Symulator układu regulacji automatycznej z regulatorami PID, wykorzystujący sterownik firmy B&R.

Symulator układu regulacji automatycznej z regulatorami PID, wykorzystujący sterownik firmy B&R. 1

1 Cel projektu. Celem projektu było zaprojektowanie układu regulacji automatycznej z regulatorami PID, wykorzystując sterowniki firmy B&R. Układ ten ma pracować w trybie sterowania ręcznego i automatycznego z bezuderzeniowym przełączeniem między trybami pracy. Program sterujący pracą sterownika PLC powinien zostać napisany w języku C. Układ pracy regulatora PID powinien spełniać określony algorytm pracy, a obiekt powinien spełniać określoną strukturę. 2 Układ regulacji i struktura obiektu. Układ regulacji automatycznej musi spełniać następującą strukturę działania: 2

Obiekt regulacji naleŝało zamodelować w następujący sposób: W którym to bloczki BOn i BZn zawierają w sobie następującą strukturę: N1 i N2 to nieliniowość spełniająca następującą funkcję WY WE = 1 1+ ( 1)o WE µ D1 to inercja 3 rzędu o wzmocnieniu 1: 3 i 1 1 (1 + st ) i D2 to wzmocnienie k 3

Dla poniŝszego układu przeprowadzona została symulacja odpowiedzi układu na skok jednostkowy, aby później metodą Kőpffmullera wyznaczyć stałą czasową obiektu i jego opóźnienie, które to następnie posłuŝy nam do obliczenia parametrów regulatora PID. Dla naszego obiektu inercji 9 rzędu ze stałymi czasowymi T1=1, T2=2, T3=3 i K=1 uzyskaliśmy stałą czasową T= 23.804 i opóźnienie τ= 13.676. dało to nam następujące parametry regulatora: Kp= 0.82, Kd= 4.32, Ki= 0.049. 4

Cały obiekt wraz z sygnałami zakłóceń wygląda następująco: Regulatory w trybie pracy automatycznej powinny realizować następujący algorytm PID: R( s) = K P 1 (1 + st I std + 1+αT D ) s RóŜniczka oraz elementy wejściowe strefy nieczułości powinny być realizowane w następujący sposób: 5

W naszym projekcie musieliśmy zastosować dwa regulatory wybrane z listy struktur cyfrowych realizacji algorytmu PID, którymi okazały się struktury: a) z ograniczeniem sygnału sterującego 6

f) z ograniczeniem sygnałów całkującego i proporcjonalnego 7

3 Kolejne kroki w programie B&R Automation Studio. Na początku, chcielibyśmy zaznaczyć, iŝ korzystamy z legalnego oprogramowania, licencjonowanego przez firmę B&R: Projekt rozpoczynamy, otwierając program B&R Automation Studio ver 2.5.0.20 i klikając na odpowiednią ikonę znajdującą się w Menu Start: 8

Po tej czynności pojawi się okno poniŝsze: Tworzymy nowy projekt, wybierając New Project z zakładki File : 9

Zostanie wyświetlone następujące okno dialogowe, gdzie moŝemy zdefiniować nazwę naszego projektu oraz ścieŝkę dostępu do katalogu, w którym to będzie przechowywany nasz projekt: Kolejnym krokiem, będzie kliknięcie na przycisku Next, co zostanie potwierdzone pojawieniem się poniŝszego okna, gdzie moŝemy wybrać sterownik, z którym będziemy współpracowali (u nas jest to 1A4000.00 z zainstalowanym systemem operacyjnym R2.80): 10

Kliknięcie na przycisku Next, spowoduje przejście do okna potwierdzającego nasze poprzednio dokonane wybory: Po upewnieniu się, iŝ wszystko jest poprawne i zgodne z naszymi oczekiwaniami, klikamy na przycisku Finish. Zostanie stworzony nowy projekt, a okno programu, przyjmie następującą postać: 11

Teraz deklarujemy obiekt, klikając prawym przyciskiem myszki i wybierając opcję Insert Object : Wyświetli się poniŝsze okno dialogowe. My wybieramy obiekt cykliczny i klikamy na przycisku Next : 12

Nasz wybór zostanie potwierdzony, pojawieniem się następującego okna. Stąd teŝ wybieramy interesujący nas czas trwania fazy obliczania programu oraz nazwę naszego obiektu i język programowania (u nas odpowiednio: Nasze3 oraz Język C): Klikamy na przycisku Finish i tym samym kończymy tworzenie obiektu, wpisując nazwę pliku, w którym zostanie zapisany nasz nowo pisany program w języku C (u nas: Nasze3.c): 13

Tak będzie wyglądało okno programu B&R Automation Studio, po implementacji naszego obiektu: Kliknięcie dwukrotnie lewym przyciskiem myszki na zakładce nasze3.c, będzie skutkowało pojawieniem się poniŝszego okna i zostanie otwarta moŝliwość rozpoczęcia pisania naszego programu: 14

