Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty w układzie zamkniętym, czyli w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (układzie regulacji automatycznej)

Transkrypt

1 Istnieją dwa podstawowe sposoby sterowania: w układzie otwartym: układ składa się z elementu sterującego i obiektu sterowania; element sterujący nie otrzymuje żadnych informacji o sygnale wyjściowym y, natomiast ma określony cel sterowania - utrzymanie sygnału wyjściowego na poziomie określonym przez wartość zadaną y 0; ponadto jest możliwe wykorzystanie informacji od znanego zakłócenia z i wykonanie odpowiedniej korekcji sygnału, Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty w układzie zamkniętym, czyli w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (układzie regulacji automatycznej)

2 układ regulacji stałowartościowej utrzymanie sygnału wyjściowego na stałym poziomie, niezależnym od oddziaływujących zakłóceń, regulacja stosunku dwu zmiennych regulacja kaskadowa regulacja dwupołożeniowa i krokowa układ regulacji programowej sygnał wyjściowy zmienia się w ściśle określonej zależności wynikającej z technologii, układ regulacji nadążnej sygnał wejściowy zmienia się dowolnie, natomiast sygnał wyjściowy nadąża precyzyjnie za tymi zmianami, 2

3 Bezpośrednie sterowanie cyfrowe (ang. DDC - Direct Digital Control) polega na włączeniu komputera (sterownika) w pętlę sprzężenia zwrotnego lub pętle kompensacyjną oraz zastosowania trójczłonowego algorytmu sterowania PID, dobrze znanego w technice analogowej. Można oczywiście zastosować inne algorytmy, jednak ten w 90% problemów jest wystarczający. Należy podkreślić, że sterownik jest w warstwie bezpośredniej, natomiast wartość zadana (ang. set point) jest obliczana przy użyciu metod optymalizacji statycznej lub dynamicznej i podawana z komputera warstwy nadrzędnej. 3

4 Podstawowe struktury DDC: struktura ze sprzężeniem zwrotnym (ang. feedback control) (rys. a), sterowanie kompensacyjne (ang. feedforward control) - działanie jego opiera się na: bezpośrednim pomiarze podstawowych zakłóceń (rys. b), pośrednim pomiarem zakłóceń (rys. c). 4

5 5 Regulator PID Realizowana transmitancja: ) ( ) ( = s d T s T s T K s G D D I p PID Aproksymacja :, = = z z T T z s c c δ czyli = z z T s c δ

6 Prametry - ustawiane on-line K 0., 00 d 0., 0 P T I 0., 0000 [ s] a 0 0 [%] Wejście PI/P - służy do odłączania składowej całkującej I. Zamiast niej jest podawana wartość Uo określająca punkt pracy. Wejście A/M - służy do przełączania między sterowaniem automatycznym a ręcznym; pozycje A, M odpowiadają stanom Auto, Man. Wejście U f - służy do kompensacji zakłóceń mierzalnych. T D, 3000 [ s] lub OFF u 0 0 [%] L u 0 0 [%], u, H H u L u [%] lub AUTO Suma składowych P, I, D oraz wejścia U f,po ograniczeniu do przedziału u L, u H stanowi sygnał sterujący U A, który w stanie Auto jest głównym wyjściem regulatora 6

7 Integrator analogowy: a) schemat, b) przebiegi czasowe Całkowanie: y = xdt + T I t 0 y 0 Śledzenie: t = T T y % 00 Parametry integratora przyjmują następujące wartości: T I, 0000 [ s] T T, 0000 [ s] { y L, y H } [%], y H > y L, Integrator IA pracuje w trybie: śledzenia - zastosowanie do ograniczenia szybkości zmian sygnału podawanego na wejście; całkowania (zastosowanie do bilansowania energii, masy, objętości). 7

8 Zadajnik SP współpracuje z parą klawiszy trójkątnych, służy do ustawiania punktu pracy. Regulacja stałowartościowa: Schemat ideowy pokazano na rys. poniżej. Oprócz regulatora PID układ zawiera: zadajniki wielkości zadanej w i sterowania ręcznego u M, sumator określający błąd regulacji e = w y, przełącznik Auto Man oraz wskaźniki w, y, e, u. Przełączanie powinno następować bezuderzeniowo. 8

9 Schemat ideowy układu stałowartościowej regulacji PID Elementy panelu pełnią rolę następującą: wskazywanie: wielkość zadana w wskaźnik Dl wielkość regulowana y wskaźnik Dl2 sterowanie u wskaźnik Dl3 uchyb regulacji e linijka diodowa LN ustawianie: wielkość zadana w klawisze KE3, KE4 - boczne sterowanie ręczne u M klawisze KE7, KE8 - dolne przełączanie Auto Man klawisz KE5 A/M 9

10 Schemat blokowy w PSW-8 0

11 Kompensacja zakłóceń: - zakłócenie wejścia (zakłócenie jest znane i mierzone) przykład stabilizacja podciśnienia w komorze paleniskowej kotła energetycznego, zakłóceniem są wahania ilości doprowadzanego powietrza

