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

Transkrypt

1 Instytut Automatyki i Robotyki Prowadzący(a) Grupa Zespół data ćwiczenia Lp. Nazwisko i imię Ocena LABORATORIUM 4. PODSTAW 5. AUTOMATYKI Ćwiczenie PA6b 1 Badanie regulatora mikroprocesorowego EFTRONIK X. Identyfikacja obiektu w układzie regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg Ćwiczenie składa się z dwóch części. W części I przeprowadzone zostaną badania charakterystyk statycznych i odpowiedzi na zakłócenie skokowe regulatora mikroprocesorowego EFTRONIK X produkcji CONTROLMATICA ZAP PNEFAL o sygnale ciągłym i algorytmie P, PI, PD oraz PID. Część II dotyczy eksperymentalnej identyfikacji właściwości statycznych i dynamicznych obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym. Część I I. Badanie regulatora mikroprocesorowego EFTRONIK X 1. Ogólny opis regulatora Regulator EFTRONIK X jest uniwersalnym dwukanałowym ( a opcjonalnie czterokanałowym ) urządzeniem cyfrowym przeznaczonym do stosowania w układach pomiarów, sterowania i regulacji przemysłowych procesów ciągłych. MoŜe on pracować jako przyrząd autonomiczny lub jako urządzenie sterujące najniŝszego rzędu w systemach komputerowych. Regulator EFTRONIK X zawiera następujące pakiety PAKIET OPERATORSKI wyposaŝony w elementy pokazane na rys 1. oraz 12 stykowe gniazdo do połączenia z pakietem procesora. PAKIET PROCESORA zawierający jednoukładowy specjalizowany mikrokontroler SAB80535 firmy Siemens AG oraz układy pamięciowe RAM 32 kb, EPROM 64 kb, EEPROM 8 kb. Pakiet procesora wykonany jest w postaci jednej płytki drukowanej wyposaŝonej w złącza do połączenia z panelem operatorskim, modułem zasilacza i sterownika prądowego łącza transmisji szeregowej, pakietami wejść i wyjść analogowych oraz pakietem wejść / wyjść dyskretnych W pakiecie procesora następuje przetwarzanie sygnałów analogowych na cyfrowe i odwrotnie oraz obróbka danych. PAKIET WEJŚĆ ANALOGOWYCH jeden dla dwu wejść ( lub jeden dla czterech wejść) słuŝący do dopasowania sygnałów z przetworników pomiarowych do zakresu sygnałów akceptowanych przez regulator. Pakiet wykonany jest w postaci płytki drukowanej wyposaŝonej w złącza do połączenia z pakietem procesora oraz złącze W3 do połączenia przewodów z przetworników pomiarowych. 1 Opracowanie instrukcji :dr inŝ. Danuta Holejko

2 2 PAKIET WYJŚĆ ANALOGOWYCH jeden dla dwu wyjść, słuŝący do uzyskania dwu w pełni niezaleŝnych, odseparowanych galwanicznie sygnałów wyjściowych napięciowych lub/i prądowych regulatora. Pakiet wykonany jest w postaci płytki drukowanej wyposaŝonej w złącze do połączenia z pakietem procesora oraz złącze W4 do połączenia przewodów wyprowadzających sygnały wyjściowe analogowe. PAKIET WEJŚĆ/WYJŚĆ DYSKRETNYCH jeden dla 4 wejść i 4 wyjść. Rys.1 Widok pulpitu operatorskiego regulatora EFTRONIK X Opis wybranych elementów pulpitu operatorskiego ; 1. Wyświetlacz ( czerwony) wielkości mierzonej PV. W trybie P (programowanie) pokazuje adres parametru, 2. Wyświetlacz ( zielony) OUT/SP/ERR wyświetlający w trybie pracy zaleŝnie od sekwencji przycisku MODE wartość sygnału wyjściowego regulatora OUT, lub wartość zadaną regulatora SP, kody alarmów lub w trybie P- Programowanie wartość parametru, 3. Wyświetlacz numeru kanału CHAN NO 4. Wskaźnik diodowy odchyłki regulacji d = PV - SP

