Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki ĆWICZENIE Nr. 6 Badanie układu regulacji poziomu cieczy Laboratorium z przedmiotu: PODSTAWY AUTOMATYKI 2 Kod: ES1C400 031 Opracowanie: Dr inż. Andrzej Ruszewski BIAŁYSTOK 2014
MODEL LABORATORYJNY Model edukacyjny RT 010 niemieckiej firmy GUNT służy do realizacji zadania regulacji poziomu cieczy (rys. 1). Obiektem regulacji jest cylindryczny zbiornik z wodą wykonany z przezroczystego plastiku. Pod nim umieszczony jest drugi zbiornik z wodą, w którym znajduje się elektrycznie sterowana pompa zanurzeniowa. Umożliwia ona dostarczanie wody do zbiornika górnego. Wielkością regulowaną jest poziom wody w zbiorniku górnym, który jest mierzony za pomocą czujnika ciśnienia słupa wody i jest przesyłany jako napięciowy sygnał elektryczny. Poziom cieczy może też być odczytywany za pomocą linijki umieszczonej na zbiorniku. Proporcjonalny zawór elektryczny umożliwia regulację wypływu wody ze zbiornika głównego do zbiornika dolnego. Pełni on rolę zakłócenia w systemie regulacji poziomu. Woda w systemie krąży w obiegu zamkniętym, dzięki czemu nie jest wymagany dodatkowy dopływ wody. Do modelu można podłączyć, poprzez interfejs USB, dodatkowe zewnętrzne urządzenia w celu utworzenia pętli sterowania (np. komputer PC pełniący rolę regulatora). Rys. 1. Widok ogólny urządzenia (modelu) 1 Zbiornik zasilający 6 Zawór spustowy (proporcjonalny zawór elektryczny) 2 Pompa 7 Przełącznik pompy 3 Zbiornik główny 8 Przełącznik główny 4 Wąż ciśnieniowy do pomiaru poziomu cieczy 9 Lampka sygnalizacyjna pompy 5 Przelew 10 Lampka sygnalizacyjna zaworu spustowego 11 Przycisk do całkowitego otwarcia zaworu spustowego (Z = 100%) Gniazdo wtykowe USB (z tyłu urządzenia) Podłączenie do zasilania (z tyłu urządzenia) 2
Na płytce czołowej modelu umieszczono ideowy schemat blokowy układu sterowania poziomem wody w zbiorniku, który pokazano na rys. 2. Model RT 010 nie zawiera regulatora, wszystkie sygnały sterujące pochodzą z zewnętrznego źródła (np. komputer PC). Model komunikuje się z urządzeniami zewnętrznymi za pośrednictwem interfejsu USB. Rys. 2. Schemat ideowy układu sterowania poziomu cieczy Urządzeniem wykonawczym jest elektryczna pompa zanurzeniowa (2), która dostarcza wodę ze zbiornika zasilającego (1) do zbiornika głównego (3). Pompa jest uruchamiana sygnałem zewnętrznym Y, np. z regulatora. Poziom wody w zbiorniku górnym jest mierzony za pomocą czujnika ciśnienia słupa wody i jest przesyłany jako napięciowy sygnał elektryczny X. Elektryczny zawór spustowy umożliwia ustawienie wypływu wody (Z) ze zbiornika głównego do zbiornika dolnego. Zawór działa proporcjonalnie i może być regulowany płynnie. Jego położenie może być zmieniane jedynie przez zewnętrzny sterownik (komputer PC). Wyjątkiem jest wprowadzenie zakłócenia za pomocą przycisku (11), które powoduje całkowite otwarcie zaworu (Z = 100%). Przelew (5) zabezpiecza przed wylewaniem się wody ze zbiornika górnego w przypadku, gdy odpływ poprzez zawór (6) jest niewystarczający. Lampki sygnalizacyjne pompy (9) i zaworu spustowego (10) informują o uruchomieniu odpowiednich elementów systemu. 3
OPROGRAMOWANIE RT 0X0 Oprogramowanie RT 0X0 pracuje w komputerach z systemem operacyjnym Windows 2000 lub XP i przeznaczone jest do obsługi edukacyjnego modelu laboratoryjnego RT 010. Zainstalowany wcześniej program RT 0X0 uruchamiany poprzez wybranie Start \ Programy \ G.U.N.T \ RT 0x0 lub wykorzystując skrót na pulpicie. Na ekranie pojawia się okno programu pokazane na rys. 3. Mamy do wyboru sześć różnych modeli. Interesujący nas model (LEVEL CONTROL UNIT) wybieramy klikając myszką na rysunek modelu, sygnalizowane jest to podświetleniem tła rysunku. Rys. 3. Okno główne programu W oknie głównym programu znajduje się także pasek poleceń, który jest widoczny przez cały czas działania programu (rys. 4). Składa się on między innymi z niżej wymienionych przycisków wywołujących inne okna programu lub wyjście z programu: About GUNT ogólne informacje o programie, EXIT (Wyjście) zakończenie pracy programu, Selection (Wybór) wybór modelu, System Diagram (Schemat systemu) schemat ideowy układu sterowania, Charts (Wykresy) przebiegi czasowe wielkości Z, X, Y, Simulation (Symulacja) symulacja działania układu. Rys. 4. Pasek poleceń 4
Przycisk Selection umożliwia wybór modelu, otwierane jest okno pokazane na rys. 3. Kliknięcie na przycisk System Diagram powoduje otwarcie okna przedstawiającego schemat ideowy układu regulacji. Bieżąca wartość zmiennej regulowanej X (poziom wody w zbiorniku) jest pokazywana numerycznie. Rys. 5. Okno System Diagram W prawej części ekranu znajdują się elementy informujące użytkownika o aktualnych wartościach wielkości regulowanej X, zadanej W oraz sterującej Y. Wartości te są podawane procentowo. Wartość otwarcia zaworu spustowego Z można ustawiać za pomocą pokrętła lub wpisując z klawiatury żądaną wartość i zatwierdzając klawiszem ENTER. Obszar oznaczony jako PID zmienia się w zależności od wybranego trybu Operating Mode. Mamy do wyboru pięć możliwości: Manual ustawienia wartości Y, Continuous Control (sterowanie ciągłe) ustawienia wartości zadanej W oraz nastaw regulatora PID, Step Control (sterowanie dwupołożeniowe) ustawienia wartości zadanej W oraz szerokości strefy histerezy, Three-Point Controller (sterowanie trójpołożeniowe) ustawienia wartości zadanej W, szerokości strefy histerezy i strefy martwej, Programmer ustawienia zmian wartości zadanej W. 5
