Automatyka w inżynierii środowiska. Wykład 1

Transkrypt

1 Automatyka w inżynierii środowiska Wykład 1

2 Wstępne informacje Podstawa zaliczenia wykładu: kolokwium Obecność na wykładach: zalecana. Zakres tematyczny przedmiotu: (10 godzin wykładów) Standardowe algorytmy regulacji i sterowania Regulatory w inżynierii środowiska Charakterystyka i zasady doboru regulatorów cyfrowych Programowanie sterowników swobodnie programowalnych Rozdzielnice zasilająco-sterujące w systemach automatyki Komputerowe systemy telemetrii i nadrzędnego sterowania Komputerowe systemy zarządzania infrastrukturą techniczną w budynkach Komputerowe systemy zarządzania energią

3 LITERATURA 1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa Syposz J., Jadwiszczak P.: Zintegrowane systemy zarządzania energią w budynkach. PAN Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F. Muller Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.

4 Standardowe algorytmy regulacji i sterowania

5 Rodzaje regulacji Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu zakłóceń na wielkość regulowaną. Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji.

6 Regulacja stałowartościowa Regulacja temp. w pomieszczeniu z 1 z 2 z 3 2 T z 5 y w 1 u 3 z 4

7 Regulacja stałowartościowa Regulacja temperatury powietrza nawiewanego. z y 4 T 2 3 u 1 y m w z 2

8 Przykład regulacji stałowartościowej Regulacja poziomu wody w zasobniku u 1 w y P 1 2 z 1 4 h 3 z 2 V 2

9 Przykład regulacji stałowartościowej Regulacja temperatury wody w zasobniku (podgrzewaczu pojemnościowym).

10 Regulacja programowa Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym programem zmiany wartości zadanej (w=w(t)). Typowym przykładem regulacji programowej wsystemach ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie temperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w godzinach nocnych lub wdni wolne od pracy.

11 Regulacja programowa temperatury ogrzewanych pomieszczeń 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

12 Okresowe osłabienia instalacji OWK PRACA OGRZEWANIE DYŻURNE 7.00 PRACA Ti C Qco 100% 83% OSZCZĘDNOŚĆ 12 0% PRACA (20 C) WYCHŁADZANIE PODTRZYMANIE (+13 C) ROZGRZEWANIE PRACA (20 C)

13 Okresowe osłabienia instalacji OWK Rzeczywisty przebieg procesu Temperatura zadana +20 C Przy umiarkowanej temp. zewnętrznej Temperatura dyżurna +13 C Program optymalny Przy niskiej temperaturze zewnętrznej Linia załączenia rozgrzewania Koniec okresu zajętości Okres braku zajętości Najdłuższy okres rozgrzewania Początek okresu zajętości

14 Optymalizacja czasu włączenia i wyłączenia ogrzewania τ=f (?) Obecność Optymalny czas startu Optymalny czas stopu Oszczędność energii Noc Noc Czas

15 Regulacja stałowartościowa sekwencyjna Regulacja stałowartościowa sekwencyjna stosowana jest wprzypadku gdy dla utrzymania stałej wartości wielkości regulowanej konieczna jest współpraca regulatora zdwoma lub więcej elementamiwykonawczymi. y=t i T u ch u g y w

16 Regulacja nadążna (kompensacyjna) Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w=w(?)) Wogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego zasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperaturypowietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną w) Regulacja ta potocznie jest nazywana regulacją pogodową

17 Regulacja nadążna (pogodowa?) y' = t w 6 T 1 w u 2 y m T t zco 3 y 5 7 4

18 Wykres regulacji jakościowej c.o. t zco [ C] t zco =f(t zew ) t zew [ C]

19 Regulacja nadążna kaskadowa Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatury wsystemach wentylacji iklimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dynamicznych obiektu regulacji. Wprocesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz regulatora pomocniczego (nadążnego). Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą być zaprogramowane wjednym urządzeniu.

20 Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniu wentylowanym Temperaturapowietrzanawiewanego tn (jako wielkość pomocnicza y1) utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tw (główna wielkość regulowana y2). t W T t i T t N u 1 1 y 1 u 2 2 y 2 w=t i

21 Przykład zastosowania regulacji kaskadowej Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany 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

22 Regulatory Regulator w układzie regulacji z w e u y obiekt regulacji urządzenie _ regulator wykonawcze obiekt regulacji y m element pomiarowy y

23 Kryteria podziału regulatorów Biorąc pod uwagę sposób dostarczenia energii potrzebnej do napędu elementu wykonawczego wyróżnia się; regulatory bezpośredniego działania, które charakteryzują się tym, że energię potrzebną do napędu elementu wykonawczego pobierają zobiektu regulacji za pośrednictwem elementu pomiarowego (np. regulatory temperatury, ciśnienia, przepływu itp.), regulatory o działaniu pośrednim, zasilane w energię pomocniczą z obcego źródła (np. elektryczne, elektroniczne).

24 Kryteria podziału regulatorów Regulatory zasilane energią pomocniczą dzieli się na: -elektryczne i elektroniczne, -pneumatyczne -hydrauliczne, - mechaniczne.

25 Kryteria podziału regulatorów W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżnia się regulatory: - o wyjściu (sygnale) ciągłym (ciągła zależność pomiędzy wielkością regulowaną y a odchyłką regulacji e w określonym zakresie nastaw wielkości regulowanej y, -owyjściu nieciągłym: dwustawne (załącz/wyłącz), trójstawne (otwórz/spoczynek/zamknij) - quasi-ciągłe (kombinacja regulatora trójstawnego z określonym napędem). Pod względem zmiany sygnału wyjściowego można podzielić regulatory na: analogowe i cyfrowe.

26 Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora W regulatorach elektrycznych sygnały wprowadzane i wyprowadzane z regulatora dzielimy na sygnały analogowe Aoraz sygnały cyfrowe D. Wtechnice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnały analogowe wejściowe iwyjściowe stosuje się: -napięcie ozakresie 0/2 do 10 V, -prąd 0/4 do 20 ma, -ciśnienie (regulatory pneumatyczne) 0,2 do 1,0 bar Sygnały cyfrowe wejściowe iwyjściowe interpretowane sąjako informacja lub polecenie załącz/wyłącz.

27 Własności dynamiczne regulatorów Podstawowym kryterium podziału regulatorów sąich własności dynamiczne, określające związek pomiędzy sygnałem wyjściowym a odchyłką regulacji jako sygnałem wejściowym. 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.

28 Własności dynamiczne regulatorów Charakterystyka dynamiczna regulatora jest opisywana w postaci transmitancji jako stosunek transformaty U(s) sygnału wyjściowego wielkości sterującej u(t), do transformaty E(s) sygnału wejściowego uchybu regulacji e(t). G ( s) = r U ( s) E( s)

29 Charakterystyki dynamiczne regulatorów (graficzne odpowiedzi na zakłócenie skokowe) P K p u K p t PI K p T s i u K p T i K p t

30 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

31 Charakterystyki dynamiczne regulatorów Wielkości Kp, Ti, Td noszą nazwę nastaw dynamicznych regulatora. gdzie: Kp współczynnik wzmocnienia, X p = K p [ % ] -zakres proporcjonalności, Ti czas zdwojenia (całkowania), Td czas wyprzedzenia (różniczkowania) T -nienastawialna stała czasowa ściśle określona dla rzeczywistego regulatora typu PID.

32 Dziękuję za uwagę!