3 3 5. Wskaźnik diodowy sygnału wyjściowego analogowego (CV) lub dyskretnego (diody skrajne) 6.1. Wskaźnik alarmu od przekroczenia górnego poziomu odchyłki regulacji (PV -SP>0) 6.2. Wskaźnik alarmu od przekroczenia dolnego poziomu odchyłki regulacji (PV -SP< 0) 7. Wskaźnik wystąpienia alarmu- ALARM 8. Sygnalizacja wskazań dolnego wyświetlacza- dioda świeci się gdy wskazywana jest wartość zadana SP lub kod alarmu ERR: dioda nie świeci się gdy wskazywana jest wielkość wyjściowa OUT, 9. Sygnalizacja reŝimu pracy : M sterowanie ręczne, A- sterowanie automatyczne, C- sterowanie wyjściem lub wartością zadaną z komputera, CAS sterowanie automatyczne ze zdalną wartością zadaną 10. Przycisk MODE realizuje przełączanie trybu pracy regulatora ( Praca/ Programowanie), przełącznik kanałów, kwitowanie alarmów, przełączanie aktywności wyświetlaczy w trybie Programowanie, Przycisk przywołania na wyświetlacz dolny wartości zadanej SP, kodu alarmów, wielkości wyjściowej regulatora oraz do nastawiania określonej wartości SP po jej przywołaniu i uaktywnieniu przyciskami 13.2 i 13.1, przewijania adresów parametrów w trybie Programowanie, Nastawianie określonej wartości zadanej SP po jej uaktywnieniu, przełączenie wielkości wyjściowej OUT na dolny wyświetlacz, 12. Przycisk reŝimu pracy, Zwiększanie 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 pierwszego alarmu z kolejki, Analogicznie jak 13.1 lecz do zmniejszania, Kieszonka na tabliczkę wielkości fizyczne, np. 0 C, kpa, Kieszonka na tabliczkę symbol obwodu. 2. Podstawowe dane techniczne regulatora Wejścia analogowe ilość: - 4 wejścia: AI1, AI2, AI3, AI4 zakresy: ma, 4 20 ma lub 0 5 ma V, 1 5 V lub0 10 V - wejście rezystancyjne z termometru rezystancyjnego Pt100 - wejście rezystancyjne dla nadajników potencjometrycznych: 1000 Ω, 2000 Ω, 5000 Ω Wejścia dyskretne ilość: parametry - 4 wejścia ; DI1, DI2, DI3, DI4 - napięcie : V, lub V V lub 3 5 V

4 4 Wyjścia analogowe ilość: - 2 wyjścia AO1, AO2 zakresy: ma lub 1 5 V Wyjścia dyskretne ilość: - 4 wyjścia DO1, DO2, DO3, DO4 parametry: - zestyk przełączny 24Vdc, 200mA/wyj - zestyki zwierne 220 V ac, 1A/wyj, - triak 220V ac,1a/wyj. Zasilanie V ac, f = 50 Hz. Cykl przetwarzania Regulator działa z wewnętrznym cyklem przetwarzania w granicach : ms., co oznacza pomiar sygnałów wejściowych i aktualizację sygnałów wyjściowych z taktem w tych granicach. 3. Struktura funkcjonalna regulatora Oprogramowanie regulatora umoŝliwia realizację kilkudziesięciu elementarnych algorytmów. Dla uproszczenia programowania algorytmy zostały podzielone na grupy tzw. WARSTWY o numerach 1-6. Zbiór 22 bloków ułoŝonych w warstwach stanowi strukturę funkcjonalną regulatora przedstawioną na rys. 2. Rys. 2. Struktura funkcjonalna regulatora EFTRONIK X Oznaczenia: AI - wejścia analogowe (analog input), DI - wejścia dyskretne ( digital input),, AO - wyjście analogowe ( analog output ), DO - wyjście dyskretne ( digital output ), H - wartość górna alarmu (High ), L - wartość dolna alarmu (Low ). Bloki zostały uporządkowane wg indeksów : nr warstwy, nr kanału : np. 31 oznacza blok w warstwie 3, kanał 1. KaŜdy blok ma określone wejścia i wyjścia tzn. ich liczbę i rodzaj ( analogowe, dyskretne ). KaŜdy blok moŝe realizować jeden z algorytmów wybranych z biblioteki algorytmów dla danej warstwy w trakcie programowania. Wejścia bloków w WARSTWIE 1 są bezpośrednio połączone z wyjściami przetworników a/c,

