1. Uvod
Pri projektovanju sistema upravljanja treba najpre definisati upravljačke zahteve, odnosno
ciljeve upravljanja, definisanjem izlaznih veličina kojima treba upravljati i zahteva u pogledu
njih. Zatim treba definisati moguća merenja u sistemu i moguće manipulativne ulazne
promenljive i poremećaje koji deluju na proces. Sledeći korak se sastoji u izboru
konfiguracije upravljanja, odnosno informacione strukture koja povezuje merenja i
manipulativne promenljive u sistemu. Na kraju treba izvršiti izbor i specifikaciju svih
elemenata koje treba ugraditi u sistem upravljanja da bi se ostvarili postavljeni zahtevi
upravljanja. Osnovni elementi koji čine sistem upravljanja su proces koji predstavlja objekat
upravljanja, merni element, izvršni element i regulator. Regulator predstavlja element sistema
koji se projektuje sa ciljem da ostvari željene dinamičke karakteristike, i tipovi, način izbora i
projektovanje regulatora zavise od vrste odabrane konfiguracije upravljanja. Zbog toga će
regulatori, kao izuzetno važni elementi sistema upravljanja biti obrađeni u delovima koji se
odnose na konkretne konfiguracije upravljanja. Posebna pažnja će biti posvećena izboru i
projektovanju regulatora konfiguracije upravljanja sa negativnom povratnom spregom, u
četvrtom delu ove knjige. U petom delu će ukratko biti opisani načini projektovanja
regulatora za složenije konfiguracije upravljanja. Procesi koji predstavljaju objekte
upravljanja u procesnoj industriji imaju određene specifične karakteristike koje zavise od
njihove konstrukcije i fizičko-hemijskih procesa koji se u njima odigravaju. Za upravljanje
njihovim radom se mogu upotrebiti različite konfiguracije sistema upravljanja, ali
karakteristike samog procesa nisu njima uslovljene. O dinamici nekih karakterističnih procesa
koji se javljaju u postrojenjima procesne industrije i dobijanju njihovih teorijskih
determinističkih modela je bilo dosta reči u drugom delu ove knjige. Uloga mernih elemenata
se razlikuje u različitim konfiguracijama sistema upravljanja. Oni najčešće služe za merenje
izlaznih promenljivih kojima treba upravljati (kod sistema sa negativnom povratnom
spregom) ali mogu služiti i za merenje ulaznih poremećaja (kod sistema sa upravnom
spregom) ili za merenje sekundarnih izlaznih promenljivih (kod sistema posrednog
upravljanja). Ali, u sva tri slučaja se za merenje određene fizičke veličine koriste isti uređaji,
tako da ćemo u ovom delu knjige dati osnovne karakteristike mernih elemenata koji se koriste
u sistemima automatskog upravljanja i postupak za njihov pravilan izbor. Daćemo pregled
osnovnih principa i instrumenata za merenje najvažnijih procesnih promenljivih: pritiska,
nivoa, protoka, temperature i sastava. Izvršni element predstavlja element sistema upravljanja
pomoću koga se, na osnovu informacije iz regulatora dobijene obradom izmerenih veličina u
procesu, vrši delovanje na proces promenom manipulativnih promenljivih, u cilju upravljanja
njegovim radom.
2. Automatsko upravljanje
Automatsko upravljanje igra sve veću ulogu u svim fazama modernog života. Počevši od
kućnog bojlera, gdje se automatski termostatom reguliše temperatura vode, do sofisticiranih
sistema automatskog upravljanja za proizvodnju energije i upravljanja svemirskim brodom,
sistemi automatskog upravljanja (SAU) imaju velikog uticaja na svakodnevni život ljudi.
Pojava SAU naznačuje početak druge industrijske revolucije. Prva industrijska revolucija u
toku devetnaestog vijeka značila je povećano učešće mehaničke snage u industrijskoj
proizvodnji kao zamjena za snagu čovjeka i životinja. Efikasno korištenje snage predpostavlja
mogućnost upravljanja i regulacije te snage. Raspolaganje snagom i mogućnošću njenog
upravljanja, mnogi fizički i mentalni radovi mogu biti mehanizovani i izvršavani sa većim
stepenom kvaliteta nego ranije. SAU su fizički sistemi koji se dinamički ponašaju.
Proučavanje teorije automatskog upravljanja obezbjeđuje osnovu za opšte razumjevanje
dinamičkih sistema. SAU se sastoji od elemenata i komponenti različitih tipova uključujući:
mehaničke, električne, elektornske, hidraulične, pneumatske, itd. i njihove kombinacije.
