Podstawy automatyki. Ćwiczenia laboratoryjne

Podręcznik skierowany jest do studentów kierunku informatyka studiów
I stopnia oraz osób zainteresowanych wykorzystaniem środowisk symulacyjnych do przyswajania elementarnej wiedzy z zakresu podstaw automatyki. Stanowi zbiór ćwiczeń laboratoryjnych realizowanych z wykorzystaniem ogólnodostępnego darmowego środowiska symulacyjnego Scilab 6.1.1 (stan na wrzesień 2023 r.) w wersji desktopowej (https://www.scilab.org). Od października 2023 r. dostępna jest najnowsza wersja środowiska –
Scilab 2024.0.0.

Spis treści
Wykaz symboli         8
Wprowadzenie         12
Główne pojęcia z zakresu podstaw automatyki         14
1. Środowisko symulacyjne Scilab         16
1.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         16
1.2. Podstawowe wiadomości         16
1.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         17
1.3.1. Pierwsze uruchomienie środowiska         17
1.3.2. Edytor skryptów         18
1.3.3. Edytor schematów         20
2. Modelowanie i analiza właściwości dynamicznych obiektów automatyki         24
2.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         24
2.2. Podstawowe wiadomości         24
2.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         25
2.3.1. Model matematyczny elementu automatyki         25
2.3.2. Model matematyczny układu elektrycznego – czwórnik RC         26
2.3.3. Model czwórnika RC w środowisku Scilab/Xcos         27
2.3.4. Model matematyczny układu hydraulicznego – zbiornik ze swobodnym wypływem         33
2.3.5. Model zbiornika ze swobodnym wypływem w środowisku Scilab/Xcos         34
2.3.6. Zadania do samodzielnego wykonania         36
2.3.7. Sprawozdanie         36
3. Charakterystyki czasowe         37
3.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         37
3.2. Podstawowe wiadomości         37
3.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         37
3.3.1. Transmitancja operatorowa         38
3.3.2. Wyznaczenie transmitancji operatorowej G(s) czwórnika RC         39
3.3.3. Charakterystyka czasowa         39
3.3.4. Charakterystyka skokowa         40
3.3.5. Charakterystyka impulsowa         41
3.3.6. Charakterystyki czasowe czwórnika RC         42
3.3.7. Modelowanie czwórnika RC w Xcos z wykorzystaniem bloków CLR – model transmitancyjny         45
3.3.8. Porównanie modelu różniczkowego czwórnika RC z modelem transmitancyjnym czwórnika RC         45
3.3.9. Analityczne wyznaczenie odpowiedzi skokowej i impulsowej czwórnika RC          47
3.3.10. Zadania do samodzielnego wykonania         49
3.3.11. Sprawozdanie         50
4. Charakterystyki częstotliwościowe         52
4.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         52
4.2. Podstawowe wiadomości         52
4.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         53
4.3.1. Analityczna metoda wyznaczania transmitancji widmowej z transmitancji operatorowej         54
4.3.2. Wykreślanie charakterystyki częstotliwościowej         54
4.3.3. Charakterystyki częstotliwościowe członów automatyki         61
4.3.4. Zadania do samodzielnego wykonania         62
4.3.5. Sprawozdanie         62
5. Wprowadzenie do układów regulacji automatycznej         63
5.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         63
5.2. Podstawowe wiadomości         63
5.2.1. Sterowanie w strukturze otwartej         63
5.2.2. Sterowanie w strukturze zamkniętej         64
5.2.3. Regulator typu P         66
5.2.4. Regulator typu I         67
5.2.5. Regulator typu D         68
5.2.6. Regulator typu PI         68
5.2.7. Regulator typu PD         69
5.2.8. Regulator typu PID         70
5.2.9. Dobór regulatorów i ich nastaw         70
5.2.10. Jakość regulacji         73
5.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         77
5.3.1. Badanie odpowiedzi skokowej wybranego obiektu         77
5.3.2. URA z regulatorem typu P         79
5.3.3. URA z regulatorem typu PI         82
5.3.4. URA z regulatorem typu PID         83
5.3.5. Jakość regulacji i koszty regulacji dla URA z regulatorem typu PID         85
5.3.6. Zadania do samodzielnego wykonania         86
5.3.7. Sprawozdanie         86
6. Układ regulacji automatycznej poziomu cieczy w zbiorniku         88
6.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         88
6.2. Podstawowe wiadomości         88
6.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         89
6.3.1. URA z regulatorem typu P         89
6.3.2. URA z regulatorem typu PID         90
6.3.3. Jakość i koszty regulacji dla URA z regulatorem typu PID         91
6.3.4. URA z regulatorem typu PID, ograniczeniami i zakłóceniami sygnału regulującego         92
6.3.5. URA z regulatorem dwupołożeniowym         94
6.3.6. Zadania do samodzielnego wykonania         97
6.3.7. Sprawozdanie         97
7. Badanie stabilności         99
7.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         99
7.2. Podstawowe wiadomości         99
7.2.1. Badanie stabilności z wykorzystaniem analizy równania charakte¬rys-tycznego          100
7.2.2. Kryterium Hurwitza         101
7.2.3. Kryterium Routha         102
7.2.4. Kryterium Nyquista         105
7.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         105
7.3.1. Badanie reakcji wybranych obiektów na sygnał impulsowy         105
7.3.2. Badanie stabilności układów zamkniętych z wykorzystaniem analizy równania charakterystycznego         107
7.3.3. Badanie stabilności układów zamkniętych z wykorzystaniem kryterium Hurwitza         112
7.3.4. Badanie stabilności układów zamkniętych z wykorzystaniem kryterium Routha         116
7.3.5. Badanie stabilności układów zamkniętych z wykorzystaniem kryterium Nyquista         120
7.3.6. Zadania do samodzielnego wykonania         122
7.3.7. Sprawozdanie         124
8. Analiza wybranych URA         125
8.1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego         125
8.2. Podstawowe wiadomości         125
8.2.1. Silnik prądu stałego         126
8.2.2. Pomieszczenie zamknięte         128
8.3. Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego         132
8.3.1. Zadania do samodzielnego wykonania         132
8.3.2. Sprawozdanie         133
Bibliografia         134
Aneks         137
Transformata Laplace’a         137
Przekształcenie Laplace’a         137
Właściwości przekształcenia Laplace’a         138
Odwrotne przekształcenie Laplace’a         138
Transformaty wybranych funkcji         139