Y AUT AU OMA OM T A YKI

Transkrypt

1 PODSTAWY AUTOMATYKI Wkład 1 Prowadząc: Jan Sposz

2 Wstępne informacje Podstawa zaliczenia wkładu: kolokwium Obecność na wkładach: lista obecności. Zakres tematczn przedmiotu: (10 godzin wkładów) Wprowadzenie do układów automatcznej regulacji i sterowania. Schemat blokowe układów sterowania i regulacji. Struktura i zadania układu automatcznej regulacji. Właściwości dnamiczne elementów automatki. Podstawowe algortm sterowania. Ocena jakości regulacji. Sgnał regulacjne. Regulator: ciągłe i dwustawne podstaw teoretczne. Element pomiarowe i wkonawcze -przegląd.

3 LITERATURA 1. Kowal J.: Podstaw automatki. Kraków Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F. Muller

4 Wprowadzenie do układów automatcznej regulacji i sterowania

5 Układ regulacji Funkcje realizowane przez automatkę w inżnierii środowiska: -regulacja, -sterowanie, -zabezpieczenie, -optmalizacja. Układ regulacji jest połączeniem elementów automatki, które współdziałają ze sobą realizując wznaczone zadanie. Schemat blokow układu regulacji z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

6 Element automatki Element automatki jest to urządzenie posiadające sgnał wejściow i wjściow Element liniowe są to takie element, którch matematczn opis ma postać zależności liniowch. Element nieliniowe są opiswane za pomocą nieliniowch równań algebraicznch, różnicowch lub różniczkowch. x sgnał wejściow element automatki sgnał wjściow

7 Obiekt regulacji Obiektem regulacji może bć urządzenie, zespół urządzeń lub proces technologiczn, wktórm wwniku zewnętrznch oddziałwań realizuje się pożądan algortm działania. Naobiektregulacjioddziałują zmiennewejściowe nazwane sgnałami nastawiającmi u oraz zmienne szkodliwe nazwane sgnałami zakłócającmi z. Sgnał wejściowe wpłwają na sgnał wjściowe nazwane zmiennmi regulowanmi. w e u obiekt regulacji m +_ regulator urządzenie wkonawcze z obiekt regulacji element pomiarow

8 Wartość zadana, zakłócenie Zakłócenie z jest sgnałem wwierającm niekorzstn wpłw na wartość wielkości regulowanej. Zakłócenia generowane poza sstemem sąsgnałami wejściowmi do obiektu regulacji. Wartość zadana w wielkości regulowanej jest określona przez wielkość wiodącą wprocesie regulacji. z w +_ e u obiekt regulacji regulator urządzenie wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

9 Regulator Regulator jest to element układu regulacji, którego zadaniem jest wtworzenie sgnału sterującego wpłwającego na przebieg wielkości regulowanej. Sgnałem wejściowm regulatora jest uchb regulacji e, asgnałem wjściowm wielkość sterująca u. Uchb regulacji e otrzmuje się wregulatorze wwniku porównania wartościzadanej w orazwartościwielkościregulowanej. e = w Regulator zależnie od uchbu regulacji odpowiednio zmienia sgnał sterując u tak ab spełnić warunek równości wielkości regulowanej i wartości zadanej =w. z w +/- e u urządzenie obiekt regulacji m regulator wkonawcze obiekt regulacji element pomiarow

10 Urządzenie wkonawcze Urządzenie wkonawcze składa się z elementu napędowego oraz elementu wkonawczego. Element wkonawcz jest to urządzenie wmuszające zmian wielkości regulowanej. Wsstemach grzewczch iwodociągowch elementem wkonawczm jest najczęściej pompa i zawór regulacjn. W sstemach wentlacjnch wentlator i przepustnica. W urządzeniach transportowch podajnik, przenośnik. Element napędow służ jako napęd (silnik, siłownik) elementu wkonawczego. z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

11 Element pomiarow Element pomiarow jest to część układu regulacji, której zadaniem jest pomiar wielkości regulowanej oraz wtworzenie sgnału m dogodnego do wprowadzenia do regulatora. z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

12 SCHEMATY BLOKOWE W technice regulacji strukturę i działanie układu automatki przedstawia się często w formie graficznej w postaci schematu blokowego. z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow Elementarne bloki są członami obwodu regulacjnego, każd z nich ma wielkość wejściową i wjściową. Bloki są rsowane w postaci prostokątów z umieszczonmi wewnątrz informacjami opisującmi ich właściwości.