Korzystamy z gotowego zarysu programu, przedstawionego w jakŝe przydatnej pomocy programu B&R Automation Studio : Przykładowy zarys programu wraz z opisem poszczególnych bloków: 15

Wybieramy z zakładki Tools, AR000, jak na oknie pokazanym poniŝej: Zostanie uruchomiony emulator AR000, co zostanie zobrazowane jak poniŝej: 16

Ponadto w prawym dolnym rogu ekranu pojawi się opis, iŝ sterownik jest w trybie RUN: Przeprowadzamy kompilację naszego prostego programu przykładowego, klikając na przycisku Build podświetlonym, pokazanym poniŝej: Zakończona operacja zostanie potwierdzona następującym oknem. Program ponadto pyta, czy przesłać od razu skompilowany program do sterownika. UmoŜliwiamy postęp tej operacji, klikając na przycisku Transfer : 17

Program pyta, czy ma nadpisać zawartość pamięci sterownika, gdyŝ przesyłane do niego dane są odmienne w stosunku do tych, jakie zapisane są w jego pamięci obecnie: Klikamy przycisk Continue, co będzie skutkowało wyczyszczeniem pamięci. Następnie zostanie pokazane poniŝsze okno, gdzie wyświetlona jest informacja, iŝ sterownik będzie musiał wykonać tzw. Start na ciepło: Klikamy przycisk tak. Po przesłaniu projektu do sterownika zostanie wyświetlone poniŝsze okno informujące, iŝ program w sterowniku został uaktualniony: 18

Aby móc podglądać aktualną wartość zmiennych podczas pracy naszego programu uŝytkowego oraz zmieniać ich wartości w czasie rzeczywistym: Pojawi się następnie poniŝsze okno, podprogramu testowego Watch : 19

Wybieramy z paska przycisków, opcję dodawania nowych zmiennych, które chcemy podglądać i zmieniać: Wybieramy dwie zmienne z listy dostępnych w poniŝszym oknie i klikamy na przycisku Add, celem dodania ich do aktualnego podglądu: Wygląd okna po dodaniu zmiennych. Widać, iŝ wartość ich jest juŝ ustalona: 20

Kolejnym krokiem symulacji będzie włączenie monitorowania Monitor z paska przycisków. Zostanie nasz wybór potwierdzony przez zmianę koloru okna, na szary: Klikamy prawym przyciskiem na naszym pliku nasze3.c i wybieramy z dostępnych opcji śledzenie Trace : 21

Zostanie otwarte poniŝsze okno, w którym, klikamy na Insert Trace Configuration, z pasku przycisków : Kolejnym krokiem będzie dodanie nowych zmiennych do śledzenia. Aby wykonać wymaganą czynność, klikamy prawym przyciskiem myszki na pasku Target Configuration i wybieramy opcję Insert New Variable : 22

Pojawi się poniŝsze okno, w którym wybieramy interesujące nas do śledzenia zmienne, a następnie klikamy na przycisku Selekt : Następną czynnością będzie kliknięcie na przycisku Install znajdującym się na pasku przycisków: 23

PoniŜsze okno będzie sygnalizować nam sytuację gromadzenia interesujących nas danych przez program. Po wybranym przez nas czasie (pamiętając, iŝ dane te będą nadpisywane, jeśli zostanie przekroczony maksymalny rozmiar pliku zapisującego gromadzone dane), wyłączamy śledzenie przez kliknięcie na przycisku Stop : Po zatrzymaniu, musimy w celu wizualizacji wyników, kliknąć na przycisku Show Target Data, znajdującym się na pasku przycisków, jak pokazano niŝej: 24

Gotowe przebiegi czasowe dla dwóch wybranych przez nas zmiennych. By zaobserwować zmiany, w podprogramie Watch, zmieniliśmy wartości tych zmiennych, co zostało zobrazowane na przebiegach: 25

4 Algorytm działania naszego programu. 26

5 Opis naszego projektu. 5.1 Dołączenie odpowiednich bibliotek wsadowych do programu: Dodatkowo dodajemy bibliotekę math.h, gdyŝ będziemy potrzebowali do generacji zakłóceń, funkcji generującej sinusoidę. 5.2 Deklaracje zmiennych, uŝytych w programie: Deklarację zmiennych dla większej przejrzystości, pogrupowaliśmy w trzy zbiory: o Zmienne związane z obiektem regulacji o Zmienne związane z regulatorami o Zmienne związane z zakłóceniami, wprowadzanymi do obiektu Ponadto staraliśmy się nadawać nazwy zmiennych na tyle intuicyjne, by nie mieć większego trudu z rozszyfrowaniem, za co odpowiadają, po dłuŝszym okresie czasu.

