Obiekt w układzie regulacji

Transkrypt

1 Obiekty regulacji Wykład 2 Automatyzacja w inżynierii środowiska

2 Układ regulacji Obiekt w układzie regulacji z w e u y obiekt regulacji urządzenie _ regulator wykonawcze obiekt regulacji y m element pomiarowy y Automatyzacja w inżynierii środowiska

3 Obiekt regulacji Obiektem regulacji może być urządzenie, zespół urządzeń lub proces technologiczny, w którym w wyniku zewnętrznych oddziaływań realizuje się pożądany algorytm działania. Na obiekt regulacji oddziałują: - zmienne wejściowe nazywane sygnałami nastawiającymi u, - zmienne szkodliwe nazywane sygnałami zakłócającymi z, Na wyjściu z obiektu regulacji otrzymujemy sygnały wyjściowe nazywane: zmiennymi regulowanymi y. Automatyzacja w inżynierii środowiska

4 Przykładowy obiekt regulacji pomieszczenie z grzejnikiem z 1 z 2 z 3 z 5 2 T w y 1 u 3 z 4 Automatyzacja w inżynierii środowiska

5 Obiekty regulacji Do prawidłowego zaprojektowania układu regulacji niezbędna jest znajomość właściwości obiektów regulacji, to znaczy zależności pomiędzy wielkościami wejściowymi iwyjściowymi. Stany ustalone, w których wielkości te pozostają niezmienne w czasie określa się charakterystykami statycznymi, Stany nieustalone (wielkości zmienne w czasie) opisywane są przy pomocy charakterystyk dynamicznych. Charakterystyki te można wyznaczyć analitycznie lub doświadczalnie. Automatyzacja w inżynierii środowiska

6 Metody wyznaczania charakterystyk statycznych Metoda analityczna polega na graficznym przedstawieniu zależnościmiędzysygnałem wejściowym iwyjściowym y= f(x), przy wykorzystaniu matematycznego opisu procesów fizycznych zachodzących wobiekcie. Metoda doświadczalna polega na wprowadzaniu do rzeczywistego układu kolejnych, niezmiennych w czasie, wartości sygnału wejściowego x1 do xn oraz pomiarze odpowiadających im wartościsygnału na wyjściu y1 do yn. Po uzyskaniu odpowiedniej ilości par (x,y) nanosi się je na wykres współrzędnych, aproksymuje otrzymując w ten sposób charakterystykę statyczną obiektu. Automatyzacja w inżynierii środowiska

7 Przykładowa charakterystyka statyczna obiektu regulacji Charakterystyki statyczne: a zaworu regulacyjnego (stałoprocentowa), b wymiennika ciepła, c wymiennika ciepła wraz z zaworem regulacyjnym (obiekt regulacji) Charakterystyki te wykorzystano przy opracowywaniu zasad doboru zaworów regulacyjnych! a h m b m Q h m Q/Q s m/m s Q/Q s Q/Q s h/h s m/m s h/h s Automatyzacja w inżynierii środowiska

8 Charakterystyki dynamiczne obiektów regulacji Charakterystykę dynamiczną elementu lub układu otrzymuje się jako odpowiedź sygnału wyjściowego y(τ) na wymuszenie w postaci zmiennego w czasie sygnału wejściowego x(τ). Przed podaniem wymuszenia sygnały x(τ) i y(τ)są w stanie ustalonym. Po podaniu wymuszenia i upływie odpowiednio długiego czasu układ ponownie znajdzie się w stanie ustalonym. Charakterystyka dynamiczna jest funkcją przejścia (transmitancją) pomiędzy dwoma stanami ustalonymi. Automatyzacja w inżynierii środowiska

9 Przykładowa charakterystyka dynamiczna obiektu regulacji u,(h) Δu = Δh y, (t i ) τ Δy = Δt i τ 0 T 0 T z τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

10 Analityczne wyznaczenie charakterystyki dynamicznej Analityczne wyznaczenie funkcji przejścia wymaga rozwiązania równania różniczkowego, opisującego model układu. W przypadku układów opisanych równaniami różniczkowymi liniowymi powszechnie wykorzystywane sąmetody operatorowe. Idea tej metody polega na: znalezieniu przekształcenia, które pozwala zastąpić równania różniczkowo-całkowe zwykłymi równaniami algebraicznymi. Najczęściej stosowanym narzędziem matematycznym jest przekształcenie Laplace a. Automatyzacja w inżynierii środowiska

11 Transmitancja Transmitancja (funkcja przejścia) jest definiowana jako stosunek transformaty Laplace a sygnału wyjściowego (funkcji odpowiedzi) do transformaty Laplace a sygnału wejściowego (funkcji wymuszającej), przy założeniu, że wszystkie warunki początkowe sązerowe. Transmitancja operatorowa jest szeroko wykorzystywana wanalizie iprojektowaniu układów automatycznej regulacji. Znając transmitancję operatorową układu, można wyznaczyć odpowiedź układu y(t) na dowolne wymuszenie x(t) na wejściu do układu Automatyzacja w inżynierii środowiska

12 Automatyzacja w inżynierii środowiska Automatyzacja w inżynierii środowiska Transmitancja Transmitancja Jeżeli zależność pomiędzy sygnałem wyjściowym i wejściowym układu liniowego opiszemy przy pomocy równania różniczkowego o stałych współczynnikach, przy czym n m, dokonując przekształceń Laplace a obydwu stron równania u b dt u d b dt u d b y a dt y d a dt y d a m m m m m m o n n n n n n = = u b dt u d b dt u d b L y a dt y d a dt y d a L m m m m m m o n n n n n n