5 5 wyjścia bloków w WARSTWIE 5 są bezpośrednio połączone z wejściami przetworników c/a, w związku z tym analogowe sygnały wejściowe i wyjściowe muszą przechodzić przez odpowiednie bloki w tych warstwach. Algorytmy warstwy 1 przeznaczone są do wstępnego przetwarzania wejściowych sygnałów analogowych pochodzących zarówno z przetworników pomiarowych z obiektu regulacji jak i nadajników sygnału sprzęŝenia zwrotnego od przemieszczenia liniowego lub kątowego trzpienia zaworu regulacyjnego a takŝe z innych źródeł prądowych lub napięciowych. W blokach tej warstwy dostępne są : funkcja odwracania sygnału, zestaw funkcji arytmetycznych jednej zmiennej, filtracja szumów pomiarowych zawartych w sygnale wejściowym, linearyzacja termometru rezystancyjnego Pt100, moŝna takŝe zaprogramować sygnalizację przekroczenia dolnej lub górnej wartości wielkości wejściowej. Algorytmy warstwy 2 słuŝą do obróbki sygnałów dyskretnych. Dostępna jest w tych blokach funkcja filtracji oraz powtórzenia lub negacji sygnału wejściowego. Algorytmy warstwy 3 słuŝą do realizacji funkcji algebraicznych i arytmetycznych dwu zmiennych, kluczy ( przełączników) sterowanych sygnałem analogowym, dyskretnym lub sygnałem alarmu awarii toru pomiarowego, funkcji integratora impulsowego wykorzystywanego 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 Rys.3. Schemat funkcjonalny bloku regulacyjnego regulatora EFTRONIK X Algorytmy warstwy 4 zapisane w 4 identycznych blokach pod względem funkcjonalnym umoŝliwiają realizację podstawowych typów regulatora o wyjściu ciągłym, dwustawnym, trójstawnym. Do kaŝdego bloku przyporządkowane są dwa zadajniki wartości zadanej SP oraz sygnału wyjściowego w trybie starowania ręcznego M, przyciski 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 sygnalizację przekroczenia dolnej L lub górnej H wartości odchyłki regulacji oznaczonej w tym regulatorze symbolem d = PV - SP. KaŜdy blok regulacyjny w warstwie 4 w trybie A generuje sygnał będący określoną funkcją odchyłki regulacji zaś w trybie M generuje sygnał stały nastawiany przez operatora w zakresie 4 20 ma, zatem w trybie M regulator pełni rolę źródła stałoprądowego. Dostępna jest takŝe funkcja odwracania sygnału. Odwracanie sygnału realizowane jest przez funkcję y = 1 x co oznacza działanie rewersyjne R regulatora, natomiast dla funkcji y = x regulator ma działanie normalne oznaczone symbolem N. Schemat funkcjonalny bloku regulacyjnego warstwy 4 przedstawia rys. 3.

6 6 Algorytm PID realizowany przez regulator EFTRONIK X opisany jest transmitancją operatorową : 1 T d s G( s ) = k p (1) T T is d s + 1 k d gdzie : k p wzmocnienie proporcjonalne ( niemianowane, nastawiane), T i czas zdwojenia (nastawiany) [s], T d czas wyprzedzenia (nastawiany) [s], k d - wzmocnienie dynamiczne regulatora, k d = 8 ( stała przyrządu, wielkość niemianowana). T d /k d = τ - stała czasowa inercji idealnego działania róŝniczkującego [s]. W warstwie 5 realizowana jest końcowa obróbka sygnału. Wyjścia z bloków warstwy 5 są na stałe związane z wejściami przetworników c/a co pozwala uzyskać quasi - analogowe sygnały wyjściowe CV(na zaciskach AO1 i AO2) regulatora uaktualniane z cyklem 0.25 s. Istnieje moŝliwość zaprogramowania ograniczenia wartości minimalnej L oraz maksymalnej H sygnału wyjściowego regulatora podobnie jak w warstwie 4 dostępna jest funkcja odwracania sygnału wyjściowego. W warstwie 6 realizowana jest końcowa obróbka dyskretnego sygnału wyjściowego. Dostępna jest funkcja zanegowania sygnału oraz ustawienia stanu logicznego wyjścia po zaniku zasilania regulatora. 4. Programowanie regulatora Regulator EFTRONIK X będzie realizował określone działanie jeŝeli zostanie wpisany odpowiedni program opracowany w oparciu o TABLICE KONFIGURACYJNE i wcześniej zaprojektowaną dla określonego zastosowania STRUKTURĄ FUNKCJONALNĄ. Przed przejściem do trybu PROGRAMOWANIE naleŝy przyciskiem MODE skwitować wszystkie aktywne alarmy ( o ile występują). Tryb PROGRAMOWANIE wywołuje się przyciskiem MODE. W polu wyświetlacza CHAN.NO pojawi się litera P. JeŜeli programowanie realizowane jest dla przyrządu w którym nie uŝyto hasła, wówczas na górnym wyświetlaczu pojawi się pierwszy adres programu 0101, a na dolnym wartość Adresy w programie przedstawione są za pomocą liczby czteropozycyjnej. Dwie pierwsze cyfry oznaczają indeks bloku a dwie ostatnie są przewijane i dotyczą cech tego bloku i rodzaju realizowanej przez blok funkcji. KaŜda cecha lub funkcja zapisana jest za pomocą kodu zapisanego na dolnym wyświetlaczu jako zawartość rejestru o adresie podanym na górnym wyświetlaczu. Dla ustawienia określonego adresu naleŝy przy uŝyciu przycisków, uaktywnić określone pole wyświetlacza górnego, a następnie przyciskami, wpisać potrzebne cyfry. Krótkie uŝycie przycisku MODE powoduje przejście na wyświetlacz dolny na którym w podany sposób ustawia się czteropozycyjną liczbę stanowiącą zawartość rejestru o danym adresie. Ponowne krótkie uŝycie przycisku MODE powoduje zapamiętanie ustawionej wartości i przejście na wyświetlacz górny gdzie ustawiamy kolejny adres. Zakończenie programowania następuje po 3 sekundowym naciśnięciu przycisku MODE Dane techniczne regulatora oraz opis tablic konfiguracyjnych przedstawia załączona do ćwiczenia Dokumentacja techniczno - ruchowa regulatora EFTRONIK X..

