Prowadzący(a) Grupa Zespół data ćwiczenia Lp. Nazwisko i imię Ocena LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI

Transkrypt

1 Intytut Automatyki i Robotyki Prowadzący(a) Grupa Zepół data ćwiczenia Lp. Nazwiko i imię Ocena LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI Ćwiczenie PA6a 1 Badanie regulatora mikroproceorowego EFTRONIK X. Identyfikacja obiektu w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym Ćwiczenie kłada ię z dwóch części. W części I przeprowadzone zotaną badania charakterytyk tatycznych i odpowiedzi na zakłócenie kokowe regulatora mikroproceorowego EFTRONIK X produkcji CONTROLMATICA ZAP PNEFAL o ygnale ciągłym i algorytmie P, PI, PD oraz PID. Część II dotyczy ekperymentalnej identyfikacji właściwości tatycznych i dynamicznych obiektu w układzieregulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym. Część I I. Badanie regulatora mikroproceorowego EFTRONIK X 1. Ogólny opi regulatora Regulator EFTRONIK X jet uniweralnym dwukanałowym ( a opcjonalnie czterokanałowym ) urządzeniem cyfrowym przeznaczonym do toowania w układach pomiarów, terowania i regulacji przemyłowych proceów ciągłych. MoŜe on pracować jako przyrząd autonomiczny lub jako urządzenie terujące najniŝzego rzędu w ytemach komputerowych. Regulator EFTRONIK X zawiera natępujące pakiety PAKIET OPERATORSKI wypoaŝony w elementy pokazane na ry 1. oraz 12 tykowe gniazdo do połączenia z pakietem proceora. PAKIET PROCESORA zawierający jednoukładowy pecjalizowany mikrokontroler SAB80535 firmy Siemen AG oraz układy pamięciowe RAM 32 kb, EPROM 64 kb, EEPROM 8 kb. Pakiet proceora wykonany jet w potaci jednej płytki drukowanej wypoaŝonej w złącza do połączenia z panelem operatorkim, modułem zailacza i terownika prądowego łącza tranmiji zeregowej, pakietami wejść i wyjść analogowych oraz pakietem wejść / wyjść dykretnych W pakiecie proceora natępuje przetwarzanie ygnałów analogowych na cyfrowe i odwrotnie oraz obróbka danych. PAKIET WEJŚĆ ANALOGOWYCH jeden dla dwu wejść ( lub jeden dla czterech wejść) łuŝący do dopaowania ygnałów z przetworników pomiarowych do zakreu ygnałów akceptowanych przez regulator. Pakiet wykonany jet w potaci płytki drukowanej u Opracowanie intrukcji do ćwiczenia: dr inŝ. Danuta Holejko

2 2 wypoaŝonej w złącza do połączenia z pakietem proceora oraz złącze W3 do połączenia przewodów z przetworników pomiarowych. PAKIET WYJŚĆ ANALOGOWYCH jeden dla dwu wyjść, łuŝący do uzykania dwu w pełni niezaleŝnych, odeparowanych galwanicznie ygnałów wyjściowych napięciowych lub/i prądowych regulatora. Pakiet wykonany jet w potaci płytki drukowanej wypoaŝonej w złącze do połączenia z pakietem proceora oraz złącze W4 do połączenia przewodów wyprowadzających ygnały wyjściowe analogowe. PAKIET WEJŚĆ/WYJŚĆ DYSKRETNYCH jeden dla 4 wejść i 4 wyjść. Ry.1 Widok pulpitu operatorkiego regulatora EFTRONIK X Opi wybranych elementów pulpitu operatorkiego ; 1. Wyświetlacz ( czerwony) wielkości mierzonej PV. W trybie P (programowanie) pokazuje adre parametru, 2. Wyświetlacz ( zielony) OUT/SP/ERR wyświetlający w trybie pracy zaleŝnie od ekwencji przyciku MODE wartość ygnału wyjściowego regulatora OUT, lub wartość zadaną regulatora SP, kody alarmów lub w trybie P- Programowanie wartość parametru, 3. Wyświetlacz numeru kanału CHAN NO

