przewidziane efektami kształcenia.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który udzielił bezbłędnych odpowiedzi na co najmniej 55% pytań pisemnego testu sprawdzającego oraz który posiadł w stopniu dostatecznym wiedzę i umiejętności przewidziane efektami kształcenia. Przy rozwiązywaniu zadań o średnim stopniu trudności wymaga wsparcia ze strony nauczyciela.

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który nie spełnił wymagań na ocenę dostateczną.