7 7 5. Przebieg ćwiczenia Celem ćwiczenia jest sprawdzenie poprawności realizacji algorytmów regulacyjnych ciągłych P, PI, PD, PID regulatora EFTRONIK X na podstawie zdjętej doświadczalnie charakterystyki statycznej oraz odpowiedzi na wymuszenie skokowe. Schemat układu pomiarowego z pokazaniem struktury funkcjonalnej badanego regulatora przedstawiono na rys.4. Rys.4. Struktura funkcjonalna badanego regulatora mikroprocesorowego Oznaczenia: PV wielkość mierzona, CV- sygnał wyjściowy regulatora. Wielkością wyjściową regulatora jest sygnał CV pojawiający się na wyjściu AO1 i wyświetlany jest na wyświetlaczu 2 w kanale 1 oraz rejestrowany, wielkością mierzoną (wejściową regulatora) PV jest sygnał pojawiający się na wyjściu AO2. Jest on generowany w kanale 2 regulatora pracującego w trybie M jest wyświetlany na wyświetlaczu w kanale 1 oraz rejestrowany. Kanał 1 regulatora EFTRONIK X jest badanym kanałem regulacyjnym, natomiast kanał 2 pracujący w trybie M wykorzystywany jest jako zadajnik do generowania zmiany wielkości mierzonej PV jako sygnału wejściowego bloku regulacyjnego 41 w kanale 1 regulatora. Przełączanie między kanałami odbywa się po naciśnięciu przycisku MODE. Linie przekreślone podwójnie oznaczają połączenia między blokami dokonywane programowo, linie pojedyńczo zakreślone są okablowaniem zewnętrznym regulatora Wyznaczanie charakterystyk statycznych regulatora o algorytmie P Z biblioteki programów regulatora EFTRONIK X naleŝy wybrać algorytm P z nastawianym punktem pracy. Ustawić punkt pracy regulatora na wartość 50 %.oraz kierunek działania N dla nastaw : 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 Adres Kod Adres Kod Adres Kod Adres Kod

8 8 cd. tablicy odczyt odczyt Dokonać pomiaru charakterystyk statycznych regulatora zmieniając sygnał mierzony PV w kanale 2 (z zadajnika sterowania ręcznego w trybie M ). Zapisywać wartości PV odczytane z wyświetlacza w kanale 1 oraz odpowiadające wartości sygnału wyjściowego CV (AO1) odczytywanego na wyświetlaczu dolnym regulatora w kanale 1. Badania przeprowadzić dla wartości zadanej SP = 50 % = const ustawionej z pulpitu operatora w kanale 1 regulatora. Wyniki pomiarów podać w tablicy 2. Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej regulatora PV[%] CV k p =0.5 (AO1) k p =1.0 [%] k p = Badanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PI W trybie Programowanie z biblioteki programów regulatora EFTRONIK X naleŝy wybrać algorytm PID wpisując pod adresem wartość Stałe czasowe T i i T d- znajdują się pod adresami 4115 i Wartości nastaw wstawia się w sekundach. Algorytm PI uzyskuje się z algorytmu PID poprzez wyłączenie działania D wpisując pod adresem 4117 T d = 0. Badania przeprowadzić dla nastaw: k p = 1.0, T i = 0.5 [min]. Transmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PI ma postać 1 G( s ) = k p( 1+ ) (2) Ti s W trybie M regulatora ustawić jego sygnał wyjściowy CV (AO1) na wartość 10 %, oraz wielkość mierzoną regulatora (ustawianą w kanale 2) ustawić na wartość PV= SP =50% Dokonać przełączenia regulatora na tryb A. Ustawić posuw taśmy rejestratora na 3600 mm/h. Włączyć rejestrator. Zmienić skokowo wielkość mierzoną PV o +10% (zmieniając sygnał wyjściowy w kanale 2) oraz zarejestrować odpowiedź skokową regulatora Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PD Algorytm PD otrzymuje się z algorytmu PID poprzez wyłączenie działania I wpisując pod adresem 4115 wartość Wypełnić odpowiednie tablice konfiguracyjne. Transmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PD ma postać: Td s G( s ) = k p( 1+ ) (3) Td s+ 1 k d

