Ćwiczenie SYNTEZA UKŁADU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI TEMPERATURY 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z pracą układu automatycznej regulacji temperatury 2. WPROWADZENIE Układy automatycznej regulacji (UAR) są to układy sterowania posiadające sprzężenie zwrotne, których zadaniem jest sterowanie procesem (sygnałami wyjściowymi) w zależności od doprowadzonych sygnałów wejściowych. Obiekt regulacji jest to zespół aparatury technologicznej wraz z urządzeniami pomiarowymi i nastawczymi. Urządzenia nastawcze to różnego rodzaju zawory, przepustownice i dozowniki wraz z ich napędami, ale również przykładowo falowniki umożliwiające zmianę wydajności wielu urządzeń, takich jak pompy czy wentylatory. Urządzenia nastawcze pozwalają oddziaływać na wielkość strumieni materiałów lub energii zasilających aparaturę techniczną. Urządzenia pomiarowe to aparatura pomiarowa, w skład której wchodzą czujniki pomiarowe wraz z przetwornikami potrafiącymi generować najczęściej sygnały elektryczne (prądowe) lub cyfrowe, proporcjonalne do wielkości mierzonej. Urządzenia pomiarowe dostarczają informacji o wartościach różnych, zmiennych w czasie, wielkości fizycznych i chemicznych, od których zależy stan przetwarzanych w procesie technologicznych obiektów. Wielkości te, to zmienne procesowe, które powinny mieć określone wartości, konieczne dla zapewnienia właściwej jakości produktów otrzymywanych w procesie technologicznym. Zmienne procesowe mogą ulegać zmianom na skutek celowej interwencji dla osiągnięcia i utrzymania wymaganych warunków fizyko-chemicznych określonych potrzebami technologicznymi, jak również w wyniku oddziaływania rozmaitych czynników zakłócających, takich jak zużycie materiałów, zmiana temperatury otoczenia, zmiana napięcia zasilającego, itp. Czynniki zakłócające mogą oddziaływać bezpośrednio na aparaturę technologiczną, jak również na urządzenia pomiarowe i nastawcze oraz instalację łączącą te urządzenia. Zespół czynności mających na celu zapewnienie właściwego przebiegu technologicznego nazywa się sterowaniem tego procesu. Szczególnym rodzajem sterowania jest regulacja, która polega na wykorzystaniu do celów sterowania różnicy między wartością wielkości pożądanej (zadanej) i mierzonej, czyli tak zwanego uchybu regulacji. Istota regulacji będzie więc polegała na kompensacji wpływu wielkości zakłócających na regulowane, poprzez zmiany wielkości nastawiających tak, aby wartości wielkości regulowanych dostatecznie mało różniły się od pożądanych (zadanych). Zazwyczaj w obiekcie regulacji wydzielana jest jedna wielkość nastawiająca, której zmiany mogłyby być łatwo wywoływane przez regulator w wystarczającym zakresie oraz wpływie na wybraną wartość regulowaną. Wówczas wielkość nastawiającą nazywamy wielkością wejściową, a wielkość regulowaną wielkością wyjściową. 1
Jako kryteria klasyfikacji obiektów regulacji zwykle przyjmuje się ich charakterystyki. Rozróżnia się charakterystyki statyczne i dynamiczne. Regulator jest to urządzenie, którego zadaniem jest: porównywanie wielkości regulowanej y m (zmierzonej przez element pomiarowy) z wielkością zadaną y 0, na podstawie otrzymanej wielkości uchybu (błędu) regulacji e = y 0 y m wytworzenie wielkości sterującej u, oddziaływującej na obiekt sterowania w taki sposób, aby błąd regulacji e miał dostatecznie małą wartość. Ponadto, zadaniem regulatora jest takie ukształtowanie własności dynamicznych układu regulacji, aby układ ten spełniał postawione przed nim wymagania. Wymaga się mianowicie, aby układ był stabilny oraz zapewniał odpowiednią jakość regulacji w stanie ustalonym i przejściowym, przy ograniczeniach nałożonych na przebieg sygnału sterującego. Własności dynamiczne układu regulacji kształtuje się m.in. poprzez zastosowanie regulatora o odpowiednio dobranych przez projektanta układu własnościach dynamicznych. Właściwości dynamiczne idealnych regulatorów PID mogą być opisane za pomocą transmitancji operatorowej, będącej stosunkiem transformaty Laplace a sygnału wyjściowego regulatora U (s) i transformaty Laplace a uchybu regulacji (sygnału wejściowego) E(s): G s U E ' s s k p 1 1 T Ti s gdzie: k p współczynnik wzmocnienia T i czas zdwojenia T d czas wyprzedzenia s zmienna zespolona w przekształceniu Laplace a Wielkości k p, T i i T d noszą nazwę nastaw regulatora. Są to parametru nastrajalne, które dobieramy tak, aby: uzyskać odpowiednie własności dynamiczne regulatora, uzyskać najlepszą jakość regulacji. d s 3. OPIS STANOWISKA 2