13 Transmitancja otrzymamy równanie w postaci (2.3) ( n n 1 ) ( ) ( m m 1 a s + a s + + a s + a Y s = b s + b s b s b ) U ( ) m m s n n + Stosownie do przyjętej definicji transmitancji, jako stosunku transformaty Laplace a sygnału wyjściowego (funkcji odpowiedzi) do transformaty sygnału wejściowego (funkcji wymuszającej), L G ( s) = = Lu [ y] Y( s) [] U( s) Automatyzacja w inżynierii środowiska

14 Automatyzacja w inżynierii środowiska Automatyzacja w inżynierii środowiska Transmitancja operatorowa Transmitancja operatorowa Po przekształceniach równania (2.3) otrzymamy wymierną funkcję zmiennej zespolonej {s} nazywaną transmitancją operatorową ) ( ) ( ) ( a s a s a s a b s b s b s b s U s Y s G n n n n m m m m = = (2.5)

15 Transmitancja G( s) Y ( s) b s + b s b m m 1 m m = = (2.5) n n 1 U ( s) ans + an 1s a1s + a0 s + b W praktyce stosuje się przekształcenie wzoru (2.5) do postaci zawierającej następujące parametry: współczynnik wzmocnienia K, stałe czasowe (zastępcze stałe czasowe): T, Tz, czas opóźnienia (liczba tłumienia): Tt, To, zmienną zespoloną {s}, (s=b+jω), Transmitancja przykładowego obiektu regulacji (obiekt inercyjny wyższego rzędu) K G( s) T s + 1 z e -st 0 Automatyzacja w inżynierii środowiska

16 Doświadczalne metody wyznaczania charakterystyk dynamicznych Doświadczalne metody identyfikacji stosowane są w przypadku niedostatecznej znajomości zjawisk zachodzących wobiekcie regulacji. Najczęściej jest stosowana metoda oceny transmitancji obiektu na podstawie odpowiedzi na wymuszenie skokowe nazywana charakterystyką skokową. Metoda umożliwia proste wyznaczenie współczynnika wzmocnienia obiektu statycznego, równego stosunkowi wartości ustalonej odpowiedzi skokowej do wartości sygnału wejściowego y K = u Automatyzacja w inżynierii środowiska

17 Przykład doświadczalnego sposobu sporządzania charakterystyki skokowej Metoda rejestracji odpowiedzi obiektu regulacji (temperatury powietrza wogrzewanym pomieszczeniu) na wymuszenie skokowe z 1 z 2 z 3 z 5 t i y=t i 1 T u Δu τ τ odpowiedź skokowa t i =f(τ) 2 3 z 4 wymuszenie skokowe )) Automatyzacja w inżynierii środowiska

18 Charakterystyki skokowe Uzyskana eksperymentalnie odpowiedź obiektu regulacji (temperatury powietrza wogrzewanym pomieszczeniu) na wymuszenie skokowe. u,(h) y, (t i ) Δu = Δh τ y K = u τ 0 T 0 T z Δy = Δt i τ K G( s) T s + 1 z e -st 0 Automatyzacja w inżynierii środowiska

19 Inercyjny kształt odpowiedzi skokowej Po zrównaniu nowej wartości strat ciepła pomieszczenia (przy zmienionej różnicy temperatury wewnętrznej i zewnętrznej) z ilością ciepła dostarczanego przez grzejnik powstaje nowy stan równowagi i od tego momentu temperatura powietrza utrzymuje się na stałym poziomie. Automatyzacja w inżynierii środowiska

20 Rodzaje charakterystyk dynamicznych obiektów regulacji Obiekty regulacji klasyfikuje się zwykle ze względu na ich własności dynamiczne. Podstawowym kryterium podziału obiektów regulacji jest samodzielne osiąganie stanu trwałej równowagi po wprowadzeniu skokowego wymuszenia sygnału wejściowego. Zgodnie ztym kryterium rozróżnia się dwie grupy obiektów: Obiekty astatyczne (bez samowyrównania), których wartość odpowiedzi skokowej dąży do nieskończoności. Obiekty statyczne (z samowyrównaniem), których odpowiedzi skokowe dążą do wartości skończonej. Automatyzacja w inżynierii środowiska

21 Obiekty astatyczne (bez samowyrównania) Obiekty, których wartość odpowiedzi na wymuszenie skokowe dąży do nieskończoności i nie osiąga nowego stanu ustalonego nazywane są astatycznymi (bez samowyrównania). Własności dynamiczne idealnego obiektu całkującego można opisać równaniem różniczkowym: dy( τ ) dτ = K u( τ ) transmitancją operatorową: Y(s) K G (s) = = U(s) s G(s) = Automatyzacja w inżynierii środowiska 1 T s

22 Astatyczny obiekt regulacji Astatyczny obiekt regulacji jakim jest zbiornik wody z regulowanym poziomem u=h s V y = h u y K = u dτ = y A u A u Δu s τ y Δy τ 0 0 Δτ τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

23 Obiekty statyczne (z samowyrównaniem) Odpowiedzi obiektów cieplnych na wymuszenie skokowe można podzielić na : proporcjonalne, inercyjne pierwszego rzędu, inercyjne pierwszego rzędu z opóźnieniem, inercyjne wyższego rzędu. Automatyzacja w inżynierii środowiska