9 9 gdzie: k d wzmocnienie dynamiczne działania róŝniczkującego. Jest to stała przyrządu. Dla regulatora EFTRONIK X producent podaje wartość k d = 8. Ustawić sygnał 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 skokowej zmiany wartości mierzonej PV o + 10 % zarejestrować odpowiedź skokową regulatora dla nastaw : k p = 1.0, T d = 0.5 [min] Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PID Transmitancja operatorowa regulatora o algorytmie PID ma postać: 1 Td s G( s ) = k p( 1+ + ) (4) T s T i d s + 1 kd Badania przeprowadzić dla nastaw: k p = 1.0, T i = 1.5 [min ], T d = 0.5 [min]. Ustawić sygnał wyjściowy regulatora w trybie M na wartość 10 %, natomiast wartość zadaną SP = PV= 50%. Dokonać przełączenia regulatora na tryb A. Dla skokowej zmiany wartości mierzonej PV o + 10 % zarejestrować odpowiedź regulatora Wyznaczanie odpowiedzi skokowych regulatora o algorytmie PID i działaniu odwrotnym Ustawić działanie odwrotne R w regulatorze. W trybie M regulatora ustawić sygnał wyjściowy na wartość 90 %, wartość zadana SP i mierzona PV mają być równe 50%. Przełączyć regulator na tryb A. Zarejestrować odpowiedź regulatora dla nastaw podanych w p Część II II. Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym 1. Opis instalacji obiektowej Badanym w ćwiczeniu obiektem regulacji jest proces zmiany temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg (rys.5.) Zadaniem układu regulacji będzie utrzymanie wielkości regulowanej, którą jest temperatura powietrza w rurociągu na zadanym stałym poziomie. Przepływ powietrza jest wymuszony przez wentylator (S). Regulację temperatury realizuje się sterując ilością ciepła wydzielanego przez grzałkę G. Sygnał sterujący mocą grzałki Y G jest sygnałem standardowym 4-20 ma i generowany jest przez zastosowany w układzie regulacji regulator mikroprocesorowy. Wielkościami zakłócającymi są : skokowa zmiana przekroju wlotowego powietrza (przez przestawienie pozycji przesłony P z zamknięte /otwarte co oznacza zmianę przekroju z 389 na 1661 mm 2 ), skokowa zmiana mocy grzejnej grzałki G przez dołączenie lub odłączenie dodatkowej rezystancji ( pozycja przełącznika 0 lub 1 );powoduje to zmianę oporności grzałki z 100 Ω na 75 Ω. skokowa zmiana prędkości obrotowej silnika wentylatora realizowana przez skokową zmianę sygnału Y W podawanego do układu sterowania silnikiem S wentylatora.

10 10 Do pomiaru temperatury zastosowano przetwornik pomiarowy T/I z czujnikiem oporowym Pt 100 ( wykonanie specjalne o małej bezwładności ) z linearyzacją i standardowym wyjściem 4-20 ma. Zakres pomiarowy przetwornika wynosi C. Pomiar natęŝenia przepływu odbywa się przez pomiar spadku ciśnienia p na zwęŝce pomiarowej. Zakres przetwornika róŝnicy ciśnień p / I z wyjściem 4-20 ma wynosi 0-50 mm H 2 O. Rys.5 przedstawia schemat części obiektowej stanowiska laboratoryjnego do badania układu regulacji temperatury powietrza w rurociągu P1 T/I p/i Y G Y w PV 4-20 [ma] 4-20 [ma] 4-20 [ma] 4-20 [ma] Rys.5. Schemat części obiektowej stanowiska układu regulacji temperatury powietrza Oznaczenia : P - przesłona dla skokowej zmiany przekroju wlotowego powietrza, S - silnik o regulowanych obrotach napędzający wentylator, G - grzałka elektryczna, PV sygnał prądowy z przetwornika temperatury T/I, Q - sygnał prądowy z przepływomierza zwęŝkowego, p/i- przetwornik róŝnicy ciśnień, 0-1 pozycje przełącznika P1 do zmiany oporności grzałki, Y w - sygnał sterujący obrotami silnika, Y G - sygnał sterujący mocą grzałki. 2. Identyfikacja obiektu układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg Identyfikacja obiektu regulacji sprowadza się do określenia modelu matematycznego tego obiektu. Model ten tworzy zespół zaleŝności matematycznych wiąŝących wielkość regulowaną ze sterowaniem i zakłóceniami będących reprezentacją właściwości obiektu. Tworzone modele ze względu na ich zasięg mogą być modelami: globalnymi lub lokalnymi (parametrycznymi). Modele globalne ( bilansowe) tworzone dla celów analizy procesu technologicznego, jego optymalizacji i prowadzenia rozruchu tworzone są na podstawie zaleŝności między zmiennymi procesowymi wiąŝącymi np. energię, masę, połoŝenie i stan poszczególnych

