27. Rodzaje regulatorów w instalacjach przemysłowych. I podział: Regulatory Regulatory są urządzeniami technicznymi, służącymi do wytwarzania na podstawie uchybu regulacji sygnału sterującego, to jest różnicy pomiędzy zadaną wartością regulowanego sygnału, a aktualnie zmierzoną wartością. Przykładowo regulator temperatury służy do wytwarzania sygnału, który zmienia strumień energii zasilającej dany obiekt w sposób odpowiedni do różnicy napięć z niezrównoważonego mostka, który stanowi źródło zadanej wartości temperatury oraz termopary, która mierzy temperaturę w badanym obiekcie. Regulatory działania bezpośredniego Jednym z rodzajów regulatorów, które znajdują się obecnie w użyciu jest regulator bezpośredniego działania. Stanowi on urządzenie, które zawiera układ pomiarowy, regulator właściwy oraz organ wykonawczy. Tego typu regulatory nie wymagają dodatkowej energii zasilającej, pobierają ją natomiast prosto z procesu regulowanego przy udziale układu pomiarowego. Regulatory tego typu wykonywane są zarówno jako dwustawne, w których wyjściowy sygnał regulatora może przyjmować jedynie dwie wartości, oraz regulatory o działaniu ciągłym. Jeden z przykładów regulatorów działania bezpośredniego to bimetalowy regulator temperatury, znajdujący się w żelazku, który pod wpływem temperatury zmienia swój kształt przerywając jednocześnie obwód grzejnika w żelazku. Kolejnym przykładem jest regulator ciśnienia znajdujący się w butli gazowej, kolejnym jest termostat znajdujący się w obwodzie pompy wodnej, która wchodzi w skład układu chłodzenia każdego silnika samochodowego. Regulatory działania bezpośredniego używane są najczęściej do regulacji temperatury, natężenia przepływu, regulacji ciśnienia, poziomu cieczy oraz jako regulatory o wielu wartościach wyjściowych. Regulatory temperatury Rozróżniane są dwa rodzaje rozwiązań regulatorów temperatury. W pierwszym przypadku czujnik temperatury umieszczony jest we wnętrzu zaworu, a dzięki zmianie swoich wymiarów jednocześnie powoduje przesuwanie grzybka w stosunku do gniazda. Przypadek drugi to czujnik, który jest wykonany w postaci manometrycznego termometru, który dostarcza ciśnienie do sprężystego mieszka. Denko tego mieszka wprawia w ruch trzpień regulacyjnego zaworu. Typowymi danymi omawianej właśnie grupy regulatorów temperatury są: Szerokość zakresu najczęściej rzędu 10 C, długość linii pomiarowych nie przekraczająca 3 metrów, zakres temperatury regulowanej: 30-130 C. Regulatory wykonywane są z zaworami zamykanymi lub otwieranymi przy wzroście temperatury. Pozycja temperatury może być ukośna, pozioma lub pionowa. Regulatory ciśnienia Regulatory ciśnienia są przeznaczone do stabilizacji ciśnienia w zbiornikach lub w rurociągach. Elementami pomiarowe to najczęściej membrany. Proste konstrukcje z wykorzystaniem membran charakteryzują się tym, że membrany służą zarówno do nastawiana pomiaru, jak i jego realizacji. Bardziej złożone układy posiadają oddzielne zadajniki ciśnienia, także bezpośredniego działania, oraz oddzielne zawory membranowe, które nie posiadają sprężyn zwierających. Trudności w uzyskaniu dostatecznie stabilnego układu regulacji są powodowane astatyzmem regulatorów ciśnienia, dlatego też stosowane bywają korektory, których działanie polega zwykle na wprowadzeniu pochodnej ciśnienia mierzonego.