24 Podstawowe charakterystyki skokowe obiektów statycznych 1. Obiekt proporcjonalny Charakterystyka skokowa Transmitancja operatorowa ( K- współczynnik wzmocnienia), y Δy G( s) = K = y u τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

25 Podstawowe charakterystyki skokowe obiektów statycznych 2. Obiekt inercyjny pierwszego rzędu Charakterystyka skokowa Transmitancja operatorowa T- stała czasowa y Δy G(s) = T K s + 1 T τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

26 Podstawowe charakterystyki skokowe obiektów statycznych 3. Obiekt inercyjny pierwszego rzędu z opóźnieniem Charakterystyka skokowa Transmitancja operatorowa y Tt czas opóźnienia (opóźnienie transportowe). G(s) = T K s + 1 -stt e T t T τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

27 Podstawowe charakterystyki skokowe obiektów statycznych 4. Obiekt inercyjny wyższego rzędu Charakterystyka skokowa Transmitancja operatorowa y To opóźnienie zastępcze, Tz - zastępcza stała czasowa K G( s) T s + 1 z e -st 0 T 0 T z τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

28 Przykłady charakterystyk dynamicznych obiektów cieplnych 1. Obiekt proporcjonalny - odcinek przewodu z zaworem regulacyjnym oraz czujnikiem przepływu Wielkością charakteryzującą proporcjonalny obiekt regulacji przepływu jest współczynnik wzmocnienia K = y u = V h 3 m / h % u y Δu Δy = K Δu τ 0 τ τ 0 V τ u = h y = V Automatyzacja w inżynierii środowiska

29 2. Obiekt proporcjonalny z opóźnieniem a. Przewód z mieszającym zaworem regulacyjnym oraz czujnikiem temperatury równanie opisujące charakterystykę skokową: y(τ) = K u(τ Tt)lub w postaci operatorowej G(s) = K e T t s u y T t Δu Δy = K Δu τ 0 τ τ 0 τ u = h y = t c T A B AB Automatyzacja w inżynierii środowiska

30 2. Obiekt proporcjonalny z opóźnieniem b.taśmowy podajnik węgla Grubość warstwy paliwa y w odległości l od początku podajnika będzie równa y grubości warstwy na początku podajnika u (K = = 1) po upływie czasu Tt = u l v h l u y v Automatyzacja w inżynierii środowiska

31 3. Obiekt inercyjny pierwszego rzędu Podgrzewacz ciepłej wody z trójdrogowym zaworem regulacyjnym Równanie charakterystyki jako odpowiedź na wymuszenie skokowe: T y( τ ) = K u( τ ) (1 e lub w postaci transmitancji operatorowej: K G(s) = T s + 1 τ ) u Δu=Δh T y Δy=K Δu τ 0 τ τ 0 T τ Automatyzacja w inżynierii środowiska

32 4. Obiekt inercyjny pierwszego rzędu z opóźnieniem Przewód z trójdrogowym zaworem regulacyjnym oraz czujnikiem temperatury w obudowie ochronnej Transmitancja operatorowa obiektu inercyjnego pierwszego rzędu z K T s opóźnieniem e - t G(s) = T s + 1 u y T T t Δu Δy = K Δu τ 0 τ τ 0 τ u = h y = t c T A B AB Automatyzacja w inżynierii środowiska

33 5. Obiekt inercyjny wyższego rzędu. Kocioł z palnikiem, instalacją c.o., grzejnikiem oraz pomiarem temperatury wpomieszczeniu. Charakterystyka obiektu składa się z: charakterystyki proporcjonalnej palnika, proporcjonalnej zopóźnieniem przewodów instalacji, inercyjnej pierwszego rzędu kotła, grzejnika iczujnika temperatury oraz inercyjnej pierwszego rzędu zopóźnieniem pomieszczenia b u y palnik kocioł przewody grzejnik pomieszczenie czujnik T 0 T z u Δu y Δy=K Δu τ 0 τ τ 0 τ T Automatyzacja w inżynierii środowiska

34 Obiekt inercyjny wyższego rzędu Zastępcza transmitancja obiektu inercyjnego wyższego rzędu zapisywana jest w postaci G(s) = T z K s + 1 e -T 0 s lub G(s) = (T K s + 1) n e -T s t gdzie: Tz -zastępcza stała czasowa, To opóźnienie zastępcze, n rząd inercyjności. Automatyzacja w inżynierii środowiska

35 Obiekty inercyjne wyższego rzędu Charakterystyki skokowe obiektów regulacji o różnych rzędach inercyjności y T z5 T z4 T T z2 T z3 n=0 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 T 02 T 03 τ T 04 T 05 Automatyzacja w inżynierii środowiska

36 Przydatność znajomości charakterystyk dynamicznych obiektów regulacji Uzyskane z wykresów charakterystyk skokowych wartości stałych czasowych oraz opóźnień obiektów regulacji sąwykorzystywane do: oceny stopnia trudności regulacji, doboru typu regulatora optymalizacji jego nastaw dynamicznych. Automatyzacja w inżynierii środowiska

37 KONIEC Automatyzacja w inżynierii środowiska

38 Wykład 3 Regulatory cyfrowe (sterowniki) Schemat blokowy włączenia regulatora do układu regulacji w + e u regulator _ element wykonawczy Obiekt sterowania y y m element pomiarowy

39 Regulatory Regulator jest urządzeniem, którego zadaniem jest: - porównanie zmierzonej wielkości regulowanej ym z wielkością zadaną w iokreślenie wielkości uchybu (błędu) regulacji e=w-ym, - wzależności od odchyłki regulacji, czasu jej trwania oraz szybkości zmian wytworzenie sygnału wyjściowego zwanego sygnałem sterującym u o takiej wartości aby błąd regulacji miał dostatecznie małą wartość, - takie kształtowanie własności dynamicznych układu regulacji aby układ był stabilny oraz zapewniał wymaganą jakość regulacji.