3 4. Wkaźnik diodowy odchyłki regulacji d = PV - SP 3 5. Wkaźnik diodowy ygnału wyjściowego analogowego (CV) lub dykretnego (diody krajne) 6.1. Wkaźnik alarmu od przekroczenia górnego poziomu odchyłki regulacji (PV -SP>0) 6.2. Wkaźnik alarmu od przekroczenia dolnego poziomu odchyłki regulacji (PV -SP< 0) 7. Wkaźnik wytąpienia alarmu- ALARM 8. Sygnalizacja wkazań dolnego wyświetlacza- dioda świeci ię gdy wkazywana jet wartość zadana SP lub kod alarmu ERR: dioda nie świeci ię gdy wkazywana jet wielkość wyjściowa OUT, 9. Sygnalizacja reŝimu pracy : M terowanie ręczne, A- terowanie automatyczne, C- terowanie wyjściem lub wartością zadaną z komputera, CAS terowanie automatyczne ze zdalną wartością zadaną 10. Przycik MODE realizuje przełączanie trybu pracy regulatora ( Praca/ Programowanie), przełącznik kanałów, kwitowanie alarmów, przełączanie aktywności wyświetlaczy w trybie Programowanie, Przycik przywołania na wyświetlacz dolny wartości zadanej SP, kodu alarmów, wielkości wyjściowej regulatora oraz do natawiania określonej wartości SP po jej przywołaniu i uaktywnieniu przycikami 13.2 i 13.1, przewijania adreów parametrów w trybie Programowanie, Natawianie określonej wartości zadanej SP po jej uaktywnieniu, przełączenie wielkości wyjściowej OUT na dolny wyświetlacz, 12. Przycik reŝimu pracy, Zwiękzanie wartości wielkości wyjściowej regulatora aktualnie wyświetlanej na dolnym wyświetlaczu; uaktywnienie określonego pola wyświetlacza, gdy przywołano wielkość SP; przewijanie kolejki alarmów po wywołaniu na wyświetlacz dolny numeru pierwzego alarmu z kolejki, Analogicznie jak 13.1 lecz do zmniejzania, Kiezonka na tabliczkę wielkości fizyczne, np. 0 C, kpa, Kiezonka na tabliczkę ymbol obwodu. 2. Podtawowe dane techniczne regulatora Wejścia analogowe ilość: - 4 wejścia: AI1, AI2, AI3, AI4 zakrey: ma, 4 20 ma lub 0 5 ma V, 1 5 V lub0 10 V - wejście rezytancyjne z termometru rezytancyjnego Pt100 - wejście rezytancyjne dla nadajników potencjometrycznych: 1000 Ω, 2000 Ω, 5000 Ω Wejścia dykretne ilość: - 4 wejścia ; DI1, DI2, DI3, DI4 parametry - napięcie : V, lub V

4 Wyjścia analogowe ilość: - 2 wyjścia AO1, AO2 zakrey: ma lub 1 5 V V lub 3 5 V Wyjścia dykretne ilość: - 4 wyjścia DO1, DO2, DO3, DO4 parametry: - zetyk przełączny 24Vdc, 200mA/wyj - zetyki zwierne 220 V ac, 1A/wyj, - triak 220V ac,1a/wyj. Zailanie V ac, f = 50 Hz. Cykl przetwarzania Regulator działa z wewnętrznym cyklem przetwarzania w granicach : m., co oznacza pomiar ygnałów wejściowych i aktualizację ygnałów wyjściowych z taktem w tych granicach. 3. Struktura funkcjonalna regulatora Oprogramowanie regulatora umoŝliwia realizację kilkudzieięciu elementarnych algorytmów. Dla uprozczenia programowania algorytmy zotały podzielone na grupy tzw. WARSTWY o numerach 1-6. Zbiór 22 bloków ułoŝonych w wartwach tanowi trukturę funkcjonalną regulatora przedtawioną na ry. 2. Ry. 2. Struktura funkcjonalna regulatora EFTRONIK X Oznaczenia: AI - wejścia analogowe (analog input), DI - wejścia dykretne ( digital input),, AO - wyjście analogowe ( analog output ), DO - wyjście dykretne ( digital output ), H - wartość górna alarmu (High ), L - wartość dolna alarmu (Low ). Bloki zotały uporządkowane wg indeków : nr wartwy, nr kanału : np. 31 oznacza blok w wartwie 3, kanał 1. KaŜdy blok ma określone wejścia i wyjścia tzn. ich liczbę i rodzaj ( analogowe, dykretne ). KaŜdy blok moŝe realizować jeden z algorytmów wybranych z biblioteki algorytmów dla danej wartwy w trakcie programowania. Wejścia