Poras broja racunara za procesno upravljanje
Oni koji rade u oblasti upavljanja moraju poznavati principe rada i karakteristike širokog
skupa opreme. Drugim riječima, oblast automastkog upravljanja je interdisciplinarna budući
da u sebe uključuje mnogo različitih naučnih disciplina i oblasti tehnike i tehnologije.
Filozofija automatskog upravljanja ima implikacije i na ekonomske, poslovne i društvene
sisteme, mada u ovim oblastima još nema značajnih rezultata obzirom na prirodu ovih
sistema. Intenzivnom uvođenju SAU u razne primjene doprinio je i buran razvoj raznih
tehnologija, a naročito tehnologije za proizvodnju mikroelektronskih poluprovodničkih
komponenti. To je vodilo porastu primjena digitalnih sistema upravljanja u raznim obastima
ljudske djelatnosti. Kao ilustracija tog trenda može poslužiti sl. 1., gdje se daje porast
primjene procesnih računara u upravljanju raznih industrijskih procesa.
Slika 2. Elementi sistema automatskog upravljanja
Bez obzira sa kolikom preciznoš ću pristupamo proučavanju nekog sistema moramo znati da
nikad ne možemo uzeti u obzir sve činjenice koje direktno ili indirektno uti č u na ponašanje
sistema. Stoga rezultate svakog istraživanjaili eksperimenta uvek treba da prihvatamo sa odre
đenom rezervom.
U elemente sistema automatskog upravljanja se ubrajaju:
Sistem
Merni elementi
Kontroler i
Izvršni uređaj kontrole ili izvršni element.
2.2.
Sistem i njegove karakteristike u SAU-u
Pod sistemom, u ovom slučaju, smatraćemo izdvojenu sredinu u kojoj materijalne elemente
povezuju različite interakcije. Delom sistema smatramo onaj objekat, koji se sa stanovišta
proučavanja delovanja sistema više ne može rastavljati. Između objekata sistema i okruženja
mogudelovati različiti fizički, hemijski, biološki ili informacioni procesi. Matematički opis
(matematički model) sistema ćemo takođe smatrati sistemom. Između prirodnih ili veštačkih
sistema, procesa, pojava uvek postoji neka uzročno- posledična sprega. Ako proučavamo neki
sistem tada ne smemo zanemariti njen uticaj na okruženjei uticaj okruženja na sistem. Ovi
uticaji mogu biti koncentrisani na određenu tačku sistema u vidu delovanja neke sile ili
raspoređeni na neku površinu celog sistema ili dela sistema. Ovakav raspoređeni karaker
imaju toplotna energija, pritisak, gravitacija, magnetna polja itd. Na slici prikazan je šematski
slučaj sistema na koji okruženje deluje preko koncentrisanih uticaja. Strelice označavaju
pravac i smer dejstava. Osobine nekog sistema određuju karakeristike podsistema ikarakter
interakcija između podsistema i sistema i okruženja. Bez obzira sa kolikom preciznošću
pristupamo proučavanju nekog sistema moramo znati da nikad ne možemo uzeti u obzir sve
činjenice koje direktno ili indirektno utič u na ponašanje sistema. Stoga rezultate svakog
istraživanjaili eksperimenta uvek treba da prihvatamo sa odre đenom rezervom. Stanje nekog
sistema je svaka proizvoljna i jasno određena osobina sistema koja se uvek može jednozna č
no uočiti ako se ponovi. Stanje sistema je ona informacija o sistemu u jednomtrenutku koja je
neophodna za uvid u ponašanje sistema. Sistem može imati kona č no mnogo stanja. Stanje
sistema se kvalitativno i kvantitativno opisuje mernim brojevima veličina koje
karakterišuinterakcije u sistemu i interakcije između okruženja i sistema. Ovi merni brojevi se
mogu odnositina poziciju (npr. udaljenost, nivo), stanje materije i energije (npr. temperatura,
pritisak, sastav). Pojam kretanja je preuzet iz mehanike, gde se kretanje odnosi na proces
promene položaja.U daljem ćemo pod kretanjem podrazumevati sve promene stanja. U ovom
smislu kretanje je i promena temperature nekog tela, punjenje kondenzatora, promena stanja
na računu u banci, promena količine sirovina u magacinu itd.