40 Przykłady regulatorów temperatury Cyfrowy Bezpośredniego działania Dwustawny

41 Regulatory Regulatory zasilane energią pomocniczą dzieli się na: elektryczne i elektroniczne, pneumatyczne i hydrauliczne, mechaniczne. W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżnia się regulatory: o wyjściu ciągłym, impulsowe, dwustawne, trójstawne.

42 Regulatory Pod względem zmiany sygnału wyjściowego można podzielić regulatory na: analogowe, cyfrowe. Jako standardowe sygnały analogowe wyjściowe stosuje się: napięcie o zakresie 0/2 do 10 V, prąd 0/4 do 20 ma, ciśnienie (regulatory pneumatyczne) 0,2 do 1,0 bar

43 Regulatory Ze względu na własności dynamiczne rozróżniamy regulatory: proporcjonalne typu P, całkujące typu I, proporcjonalno-całkujące typu PI, proporcjonalno-różniczkujące typu PD, proporcjonalno-całkująco-różniczkujące typu PID.

44 Charakterystyki dynamiczne regulatorów (skokowe) P K p u K p t PI K p T s i u K p T i K p t

45 Charakterystyki dynamiczne regulatorów PD K ( 1 T s) p + d u K p t PID idealny K p Td s Ti s u K p t PID - rzeczywisty K p 1 1+ Ti s + Td s Ts + 1 u K p t

46 Charakterystyki dynamiczne regulatorów gdzie: Kp współczynnik wzmocnienia, X p = K p [ % ] Ti czas zdwojenia, Td czas wyprzedzenia. -zakres proporcjonalności,

47 Charakterystyki dynamiczne regulatorów Wielkości Kp, Ti, Td noszą nazwę nastaw dynamicznych regulatora. Wregulatorach z energią pomocniczą można je nastawiać w pewnych granicach tak aby uzyskać najlepszy efekt regulacji. Współczynnik wzmocnienia Kp zwykle jest zastępowany zakresem proporcjonalności Xp.

48 Nastawy dynamiczne regulatora Zakresproporcjonalności Xp jest to procentowa część pełnego zakresu zmian wielkości uchybu e, potrzebna do wywołania pełnej zmiany wielkości sterującej u regulatora. Zakres proporcjonalności jest często podawany w jednostkach wielkości regulowanej. Na przykład w przypadku regulatorów temperatury zakres proporcjonalności podawany jest wkelwinach [K]. Wielkość ta oznacza oile stopni ma się zmienić wielkość regulowana, aby nastąpiła pełna zmiana wielkości sterującej (np. pełne otwarcie/zamknięcie zaworu regulacyjnego).

49 Nastawy dynamiczne regulatora Czas zdwojenia (całkowania) Ti dotyczy regulatorów typu PI, których wielkość wyjściowa (sterująca) ma dwie składowe: proporcjonalną up oraz całkującą ui. Czas zdwojenia jest to czas potrzebny na to aby sygnał składowej całkowej będący wynikiem działania całkującego stał się równy sygnałowi będącemu wynikiem działania proporcjonalnego. Sygnał wyjściowy zregulatora PI (wypadkowy dla obu oddziaływań) po czasie Ti zwiększa dwukrotnie swoją wartość, stąd pochodzi jego nazwa czas zdwojenia.

50 Nastawy dynamiczne regulatora Czas wyprzedzenia Td dotyczy regulatorów PD i określa działanie różniczkujące regulatora. Sygnał wyjściowy regulatorów tego typu ma zarówno składową proporcjonalną up, jak iróżniczkującą ud. Czas wyprzedzenia jest to czas, po którym sygnał wyjściowy z regulatora, związany z działaniem proporcjonalnym zrówna się z sygnałem pochodzącym od działania różniczkującego. Dzięki działaniu różniczkującemu regulator może bardzo silnie reagować już na małe zmiany uchybu regulacji e(t), uprzedza więc dalszy spodziewany wzrost uchybu przez odpowiednie oddziaływanie na obiekt regulacji.

51 Jakość regulacji Ocena jakości regulacji polega na analizie dwóch stanów układu regulacji: stanu przejściowego (dokładność dynamiczna) i stanu ustalonego (dokładność statyczna). Dokładność dynamiczna określa zdolność układu do wiernego i szybkiego śledzenia wartości zadanej. Dokładność statyczna określa zdolność układu do utrzymywania wartości regulowanej jak najbliżej wartości zadanej w stanie ustalonym tj. po zakończeniustanu przejściowego.

52 Jakość regulacji Uzyskanie wysokiej jakości regulacji uwarunkowane jest między innymi optymalnym doborem nastaw regulatora. Użytkownik ocenia zaprojektowany i zoptymalizowany układ regulacji analizując: -stabilność układu, -statyczny uchyb regulacji, -przeregulowanie, -czas regulacji (ustalania).