5 5 bloków w WARSTWIE 1 ą bezpośrednio połączone z wyjściami przetworników a/c, wyjścia bloków w WARSTWIE 5 ą bezpośrednio połączone z wejściami przetworników c/a, w związku z tym analogowe ygnały wejściowe i wyjściowe muzą przechodzić przez odpowiednie bloki w tych wartwach. Algorytmy wartwy 1 przeznaczone ą do wtępnego przetwarzania wejściowych ygnałów analogowych pochodzących zarówno z przetworników pomiarowych z obiektu regulacji jak i nadajników ygnału przęŝenia zwrotnego od przemiezczenia liniowego lub kątowego trzpienia zaworu regulacyjnego a takŝe z innych źródeł prądowych lub napięciowych. W blokach tej wartwy dotępne ą : funkcja odwracania ygnału, zetaw funkcji arytmetycznych jednej zmiennej, filtracja zumów pomiarowych zawartych w ygnale wejściowym, linearyzacja termometru rezytancyjnego Pt100, moŝna takŝe zaprogramować ygnalizację przekroczenia dolnej lub górnej wartości wielkości wejściowej. Algorytmy wartwy 2 łuŝą do obróbki ygnałów dykretnych. Dotępna jet w tych blokach funkcja filtracji oraz powtórzenia lub negacji ygnału wejściowego. Algorytmy wartwy 3 łuŝą do realizacji funkcji algebraicznych i arytmetycznych dwu zmiennych, kluczy ( przełączników) terowanych ygnałem analogowym, dykretnym lub ygnałem alarmu awarii toru pomiarowego, funkcji integratora impulowego wykorzytywanego do pomiaru natęŝenia przepływu płynu metodą licznika. Klucze umoŝliwiają przełączanie automatyczne trybu pracy M A bez udziału operatora. H X 1 X 2 C, CAS PV SP PID A y SP A, M L M M Ry.3. Schemat funkcjonalny bloku regulacyjnego regulatora EFTRONIK X Algorytmy wartwy 4 zapiane w 4 identycznych blokach, pod względem funkcjonalnym umoŝliwiają realizację podtawowych typów regulatora o wyjściu ciągłym, dwutawnym, trójtawnym. Do kaŝdego bloku przyporządkowane ą dwa zadajniki wartości zadanej SP oraz ygnału wyjściowego w trybie tarowania ręcznego M, przyciki trybu pracy regulatora M/A/CAS/C, bargraf odchyłki regulacji e = PV SP oraz wyświetlacze wielkości wejściowej x 1 lub PV, wielkości wejściowej x 2 lub SP, wielkości wyjściowej bloku y. W bloku tym moŝna zaprogramować ygnalizację przekroczenia dolnej L lub górnej H wartości odchyłki regulacji oznaczonej w tym regulatorze ymbolem d = PV - SP. KaŜdy blok regulacyjny w wartwie 4 w trybie A generuje ygnał będący określoną funkcją odchyłki regulacji zaś w trybie M generuje ygnał tały natawiany przez operatora w zakreie 4 20 ma, zatem w trybie M regulator pełni rolę źródła tałoprądowego. Dotępna jet takŝe funkcja odwracania ygnału. Odwracanie ygnału realizowane jet przez funkcję y = 1 x co oznacza działanie reweryjne R regulatora, natomiat dla funkcji y = x regulator ma działanie normalne oznaczone ymbolem N.

6 Schemat funkcjonalny bloku regulacyjnego wartwy 4 przedtawia ry Algorytm PID realizowany przez regulator EFTRONIK X opiany jet tranmitancją operatorową : 1 T d G( ) = k p (1) T T i d + 1 k d gdzie : k p wzmocnienie proporcjonalne ( niemianowane, natawiane), T i cza zdwojenia (natawiany) [], T d cza wyprzedzenia (natawiany) [], k d - wzmocnienie dynamiczne regulatora, k d = 8 ( tała przyrządu, wielkość niemianowana). T d /k d = τ - tała czaowa inercji idealnego działania róŝniczkującego []. W wartwie 5 realizowana jet końcowa obróbka ygnału. Wyjścia z bloków wartwy 5 ą na tałe związane z wejściami przetworników c/a co pozwala uzykać quai - analogowe ygnały wyjściowe CV(na zacikach AO1 i AO2) regulatora uaktualniane z cyklem Itnieje moŝliwość zaprogramowania ograniczenia wartości minimalnej L oraz makymalnej H ygnału wyjściowego regulatora podobnie jak w wartwie 4 dotępna jet funkcja odwracania ygnału wyjściowego. W wartwie 6 realizowana jet końcowa obróbka dykretnego ygnału wyjściowego. Dotępna jet funkcja zanegowania ygnału oraz utawienia tanu logicznego wyjścia po zaniku zailania regulatora. 4. Programowanie regulatora Regulator EFTRONIK X będzie realizował określone działanie jeŝeli zotanie wpiany odpowiedni program opracowany w oparciu o TABLICE KONFIGURACYJNE i wcześniej zaprojektowaną dla określonego zatoowania STRUKTURĄ FUNKCJONALNĄ. Przed przejściem do trybu PROGRAMOWANIE naleŝy przycikiem MODE kwitować wzytkie aktywne alarmy ( o ile wytępują). Tryb PROGRAMOWANIE wywołuje ię przycikiem MODE. W polu wyświetlacza CHAN.NO pojawi ię litera P. JeŜeli programowanie realizowane jet dla przyrządu w którym nie uŝyto hała, wówcza na górnym wyświetlaczu pojawi ię pierwzy adre programu 0101, a na dolnym wartość Adrey w programie przedtawione ą za pomocą liczby czteropozycyjnej. Dwie pierwze cyfry oznaczają indek bloku a dwie otatnie ą przewijane i dotyczą cech tego bloku i rodzaju realizowanej przez blok funkcji. KaŜda cecha lub funkcja zapiana jet za pomocą kodu zapianego na dolnym wyświetlaczu jako zawartość rejetru o adreie podanym na górnym wyświetlaczu. Dla utawienia określonego adreu naleŝy przy uŝyciu przycików, uaktywnić określone pole wyświetlacza górnego, a natępnie przycikami, wpiać potrzebne cyfry. Krótkie uŝycie przyciku MODE powoduje przejście na wyświetlacz dolny na którym w podany poób utawia ię czteropozycyjną liczbę tanowiącą zawartość rejetru o danym adreie. Ponowne krótkie uŝycie przyciku MODE powoduje zapamiętanie utawionej wartości i przejście na wyświetlacz górny gdzie utawiamy kolejny adre. Zakończenie programowania natępuje po 3 ekundowym naciśnięciu przyciku MODE Dane techniczne regulatora oraz opi tablic konfiguracyjnych przedtawia załączona do ćwiczenia Dokumentacja techniczno - ruchowa regulatora EFTRONIK X..