Podczas realizacji ćwiczenia wykorzystane zostanie stanowisko laboratoryjne umożliwiające obserwację pracy układu automatycznej regulacji temperatury. Ogólny schemat stanowiska pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska do badania układu automatycznej regulacji temperatury. W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą: karta pomiarowa przetwornik separator zasilacz stabilizowany sterownik mocy komputer element wykonawczy (grzałka elektryczna) 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA I. W programie GenDAQBuilder stworzyć schemat układu automatycznej regulacji temperatury postępując według poniższej instrukcji: 1. Po uruchomieniu programu GenDAQBuilder wybrać z menu File New, następnie w polu Strategy name wpisać nazwę pod jaką zostanie zapisana utworzona strategia (np. GRUPA1), zatwierdzić OK. Ponownie zatwierdzić OK pytanie o utworzenie nowej ścieżki. 2. Otrzymane okna: TASK1 i DISP1 rozmieścić na ekranie obok siebie, tak aby były w całości widoczne. 3. W oknie TASK1 stworzyć schemat układu regulacji, wykorzystując bibliotekę elementów na pasku narzędzi (klikamy na wybrany obiekt na pasku Menu, a następnie klikamy w oknie TASK1). Do stworzenia schematu wykorzystujemy następujące elementy: AI wejście analogowe karty pomiarowe, 3
AO wyjście analogowe karty pomiarowej, PID regulator, LOG1 zapis danych pomiarowych. Na podstawie schematu układu regulacji należy określić ile danych elementów jest potrzebnych, a także opisać ich znaczenie w badanym układzie automatycznej regulacji temperatury. 4. Połączyć obiekty za pomocą ikony definiując sygnały: połączenie AI1-PID: dla elementu AI1 numer wejścia w karcie pomiarowej Output1 (dla wielkości Y 0 ) dla elementu PID sygnał wielkości zadanej Y 0 Setpoint połączenie AI2-PID: dla elementu AI2 numer wejścia w karcie pomiarowej Output2 (dla wielkości Y m ) dla elementu PID sygnał wielkości mierzonej Y m Feedback połączenie PID-AO: bez konieczności definiowania sygnałów połączenia elementów AI1 i AI2 z LOG1: definiujemy numer wejścia (Output1 i Output2), a także rodzaj zapisu Logged Data. połączenie PID-LOG1: bez konieczności definiowania sygnałów 5. Zdeklarować wejścia (wybrać strzałkę z okna Menu zaznaczyć obiekt prawym klawiszem myszki otwieramy okno dialogowe obiektu: 4
AI1 Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku laboratoryjnym, zatwierdzamy OK W polu From chanel wybieramy 1, zamykamy okno obiektu AI1 zatwierdzając OK. AI2 Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku laboratoryjnym, zatwierdzamy OK W polu From chanel wybieramy 2, zamykamy okno obiektu AI2 zatwierdzając OK. PID 5
W polu Default (initial) setting deklarujemy wartość współczynnika wzmocnienia (P value): 1.5 czas całkowanie (I value): 0 czas różniczkowania (D value): 0 Zakres sygnału wejściowego Output clamp: od 0 do 5, Wartość stałej Filter constant ustawiamy na 0.5 Zatwierdzamy OK LOG1: sprawdzamy, czy wszystkie 3 wyjścia są zadeklarowane AO1 Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku laboratoryjnym, zatwierdzamy OK I/O settings Channel ustawiamy na 1, zamykamy okno obiektu AO1 zatwierdzając OK II. Przechodzimy do okna DISP1, które służy nam do graficznej prezentacji uzyskanych wartości, na oscyloskopie. 6
1. Wybieramy z paska Menu ikonę (Real Tme Trend Graf) i powiększamy do wielkości okna. Następnie definiujemy sygnały, które chcemy zobrazować (klikamy prawym klawiszem myszki, aby otworzyć ustawienia), wykonując następujące czynności: a) ADD w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy AI1-AI1, w polu Channel wybieramy Output 1, zatwierdzamy OK b) ADD w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy AI2-AI2, w polu Channel wybieramy Output 2, zatwierdzamy OK c) ADD w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy PID1-PID1, w polu Channel wybieramy Channel 0, zatwierdzamy OK d) Kolor tła Background ustawiamy - White e) Y-axis range: From 0 - To +5, zatwierdzamy OK III. Uruchamianie aplikacji. 1. Wystartować strategię z menu głównego, za pomocą ikony, zatwierdzić modyfikację strategii OK. 2. W katalogu Projektygeni zapisujemy nazwę strategii (np. GRUPA1) 3. W oknie Enter Log File wpisać nazwę pliku, do którego będą zapisywane dane np. grupa1, zatwierdzić OK. 4. Po ustabilizowaniu się sygnałów zatrzymujemy aplikację ikoną 5. Uruchamiamy program Matlab, i drukujemy otrzymany wykres 7
load c:\projektygeni\ nazwa pliku z danymi plot ( nazwa pliku z danymi ) IV. Zmiana nastaw regulatora. 1. Przechodzimy do okna TASK i dla obiektu PID zmieniamy wartości nastaw regulatora W polu Default (initial) setting deklarujemy wartość współczynnika wzmocnienia (P value): 1.5 czas całkowanie (I value): 0.1 czas różniczkowania (D value): 0 pozostałe wartości bez zmian, zatwierdzamy OK 2. Ponownie uruchamiamy aplikację, postępując według punktu III instrukcji. W sprawozdaniu należy zamieścić: schemat układu automatycznej regulacji temperatury uwzględniający elementy stanowiska laboratoryjnego, uzyskane podczas pomiarów przebiegi sygnałów: wielkości zadanej, wielkości mierzonej i sterującego (wydrukowane wykresy wraz z opisami), sformułować wnioski odnośnie wpływu nastaw regulatora na sygnał sterujący (wyjściowy) z regulatora. 5. PROBLEMY KONTROLNE 1. Zadania regulatora w układzie automatycznej regulacji. 2. Schemat funkcjonalny układu automatycznej regulacji 3. Układ automatycznej regulacji, układ regulacji ciągłej i dwupołożeniowej. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA Findeisen W.: Technika regulacji automatycznej, PWN, Warszawa 1969. 8