53 Dynamiczna jakość regulacji Na rysunku pokazano przykładowy przebieg odchyłki regulacji spowodowany zakłóceniem działającym na układ, na którym zaznaczono ważniejsze wskaźniki jakości regulacji: e - odchyłka regulacji, emax - odchyłka maksymalna (maksymalne przeregulowanie), e1 - odchyłka oprzeciwnym znaku do emax, tr - czas regulacji e emax e(t) Δe = 2 % lub 5% e1 +Δe -Δe t t r

54 Jakość regulacji Układ jest stabilny, gdy wymuszenie lub zakłócenie powoduje tylko chwilowe wytrącenie układu ze stanu równowagi. Statyczny uchyb regulacji e jest to największa różnica pomiędzy wartością sygnału zadanego w i aktualną wartością sygnału regulowanego y zmierzona w stanie ustalonym. e = w y Przeregulowanie ε to procentowa wartość maksymalnego uchybu e1 oznaku przeciwnym do uchybu początkowego, odniesiona do maksymalnego uchybu początkowego emax (rys.). ε = e e 1 max 100%

55 Jakość regulacji Czasem regulacji tr nazywa się czas, po upływie którego wartość uchybu e(t) nie przekracza wartości dopuszczalnej Δe. Najczęściej przyjmuje się Δe wwysokości 2% wartości zadanej w (ustalonej y( )).

56 Dobór nastaw regulatora PID Wymaganą jakość regulacji można uzyskać dzięki odpowiedniemu doborowi nastrajanych wielkości nazywanych nastawami regulatora. W przypadku regulatorów PID są to: zakres proporcjonalności Xp, czas zdwojenia (całkowania) Ti oraz czas wyprzedzenia (różniczkowania) Td. Opracowano wiele metod doboru nastaw regulatorów. Najprostsza do stosowania jest metoda opublikowana w 1941 roku przez amerykańskich inżynierów J.G. Zieglera i N.B. Nicholsa. Jest to metoda oparta na minimalizacji całki z modułu uchybu regulacji (kryterium całkowe)

57 Dobór nastaw regulatora PID Korzystanie zmetody Zieglera -Nicholsa wymaga wprowadzenia dwóch pojęć: wzmocnienia krytycznego Kpkr oraz okresu drgań krytycznych Tosc. Wzmocnieniekrytyczne Kpkr jest to wzmocnienie regulatora proporcjonalnego, który połączony szeregowo zobiektem spowoduje znalezienie się układu regulacji na granicy stabilności, a więc pojawienie się niegasnących drgań okresowych. Okres tych drgań nazywany jest okresem drgań krytycznych Tosc.

58 Dobór nastaw regulatora PID Podczas realizacji doboru nastaw należy: Regulator PID ustawić na działanie Pnastawiając: Ti= Timax, Td=Tdmin. Zwiększać powoli wartość współczynnika wzmocnienia Kp regulatora aż do momentu pojawienia się niegasnących oscylacji na wyjściu z układu, co jest równoznaczne z osiągnięciem granicy stabilności. Zanotować wartość współczynnika wzmocnienia Kp= Kpkr przy którym wystąpiły niegasnące oscylacje i zmierzyć okres tych oscylacji Tosc.

59 Dobór nastaw regulatora PID Zależnie od typu regulatora oblicza się wartości nastaw korzystając ze wzorów: regulator P: Kp=0,5 Kpkr; regulator PI: Kp=0,45 Kpkr, Ti= 0,85 Tosc; regulator PID:Kp=0,6 Kpkr, Ti= 0,5 Tosc, Td=0,125Tosc.

60 Dobór nastaw regulatorów cyfrowych Zasadnicza różnica pomiędzy metodami doboru nastaw regulatorów analogowych i cyfrowych polega na tym, że wobliczeniach nastaw regulatorów cyfrowych należy uwzględnić częstotliwość próbkowania (ze względu na próbkowanie sygnałów w regulatorach cyfrowych co ustalony odstęp czasu -cykliczny charakter pracy),

61 Dobór nastaw cyfrowego regulatora PID- samostrojenie Nowoczesne regulatory cyfrowe posiadają funkcję samoadaptacji (samostrojenia), umożliwiającą każdemu obwodowi regulacji automatyczne strojenie wartości zakresu proporcjonalności, czasu zdwojenia (stała czasowa całkowania) iczasu wyprzedzenia (stała różniczkowania). Funkcja samostrojenia powinna być uruchamiana przy ustalonym stanie obiektu. Jej włączenie spowoduje zmiany typu zwłocznego wobwodzie regulacji isystem rozpocznie oscylację. Regulator będzie monitorował oscylacje i po około 5oscylacjach zostaną obliczone parametry strojenia. Czas potrzebny do zakończenia samostrojenia zależy od szybkości zmian danego systemu. Minimalny czas dla szybkiego systemu to około 10 minut, ale dla wolniejszego systemu może przekroczyć 40 minut.

62 Regulatory cyfrowe (sterowniki) Regulatorami cyfrowymi nazywane sąmałe urządzenia mikroprocesorowe, głównie realizujące funkcje regulacyjne jak np.: regulacja temperatury, przepływu itp. Sterownikami nazywane są rozbudowane urządzenia mikroprocesorowe z funkcją regulacji isterowania.

