automatyka

automatyka

[gr.],

dział nauki i techniki obejmujący teorię i praktykę realizacji urządzeń zapewniających samoczynne (bez udziału człowieka lub z ograniczonym jego udziałem) działanie maszyn, mechanizmów i instalacji; w języku potocznym, słowo automatyka oznacza też często pewne funkcje i działania zapewniające samoczynną pracę jakiegoś urządzenia lub instalacji.

Naukowe podstawy automatyki tworzą teoria sterowania (sterowanie) — zajmująca się w sposób najbardziej ogólny metodami realizacji pożądanego zachowania układów sterowania (obiektów fizycznych, głównie technologicznych), teoria regulacji (będąca szczególną częścią teorii sterowania), zajmująca się sterowaniem w układach ze sprzężeniem zwrotnym oraz teoria optymalizacji, zajmująca się zagadnieniami sterowania zapewniającego optymalne, wg określonych wskaźników, zachowanie układu sterowania. Teoria sterowania, posługując się metodami matematycznymi (przede wszystkim metodami analizy, algebry i rachunku prawdopodobieństwa) tworzy matematyczny opis (model matematyczny) zjawisk zachodzących w sterowanym układzie i rozpatruje zachowanie tak opisanego układu pod wpływem zmian wybranych wielkości (sygnałów sterujących). Szczególnym przypadkiem sterowania jest regulacja, zajmująca się utrzymywaniem zadanego przez użytkownika stanu układu sterowanego lub nadążaniem za zmianami takiego stanu, pomimo przypadkowych zakłóceń zachodzących w samym układzie i w jego otoczeniu; głównymi problemami rozpatrywanymi przez teorię regulacji są badania stabilności układu regulacji oraz jakości regulacji, mierzonej przez odchylenie stanu rzeczywistego układu od stanu zadanego. Teoria optymalizacji zajmuje się wyznaczaniem takiego przebiegu sygnałów sterujących, który zapewni najlepsze, wg przyjętych kryteriów, działanie układu sterowanego w zadanych warunkach, np. największą wydajność przy określonym poziomie zużycia energii. Przy tworzeniu opisu sterowanego układu korzysta często z metod modelowania. Model umożliwia przewidywanie zachowania się układu (m.in. dzięki metodom symulacji komputerowej). Przy wyznaczaniu (obliczaniu) sterowania, zwłaszcza optymalnego, oraz modelowaniu i symulacji zachowania złożonych układów, automatyki wykorzystuje metody i narzędzia informatyki, w tym także jej najnowszych działów, takich jak rozpoznawanie mowy, rozpoznawanie obiektów i sztuczna inteligencja.

W zakresie techniki automatyka obejmuje kilka odrębnych obszarów: sterowanie procesami technologicznymi, pomiary automatyczne, zdalne nadzorowanie maszyn i instalacjii oraz sterowanie nimi, diagnostykę maszyn i instalacji, robotykę, komunikację systemów sterujących z użytkownikami (operatorami). Sterowanie kompleksowymi procesami wymaga na ogół wielostopniowego podejmowania decyzji przez wielopoziomowy (hierarchiczny) system sterujący, którego niższe poziomy rozwiązują najczęściej problemy stabilności i bezpieczeństwa pracy instalacji, zaś wyższe są związane z ocenami ekonomicznymi i optymalizacją biegu procesu; takie sterowanie jest podstawą elastycznych systemów produkcyjnych i komputerowych zintegrowanych systemów produkcyjnych. Zasadnicze znaczenie dla działania systemów automatycznych mają czynności przetwarzania danych i generacji sygnałów sterujących, które muszą być wykonywane w tempie narzuconym przez szybkość procesów, przebiegających w sterowanej lub nadzorowanej instalacji (system czasu rzeczywistego). Funkcję elementów przetwarzających pełnią na ogół komputery oraz inne urządzenia elektroniczne o stałym lub zmiennym programie działania. Komputery, wyposażone w odpowiednie oprogramowanie i w układy wejść i wyjść przemysłowych (urządzeń umożliwiających oddziaływanie sygnałów zewnętrznych na system oraz sygnałów pochodzących z systemu na otoczenie), odgrywają w systemie sterującym rolę stacji zbierania danych pomiarowych, regulatorów, lokalnych sterowników maszyn i urządzeń technologicznych, sterowników logicznych, sterowników nadrzędnych, stacji operatora procesu itp. Również czujniki pomiarowe są na ogół urządzeniami elektronicznymi. Elementy wykonawcze są najczęściej urządzeniami mechanicznymi (np. zawory), elektrycznymi (silniki), hydraulicznymi lub pneumatycznymi (siłowniki). Wszystkie urządzenia wchodzące w skład systemu sterującego są powiązane ze sobą za pomocą odpowiednich połączeń (sprzęgów), przede wszystkim sieci komputerowych o zdeterminowanym czasie przekazywania wiadomości. Działaniem całego systemu steruje oprogramowanie komputera, oparte najczęściej na systemie operacyjnym czasu rzeczywistego. Opracowanie oprogramowania i weryfikacja jego poprawności jest obecnie głównym elementem realizacji systemu automatycznego sterowania. Wielki wzrost możliwości systemów automatycznych jest następstwem rozwoju elektroniki i informatyki, który umożliwił budowę przekazujących i przetwarzających dane urządzeń o bardzo wysokiej niezawodności, małych rozmiarach, małym poborze mocy oraz niskiej cenie. Praktyczne zastosowania automatyki mają ogromne znaczenie dla rozwoju współczesnej cywilizacji przemysłowej, warunkiem rozwoju całego nowoczesnego przemysłu, wymagającego ogromnej dokładności i powtarzalności operacji, jest automatyzacja produkcji. Podobnie do rozwoju systemów szybkiego transportu, zwłaszcza lotniczego i kolejowego wymagających coraz wyższego poziomu bezpieczeństwa, są niezbędne automatyczne systemy sterujące i wspomagające kierowanie ruchem. Utrzymanie sprawności coraz rozleglejszych instalacji komunalnych, takich jak sieci energetyczne, ciepłownicze, gazownicze, wodociągowe i kanalizacyjne jest możliwe dzięki zdalnemu monitorowaniu natężenia przepływu w różnych punktach. Komputerowe systemy wbudowane stają się nieodzownym elementem urządzeń powszechnego użytku, takich jak samochody, telewizory, telefony komórkowe. Bardzo szerokie zastosowanie znajdują systemy automatycznego sterowania w urządzeniach i instalacjach wojskowych (np. systemy monitorowania przestrzeni powietrznej kraju, naprowadzania samolotów i rakiet, sterowania ogniem). Bez systemów automatycznych nie rozwinęłyby się badania kosmiczne: zarówno loty rakiety, jak i działanie stacji orbitalnych, są możliwe wyłącznie dzięki nieustannemu działaniu systemów automatycznego sterowania i podtrzymywania życia.

Jako samodzielna dyscyplina naukowa automatyka powstała w latach 20. XX w.

Bibliografia

T. Kaczorek Teoria sterowania i systemów, wyd 3., Warszawa 1999;

S. M. Shinners Modern Control System. Theory and Design, New York 1992;

K.J. Astrom, B.Wittenmark Computer-Controlled Systems. Theory and Design, Englewood Cliffs (New Jersey) 1997.