12 - zakłócenie wyjścia przykład - układ stabilizacji poziomu wody w walczaku kotła, gdzie sygnał poziomu przed podaniem na regulator koryguje się proporcjonalnie do różnicy między ilością wody tłoczonej do kotła, a ilością pobieranej pary. 2

13 Regulacja stosunku na kolejnym rysunku pokazano schemat ideowy układu regulacji stosunku dwu zmiennych y, x oraz jego typowe zastosowanie, w którym chodzi o dwa przepływy, np. gazu i powietrza w piecu przemysłowym, albo reagentów w reaktorze chemicznym. Parametr: R reprezentuje stosunek zadany (ratio), B jest przesunięciem (bias) może służyć do kompensacji błędu ustalonego. Jeżeli chodzi o wskazywanie zmiennych, to wskaźniki i linijki mają po dwa przełączane tory z odrębnymi zestawami parametrów (wyboru można dokonać np. klawiszem ½ KE2). 3

14 Układ regulacji stosunku a) schemat ideowy b) realizacja w PSW-8 y = Rx + B czyli y R = dla B = 0 x 4

15 - Auto-Ratio automatyczne określanie stosunku w stanie Man, ostatnia wartość R jest zachowana, jako stosunek zadany dla stanu Auto: y B R = x - Auto-Bias automatycznie określa się B, zachowując niezmieniony stosunek R: B = y Rx 5

16 Regulacja kaskadowa stosuje się dla obiektu o strukturze szeregowej, jeżeli sygnał pośredniczący między pierwszą a drugą częścią jest mierzony; gdzie: PID - regulator wiodący, PID 2 regulator podrzędny. Podstawową zaletą regulacji kaskadowej jest wyraźnie lepsze tłumienie zakłóceń oddziałujących na pierwszą część obiektu oraz linearyzacja charakterystyki statycznej. Przykład - układ regulacji temperatury pary na wyjściu kotła energetycznego; regulację prowadzi się za pomocą wtryskiwacza wody chłodzącej zainstalowanego w torze przepływu pary przed przegrzewaczem (tzn. ostatnią sekcją rur); wtryskiwacz stanowi pierwszą część obiektu, przegrzewacz drugą; temperatura za wtryskiwaczem jest zmienną pośredniczącą 6

17 Kaskadowy układ regulacji Warianty regulacji: Ext-Auto - kaskadowa regulacja wyjścia y, Int-Auto - stałowartościowa regulacja zmiennej pośredniczącej y, Man - sterowanie ręczne. Uwaga: Uruchamiając układ kaskadowy, należy najpierw w stanie Man dobrać takie u, aby y' ustaliło się w pobliżu wartości nominalnej. Wtedy przełącza się na Int-Auto i tak dobiera w I, aby z kolei główne wyjście y ustaliło się na wartości nominalnej. Dopiero wówczas następuje przełączenie na Ext- Auto (właściwą regulację) 7

18 Realizacja układu kaskadowego na PSW-8 8

19 Regulacja dwupołożeniowa zastosowanie w grzejnictwie elektrycznym, chłodnictwie, suszarnictwie i klimatyzacji, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, itp. W dwupołożeniowej regulacji PID sterowanie ma postać fali prostokątnej, gdzie regulator moduluje szerokość impulsów (współczynnik wypełnienia). Zasadniczy układ pokazano na rysunku poniżej. Część górna składająca się z zadajnika SP, komparatora COMP i negacji NOT stanowi generator fali trójkątnej Y IB o okresie 2T I (rys. b), gdzie T I jest czasem całkowania zadajnika (integratora binarnego). Dzięki ustawieniu górnego wejścia komparatora na 0.5 i histerezy na.0, fala Y IB mieści się w przedziale 0. Wytworzenie fali prostokątnej U d o szerokości zależnej od sygnału U PID następuje w dolnym komparatorze. Pełni on rolę modulatora. 9

20 Dwupołożeniowa regulacja PID z modulacją szerokości impulsu: a) realizacja w PSW-8 b) przebiegi czasowe 20

21 Sterowanie dwoma urządzeniami wykonawczymi włączanymi oddzielnie - potrzebne jest to m.in. w elektrycznych piecach okresowych nagrzewanych grzejnikami oporowymi, a chłodzonych wentylatorami. Podobnie jest w systemach klimatyzacyjnych. Na kolejnym rysunku pokazano dwa tory sterowania dwupołożeniowego włączane oddzielnie. Jeden z sygnałów U d, U d2 steruje grzaniem, drugi - chłodzeniem. Wyboru dokonuje sygnał Range. Może on pochodzić z klawisza lub być określany automatycznie, np. w zależności od kierunku zmiany wielkości zadanej. Przełączniki ASWI sterowane przez Range powodują wyłączenie jednego z wyjść. Blok mnożący MUL służy do wyrównania wzmocnienia toru dolnego do wartości, jaką ma tor górny. Różnicę powodują urządzenia wykonawcze. 2

22 Obwód wyjściowy układu regulacji dwupołożeniowej do oddzielnego sterowania dwoma urządzeniami wykonawczymi 22