63 Regulatory cyfrowe (sterowniki) Podstawowa różnica pomiędzy regulatorami analogowymi i cyfrowymi polega na tym, że w regulatorach analogowych sygnały analogowe ulegają ciągłej obróbce awregulatorach cyfrowych następuje zamiana sygnału analogowego na cyfrowy następnie obróbka sygnału i ponowna zamiana na sygnał analogowy Regulator cyfrowy y m A/D Mikrokomputer D/A w

64 Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera Ponadto sygnały wregulatorach cyfrowych sąpróbkowane co ustalony odstęp czasu (cykliczny charakter pracy). Obliczenia cyfrowe wykonywane są tylko dla dyskretnego czasu zamiast wsposób ciągły; potrzebny jest więc impulsator po stronie wejściowej i ekstrapolatorpo stronie wyjściowej. RAM chip EPROM chip CPU mikroprocesor Moduł wejścia szyna szyna szyna danych adresów sterowania Moduł wyjścia

65 Regulacja DDC Cyfrowe układy scalają regulację, sterowanie ioptymalizację. Do istotnych zalet układów DDC należy możliwość: - realizacji dowolnie złożonych algorytmów sterowania, włącznie ze sterowaniem optymalnym iadaptacyjnym, -ciągłego pomiaru irejestracji wartości dowolnych parametrów procesu, - przetwarzania danych pomiarowych, - wykrywania isygnalizacji stanów awaryjnych, -zwiększenia dokładności sterowania na skutek dokładniejszej identyfikacji obiektu regulacji.

66 Schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego ( mikrokomputera) Wyświetlacz +20 C :00 Klawiatura C + - < > Mikroprocesor CPU Zegar 00:00 Pamięć EPROM Pamięć RAM Przetwornik A/D Multiplekser Interfejs Wyjścia D A D A D A AI AI AI AI DI DI DI DO DO DO AO AO AO

67 Elementy składowe (regulatora) sterownika: - jednostka centralna mikroprocesor CPU, - zegar, - przewód zbiorczy BUS, - pamięć robocza RAM, - pamięć programowa - przetworniki A/D (multiplekser), D/A (ekstrapolator),

68 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Elementem głównym mikrokomputera jest mikroprocesor CPU (Central Processing Unit). Jest to układ scalony składający się ztrzech podstawowych bloków: - sekcji arytmetyczno-logicznej ALU (Arithmetic Logic Unit), - sekcji sterowania, - bloku rejestrów. Tworzy on jednostkę centralną, która rozumie sformułowane w programie rozkazy i steruje składnikami systemu w nadawanym przez zegar takcie systemowym, w zaprogramowanej kolejności. Wszystkie składniki są połączone ze sobą przewodem zbiorczym.

69 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Mikroprocesor komunikuje się zpamięcią, wktórej przechowywane są programy podstawowe, dane oraz programy użytkowe. W pamięci roboczej RAM (Random Access Memory) zapisywane są wyniki pośrednie. Mogą tam być zapamiętywane dane zmienne, jak wartości zadane, nastawy regulatora, harmonogramy czasowe. Dane te muszą pozostać w pamięci również po wyłączeniu napięcia sieciowego, dlatego ta część mikrokomputera posiada zasilanie bateryjne.

70 Budowa regulatora cyfrowego W pamięci programowej są zapisane programy wprowadzane producenta sterownika, projektanta systemu automatyki lub samego użytkownika. W zależności od sposobu zapisu rozróżnia się następujące rodzaje pamięci stałej: pamięć typu ROM (Read Only Memory), która zawiera informacje zapisane przez producenta, pamięć typu EPROM (Erasable Programmable ROM); która umożliwia kasowanie fabrycznie zapisanego programu przez gaszenie światłem ultrafioletowym i wprowadzenie przez projektanta lub użytkownika nowegoprogramu, pamięć typu EEPROM i Flash EPROM, która umożliwia wprowadzanie zmian oprogramowania przy pomocy oprogramowania narzędziowego z komputera zewnętrznego lub w ograniczonym zakresie zpanelu operatorskiego.

71 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) Moduły wejściowe iwyjściowe sprzęgają sterownik z obiektem sterowania. Elementem modułów są przetworniki analogowo-cyfrowe A/C oraz bloki wejść iwyjść cyfrowych. Przetworniki stosowane są w celu wprowadzenia do sterownika informacji o wielkości analogowej mierzonej na obiekcie np. temperaturze, ciśnieniu, wilgotności, napięciu, prądzie itp. Sygnały w postaci analogowej muszą być przetworzone na sygnał cyfrowy, gdyż tylko wtakiej postaci sterownik może te informacje wykorzystać.

72 Budowa regulatora cyfrowego (sterownika) W celu obniżenia kosztów sterownik wyposażony jest w jeden przetwornik A/C oraz multiplekser (impulsator), który jest urządzeniem przełączającym sygnały analogowe. Multiplekser wybiera i doprowadza do przetwornika A/C kolejne sygnały. Sterowanie urządzeniami wykonawczymi układu regulacji może być realizowane przy pomocy sygnałów cyfrowych i analogowych. Wszystkie sygnały wychodzące z mikrokomputera mają charakter binarny, dlatego w celu wytworzenia sygnałów analogowych na wyjściu ze sterownika stosowane są przetworniki cyfrowo-analogowe C/A (ekstrapolator).