13 Węzł informacjne Węzł informacjne umożliwiają przekazanie tej samej informacji do kilku różnch punktów schematu blokowego (jedno wejście i co najmniej dwa wjścia) Schemat węzła informacjnego x x x

14 Węzł sumujące Węzł sumujące (porównujące) umożliwiają algebraiczne sumowanie kilku sgnałów (jedno wjście i co najmniej dwa wejścia) Schemat węzła sumującego w ± e

15 ŁĄCZENIE BLOKÓW Podstawowe bloki mogą bć połączone: szeregowo, równolegle lub w układzie ze sprzężeniem zwrotnm. W każdm z wmienionch połączeń można wznaczć wpadkową zależność międz sgnałem wejściowm a sgnałem wjściowm. Zależność międz tmi sgnałami nazwana jest transmitancją.

16 Połączenie szeregowe Połączenie szeregowe charakterzuje się tm, że sgnał wjściow jednego bloku jest sgnałem wejściowm bloku następnego. Połączenie to nazwane jest również połączeniem kaskadowm. u G 1 G 2 G n Transmitancja wpadkowa jest ilocznem transmitancji. G w = G 1 G 2... G n

17 Połączenie równoległe Połączenie równoległe charakterzuje się tm, że ten sam sgnał jest wprowadzan do kilku bloków, a sgnał wjściowe tch bloków są algebraicznie sumowane. u G 1 u u G u G n Transmitancja wpadkowa dla dowolnej liczb bloków jest sumą algebraiczną poszczególnch transmitancji. G w = G 1 + G G n

18 Połączenie ze sprzężeniem zwrotnm Połączenie ze sprzężeniem zwrotnm charakterzuje się tm, że sgnał wjściow układu, bezpośrednio lub za pomocą innego bloku zostaje wprowadzon na wejście tego układu. Jeżeli sgnał wejściow odejmujem od sgnału wejściowego do układu wówczas sprzężenie nazwam ujemnm, jeżeli sgnał ten dodajem wówczas sprzężenie nazwam dodatnim. u ± G 1 Transmitancję wpadkową opisuje wzór G 2 G1 G w = 1± G1 G 2 Znak dodatni w mianowniku wstępuje prz sprzężeniu dodatnim, znak ujemn prz sprzężeniu ujemnm.

19 Regulacja - definicja Regulacja jest definiowana jako proces, wtrakcie którego mierz się jakąś wielkość fizczną, nazwaną wielkością regulowaną, porównuje zwartością innej wielkości nazwanej wielkością zadaną w iwpłwa na jego przebieg wcelu minimalizacji różnic tch wielkości e [DIN 19226]. W procesie regulacji przebieg sgnałów odbwa się w obwodzie zamkniętm, nazwanm układem automatcznej regulacji. z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

20 Przkład układu regulacji Schemat funkcjonaln układu regulacji temperatur powietrza wogrzewanm pomieszczeniu z 1 z 2 z 3 2 T z 5 w 1 u 3 4 z regulator, 2 czujnik temperatur powietrza w pomieszczeniu, 3 - człon wkonawcz, 4 - obiekt regulacji (pomieszczenie z grzejnikiem), u - wielkość nastawna, w -wartość zadana, - wielkość regulowana, z 1,z 2, z 3,z 4,z 5 -wielkości zakłócające

21 Schemat funkcjonaln schemat blokow układu regulacji Zakłócenia zewnętrzne z w e u m = REGULATOR 2 = CZUJNIK TEMPERATURY 3 = SIŁOWNIK Z ZAWOREM 4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM T 2 z = wielkości zakłócające = wielkość regulowana w = wartość zadana u = wielkość nastawna e = odchłka regulacji