7 7 5. Przebieg ćwiczenia Celem ćwiczenia jet prawdzenie poprawności realizacji algorytmów regulacyjnych ciągłych P, PI, PD, PID regulatora EFTRONIK X na podtawie zdjętej doświadczalnie charakterytyki tatycznej oraz odpowiedzi na wymuzenie kokowe. Schemat układu pomiarowego z pokazaniem truktury funkcjonalnej badanego regulatora przedtawiono na ry.4. Ry.4. Struktura funkcjonalna badanego regulatora mikroproceorowego Oznaczenia: PV wielkość mierzona, CV- ygnał wyjściowy regulatora. Wielkością wyjściową regulatora jet ygnał CV pojawiający ię na wyjściu AO1 i wyświetlany jet na wyświetlaczu 2 w kanale 1 oraz rejetrowany, wielkością mierzoną (wejściową regulatora) PV jet ygnał pojawiający ię na wyjściu AO2. Jet on generowany w kanale 2 regulatora pracującego w trybie M jet wyświetlany na wyświetlaczu w kanale 1 oraz rejetrowany. Kanał 1 regulatora EFTRONIK X jet badanym kanałem regulacyjnym, natomiat kanał 2 pracujący w trybie M wykorzytywany jet jako zadajnik do generowania zmiany wielkości mierzonej PV jako ygnału wejściowego bloku regulacyjnego 41 w kanale 1 regulatora. Linie przekreślone podwójnie oznaczają połączenia między blokami dokonywane programowo, linie pojedyńczo zakreślone ą okablowaniem zewnętrznym regulatora Wyznaczanie charakterytyk tatycznych regulatora o algorytmie P Z biblioteki programów regulatora EFTRONIK X naleŝy wybrać algorytm P z natawianym punktem pracy. Utawić punkt pracy regulatora na wartość 50 %.oraz kierunek działania N dla nataw : k p = 1.0, 0.5, 2.0.Zaprogramować regulator uprzednio wypełniając tablicę 1. konfiguracyjną. Tablica 1. Tablica konfiguracyjna do kodowania bloków regulatora EFTRONIK X Adre Kod Adre Kod Adre Kod Adre Kod

8 cd. tablicy odczyt 1114 odczyt odczyt Dokonać pomiaru charakterytyk tatycznych regulatora zmieniając ygnał mierzony PV w kanale 2 (z zadajnika terowania ręcznego w trybie M ). Zapiywać wartości PV odczytane z wyświetlacza w kanale 1 oraz odpowiadające wartości ygnału wyjściowego CV (AO1) odczytywanego na wyświetlaczu dolnym regulatora w kanale 1. Badania przeprowadzić dla wartości zadanej SP = 50 % = cont utawionej z pulpitu operatora w kanale 1 regulatora. Wyniki pomiarów podać w tablicy 2. Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterytyki tatycznej regulatora PV[%] CV k p =0.5 (AO1) k p =1.0 [%] k p = Badanie odpowiedzi kokowych regulatora o algorytmie PI W trybie Programowanie z biblioteki programów regulatora EFTRONIK X naleŝy wybrać algorytm PID wpiując pod adreem wartość Stałe czaowe T i i T d- znajdują ię pod adreami 4115 i Wartości nataw wtawia ię w ekundach. Algorytm PI uzykuje ię z algorytmu PID poprzez wyłączenie działania D wpiując pod adreem 4117 T d = 0. Badania przeprowadzić dla nataw: k p = 1.0, T i = 0.5[ min]. Tranmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PI ma potać 1 G( ) = k p( 1+ ) (2) Ti W trybie M regulatora utawić jego ygnał wyjściowy CV (AO1) na wartość 10 %, oraz wielkość mierzoną regulatora (utawianą w kanale 2) utawić na wartość PV= SP =50% Dokonać przełączenia regulatora na tryb A. Utawić pouw taśmy rejetratora na 3600 mm/h. Włączyć rejetrator. Zmienić kokowo wielkość mierzoną PV o +10% (zmieniając ygnał wyjściowy w kanale 2) oraz zarejetrować odpowiedź kokową regulatora Wyznaczanie odpowiedzi kokowych regulatora o algorytmie PD Algorytm PD otrzymuje ię z algorytmu PID poprzez wyłączenie działania I wpiując pod adreem 4115 wartość Badania przeprowadzić dla nataw: k p = 1.0, T d = 0.5[ min. Wypełnić odpowiednie tablice konfiguracyjne. Tranmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PD ma potać:

