Kontrolni sistemi igraju ključnu ulogu svemirskim letovimaPrimjer sistema automatskog upravljanja (SAU), ili kontrolnog sistema. Prikazani služi za održavanje brodskog kormila u podešenom položaju. Odstupanje se mjeri, i preko proporcionalnog pojačavača privodi motoru koji vrši korekciju položaja kormila. Ovo je jednostavan sistem sa povratnom spregom.
Automatika (kontrolno inženjerstvo) je grana nauke i tehnike koja se bavi principima i teorijom automatskih kontrolnih sistema i uređaja, koji izvršavaju zadatke bez neposrednog učešća čovjeka.[1]
Obuhvata više primijenjenih disciplina, kao što su teorija optimalnih sistema, teorija konačnih automata,[2] teorija pouzdanosti i druge. Ovo je sve potrebno za uspješno projektovanje, proračun i realizaciju raznih automatskih sistema. Teorija elemenata automatike i teorija automatskog upravljanja su čvrsto povezane i samo kao cjelina služe za praktično ostvarenje automatskih sistema.[1]
Za razliku od kibernetike, koja proučava samo informacione ili acikličke automatske sisteme, automatika proučava i cikličke i determinisane automatske sisteme (vidi Automatsko upravljanje).
Elementi automatike
Sistem automatskog upravljanja (SAU) se sastoji od raznih elemenata koji vrše samostalne funkcije. Prema osnovnim funkcijama, mogu se svrstati u senzore, međuelemente i izvršne organe.
Senzor (davač, detektor, osjetilo) je osnovni element svakog SAU. On neprekidno mjeri stvarnu vrijednost upravljanog parametra. Zatim daje vrijednost komparatoru (upoređivaču) koji upoređuje izmjerenu i referentnu (željenu) vrijednost veličine i daje signal greške, proporcionalan razlici istih. U primjeru na slici, potenciometar je senzor pozicije kormila. Komparator je operacioni pojačavač spojen kao komparator (izlaz je razlika napona na invertujućem i neinvertujućem ulazu).
Međuelement je sistem kojim se informacije od senzora pojačavaju ili dovode u podesan oblik za upravljanje izvršnim organom. Može biti dio kanala veze (prijemnik, predajnik, koder, dekoder), pojačavač, transformator i tako dalje. Na slici, međuelement je pojačavač snage.
Izvršni organ djeluje na proces kojim se upravlja na osnovu signala od međuelementa. Može biti motor, električni, hidraulični, pneumatski, kombinovani, elektromagnet, cilindar s klipom i tako dalje. Na slici, izvršni organ je elektromotor sa zupčaničkim prenosom, koji pokreće kormilo.
Teorija elemenata automatike i automatskog upravljanja
Teorija elemenata automatike bavi se proučavanjem rada, metoda proračuna i metoda realizacije elemenata a. koji ulaze u sastav SAU. Teorija automatskog upravljanja se bavi izučavanjem principa projektovanja, proračuna i izvođenja SAU kao cjeline.
Pri radu SAU njegovi elementi su normalno u vremenski promjenjivim režimima. Zbog toga ponašanje SAU zavisi od dinamičkih karakteristika. S aspekta teorije nije važno kakvi se fizički procesi odvijaju u elementima, već su važne njihove dinamičke osobine.
Svaki automatski sistem se može predstaviti strukturnom šemom sistema, u kojoj su stvarni elementi zamijenjeni osnovnim dinamičkim, sa označenim vezama i smjerom toka signala. Sa šemama se može izvršiti analiza ponašanja realnog sistema prije stvarne konstrukcije. Za analitičko ispitivanje ponašanja SAU potrebno je postaviti njegovu diferencijalnu jednačinu i riješiti je nalaženjem opšteg integrala. Zatim se određuju početni uslovi i naći zavisnost izlazne veličine od ulazne preko prelazne karakteristike (engl.transfer characteristic). To je često težak problem, posebno za složene sisteme. Ovo se može znatno olakšati korištenjem Laplasovih transformacija, kojima se diferencijalne jednačine pretvaraju u algebarske, preko tablice čestih slučajeva. Laplasove transformacije i prenosne (prenosne) funkcije (transfer function) omogućuju znatno pojednostavljen način nalaženja karakteristika automatskog sistema, za slučajeve koji se često sreću u praksi.