22 Układ regulacji = układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnm (zamknięt układ sterowania) W literaturze z zakresu automatki układ regulacji jest definiowan również jako zamknięt układ sterowania lub układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnm. Ab otrzmać zamknięt układ sterowania należ zamknąć pętlę oddziałwań, uzależniając sterowanie od skutków jakie to sterowanie wwołuje. z w +_ e u urządzenie obiekt regulacji regulator wkonawcze obiekt regulacji m element pomiarow

23 Sterowanie - definicja Sterowanie jest to proces wukładzie, wktórm jedna wielkość lub ich większa ilość, jako wielkości wejściowe, wpłwają na wielkości wjściowe według prawidłowości właściwej układowi [DIN 19226]. Układ sterowania jest układem otwartm, wktórm sgnał wjściow nie jest mierzon ani porównwan z sgnałem wejściowm i nie wpłwa na akcję sterowania (brak sprzężenia zwrotnego!). Otwarte układ sterowania stosowane są wówczas, gd związek pomiędz sgnałem wejściowm iwjściowm jest znan. z w u człon obiekt urządzenie wkonawcz sterowania sterujące

24 Regulacja i sterowanie. Różnice! zakłócenia Z w e Regulator u Człon wkonawcz Obiekt regulacji Człon pomiarow zakłócenia Z w u Sterownik Człon wkonawcz Obiekt sterowania

25 Przkład regulacji i sterowania t i w e regulator (1) u z 1 obiekt regulacji (3,4,5) 6 obiekt sterowania (6) m element pomiarow (2) z 2 u 1 w m 2 T Schemat blokow układu regulacji i sterowania tzco Schemat funkcjonaln układu aut. reg. i sterowania Sterowanie temperaturą powietrza w pomieszczeniu i regulacja temperatur wod zasilającej grzejnik: 1 - regulator, 2 czujnik temperatur wod, 3 zawór regulacjn z siłownikiem, 4 - wmiennik ciepła, 5 -pompa obiegowa, 6 grzejnik w ogrzewanm pomieszczeniu, w wartość zadana, u sgnał nastawiając, - wielkość regulowana, m zmierzona wartość wielkości regulowanej, wielkość sterowana, z 1, z 2 zakłócenia

26 Regulacja pogodowa jako przkład regulacji i sterowania ' = t w tzco - wielkość regulowana tw - wielkość sterowana 6 T 1 w u 2 3 m T 5 t zco 7 4

27 Przkład sterowania Sterowanie czasowe (programowe) przełączaniem równolegle połączonch pomp w Zegar sterując u 1 M P 1 1 P 2 2 u 2 M

28 Rodzaje regulacji

29 Rodzaje regulacji Ręczna Automatczna Różnice w regulacji ręcznej i automatcznej. Przkład: - termostat grzejnikow regulacja automatczna (ręczne nastawianie wielkości regulowanej?), - zawór grzejnikow regulacja ręczna.

30 Ręczna regulacja temperatur powietrza w pomieszczeniu Z 1 Z 2 Z 3 C C

31 Automatczna regulacja temperatur powietrza w pomieszczeniu Z 1 Z 2 Z 3 2 T 1 u w

32 Rodzaje regulacji automatcznej AUTOMATYCZNA REGULACJA STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNA PROGRAMOWA

33 Rodzaje regulacji Regulacja stałowartościowa polega na utrzmaniu stałej wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje na stałm poziomie niezależnie od zakłóceń działającch na układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu regulacji automatcznej prowadzi do eliminowania wpłwu zakłóceń na wielkość regulowaną. Jest to najczęściej stosowan rodzaj regulacji: np. regulacja temp. wpomieszczeniu z 1 z 2 z 3 2 T z 5 w 1 u 3 z 4