9 9 Td G( ) = k p( 1+ ) (3) Td + 1 kd gdzie: k d wzmocnienie dynamiczne działania róŝniczkującego. Jet to tała przyrządu. Dla regulatora EFTRONIK X producent podaje wartość k d = 8. Utawić ygnał wyjściowy regulatora w trybie M na wartość 10 %, wartość zadana SP i mierzona PV mają być równe 50%. Dokonać przełączenia regulatora na tryb A. Dla kokowej zmiany wartości mierzonej PV o + 10 % zarejetrować odpowiedź kokową regulatora. 5.4.Wyznaczanie odpowiedzi kokowych regulatora o algorytmie PID Badania przeprowadzić dla nataw: k p = 1.0, T i = 1.5 [min], T d = 0.5[ min]. Tranmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PID ma potać: 1 Td G( ) = k p( 1+ + ) (4) T T i d + 1 kd Utawić ygnał wyjściowy regulatora w trybie M na wartość 10 %, natomiat wartość zadaną SP = PV= 50%. Dokonać przełączenia regulatora na tryb A. Dla kokowej zmiany wartości mierzonej PV o + 10 % zarejetrować odpowiedź regulatora Wyznaczanie odpowiedzi kokowych regulatora o algorytmie PID i działaniu odwrotnym Utawić działanie odwrotne R w regulatorze. W trybie M regulatora utawić ygnał wyjściowy na wartość 90 %, wartość zadana SP i mierzona PV mają być równe 50%. Przełączyć regulator na tryb A. Zarejetrować odpowiedź regulatora dla nataw podanych w p Część II II. Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym 1. Opi intalacji obiektowej Obiektem regulacji jet proce zmiany poziomu cieczy w odpowiednio połączonych zbiornikach Z1, Z2 (ry.1.). Połączenie zbiorników realizowane jet za pomocą zaworu odcinającego V2. Wielkością regulowaną jet wyokość łupa cieczy H1 w zbiorniku Z1 lub H2 w zbiorniku Z2. Wymaganiem tawianym badanemu układowi regulacji jet utrzymanie na zadanym tałym poziomie wyokości H1 lub H2 łupa wody mimo działających na obiekt zakłóceń. Wielkościami zakłócającymi ą zmiany przepływu cieczy na dopływie lub odpływie zbiorników. Zakłócenia te realizowane ą przez zdalnie terowane odcinające zawory elektromagnetyczne VE1, VE2. Zamykanie/otwieranie zaworów realizowane jet za pomocą przycików P1 i P2 znajdujących ię na pulpicie intalacji obiektowej tanowika. Zawór VE1 wywołuje kokową zmianę przepływu na odpływie ze zbiornika Z1. Jet to zakłócenie VE1. Zawór VE2 wywołuje kokową zmianę przepływu na dopływie cieczy do zbiornika Z1 ( tzw. zrzut z pompy). Jet to zakłócenie VE2.. Wielkością terującą obiektem jet ygnał tandardowy 4-20 ma pochodzący z regulatora. mikroproceorowego EFTRONIK X terujący pompą o X wydajności zmiennej w granicach: 0 7 l/min na dopływie do zbiornika Z1. Pompa ta pełni rolę elementu

10 10 wykonawczego w układzie regulacji. Dodatkowo dokonywany jet pomiar przepływu za pomocą przepływomierza zwęŝkowego. Zmiana przepływu w zakreie 0-7 l/min wywołuje padek ciśnienia na zatoowanej zwęŝce Venturiego w zakreie mm H 2 O. Zatoowany przetwornik róŝnicy ciśnień przetwarza padek ciśnienia na zwęŝce w ygnał tandardowy o zakreie 4 20 ma. Informację o bieŝącej wartości wielkości regulowanej wyokości H1 i H2 łupa cieczy dotarczają elektryczne przetworniki pomiarowe o zakreie mm H 2 O i ygnale wyjściowym 4-20 ma. W zaleŝności od konfiguracji tanów zaworów V2 i V4 oraz zatoowaniu na dopływie pecjalnie kontruowanej węŝownicy W moŝna realizować róŝne właściwości obiektu regulacji. Mogą to być właściwości typu : inercyjnego I rzędu ( zawór V2 zamknięty, napływ cieczy bezpośredni, wielkość regulowana - H1 ), inercyjnego I rzędu z opóźnieniem (zawór V2 zamknięty, zawór V4 w połoŝeniu napływ przez węŝownicę, wielkość regulowana - H1 ), inercyjnego II rzędu ( zawór V2 otwarty, napływ cieczy regulowana - H2 ), bezpośredni, wielkość inercyjnego II rzędu z opóźnieniem (zawór V2 otwarty, zawór V4 w połoŝeniu napływ przez węŝownicę, wielkość regulowana - H2 ). τ T 0 0 PV H1 H1 H2 H2 Ry.1. Schemat części obiektowej tanowika układu regulacji poziomu cieczy Oznaczenia : Z1, Z2 - zbiorniki V1, V3- zawory odpływowe,