Slika 3. Blok šema sistema
U opštem slučaju kretanje se odnosi i na promene u tako složenim pojavama kao što su život i
razmišljanje. Kretanje sistema – promena stanja – se odvija ili pod dejstvom okruženja ili pod
dejstvomunutrašnjih podsticaja. Svako dejstvo na sistem izaziva promene u sistemu tj.
uzrokuje promenustanja. Meru promene stanja ocenjujemo na osnovu promena mernih
brojeva pokazatelja stanja.Strogo uzevši izme đ u svakog sistema i okruženja postoji konačno
mnogo interakcija ilinemaju sve interakcije isti značaj. Jasno je da privla č na sila meseca uti č
e na kretanje automobila nazemlji ali je ovaj uticaj toliko mali da se u principu uvek može
zanemariti. Iz skupa mogu ć ih uticajaokruženja na sistem uvek razmatramo one koje mogu
imati neki primetan uticaj na promene stanjasistema. Ove spoljašnje uticaje nazivamo
ulazima. Element na koji deluje ulaz je ulazni element. U skupu ulaza srećemo upravljačke
ulaze i smetnje. Upravljački ulazi se u procesuupravljanja namerno menjaju da bi preko njih
izazvali željene promene stanja sistema (npr. menjase otvorenost ventila za dotok vode u
nekom rezervoaru, menjamo napon napajanja motora iliunosimo novi podatak u računar).
Smetnje su oni ulazi na koje upravljanje ne deluje. Smetnje mogunastati i zbog promena u
samom sistemu zbog zamora materijala itd. Uticaj sistema na okruženje opisuju izlazne
veličine tj. izlazi. Promene izlaza nastaju zbog promena upravlja č kih ulaza i smetnji.
Matematički aparat apstraktnog opisa nije uvek jednozna č an i u opštem slu č aju predstavlja
ustaljenom(stacionarnom) stanju, u stanju prelaza iz jednog u drugo ravnotežno stanje, i u
periodi č nom režimurada. Sistem je u ustaljenom stanju ako se stanja sistema ne menjaju u
kona č nom trajanjuvremena. Sistem je u prelaznom režimu ako iz jednog stacionarnog stanja
teži u neko drugostacionarno stanje ili u režim periodnih promena. Prelazni režimi nastaju
zbog spoljašnjih uticaja ili unutrašnjih promena. Sistem se nalazi u prelaznom režimu ako po
isteku određenog vremena ponovo zauzimaneko prethodno stanje.
U vezi određivanja režima rada sistema pojavljuje se niz pitanja na koje se odgovori mogudati
samo nakon temeljnih kvalitativnih i kvantitativnih analiza. Zadaci u vezi režima rada
sistemase svrstavaju u slede ć e dve kategorije: Analiza sistema se provodi ako je poznata
struktura sistema, i ako su poznati parametrisistema a određuju se osnovne osobine i mogu ć a
ponašanja sistema. Sinteza sistema se bavi problematikom određivanja strukture i parametara
takvog sistemakoji će imati unapred definisane osobine.Osobine sistema se mogu ustanoviti
ili na bazi eksperimentisanja i merenja (identifikacija),ili rešavanjem modela sistema u razli č
itim mogu ć im situacijama (simulacija).Da bi mogli obavljati eksperimente na nekom
sistemu, sistem mora omogu ć iti ili pružitiuslove za:
Ostvarivanje promena u sistemu u širokom opsegu,
Prikupljanje informacija o promenama stanja pri eksperimentisanju.,
Pri eksperimentisanju uslovi rada nemaju nepoželjne posledice kao što su
gubitci,opasnost po život itd.
Pri tom ne treba zanemariti uslov da se pri promenama koje zahtevaju eksperimenti
nesmeju nastati ošte ć enja sistema, ugrožavanje života osoblja ili bilo koje druge
nepoželjne pojave.
Kod realnih sistema celishodno je vršiti istraživanja koja se zasnivaju i na identifikaciji i
nasimulacijama.
3. Mjerni elemnti u sistemu automatskog upravljnja
Neophodan uslov za bilo koju vrstu upravljanja procesom je ostvarivanje merenja određenih
promenljivih tog procesa. Zbog toga je vrlo značajno odabrati merne elemente koji će dati
tačna, precizna i pouzdana merenja. Kod regulacionih sistema sa povratnom spregom, vrši se
merenje izlaznih promenljivih kojima se želi upravljati dok se kod upravljanja sa upravnom
spregom mere ulazni poremećaji. Merni elementi predstavljaju glavni izvor informacija u
sistemu upravljanja i zbog toga se često nazivaju informacioni elementi. Kao što smo
naglasili, da bi mogli da se koriste u sistemima automatskog upravljanja, merni elementi treba
da konvertuju fizičku veličinu koja se meri u neki od standardnih signala. Elementi koji se
koriste u te svrhe se nazivaju merni pretvarači (davači), ili ,češće, merni elementi -
transmiteri. Merni elementi - transmiteri se sastoje zapravo iz dva dela: osetnog elementa
(senzora) i pretvaračkog dela (transmitera). Zavisno od vrste transmitera, izlaz iz mernog
elementa će biti standardni pneumatski, strujni, naponski ili digitalni signal.