34 Regulacja stałowartościowa Regulacja temperatur powietrza nawiewanego. z T 2 3 u 1 m w z 2

35 Regulacja stałowartościowa temperatur powietrza w pomieszczeniu kocioł jako człon wkonawcz. w T w Człon wkonawcz Obiekt regulacji regulator kocioł pomieszczenie Człon pomiarow czujnik temperatur

36 Przkład regulacji stałowartościowej Regulacja poziomu wod w zasobniku u 1 w P 1 2 z 1 4 h 3 z 2 V 2

37 Przkład regulacji stałowartościowej Regulacja temperatur wod w zasobniku (podgrzewaczu pojemnościowm).

38 Regulacja programowa Regulacja programowa utrzmuje zmienną w czasie wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanm programem zmian wartości zadanej (w=w(t)). Tpowm przkładem regulacji programowej wsstemach ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie temperatur powietrza do poziomu temperatur dżurnej w godzinach nocnch lub wdni wolne od prac.

39 Regulacja programowa NOC praca instalacji ogrzewania z osłabieniem DZIEŃ normalna praca instalacji ogrzewania NOC praca instalacji ogrzewania z osłabieniem t i C :00 7:00 17:00 24:00 czas

40 Regulacja stałowartościowa sekwencjna Regulacja stałowartościowa sekwencjna stosowana jest w przpadku gd dla utrzmania stałej wartości wielkości regulowanej konieczna jest współpraca regulatora z dwoma lub więcej elementami wkonawczmi.

41 Przkład regulacji stałowartościowej sekwencjnej Układ regulacji temperatur powietrza w wentlowanm pomieszczeniu. Regulator w zależności od wartości temperatur powietrza w pomieszczeniu wsła sgnał nastawiając do siłownika nagrzewnic lub do siłownika chłodnic. Załączanie tch sgnałów odbwa się sekwencjnie =t i T u ch u g w

42 Sekwencjna regulacja temperatur powietrza Wkres przebiegu sgnału sterującego 100% u u g uch Strefa martwa t i

43 Regulacja nadążna Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korgowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowan, tzn. trudn do przewidzenia (w=w(?)) Wogrzewaniach wodnch temperatura cznnika grzejnego zasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość regulowana ) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperaturpowietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną w) Regulacja ta uwzględnia wpłw parametrów klimatu zewnętrznego potocznie jest nazwana regulacją pogodową lub kompensacjną.

44 Regulacja nadążna (pogodowa?) ' = t w 6 T 1 w u 2 m T t zco

45 Wkres regulacji jakościowej c.o. t zco [ C] t zco =f(t zew ) t zew [ C]

46 Regulacja nadążna kaskadowa Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatur wsstemach wentlacji iklimatzacji w celu uzskania wsokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dnamicznch obiektu regulacji. Wprocesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz regulatora pomocniczego (nadążnego). Obdwa regulator w regulatorach cfrowch mogą bć zaprogramowane wjednm urządzeniu.

47 Schemat układu kaskadowej regulacji temperatur powietrza w pomieszczeniu wentlowanm Temperaturapowietrzanawiewanego tn (jako wielkość pomocnicza 1) utrzmwana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanm przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatur powietrza wwiewanego tw (główna wielkość regulowana 2). t W T t i T t N u u w=t i

48 Przkład zastosowania regulacji kaskadowej Wkres zależności temperatur powietrza nawiewanego od temperatur powietrza wwiewanego stosowan w układach regulacji kaskadowej a b t N [ C] 30 t N max t N =f(±δt) t N t N max 12 t N min t N min -Δt t i +Δt t W [ C] -1K t i +1K t W

49 Regulacja kaskadowa Regulacja kaskadowa korzstna jest szczególnie wówczas gd własności dnamiczne obu obwodów regulacji różnią się znacznie międz sobą. Dzięki małej inercjności pierwszego obiektu regulacji (nagrzewnica powietrza) mimo dużej bezwładności cieplnej głównego obiektu regulacji (pomieszczenie wraz z instalacją wentlacjną) stosując regulację kaskadową można znacznie poprawić własności dnamiczne układu regulacji i uzskać wsoką jakość regulacji.

50 KONIEC