11 V2 - zawór łączący zbiorniki Z1 i Z2, V4 - zawór trójdroŝny, W- węŝownica, T 0 - opóźnienie tranportowe, VE1 - zawór elektromagnetyczny odcinający odpływ ze zbiornika Z1, VE2 - zawór elektromagnetyczny odcinający zrzutu wody na tłoczeniu z pompy, H1, H2 - wyokość łupa cieczy w zbiorniku Z1, Z2, PV ygnały wyjściowe z przetworników poziomu cieczy LT1, LT2 Q -wyjście z przetwornika QT przepływu (przepływomierz zwęŝkowy), P - pompa o zmiennej wydajności, Y - ygnał terujący pompą (wyjściowy z regulatora mikroproceorowego) P1,P2 - przełączniki zaworów elektromagnetycznych Identyfikacja obiektu w układzie regulacji poziomu cieczy Identyfikacja obiektu regulacji prowadza ię do określenia jego modelu matematycznego. Model ten tworzy zepół zaleŝności matematycznych wiąŝących wielkość regulowaną ze terowaniem i zakłóceniami będących reprezentacją właściwości obiektu. Tworzone modele ze względu na ich zaięg mogą być modelami: globalnymi lub lokalnymi (parametrycznymi). Modele globalne ( bilanowe) tworzone dla celów analizy proceu technologicznego, jego optymalizacji i prowadzenia rozruchu określane ą na podtawie zaleŝności między zmiennymi proceowymi wiąŝącymi np. energię, maę, połoŝenie i tan pozczególnych elementów tworzących proce w pełnym zakreie ich zmienności oraz na podtawie bilanów tych wielkości dla całego obiektu. Model taki ma najczęściej potać nieliniowych zaleŝności róŝniczkowo-całkowych. MoŜna go wykorzytać zarówno przy projektowaniu układu regulacji jak i optymalizacji punktu pracy. Modele lokalne (parametryczne) opiują właściwości obiektu w otoczeniu danego punktu pracy co na ogół jet wytarczające do doboru parametrów zaintalowanych w układzie regulacji elementów, do analizy tabilności układu z regulatorem oraz doboru algorytmu terowania i truktury układu regulacji. Model taki ma zazwyczaj potać załoŝonego z góry opiu matematycznego np. w potaci tranmitancji operatorowych : obiektu oraz tranmitancji zakłóceniowych. W proceie identyfikacji określane ą nieznane parametry tych tranmitancji. Pozykiwanie modelu moŝe być realizowane analitycznie na podtawie znajomości równań opiujących zaleŝności fizyko - chemicznych obiektu lub ekperymentalnie. Metoda ekperymentalna moŝe być ekperymentem czynnym lub biernym. Ekperyment czynny polega na pobudzeniu obiektu zdeterminowanym wymuzeniem. Jet to najczęściej wymuzenie kokowe, impulowe lub inuoidalnie zmienne. Otrzymana odpowiedź na to wymuzenie pozwala na podtawie protych kontrukcji graficznych określić parametry załoŝonego modelu matematycznego, który ze względów praktycznych i projektowych ma potać niezbyt złoŝonej tranmitancji tzw. tranmitancji zatępczej. Tranmitancja ta w poób przybliŝony oddaje właściwości rzeczywitego badanego obiektu w otoczeniu wybranego punktu pracy. Przed rozpoczęciem doświadczenia obiekt mui znajdować ię w tanie utalonym. Dokładność identyfikacji zaleŝy od amplitudy wymuzenia, która winna być na tyle duŝa aby zminimalizować wpływ zakłóceń a na tyle mała aby nie wprowadzić obiektu w naycenie. Cza trwania wymuzenia powinien być dotatecznie długi aby moŝliwe było ujawnienie charakteru odpowiedzi. Obiekty podobnie jak inne elementy automatyki, klayfikuje ię ze względu na ich właściwości dynamiczne. Taką najbardziej ogólną klayfikacją jet podział ze względu na zdolność oiągania lub nieoiągania równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuzenia kokowego. Z tego punktu widzenia obiekty dzieli ię na :tatyczne i atatyczne. Przykładowe odpowiedzi obiektów tatycznych i atatycznych na wymuzenie kokowe terowania przedtawia ry.2. Miejce uytuowania obiektu w układzie regulacji przedtawia ry. 2c.