Kliknięcie na przycisk Charts na pasku poleceń (rys. 4) powoduje otwarcie okna przedstawionego na rys. 6. Rys. 6. Okno Charts W głównej części okna widoczne są przebiegi czasowe sygnałów W, X, Y. Poniżej można wpisać wartości parametrów regulatora, który aktualnie jest wybrany poprzez Operating Mode. Okno Charts umożliwia także ustawienie wartości W i Z oraz zakresu osi czasu. Aktualne wartości X i Y wyświetlane są także w postaci numerycznej. Pola wyboru powyżej wykresu są używane do zarządzania danymi wykresu: - Clear Graph usuwanie wykresu, - Print Curve wydruk wykresu, - Save Graph zapis danych do pliku tekstowego. 6
Kliknięcie na przycisk Simulation na pasku poleceń (rys. 4) powoduje otwarcie okna przedstawionego na rys. 7. Rys. 7. Okno Simulation W oknie tym wprowadzamy model transmitancyjny obiektu regulacji, którego odpowiedź skokowa rysowana jest na wykresie. Model ten używany jest do symulacji działania układu regulacji z wszystkimi regulatorami dostępnymi w programie (Operating Mode) niezależnie od rzeczywistej regulacji. Uruchomienie symulacji możliwe jest także w przypadku braku fizycznego podłączenia urządzenia z komputerem. Symulację uruchamiamy i zatrzymujemy przyciskiem Simulation. W trybie symulacyjnym możemy ustawiać wartości parametrów regulatora oraz obserwować działanie układu regulacji w oknach System Diagram oraz Charts. Przełączanie między oknami realizowane jest poprzez pasek poleceń (rys. 4). 7
PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Należy zarejestrować przebiegi czasowe procesu napełniania zbiornika głównego przy Y = 0%, Z = 0% Y = 50%, Z = 0% oraz opróżniania przy Y = 50%, Z = 0% Y = 0%, Z = 50%. Na podstawie otrzymanych charakterystyk należy określić jaką transmitancją operatorową można opisać obiekt regulacji. 2. Wykorzystując regulację dwupołożeniową należy wyznaczyć nastawy regulatorów P, PI, PID. Parametry przekaźnika sterującego podaje prowadzący zajęcia. 3. Należy zarejestrować przebiegi wielkości zadanej W, sterującej Y oraz regulowanej X w badanym układzie regulacji poziomu dla obliczonych wartości nastaw regulatorów P, PI, PID. Parametry wielkości zadanej oraz stopień otwarcia zaworu spustowego podaje prowadzący zajęcia. 4. Należy zarejestrować przebiegi odpracowania zakłócenia związanego z chwilowym załączeniem przycisku (11) (rys. 1), który powoduje całkowite otwarcie zaworu (Z = 100%). 5. Należy wyznaczyć wartości wskaźników jakości otrzymanych przebiegów czasowych wielkości regulowanej X (przeregulowanie, czas regulacji, uchyb ustalony). LITERATURA 1. Brzózka J.: Regulatory i układy automatyki, MIKOM, Warszawa, 2004. 2. Jędrzykiewicz Z.: Teoria sterowania układów jednowymiarowych, Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków, 2004. 3. Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa, 2005. 4. Kuźnik J.: Regulatory i układy regulacji, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2002. 5. Luft M., Łukasik Z.: Podstawy teorii sterowania, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom, 1999. 8
Dodatek A Dobór nastaw regulatora na podstawie wyników sterowania dwupołożeniowego W regulatorach samodostrajających się, przy braku informacji o transmitancji sterowanego obiektu, stosowana jest metoda automatycznego ustalenia nastaw regulatora na podstawie wyników wprowadzanej początkowo regulacji dwupołożeniowej. Na poniższym rysunku przedstawiono schemat ideowy układu regulacji realizującego samostrojenie. PID w (t) e (t) y (t) Obiekt x (t) - Rys. 8. Schemat ideowy wykorzystania regulatora dwupołożeniowego do wyznaczenia nastaw regulatora PID W pierwszej fazie procesu włączany jest obwód z przekaźnikiem dwupołożeniowym, gdzie badana jest amplituda A i okres powstałych drgań T drgań. Między tymi wielkościami, a krytycznym wzmocnieniem K kr w układzie istnieje przybliżony związek K kr = 4 U / π A, gdzie U jest amplitudą sygnału wyjściowego przekaźnika. Otrzymaną wartość wzmocnienia krytycznego K kr oraz drgań T drgań można zastosować do doboru nastaw regulatora za pośrednictwem metody Zieglera-Nicholsa zorientowanej na cykl graniczny w układzie z regulatorem P. Tab. 1. Nastawy regulatorów P, PI, PID wg. metody Zieglera-Nicholsa Regulator K P Ti Td P 0,5 K kr - - PI 0,45 K kr 0,83 T drgań - PID 0,6 K kr 0,5 T drgań 0,125 T drgań 9