11 11 elementów tworzących proces w pełnym zakresie ich zmienności oraz na podstawie bilansów tych wielkości dla całego obiektu. Model taki ma najczęściej postać nieliniowych zaleŝności róŝniczkowo-całkowych. MoŜna go wykorzystać zarówno przy projektowaniu układu regulacji jak i optymalizacji punktu pracy. Modele lokalne (parametryczne) opisują właściwości obiektu w otoczeniu danego punktu pracy co na ogół jest wystarczające do doboru parametrów zainstalowanych w układzie regulacji elementów, do analizy stabilności układu z regulatorem oraz doboru algorytmu sterowania i struktury układu regulacji. Model taki ma zazwyczaj postać załoŝonego z góry opisu matematycznego np. w postaci transmitancji operatorowych : obiektu oraz transmitancji zakłóceniowych. W procesie identyfikacji określane są nieznane parametry tych transmitancji. Pozyskiwanie modelu moŝe być realizowane analitycznie na podstawie znajomości równań opisujących zaleŝności fizyko - chemicznych obiektu lub eksperymentalnie. Metoda eksperymentalna moŝe być eksperymentem czynnym lub biernym. Eksperyment czynny polega na pobudzeniu obiektu zdeterminowanym wymuszeniem. Jest to najczęściej wymuszenie skokowe, impulsowe lub sinusoidalnie zmienne. Otrzymana odpowiedź na to wymuszenie pozwala na podstawie prostych konstrukcji graficznych określić parametry załoŝonego modelu matematycznego, który ze względów praktycznych i projektowych ma postać niezbyt złoŝonej transmitancji tzw. transmitancji zastępczej. Transmitancja ta w sposób przybliŝony oddaje właściwości rzeczywistego badanego obiektu w otoczeniu wybranego punktu pracy. Przed rozpoczęciem doświadczenia obiekt musi znajdować się w stanie ustalonym. Dokładność identyfikacji zaleŝy od amplitudy wymuszenia, która winna być na tyle duŝa aby zminimalizować wpływ zakłóceń a na tyle mała aby nie wprowadzić obiektu w nasycenie. Czas trwania wymuszenia powinien być dostatecznie długi aby moŝliwe było ujawnienie charakteru odpowiedzi. Obiekty podobnie jak inne elementy automatyki, klasyfikuje się ze względu na ich właściwości dynamiczne. Taką najbardziej ogólną klasyfikacją jest podział ze względu na zdolność osiągania lub nieosiągania równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuszenia skokowego. Z tego punktu widzenia obiekty dzieli się na :statyczne i astatyczne. Przykładowe odpowiedzi obiektów statycznych i astatycznych na wymuszenie skokowe sterowania przedstawia rys.2. Miejsce usytuowania obiektu w układzie regulacji przedstawia rys. 2c. a) b) c) Rys. 6. Przykładowe ogólne odpowiedzi na wymuszenie skokowe a) obiektu statycznego, b) astatycznego; c) schemat ideowy do rozwaŝań teoretycznych układu regulacji Dla obiektów statycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.6a przyjmuje się najczęściej następujące modele matematyczne przedstawione w postaci transmitancji operatorowej: y( s ) kob T0 s Gob( s ) = = e (5) u( s ) T s + 1 z