12 12 a) b) c) Ry. 2. Przykładowe ogólne odpowiedzi na wymuzenie kokowe a) obiektu tatycznego, b) atatycznego; c) chemat ideowy do rozwaŝań teoretycznych układu regulacji Dla obiektów tatycznych, których odpowiedź kokowa ma przebieg jak na ry.2a przyjmuje ię najczęściej natępujące modele matematyczne przedtawione w potaci tranmitancji operatorowej: y( ) kob T0 Gob( ) = = e (1) u( ) Tz + 1 lub y( ) kob τ Gob( ) = = e (2) n u( ) (T + 1) Parametry modelu określonego wzorem (1) odczytuje ię wprot z wykreu, natomiat parametry modelu określonego wzorem (2) zwanego modelem Strejca określa ię z wykreu i z tablic podanych w literaturze.. Dla obiektów atatycznych, których odpowiedź kokowa ma przebieg jak na ry.2b przyjmuje ię najczęściej model matematyczny przedtawiony w potaci tranmitancji operatorowej y( ) 1 T0 G( ) = = e (3) u( ) Tz Parametry modelu określonego wzorem (3) odczytuje ię wprot z wykreu na ry.2b. W ekperymencie biernym parametry modelu określa ię na podtawie pomiaru dotępnych ygnałów podcza normalnej pracy układu regulacji bez konieczności przerywania jego pracy i naruzania warunków ekploatacji. W metodzie tej nie mamy wpływu na ygnały podawane na obiekt i identyfikacja obiektu jet w tej metodzie trudna ze względu na częto niką zdolność pobudzającą ygnałów.. Analiza ygnałów pozwala określić model tzw. tochatyczny, który ze względu na dokładność opiu właściwości obiektu moŝe być wykorzytywany w ytemach diagnotycznych lub do optymalizacji proceu regulacji lub teŝ opracowania innego od tandardowego algorytmu regulacji. W ćwiczeniu identyfikacja obiektu przeprowadzona będzie na podtawie pomiaru charakterytyki tatycznej obiektu w pełnym moŝliwym zakreie zmian wielkości regulowanej oraz odpowiedzi badanego obiektu na celowo wprowadzone wymuzenie kokowe w wybranym z charakterytyki tatycznej punkcie pracy. Będzie to zatem ekperyment czynny, w którym celowe oddziaływanie na obiekt odbywać ię będzie poprzez ygnał terowania zadawany przez operatora.

13 13 Pomiary właściwości tatycznych i dynamicznych obiektu moŝna przeprowadzić w układzie regulacji tałowartościowej poziomu cieczy pracującego w trybie terowania ręcznego M. Właściwości tatyczne i dynamiczne będą reprezentowane poprzez związki między wielkością regulowaną, którą jet wyokość H1 łupa cieczy w zbiorniku przetworzoną na ygnał mierzony PV, a ygnałem terującym Y oraz między wielkością regulowaną a wielkościami zakłócającymi proce zmiany poziomu cieczy w zbiorniku. Związki te reprezentować będą tranmitancja operatorowa obiektu oraz tranmitancje zakłóceniowe obiektu. T 0 PV Rejetrator KAN KAN2 Zailacz 24VDC - + Regulator EFTRONIK X + + AI1 AO AI2 AO2 - - Ry.3. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy Schemat połączeń części obiektowej tanowika z panelem terowania przedtawia ry.3. Panel terowania kłada ię z rejetratora dwukanałowego z taśmą papierową o natawianym

14 14 pouwie taśmy, zailacza 24 V dc niezbędnego do zailenia przetworników pomiarowych części obiektowej oraz regulator EFTRONIK X. Przed przytąpieniem do identyfikacji obiektu regulacji, naleŝy zaprogramować trukturę funkcjonalną regulatora wg chematu przedtawionego na ry. 4. W trybie PROGRAMOWANIE wprowadzić w bloku 11 wartwy 1 tałą filtracji T f = 2 ek, w bloku regulacyjnym 41 wartwy 4 wybrać algorytm PID i działanie odwrotne R (rewer). Regulator EFTRONIK X H1/I PV AI1 y = x 11 PV CAS SP A,M SP PID y = 1 - x A M M y = x 51 AO1 Y S 41 Ry.4. Schemat truktury funkcjonalnej regulatora EFTRONIK X. Oznaczenia : H1/I przetwornik poziomu cieczy w zbiorniku Z Identyfikacja właściwości tatycznych obiektu regulacji Identyfikacja właściwości tatycznych obiektu prowadzać ię będzie do pomiaru charakterytyk tatycznych obiektu jako związku w tanie utalonym wielkości regulowanej od terowania w pełnym zakreie działających zakłóceń. Charakterytyki te ą itotne do określenia moŝliwych punktów pracy obiektu i dopuzczalnych terowań. W tym celu naleŝy: otworzyć zawór V1 natomiat zawory VE1, VE2 i V2 zamknąć. Zmieniać ręcznie z regulatora wartość ygnału Y w zakreie %. Odczytać dla kaŝdej wartości Y wyokość łupa cieczy H1 oraz wielkość mierzoną PV. Badania powtórzyć dla zakłócenia VE2 wprowadzonego przez przełącznik P1.Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.1. Tablica 2.1. Wyniki pomiarów charakterytyki tatycznej obiektu regulacji Sterowanie Y [%] V1 H 1[cm} otwarty PV[%] V1,VE2 otwarte H 1[cm} PV[%] 2.2 Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji Celem identyfikacji będzie określenie parametrów tranmitancji zatępczych: obiektu i zakłóceniowych. Identyfikacja ta zotanie przeprowadzona metodą ekperymentu czynnego determinitycznego w otwartym układzie regulacji przedtawionym na ry.3. W ekperymencie tym wykorzytano metodę odpowiedzi kokowej generując kokowe zmiany ygnału terującego Y i wielkości zakłócających. Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów obiektu na podtawie protych kontrukcji graficznych.