73 ROZWIĄZANIA SPRZĘTOWE STEROWNIKÓW Przyjmując budowę mechaniczną jako kryterium podziału sterowników można wymienić następujące rodzaje: - sterowniki kompaktowe, -sterowniki kompaktowe rozszerzalne zmożliwością przyłączenia dodatkowych modułów we/wy, - sterowniki modułowe, - sterowniki modułowe zmodułami rozproszonymi.

74 Sterowniki kompaktowe Konstrukcja kompaktowa stosowana jest zwykle do małych sterowników. W jednej obudowie sterownika mieszczą się wszystkie niezbędne elementy tj. zasilacz, jednostka centralna, panel operatorski (ekran z klawiaturą) oraz moduły wejścia i wyjścia ookreślonej liczbie zacisków. Zaletą takiej budowy jest prosta konstrukcja iłatwy montaż. Małe sterowniki kompaktowe są wyposażone w pamięć typu EPROM lub EEPROM z fabrycznie wprowadzonym oprogramowaniem aplikacyjnym adresowanym do konkretnych obiektów regulacji jak: węzeł ciepłowniczy, centrala wentylacyjna, mała kotłownia.

75 Regulator kompaktowy z fabrycznie zaprogramowaną aplikacją. Regulator temperatury ALBATROS RVA firmy Siemens

76 Sterowniki kompaktowe Użytkownik ma możliwość wprowadzenia przy pomocy klawiatury zmiany zaprogramowanych przez producenta wartości zadanych, nastaw dynamicznych oraz harmonogramów czasowych. Jeżeli z jakiegoś powodu zmiany wprowadzone przez użytkownika do pamięci typu EPROM zostaną skasowane np. wskutek przerwy w zasilaniu elektrycznym po przywróceniu zasilania sterownik będzie pracował według nastaw fabrycznych.

77 Sterowniki kompaktowe z bibliteką gotowych aplikacji W tej grupie dużą popularnością cieszą się sterowniki wyposażone w bibliotekę fabrycznie zaprogramowanych aplikacji. W zależności od automatyzowanego układu technologicznego irealizowanych przez ten układ funkcji, użytkownik przy pomocy klawiatury wybiera z pamięci sterownika stosowną aplikację i wprowadza wartości nastaw statycznych oraz dynamicznych. Sterowniki tego typu szczególnie przydatne są w automatyzacji typowych central wentylacyjnych.

78 Przykład kompaktowego regulatora cyfrowego z biblioteką gotowych aplikacji. Regulator cyfrowy SC 9100 firmy Johnson Controls Regulator posiada: - 4 wejścia analogowe ( 2 napięciowe 0-10 V dc i 2 rezystancyjne NTC), - 2 wejścia cyfrowe, - 3 wyjścia analogowe (napięciowe 0-10 V dc), - 2 wyjścia cyfrowe triakowe, - 1 wyjście cyfrowe przekaźnikowe. - do 100 aplikacji w pamięci typu EEPROM.

79 Sterowniki swobodnie programowalne Większe sterowniki kompaktowe wyposażane sąwpamięć typu Flash EPROM dającą projektantowi systemu możliwość wprowadzenia dowolnej własnej aplikacji. Taki sterownik nazywamy swobodnie programowalnym. Producenci sterowników swobodnie programowalnych udostępniają projektantom fabryczne oprogramowanie narzędziowe do programowania (konfigurowania) sterowników. Większość producentów udostępnia oprogramowanie narzędziowe odpłatnie na podstawie umowy licencyjnej, zapewniając przy tym niezbędne szkolenie wkorzystaniu z oprogramowania.

80 Sterowniki swobodnie programowalne Do zalet sterowników swobodnie programowalnych należy zaliczyć: - możliwość tworzenia dowolnej koncepcji sterowania, zgodnie z charakterystyką automatyzowanego obiektu oraz wymaganiami stawianymi przez użytkownika, - łatwość dostosowania programu sterującego do zmian w układzie technologicznym lub wymagań użytkownika obiektu przez korektę lub napisanie nowego programu sterującego, - łatwość wprowadzania programu sterującego do sterownika przez złącze szeregowe, najczęściej w standardzie RS 485, - możliwość przenoszenia aplikacji na inne sterowniki obsługujące podobne obiekty, - możliwość włączania sterowników do sieci komputerowego monitoringu i zarządzania budynkami BMS lub energią EMS

81 Sterowniki swobodnie programowalne Stosując sterowniki swobodnie programowalne należy się liczyć z pewnymi trudnościami i dodatkowymi kosztami. Należą do nich: - konieczność zakupu oprogramowania narzędziowego wraz z komputerem serwisowym (typu laptop) i konwerterem RS 485/RS 232 do konfigurowania sterowników, - umiejętność tworzenia programów sterujących oraz obsługi programów narzędziowych.

82 Rozszerzalny sterownik DX-9100

83 Sterowniki kompaktowe rozszerzalne Do automatyzacji większych obiektów stosowane są sterowniki o odpowiednio dużej liczbie wejść/wyjść oraz wielkości pamięci programowej. Podstawową konstrukcją sterownika w tej grupie jest sterownik kompaktowy rozszerzalny. W skład tego sterownika wchodzi swobodnie programowalny sterownik kompaktowy ookreślonej liczbie wejść/wyjść oraz dowolnie konfigurowana dodatkowa liczba modułów rozszerzających: wejść/wyjść cyfrowych oraz analogowych. Moduły rozszerzające zawierają jedynie układy wejść/wyjść, które połączone przewodem komunikacyjnym ze sterownikiem korzystają z jego zasilacza, jednostki centralnej ipamięci. Wprzypadku niewystarczającej liczby wejść/wyjść jednostki podstawowej użytkownik sam konfiguruje sterownik dobierając odpowiednią liczbę irodzaj modułów, łącząc je ze sterownikiem kompaktowym.