12 12 lub y( s ) kob τs Gob( s ) = = e (6) n u( s ) (Ts + 1) Parametry modelu określonego wzorem (5) odczytuje się wprost z wykresu, natomiast parametry modelu określonego wzorem (6) zwanego modelem Strejca określa się z wykresu i z tablic podanych w literaturze.. Dla obiektów astatycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.6b przyjmuje się najczęściej następujący model matematyczny przedstawiony w postaci transmitancji operatorowej y( s ) 1 T0 s G( s ) = = e (7) u( s ) Tzs Parametry modelu określonego wzorem (7) odczytuje się wprost z wykresu na rys.6. W eksperymencie biernym parametry modelu określa się na podstawie pomiaru dostępnych sygnałów podczas normalnej pracy układu regulacji bez konieczności przerywania jego pracy i naruszania warunków eksploatacji. W metodzie tej nie mamy wpływu na sygnały podawane na obiekt i identyfikacja obiektu jest w tej metodzie trudna ze względu na często niską zdolność pobudzającą sygnałów.. Analiza sygnałów pozwala określić model tzw. stochastyczny, który ze względu na dokładność opisu właściwości obiektu moŝe być wykorzystywany w systemach diagnostycznych lub do optymalizacji procesu regulacji lub teŝ opracowania innego od standardowego algorytmu regulacji. W ćwiczeniu identyfikacja obiektu przeprowadzona będzie na podstawie pomiaru charakterystyki statycznej obiektu w pełnym moŝliwym zakresie zmian wielkości regulowanej wywołanej zmianą sterowania i zakłóceniami. oraz odpowiedzi badanego obiektu na celowo wprowadzone wymuszenie skokowe w wybranym z charakterystyki statycznej punkcie pracy. Będzie to zatem eksperyment czynny, w którym celowe oddziaływanie na obiekt odbywać się będzie poprzez sygnał sterowania zadawany przez operatora. Pomiary właściwości statycznych i dynamicznych obiektu przeprowadza się wówczas gdy regulator i inne elementy układu regulacji są juŝ zainstalowane, ich funkcjonowanie jest sprawdzone. Układ regulacji pracuje wówczas w trybie sterowania ręcznego M. Właściwości statyczne i dynamiczne będą reprezentowane poprzez związki między wielkością regulowaną, którą jest wysokość temperatura powietrza T przetworzona na sygnał mierzony PV, a sygnałem sterującym mocą grzałki Y G oraz między wielkością regulowaną a wielkościami zakłócającymi. Związki te reprezentować będą transmitancje :operatorowa obiektu oraz transmitancje zakłóceniowe obiektu. Schemat połączeń części obiektowej stanowiska z panelem sterowania przedstawia rys.7. Panel sterowania składa się z rejestratora dwukanałowego z taśmą papierową, zasilacza 24 V dc niezbędnego do zasilenia przetworników pomiarowych części obiektowej oraz regulator EFTRONIK X. Przed przystąpieniem do identyfikacji obiektu regulacji, naleŝy zaprogramować strukturę funkcjonalną regulatora wg schematu przedstawionego na rys. 8. W trybie PROGRAMOWANIE wprowadzić w bloku 11 warstwy 1 stałą filtracji T f = 2 sek, w bloku regulacyjnym 41 warstwy 4 wybrać algorytm PID i działanie odwrotne R (rewers).

13 13 PV Rys.7. Schemat połączeń elementów układu regulacji temperatury powietrza w rurociągu Oznaczenia: 1 zasilacz, 2- rejestrator dwukanałowy, 3 regulator EFTRONIK X. Pozostałe oznaczenia jak na rys. 5. REGULATOR EFTRONIK X T/I PV AI1 y = x 11 y = x y = x 12 CAS A,M SP CAS A,M SP A PID y = 1 - x A PID y = x 42 y = x M 51 M 41 y = x M 52 M AO1 Y G AO2 Y w Rys. 8. Struktura funkcjonalna regulatora EFTRONIK X. Oznaczenia: T/I przetwornik temperatury, PV- sygnał wielkości mierzonej, wyjściowy z przetwornika temperatury, Y G - sygnał sterujący grzałką, Y w - sygnał sterujący wydajnością wentylatora

14 Identyfikacja właściwości statycznych obiektu regulacji Charakterystykę statyczną obiektu regulacji moŝna przedstawić jako zaleŝność temperatury powietrza przedstawionej w postaci zmian wielkości mierzonej PV w funkcji sygnału Y G sterującego mocą grzałki przy stałym nastawionym natęŝeniu przepływu powietrza ( tzn. przy stałym sygnale Y w sterującym obrotami wentylatora ) : PV = f ( Y G, Y w ) gdzie : PV - temperatura powietrza [%], ( C = % ) Y G - sygnał sterujący mocą grzałki [ % ] Y w - sygnał sterujący obrotami wentylatora [ % ] Dla określenia charakterystyki statycznej obiektu naleŝy przełączyć regulatory w kanale 1 i 2 na tryb M. Sygnały Y G oraz Y w są sygnałami wyjściowymi AO1 i AO2 regulatora mikroprocesorowego nastawianymi ręcznie przez operatora. Ustawić sygnał Y w = 50 %. Zmieniać sygnał Y G w zakresie %. Odczytać na wyświetlaczu PV regulatora w kanale 1 wartość ustaloną temperatury. Powtórzyć badania dla Y w = 40 % oraz Y w = 60 %.Wyniki pomiarów przedstawić w tablicy 3. Tablica 3 Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji Y G [%] Y w = 50 % PV [%] Y w = 30 % PV [%] Y w = 70 % PV [%] 2.2. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych: obiektu i zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego deterministycznego w otwartym układzie regulacji przedstawionym na rys.5. W eksperymencie tym wykorzystana zostanie metoda odpowiedzi skokowej generując skokowe zmiany sygnału sterującego Y G i wielkości zakłócających. Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów obiektu na podstawie prostych konstrukcji graficznych. Na podstawie otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na zakłócenia skokowe określać się będzie transmitancje operatorową obiektu G ob. (s), oraz transmitancje operatorowe zakłóceniowe obiektu G 1. (s), G 2. (s), G 3 (s) określone odpowiednio dla: skokowej zmiany sygnału Y w przy stałym sygnale sterującym Y G = const, zmiany pozycji przełącznika elektrycznego wyłączającego dodatkową rezystancję (zmiana pozycji 0 1 ) przy stałych sygnałach Y G i Y w, zmiany pozycji przesłony P ze stanu otwarte na zamknięte. Parametry tych transmitancji obowiązywać będą w wybranym punkcie pracy instalacji Pomiar zmian temperatury dla skokowej zmiany sygnału sterującego Y G w układzie otwartym (przy stałych obrotach wentylatora). Określenie transmitancji obiektu W trybie sterowania ręcznego M, ustawić sygnał Y G = 50 %. oraz Y w = 50%.,odczekać do stanu ustalonego PV= const. Ustawić posuw taśmy rejestratora na

