1 Elementy układu automatycznej regulacji (UAR) Wprowadzenie W naszej szkole, specjalizacją w klasie elektronicznej jest automatyka przemysłowa. Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie czytelnikom kilku urządzeń technicznych, w których odbywa się automatyczna regulacja procesu technologicznego. Typowa struktura układu zamkniętego automatycznej regulacji jest przedstawiona na rys. 1. Obok obiektu regulacji występują w niej zawsze trzy elementy: układ pomiarowy dostarcza informacji o stanie obiektu regulacji. Jest to z reguły wartość wielkości regulowanej. regulator ma za zadanie na podstawie informacji o stanie obiektu oraz wartości zadanej wypracowywać na bieżąco sygnał sterujący, minimalizujący uchyb regulacji. element wykonawczy jest urządzeniem, poprzez który regulator według zadanego algorytmu sterowania wpływa na obiekt regulacji. Tym sposobem jest realizowany fizycznie sygnał sterujący. Rys. 1. Typowa struktura układu regulacji Ogólne uwagi o obiektach regulacji W technice istnieje wiele obiektów, które podlegają lub mogą podlegać sterowaniu. W obiekcie regulacji można wyróżnić sygnały wejściowe sterujące obiektem, sygnały wyjściowe odpowiedzialne za prawidłowy przebieg procesu produkcyjnego oraz sygnały zakłócające przebieg procesu. Przykładami obiektów regulacji są: turbina parowa, silnik elektryczny, silnik spalinowy, zbiornik cieczy, piec elektryczny lub gazowy, obrabiarka sterowana numerycznie. Przykłady obiektów regulacji przedstawia rys. 2 Rys.2. Przykłady obiektów regulacji: a) piec elektryczny, b) zbiornik cieczy, c) prądnica ad a) W piecu elektrycznym sterowana jest moc wydzielona u w grzejniku R, wielkością regulowaną y jest temperatura Θ a zakłóceniem jest temperatura otoczenia Θ z. W podobny sposób działa chłodziarka, w której zamiast grzejnika R jest doprowadzone medium chłodzące. ad b) W zbiorniku cieczy wielkością sterowaną u jest dopływ cieczy Q, a wielkością regulowaną y jest poziom cieczy h a zakłóceniem z jest odpływ cieczy Q z.
2 ad c) W prądnicy wielkością sterowaną u jest prąd wzbudzenia I w, wielkością regulowaną y jest napięcie twornika U, natomiast zakłóceniem z jest obciążenie R. Podstawowe struktury układów sterowania W przypadku, kiedy chcemy oddziaływać na jeden, nieskomplikowany proces, wtedy stosujemy dwie struktury układów sterowania: układ otwarty układ zamknięty zwany też układem regulacji Układ sterowania otwartego charakteryzuje się jednokierunkowym oddziaływaniem sygnału sterującego na obiekt sterowania, bez możliwości kontroli prawidłowej realizacji sterowania. Rys. 3. Układ sterowania otwartego Przykładem jest zdalne załączanie silników, oświetlenia itp. bez sprawdzania przez załączającego, czy decyzja rzeczywiście została wykonana. Mogły przecież wystąpić zakłócenia w postaci przepalenia się bezpiecznika, uzwojenia silnika, żarówki lub linii energetycznej. Przy sterowaniu otwartym nie ma możliwości kompensacji wpływu niepożądanych zakłóceń zewnętrznych na wielkość sterowania u. Regulacja automatyczna polega na samoczynnym utrzymywaniu wartości wielkości sterowanej zgodnie z jej (stałą lub zmienną) wartością zadaną. W zamkniętym układzie sterowania, zwanym układem regulacji, do określenia sposobu oddziaływania na układ wykorzystywany jest stan wyjścia układu. W układzie zamkniętym sterowania regulator tak formuje sygnał nastawczy, aby różnica między wartością wielkości regulowanej, a wartością zadaną (zwaną sygnałem błędu ε) osiągnęła minimum. Wyróżnia się dwie struktury układów regulacji zamkniętej przedstawione na rys. 4. Rys. 4. Podstawowe struktury układów regulacji Przykłady układów regulacji 1. Sterowanie ręczne w układzie zamkniętym Schemat zamkniętego układu sterowania ręcznego przedstawia rys. 5. Centralnym elementem układu jest obiekt sterowania urządzenie lub proces, w którym steruje się co najmniej jednym z parametrów. Ten parametr jest mierzony i przetwarzany na standardowy sygnał pomiarowy przez zespół pomiarowy i wskazywany przez przyrząd pomiarowy. Człowiek sterujący procesem porównuje wartość wskazywanego parametru z wartością ustaloną wcześniej jako optymalną i w przypadku wystąpienia różnicy oddziałuje odpowiednio na obiekt sterowania za pośrednictwem urządzenia wykonawczego. Proces sterowania komplikują zakłócenia wpływające na sterowany parametr. Gdyby nie było zakłóceń, można by jednorazowo ustalić optymalne ustawienie urządzenia wykonawczego i sterowanie byłoby zbędne.