5.3 Faza inicjalizacyjna: Podobnie, jak w przypadku deklaracji zmiennych, tak i tu, podzieliliśmy dla przejrzystości całość działań na części. W pierwszych akapitach przypisujemy wartości startowe zmiennym odnoszącym się do regulatorów, a w części drugiej, odnosimy się do zakłóceń wraz z obiektem.

Wykonaliśmy taki podział dlatego, by móc w szybki sposób dokonywać zmian w regulatorach. Część inicjalizacji dotycząca obiektu, juŝ nie musi być przystosowana do częstych zmian. Nazwy zmiennych mają podobne nazwy (róŝniące się tylko nieznacznie, w zaleŝności od tego, do której części obiektu się odnoszą) i doskonale przejrzyście wyglądają obok siebie. Ponadto oszczędzamy miejsce, co jest waŝne, gdy często przesuwaliśmy obraz korzystając z rolki na myszce, podczas fazy tworzenia i testów, naszego programu. PowyŜszy zrzut ekranu obrazuje ułoŝenie szeregu zmiennych dla obiektu poukładanych dla szybszego poruszania się po programie, w grupy.

5.4 Część programu odpowiadająca za algorytm regulacji: Jak uwidocznione zostało na zrzucie ekranu, tor proporcjonalny i róŝniczkujący następuje po sobie. Wykonaliśmy to, ze względu na znaczne zwiększenie przejrzystości algorytmu sterowania, gdyŝ w naszej wersji projektu, dla obydwu regulatorów mamy takie same tory proporcjonalne i róŝniczkujące. Kolejną częścią programu jest podział na tory całkujące regulatora pierwszego oraz dla regulatora drugiego. Na zrzucie ekranu uwidocznionym poniŝej, widać część dla regulatora pierwszego.

Dla regulatora drugiego regulatora, część programu będzie wyglądać, jak poniŝej. Przedostatnim elementem w naszym algorytmie są obliczenia końcowe dla wejścia obiektu oraz obliczenia zakłóceń wprowadzanych do obiektu ( u nas będzie to przebieg o kształcie sinusoidy).

Ostatnim elementem programu będą obliczenia dla samego obiektu. RównieŜ rozbudowane objętościowo, choć sam algorytm jest prawie identyczny dla OZ oraz BZ. RóŜnica polega jedynie na podaniu innych sygnałów na wejścia zakłóceń oraz na zmieniających się nieznacznie nazwach zmiennych dla poszczególnych zmiennych.

Ciąg dalszy algorytmu dla wyliczeń obiektu oraz końcowe przypisanie zmiennej wejściowej regulatora, wyjścia obiektu.

6 Część symulacyjna naszego projektu: 6.1 Początki były trudne: 6.2 Działający program (skrócony opis czynności): Ostateczne przejrzenie programu i wciśnięcie przycisku Build.

Skompilowany program. Podglądamy nasz projekt w Watch.

Wybieramy zmienne do podglądu funkcją Insert Variable.. Tak wygląda okno, gdzie się wybiera zmienne. JuŜ moŝemy podglądać i zmieniać.

Teraz będziemy śledzić przy pomocy Trace, przebiegi czasowe dla naszych wejść i wyjść programowych oraz sprzętowych. Wprowadzamy nowe śledzenie przy pomocy Insert Trace Configuration deklarujemy chęć dodania zmiennych przy pomocy Insert New Variable 37

a teraz dodajemy te zmienne do śledzenia. Wybieramy je z listy dostępnych. Tak wygląda okno po dodaniu zmiennych. Włączamy Monitor. Zaczynamy śledzenie przyciskiem Install a kończymy przyciskiem Stop.

Chcemy podejrzeć nasze przebiegi, dlatego wybieramy Show Target Data proszę czekać 6.3 ZałoŜenia: Wszystkie symulacje zostały przeprowadzone dla obiektu o inercji szóstego rzędu. Ponadto, w pracy regulatorów da się zauwaŝyć, iŝ sygnał wychodzący z obiektu i bezpośrednio podany na akcję róŝniczkującą daje gorsze efekty niŝ sam sygnał błędu.

6.4 Zadajnik ręczny: Zadajnik ręczny przy podaniu sygnału błędu do akcji róŝniczkującej. Zadajnik ręczny przy podaniu sygnału z wyjścia obiektu do akcji róŝniczkującej.

6.5 Praca automatyczna (regulator pierwszy): Regulator automatyczny przy podaniu sygnału błędu do akcji róŝniczkującej. Regulator automatyczny przy podaniu z wyjścia obiektu do akcji róŝniczkującej. 41

6.6 Praca automatyczna (regulator drugi): Regulator automatyczny przy podaniu sygnału błędu do akcji róŝniczkującej. Regulator automatyczny przy podaniu z wyjścia obiektu do akcji róŝniczkującej. 42