15 mm/godz. Włączyć rejestrator i zarejestrować przebieg zmiany temperatury T (PV) wywołany skokowym zwiększenie mocy grzejnej przez zmianę sygnału sterującego Y G z wartości 50 % na wartość 70 %. Zgodnie z rys.6 dla badanego obiektu moŝna przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (5) : PV( s ) kob T0s G ob( s ) = = e (8) Y ( s ) T s+ 1 Stosując konstrukcję graficzną przedstawioną na rys. 9 z zarejestrowanego przebiegu naleŝy odczytać wartości parametrów zastępczej transmitancji operatorowej obiektu :T z,t o, k ob. G z Rys.9. Przykład konstrukcji graficznej do określania parametrów transmitancji operatorowej obiektu regulacji Przedstawiona transmitancja umoŝliwia dobór nastaw regulatora w układzie regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg Pomiar zmian temperatury dla skokowej zmiany obrotów wentylatora Y w Ustawić sygnał Y G = 50 %. oraz Y w = 50 %. odczekać do stanu ustalonego PV=const. Zarejestrować przebieg zmiany temperatury PV wywołanej skokową zmianą sygnału Y w z wartości 50 % na wartość 70 %. Wyznaczyć parametry transmitancji zakłóceniowej obiektu regulacji o postaci PV( s ) τ1s k1 G 1( s ) = = e (9) Y ( s ) T s+ 1 W Pomiar zmian temperatury wywołanej zmianą stanu przełącznika z dodatkową rezystancją z pozycji 0 na 1. 1 Ustawić PV=const. sygnał Y G = 50 %. oraz Y w = 50 %. odczekać do stanu ustalonego

16 16 Zarejestrować przebieg zmiany temperatury PV wywołanej skokową zmianą pozycji przełącznika z 0 na 1. Wyznaczyć parametry operatorowej transmitancji zakłóceniowej obiektu regulacji o postaci PV( s ) k2 τ 2s G 2( s ) = = e (10) R( s ) T s+ 1 gdzie: R zmiana oporności grzałki Pomiar zmian temperatury wywołanej zmianą pozycji przesłony P 2 Ustawić sygnał Y G = 50 %. oraz Y w = 50 %, oraz pozycję przełącznika na 0. Odczekać do stanu ustalonego PV=const. Zarejestrować przebieg zmiany temperatury PV wywołanej skokową zmianą pozycji przesłony z otwarte na zamknięte.. Wyznaczyć parametry operatorowej transmitancji zakłóceniowej obiektu regulacji o postaci PV( s ) k3 τ 3s G 3( s ) = = e (11) f ( s ) T s+ 1 gdzie: f zmiana przekroju przepływowego przesłony. 3 III. Wyniki badań i wnioski Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia, schematy, wykresy otrzymane z rejestratora z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniŝej. Narysować charakterystykę statyczną CV = f ( PV - SP ) regulatora o algorytmie P z punktem pracy P pr.= 20%. ( wielkość wykresu 100x 100 mm). Jak zmieni się charakterystyka jeŝeli punkt pracy wyniesie P pr.= 70%. Określ równanie ruchu regulatora o algorytmie P i sprawdź poprawność jego realizacji przez regulator, Z otrzymanych wykresów odpowiedzi skokowych regulatora odczytać rzeczywiste wartości nastaw i podać je w zaproponowanej przez siebie tabeli, Ocenić dokładność realizacji nastawionej wartości k p. Ocenić dokładność realizacji działań dynamicznych regulatora. Określić wzmocnienie dynamiczne k d regulatora o algorytmie PD. Podaj jak w prosty sposób moŝna ocenić kierunek działania regulatora tzn. N czy R. Podaj jak w prosty sposób moŝna ocenić algorytm regulatora. Narysować schemat blokowy obiektu oraz przeprowadzić jego analizę. Narysować charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadzić analizę właściwości statycznych obiektu, Określić na podstawie charakterystyki statycznej obiektu, dla jakich wartości SP układ regulacji będzie sterowalny. Określić na podstawie schematu blokowego obiektu kierunek działania regulatora w układzie zamkniętym