3 Ponieważ w układzie występuje zwrotne oddziaływanie na obiekt, przeciwdziałające zmianom wielkości sterowanej (sprzężenie zwrotne ujemne), układ regulacji ręcznej jest układem zamkniętym. Rys. 5. Schemat zamkniętego sterowania ręcznego Przykładowy układ regulacji ręcznej przedstawiono na rys. 5. Operator obsługujący proces ogrzewania cieczy w wymienniku ciepła porównuje wskazania miernika temperatury T z wartością temperatury właściwą dla procesu, zadaną mu przez instrukcję technologa. Gdy temperatura cieczy jest za wysoka, zmniejsza pokrętłem zaworu strumień pary Q doprowadzony do wymiennika. Przy temperaturze za niskiej reaguje odwrotnie. Jeżeli temperatura jest prawidłowa, nie reaguje. Takie sterowanie procesem wymaga jednak aktywnego udziału operatora, zwłaszcza jego zaangażowania myślowego, nie jest więc automatyczne. Ciekawe jest prześledzenie, jak działałoby tu zastąpienie ujemnego sprzężenia zwrotnego dodatnim. Należy tylko odwrócić reakcję operatora, który na wzrost temperatury T reaguje zwiększeniem strumienia pary do wymiennika. Takie sterowanie doprowadziłoby do osiągnięcia skrajnych możliwych wartości T i całe sterowanie nie miałoby sensu. Dodatnie sprzężenie zwrotne działa na ogół destabilizująco na sterowany proces. 2. Regulacja automatyczna Schemat zamkniętego układu automatycznej regulacji przedstawia rys. 6. Rys. 6. Układ zamkniętej regulacji automatycznej Obiektem układu regulacji jest urządzenie lub proces, w którym reguluje się jeden z parametrów y. Parametr ten jest mierzony i przetwarzany na standardowy sygnał pomiarowy y. Przykładowo, temperaturę na napięcie.
4 Sygnał wyjściowy zespołu pomiarowego, czyli sygnał wielkości regulowanej y = f(y) jest doprowadzony do członu sumującego regulatora, do którego wprowadza się też sygnał wielkości zadanej w z zadajnika. Człon sumujący dokonuje porównania wielkości regulowanej z wielkością zadaną i wysyła sygnał uchybu regulacji ε = w y do zasadniczej części regulatora członu kształtującego. W członie kształtującym następuje obróbka matematyczna sygnału ε zgodnie z algorytmem zależnym od rodzaju regulatora. Sygnał wielkości regulującej u = f(ε) jest doprowadzony do urządzenia wykonawczego. Przeanalizujmy układ regulacji temperatury cieczy ogrzewanej w wymienniku ciepła. Do grzejnika dopływa strumień pary grzejnej przez zawór regulacyjny z siłownikiem z natężeniem Q. Temperatura cieczy y opuszczającej wymiennik ma być stała, niezależna od zmian natężenia jej przepływu, jej temperatury przed ogrzaniem i ciśnienia pary grzejnej. Sygnał temperatury y jest przetwarzany na standardowy sygnał elektryczny y i porównywany w członie sumującym z sygnałem temperatury zadanej w z zadajnika. Jeżeli temperatura cieczy jest niższa od zadanej (y < w), uchyb regulacji ε = w y jest dodatni i człon kształtujący regulatora wysyła do urządzenia wykonawczego sygnał otwierający zawór na dopływie pary grzejnej do wymiennika i temperatura cieczy rośnie, aż osiągnie wymaganą wartość. Jeżeli temperatura cieczy y przekroczy zadany poziom (y > w), uchyb ε staje się ujemny i regulator przymyka zawór, doprowadzając temperaturę cieczy do wartości zadanej. Przykład: Zasilacz napięcia stabilizowanego Schemat układu stabilizacji napięcia przedstawia rys. 7. Rys. 7. Układ stabilizacji napięcia Napięcie U 1 zasilające układ jest na ogół napięciem prostownika diodowego z kondensatorem wygładzającym, więc ma przebieg zawierającym składową zmienną. Dla układów elektronicznych potrzeb wymagane jest napięcie stałe, niezmienne w czasie. Jako obiekt regulacji wybrano układ uniwersalnego wzmacniacza operacyjnego o bardzo dużym wzmocnieniu napięciowym (K u 10 000). Obciążeniem wyjścia wzmacniacza operacyjnego jest tranzystor mocy w układzie wtórnika emiterowego, którego wzmocnienie napięciowe wynosi 1. W stanie równowagi układu napięcie wejściowe różnicowe wzmacniacza operacyjnego jest zerem (ε = 0). Oznacza to równość napięć U 0 i U U Z tej równości otrzymujemy: U1 U Wartość parametru regulacji U zależy tylko od stosunku rezystancji R 1 /R 2 i napięcia U 0. W omawianym przykładzie jest to napięcie diody Zenera, więc zależne od temperatury i prądu polaryzującego diodę. Te czynniki stanowią więc zakłócenie regulacji. Dlatego w praktycznych układach buduje się dodatkowe układy stabilizujące napięcie źródła odniesienia U 0.