84 Swobodnie programowalny rozszerzalny sterownik XENTA 300 firmy TAC

85 TAC Xenta 300 TAC Xenta 300 jest sterownikiem o ustalonych 20 wejściach/wyjściach z możliwością przyłączenia dwóch modułów rozszerzających o dalsze 20 wejść/wyjść oraz przenośnego panelu operatorskiego. Programowanie odbywa się z komputera przy pomocy programu narzędziowego TA Menta. Do bieżącej obsługi serwisowej regulatora służyprzenośny panel operatorski wyposażony w 6przyciskową klawiaturę oraz wyświetlacz LCD. Panel umożliwia zmianę nastaw, kontrolę parametrów oraz obserwowanie trendów. Sterownik posiada bufor pamięci umożliwiający zarchiwizowanie do 2000 wartości wybranych wielkości.

86 Sterowniki modułowe Sterowniki modułowe mają budowę charakterystyczną dla sterowników przemysłowych. Specyfika ich budowy polega na wykonaniu w oddzielnych obudowach modułów funkcjonalnych tj. zasilacza, jednostki centralnej, modułu komunikacyjnego oraz różnego rodzaju modułów wejścia iwyjścia. Projektant każdorazowo, zależnie od automatyzowanego obiektu, dobiera rodzaj iliczbę modułów łącząc je w zależności od konstrukcji przez zabudowę wkasetach (obudowa kasetowa) lub mechanicznie za pomocą odpowiednich złącz.

87 Sterowniki modułowe Sterownik modułowy firmy WAGO

88 Sterowniki modułowe WAGO Do modułu sterownika mogą być przyłączane moduły wejść i wyjść w łącznej ilości do 248 wejść/wyjść cyfrowych lub 124 wejść/wyjść analogowych. Moduły wejść/wyjść są wykonywane wwersjach 1, 2, 4oraz 8kanałowych. Zastosowana konstrukcja umożliwia szybkie mechaniczne łączenie modułów, dużą niezawodność, odporność na drgania inie wymaga konserwacji. Firma oferuje także moduły w wykonaniu przeciwwybuchowym EX. Sterownik sieciowy WAGO pracuje w systemach LonWorks iethernet TCP/IP

89 Sterownik modułowy z modułami rozproszonymi EXCEL 500 firmy Honeywell

90 Sterowniki z modułami rozproszonymi Sterowniki modułowe wykonywane są również w formie rozproszonej z modułami wejść i wyjść łączonymi z jednostką centralną kablem komunikacyjnym. Stosuje się je głównie na bardzo rozległych obiektach, gdzie doprowadzenie do sterownika sygnałów wejścia iwyjścia w formie standardowych sygnałów elektrycznych prądowych lub napięciowych wymagałoby wykonania bardzo kosztownego okablowania. Wielożyłowe kable elektryczne zastępuje wówczas znacznie krótszy itańszy kabel komunikacyjny typu skrętka.

91 Excel 500 firmy Honeywell Każdy moduł rozproszony posiada procesor ECHELON dzięki czemu komunikuje się ze sterownikiem poprzez interfejs komunikacyjny LonWorks. Magistrala komunikacyjna LonWorks łącząca moduły rozproszone zjednostką centralną jest wykonana wpostaci 2-żyłowego kabla typu skrętka. Do jednego sterownika można przyłączyć maksymalnie 16 modułów wejść iwyjść co odpowiada obsłudze 128 punktów fizycznych oraz maksymalnie 256 punktom programowym. Moduł jednostki centralnej jest wyposażony w 16-bitowy mikroprocesor oraz pamięć programową typu Flash EPROM.

92 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników).dobrany regulator powinien posiadać: możliwość przyłączenia niezbędnej ilości i rodzajów sygnałów wejściowych iwyjściowych, możliwość realizacji wszystkich niezbędnych funkcji z zakresu regulacji isterowania instalacji technologicznej; zaprogramowanych iwpisanych do pamięci programowej przez producenta lub niezbędną pojemność pamięci regulatora swobodnie programowalnego do wprowadzenia aplikacji wykonanej przez programistę. w przypadku regulatorów swobodnie programowalnych dostępny i przyjazny dla użytkownika program narzędziowy do programowania (konfigurowania),

93 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników) c.d. dla regulatorów przewidzianych do pracy wsieci BMS protokół komunikacji kompatybilny z zastosowanym systemem komputerowym, wymagany zakres dopuszczalnych parametrów klimatu wotoczeniu regulatora, wymagany rodzaj zasilania (np. prądem bezpiecznym 24 V), dogodny sposób zabudowy (na ścianie, wewnątrz szafy na szynie DIN lub w elewacji szafy),

94 Kryteria doboru regulatorów cyfrowych (sterowników) c.d. możliwość obsługi operatorskiego, regulatora z panelu niezawodność, dostępny autoryzowany serwis. -koszt regulatora porównywalny zkosztami innych regulatorów podobnej klasy, - możliwie niski koszt okablowania pomiędzy regulatorem a urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi (aparaturą polową) np. przy dużych obiektach możliwość stosowania modułów rozproszonych.

95 Dziękuję za uwagę!