Prijenosna (prenosna) funkcija
Prijenosna funkcija sistema ili elementa sistema predstavlja odnos Laplasove transformacije izlazne veličine naspram Laplasove transformacije ulazne veličine pri nultim početnim uslovima. Ona u potpunosti određuje dinamičke promjene izlazne veličine u odnosu na ulaznu. S time, one se koriste za testiranje karakteristika sistema i prije stvarne konstrukcije.
U zavisnosti od toga da li izlazne veličine preko povratne sprege djeluju na ulaznu veličinu, razlikujemo zatvoreno kolo (djeluje povratna sprega) i otvoreno kolo SAU.
Na osnovi sistema prenosnih funkcija razvijene su praktične teorijske i eksperimentalne metode za ispitivanje karakteristika sistema kao što su stabilnost. Za određivanje stabilnosti koriste se Nikvistov kriterijum stabilnosti i Bodeov kriterijum stabilnosti, kriterijum geometrijskog mjesta korjenova i slično.
Franklin, Gene F.; Powell, J. David; Emami-Naeini, Abbas (2014) (English). Feedback control of dynamic systems (7th izd.). Stanford Cali. U.S.: Pearson. str. 880. ISBN9780133496598.
Blanke, M.; Kinnaert, M.; Lunze, J.; Staroswiecki, M. (2006), Diagnosis and Fault-Tolerant Control (2nd izd.), Springer
Steffen, T. (2005), Control Reconfiguration of Dynamical Systems, Springer
Staroswiecki, M. (2005), „Fault Tolerant Control: The Pseudo-Inverse Method Revisited”, Proceedings of the 16th IFAC World Congress, Prague, Czech Republic: IFAC
Lunze, J.; Rowe-Serrano, D.; Steffen, T. (2003), „Control Reconfiguration Demonstrated at a Two-Degrees-of-Freedom Helicopter Model”, Proceedings of European Control Conference (ECC), Cambridge, UK.
Maciejowski, J.; Jones, C. (2003), „MPC Fault-Tolerant Flight Control Case Study: Flight 1862”, Proceedings of the SAFEPROCESS 2003: 5th Symposium on Detection and Safety for Technical Processes, Washington D.C., USA: IFAC, pp. 265–276
Mahmoud, M.; Jiang, J.; Zhang, Y. (2003), Active Fault Tolerant Control Systems - Stochastic Analysis and Synthesis, Springer
Zhang, Y.; Jiang, J. (2003), „Bibliographical review on reconfigurable fault-tolerant control systems”, Proceedings of the SAFEPROCESS 2003: 5th Symposium on Detection and Safety for Technical Processes, Washington D.C., USA: IFAC, pp. 265–276
Patton, R. J. (1997), „Fault-tolerant control: the 1997 situation”, Preprints of IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety for Technical Processes, Kingston upon Hull, UK, pp. 1033–1055
Rauch, H. E. (1995), „Autonomous control reconfiguration”, IEEE Control Systems Magazine15 (6): 37–48, DOI:10.1109/37.476385
Rauch, H. E. (1994), „Intelligent fault diagnosis and control reconfiguration”, IEEE Control Systems Magazine14 (3): 6–12, DOI:10.1109/37.291462
Gao, Z.; Antsaklis, P.J. (1991), „Stability of the pseudo-inverse method for reconfigurable control systems”, International Journal of Control53 (3): 717–729, DOI:10.1080/00207179108953643
Looze, D.; Weiss, J.L.; Eterno, J.S.; Barrett, N.M. (1985), „An Automatic Redesign Approach for Restructurable Control Systems”, IEEE Control Systems Magazine5 (2): 16–22, DOI:10.1109/mcs.1985.1104940.
Esna Ashari, A.; Khaki Sedigh, A.; Yazdanpanah, M. J. (2005), „Reconfigurable control system design using eigenstructure assignment: static, dynamic and robust approaches”, International Journal of Control78 (13): 1005–1016, DOI:10.1080/00207170500241817.