5 Literatura: 1) Tadeusz Mikulczyński, Podstawy automatyki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 1998 2) Michał Chędowski, Elementy układu automatycznej regulacji, Politechnika Rzeszowska 2001 3) Pomiary, sterowanie i i automatyka, Politechnika Poznańska 2002 Opracowała: Jadwiga Balicka
6 Właściwości czasowe elementów automatycznej regulacji W układach automatyki można wyróżnić elementy (układy, człony) składowe realizujące określone operacje matematyczne na sygnałach. Te elementy dają się symbolicznie przedstawić w postaci bloku z wyróżnionymi wejściami i wyjściami. Wejście = droga, którą otoczenie oddziałuje na element lub obiekt Wyjście = droga, którą element oddziałuje na otoczenie Sygnał = przebieg wartości fizycznej w czasie n.p. przebieg ciśnienia, temperatury, objętości, napięcia Sygnał oddziałujący na element nazywa się wymuszeniem, a sygnał wyjściowy odpowiedzią elementu. Rys. 8. O właściwościach elementu automatyki można powiedzieć na podstawie jego charakterystyki dynamicznej, która wiąże zmiany wartości sygnałów wejściowego i wyjściowego z czasem. Podstawowe elementy automatyki Ze względu na charakter reakcji na sygnał wejściowy elementy stosowane w automatyce dzielimy na: proporcjonalne (P) różniczkujące (D) całkujące (I) Elementy automatyki proporcjonalne Funkcja przetwarzania idealnego elementu proporcjonalnego jest dana zależnością: ytk xt K nazywa się współczynnikiem wzmocnienia i może przyjmować wartości zarówno dodatnie jak i ujemne. Rys. 9. przedstawia przebiegi odpowiedzi elementu proporcjonalnego na funkcję skokową. Rys. 9 Przykłady elementów automatyki proporcjonalnych: dźwignia mechaniczna, przekładnia zębata, wzmacniacz elektroniczny 1) Dźwignia mechaniczna Przesunięcia końców belki dźwigni Δx i Δy są wzajemnie proporcjonalne. Δy Δx
7 2. Przekładnia zębata Zmiany prędkości obrotowych kół zębatych Δn 1 i Δn 2 są wzajemnie proporcjonalne: Δn Δn Δn 3. Rezystancyjny dzielnik napięcia Napięcia U 1 i U 2 są wzajemnie proporcjonalne: U U 4. Wzmacniacz elektroniczny Niektóre układy elementów automatyki proporcjonalnych z wzmacniaczami operacyjnymi przedstawia poniższy rysunek. Ponieważ wzmacniacze operacyjne mają ograniczone pasmo częstotliwości przenoszenia, dlatego odpowiedzi skokowe tych układów są tylko w przybliżeniu funkcjami skokowymi. 5. Regulator proporcjonalny Poniższy rysunek przedstawia przykład regulatora proporcjonalnego wykorzystywanego do utrzymywania stałej wartości poziomu cieczy w zbiorniku. Woda do zbiornika jest doprowadzona przez zawór dwugrzybkowy sterowany przy pomocy pływaka. Wzmocnienie tego regulatora uzależnione jest od wymiarów a i b belki oraz charakterystyki zaworu. Działanie proporcjonalne regulatora polega na unoszeniu grzybka zaworu proporcjonalnie do uchybu poziomu cieczy. N.p. jeżeli poziom spada o 5 cm, grzybek unosi się o 2 mm, jeżeli spada o 10 cm, to grzybek podnosi się o 4 mm.
8