15 15 Na podtawie otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na zakłócenia kokowe określać ię będzie tranmitancje operatorową obiektu G ob. (), oraz tranmitancje operatorowe zakłóceniowe obiektu G 1. (), G 2. () Pomiar odpowiedzi kokowej obiektu regulacji na zmianę terowania Y (zmniejzenie wydajności pompy ) w układzie otwartym Dla tanu zaworów V2, VE1, VE2 - zamknięte i otwartego zaworu V1 utawić ygnał terujący z regulatora pracującego w trybie terowania ręcznego M na wartość 40 %. Odczekać do tanu utalonego tzn. H1= cont. Utawić pouw taśmy rejetratora na 600 mm/godz. Włączyć rejetrator i zarejetrować przebieg zmiany poziomu H1 (PV) wywołany kokowym zmniejzeniem wydajności pompy wywołanej kokową zmianą ygnału terującego Y z wartości 40 % na wartość 30 %. Zgodnie z ry.2., dla badanego obiektu moŝna przyjąć model matematyczny opiany tranmitancją (1) : PV( ) kob T0 Gob = = e (4) Y ( ) T + 1 z Stoując kontrukcję graficzną przedtawioną na ry. 5 z zarejetrowanego przebiegu naleŝy odczytać wartości parametrów zatępczej tranmitancji operatorowej obiektu :T z,t o, k ob.. Ry.5. Przykład kontrukcji graficznej do określania parametrów tranmitancji operatorowej obiektu regulacji Przedtawiona tranmitancja umoŝliwia dobór nataw regulatora w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku Pomiar odpowiedzi kokowej obiektu dla zakłócenia wywołanego zwiękzeniem odpływu cieczy ( kokowa zmiana otwarcia zaworu VE1).. Dla tanu zaworów V2, VE1, VE2 - zamknięte i otwartego zaworu V1 utawić ygnał terujący z regulatora pracującego w trybie terowania ręcznego M na wartość 40 %.

16 16 Odczekać do tanu utalonego tzn. H1= cont. Włączyć rejetrator i zarejetrować przebieg zmiany poziomu H1(PV) wywołany kokową zmianą odpływu zrealizowaną poprzez otwarcie zaworu VE1. Na podtawie zarejetrowanej odpowiedzi kokowej obiektu wyznaczyć parametry załoŝonej zakłóceniowej tranmitancji operatorowej o potaci : PV( ) k1 T0 G1( ) = = e (5) f ( ) T f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych f = 30.4 % Na zarejetrowanym wykreie zaznaczyć kokową wartość f = 30.4 %, odczytać PV i obliczyć w ten poób wartość k Pomiar odpowiedzi kokowej obiektu wywołanej kokową zmianą otwarcia zaworu VE2 ( zrzut z pompy) Dla tanu zaworów: V2 zamknięty, V1 otwarty oraz VE1 i VE2 - zamknięte utawić Y = 40 % i odczekać do utalenia ię łupa wody. Zarejetrować przebieg zmiany poziomu H1 wywołany kokową zmianą odpływu zrealizowaną poprzez otwarcie zaworu VE2. Na podtawie zarejetrowanej odpowiedzi kokowej obiektu wyznaczyć parametry zakłóceniowej tranmitancji operatorowej o potaci : PV( ) k2 T0 G2 ( ) = = e (6) f ( ) T + 1 f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych f = 30.4 % Na zarejetrowanym wykreie zaznaczyć kokową wartość f = 30.4 %, odczytać PV i obliczyć w ten poób wartość k 2 III. Wyniki badań i wnioki Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opi przebiegu ćwiczenia, chematy, wykrey otrzymane z rejetratora z nanieioną obróbką danych, wykrey wykonane na podtawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniŝej. Naryować charakterytykę tatyczną CV = f ( PV - SP ) regulatora o algorytmie P z punktem pracy P pr.= 20%. ( wielkość wykreu 100x 100 mm). Jak zmieni ię charakterytyka jeŝeli punkt pracy wynieie P pr.= 70%. Określ równanie ruchu regulatora o algorytmie P i prawdź poprawność jego realizacji przez regulator, Z otrzymanych wykreów odpowiedzi kokowych regulatora odczytać rzeczywite wartości nataw i podać je w zaproponowanej przez iebie tabeli, Ocenić dokładność realizacji natawionej wartości k p. Ocenić dokładność realizacji działań dynamicznych regulatora. Określić wzmocnienie dynamiczne k d regulatora o algorytmie PD. Podaj jak w proty poób moŝna ocenić kierunek działania regulatora tzn. N czy R. Podaj jak w proty poób moŝna ocenić algorytm regulatora. Naryować chemat blokowy obiektu oraz przeprowadzić jego analizę. Naryować charakterytykę tatyczną obiektu i przeprowadzić analizę właściwości tatycznych obiektu, Określić na podtawie charakterytyki tatycznej obiektu, dla jakich wartości SP układ regulacji będzie terowalny. 2