Regulatory natężenia przepływu Najczęściej stosowane elementy pomiarowe to tłoki lub membrany wraz ze zwracającą sprężyną. W typowych regulatorach natężenia przepływu ciecz, która wytwarza spadek ciśnienia na wyciętej w ściance tłoka kryzie pomiarowej, który dla małych wahań jest w przybliżeniu proporcjonalną wartością do przyrostów natężenia przepływu. Wzrost natężenia przepływu jest powodem zwiększenia różnicy ciśnień, która działa z góry ku dołowi. Powoduje to w następstwie zmniejszenie średnicy otworu dopływowego i zarazem ograniczenie natężenia przepływu. Siła pochodząca od ciśnienia w stanie równowagi równoważona jest sprężyną zwracającą. Cylinder ścięty ukośnie może obracać się o pewien kąt względem tłoka, a dźwignia obrotowa służy do zmiany powierzchni przepływowej kryzy, umożliwiając tym samym nastawianie różnych żądanych wartości natężeń przepływu. Regulatory poziomu cieczy Regulatory cieczy najczęściej są wyposażone w pływak, który stanowi człon pomiarowy, głównie z powodu jego prostej budowy. W przypadku zbiornika ciśnieniowego mogą powstać trudności, których powodem jest potrzeba dobrego uszczelnienia i jednocześnie małe tarcie w miejscach wprowadzeń trzpienia zaworu i dźwigni. Przykładową konstrukcją jest pływak, który dzięki pośrednictwu dźwigni potrafi przestawić trzpień zaworu regulacyjnego. Zawory regulatorów poziomu oraz komory pomiarowe zazwyczaj są konstruowane na ciśnienie rzędu 150-200 kn/m 2, typowa średnica zaworu wynosi 40 mm, każda zmiana poziomu o 80-100mm natychmiast powoduje pełne przestawienie zaworu. Regulatory posiadające wiele wielkości wejściowych Regulatory o wielu wielkościach wejściowych posiadają złożone człony pomiarowe, które dostosowane są do sumowania rezultatów dostarczonych przez kilka pomiarów. Przykładem tego typu regulatora jest proporcjonalny regulator zasilania kotła parowego. Zadaniem tego regulatora jest utrzymywanie stałego poziomu cieczy w walczaku, pomimo zakłóceń powstałych na skutek oddziaływania zmian ciśnień zasilania oraz natężenia odpływu pary. Przewidziano w regulatorze możliwość pomiaru natężenia dopływu wody, poziomu oraz natężenia odpływu pary, który mierzony jest spadkiem ciśnienia na podgrzewaczu. Zwiększenie ciśnienia wody zasilającej powoduje zwiększenie natężenia dopływu do kotła, oraz powoduje przymknięcie zaworu regulacyjnego. Wzrost zapotrzebowania na parę, jest związany ze zwiększeniem spadku ciśnienia na podgrzewaczu pary lub zmniejszeniem poziomu w walczaku, co powoduje odemknięcie zaworu.. Podstawową cechą regulatorów bezpośredniego działania, poza brakiem oddzielnego źródła zasilania, jest prostota konstrukcji oraz zwartość obudowy. Z tego powodu charakteryzują się one dużą niezawodnością oraz niskimi kosztami wytworzenia. W zasadzie nie podlegają one konserwacji, wymiana ma miejsce jedynie w wypadku zużycia. Nie są one niestety zbytnio dokładnie, dlatego stosowane są one głównie w sprzęcie użytku powszechnego. Wartości regulacji, które są uzyskiwane nie są duże, wystarczają one jednak dla użytkowników obiektów, z którymi regulatory te będą współpracować. II podział: Regulator dwupołożeniowy Wejściem do regulatora jest standardowo wartość uchybu regulacji, natomiast wyjście z regulatora ma tylko dwa możliwe stany: max oraz min. Regulacja polega najczęściej na załączeniu/wyłączeniu urządzenia w zależności od wartości sygnału wejściowego uchybu.
Wada regulatora dwupołożeniowego: zbyt częste załączanie/wyłączanie urządzenia wykonawczego w przypadku gdy wyjście systemu oscyluje w pobliżu wartości zadanej. Rozwiązanie: wprowadzenie strefy nieczułości. Cechy charakterystyczne: stosunkowo dobra jakość regulacji stałowartościowej w przypadku obiektów o dużych stałych czasowych, bardzo prosta zasada działania a tym samym fizyczna realizacja (przekaźniki, termobimetale, tranzystory, tyrystory, ), tanie i wytrzymałe, nie niwelują uchybu w stanie ustalonym, nie nadają się do sterowania nadążnego, wprowadzają do systemu regulacji nieliniowość. Regulator P Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalnego (P) jest proporcjonalny do sygnału wejściowego (błędu regulacji e(t)). wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji
Zalety bardzo prosta zasada działania a tym samym fizyczna realizacja, tanie i wytrzymałe, nie niwelują uchybu w stanie ustalonym, zmniejszanie uchybu w stanie ustalonym wymaga zwiększania współczynnika wzmocnienia co powoduje wzrost oscylacji wyjścia obiektu, nie nadają się do sterowania nadążnego. Regulator D Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora różniczkującego (D) jest proporcjonalny do szybkości zmian sygnału wejściowego (błędu regulacji e(t)). wyjście regulatora = Kd x szybkość zmian błędu regulacji Zalety szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji), nie niwelują uchybu w stanie ustalonym (nie reagują na taki błąd!!), w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator generuje bardzo duży sygnał wyjściowy, nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia technologiczne)!! Regulator PD Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno różniczkującego (PD) jest proporcjonalny do szybkości zmian sygnału wejściowego (de(t)/dt) oraz do wartości tego błędu (e(t)). wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Kd x szybkość zmian błędu regulacji
Zalety szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji), zmniejsza uchyb w stanie ustalonym nie niweluje uchybu w stanie ustalonym, w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator generuje bardzo duży sygnał wyjściowy, nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia technologiczne)!! Regulator I Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora całkującego (I) jest proporcjonalny do całki (sumy w przypadku dyskretnym) sygnału wejściowego (błędu regulacji e(t)). wyjście regulatora = Ki x całka z błędu regulacji w czasie Zalety likwidacja stałego lub wolno zmiennego uchybu regulacji, wydłużenie czasu regulacji, nasycanie się regulatora!! Pogorszenie stabilności układu. Regulator PI Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno całkującego (PI) jest proporcjonalny do całki (sumy w przypadku dyskretnym) sygnału wejściowego oraz do wartości tego błędu (e(t)). wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Ki x całka z błędu regulacji w czasie Regulator PID Wykorzystuje zalety poszczególnych składowych regulatora oraz stara się niwelować ich wady (poprzez odpowiedni dobór nastaw regulatora). Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno całkująco różniczkującego (PID) jest proporcjonalny do szybkości zmian sygnału wejściowego, całki (sumy w przypadku dyskretnym) sygnału wejściowego oraz do wartości tego błędu. wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Ki x całka z błędu regulacji w czasie + Kd x szybkość zmian błędu regulacji
Regulator adaptacyjny Regulator adaptacyjny jest regulatorem z nastawialnymi parametrami i mechanizmem do nastawy parametrów. Regulatory adaptacyjne są nieliniowe ze względu na mechanizm adaptacji parametrów. Układ sterowania adaptacyjnego to taki, którym zachodzi automatyczne dopasowanie parametrów regulatora do zmieniających się właściwości obiektu sterowania i jego otoczenia. Zbiór technik umożliwiających strojenie regulatora w czasie rzeczywistym podczas działania regulatora. Cechy regulatorów adaptacyjnych Dostosowanie się do nieznanych warunków pracy Występowanie dodatkowego sprzężenia zwrotnego (od jakości działania) Zmienność w czasie współczynników sprzężeń zwrotnych Dokonywanie identyfikacji obiektu w trakcie działania układu Zmniejszanie niepewności co do sterowanego obiektu w trakcie działania adaptacji
Regulator rozmyty Sterowanie rozmyte jest sterowaniem za pomocą reguł Sterowanie rozmyte można sklasyfikować jako: nieadaptacyjne sterowanie rozmyte adaptacyjne sterowanie rozmyte Nieadaptacyjne sterowanie rozmyte struktura i parametry sterownika rozmytego ustalone w procesie projektowania pozostają niezmienione podczas jego działania (w czasie rzeczywistym) Adaptacyjne sterowanie rozmyte struktura i/lub parametry podlegają zmianom podczas działania sterownika w czasie rzeczywistym Sterowanie nieadaptacyjne jest prostsze niż sterowania adaptacyjne, ale wymaga większej wiedzy o sterowanym obiekcie (o jego modelu) i może dawać gorsze wskaźniki działania Określenie wartości sterowania opiera się na użyciu bazy reguł rozmytych, mechanizmu wnioskowania i aktualnego wejścia sterownika Regulator predykcyjny (MPC) Sterowanie nadążne (realizowanie trajektorii zadanej) i/lub sterowanie optymalizacyjne (minimalizacja kosztów). Dane wejściowe: dynamiczny model obiektu wraz z modelem zakłóceń, pomierzone (lub estymowane) wartości wyjścia z obiektu y w chwili bieżącej i chwilach poprzednich, wartości sterowań u w chwilach poprzednich, wartość (trajektorii) zadanej yzad w chwili bieżącej i następnych (wyznaczonych wcześniej). Na podstawie tych danych i obranym celu, generowane są wartości sterowań w bieżącej chwili i chwilach kolejnych, aż do ustalenia sterowań dla całego horyzontu sterowania. Obiekt otrzymuje tylko pierwszą wyznaczoną wartość sterowania. W następnym kroku następuje przesunięcie horyzontu sterowania.