Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Podobne dokumenty
Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Układ regulacji ze sprzężeniem zwrotnym: - układ regulacji kaskadowej - układ regulacji stosunku

SIMATIC S Regulator PID w sterowaniu procesami. dr inż. Damian Cetnarowicz. Plan wykładu. I n t e l i g e n t n e s y s t e m y z e

KOMPUTEROWY MODEL UKŁADU STEROWANIA MIKROKLIMATEM W PRZECHOWALNI JABŁEK

Regulator PID w sterownikach programowalnych GE Fanuc

INSTRUKCJA Regulacja PID, badanie stabilności układów automatyki

Temat: Reakcje zobojętniania sposobem na otrzymywanie soli

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Inżynieria Środowiska

1. Regulatory ciągłe liniowe.

1 Kinetyka reakcji chemicznych

Dla naszego obiektu ciągłego: przy czasie próbkowania T p =2.

Silnik prądu stałego (NI Elvis 2) Dobieranie nastaw regulatorów P, PI, PID. Filtr przeciwnasyceniowy Anti-windup.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia VI Dobór nastaw regulatora typu PID metodą Zieglera-Nicholsa.

Podstawy Automatyki. Wykład 6 - Miejsce i rola regulatora w układzie regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Automatyka i sterowanie w gazownictwie. Regulatory w układach regulacji

Automatyka i sterowania

Instrukcja do ćwiczenia 6 REGULACJA TRÓJPOŁOŻENIOWA

Regulator PID w sterownikach programowalnych GE Fanuc

Automatyzacja. Ćwiczenie 9. Transformata Laplace a sygnałów w układach automatycznej regulacji

Zadanie: 2 Zbadano odczyn wodnych roztworów następujących soli: I chlorku baru II octanu amonu III siarczku sodu

Podstawy Automatyki. Wykład 9 - Dobór regulatorów. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA AUTOMATYKI I ELEKTRONIKI. Badanie układu regulacji dwustawnej

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Wykład organizacyjny

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

II. STEROWANIE I REGULACJA AUTOMATYCZNA

Podstawy automatyki. Energetyka Sem. V Wykład 1. Sem /17 Hossein Ghaemi

Model Predictive Control podstawy

Model Predictive Control

Rys. 1 Otwarty układ regulacji

UWAGA 2. Wszystkie wyniki zapisywać na dysku Dane E: (dotyczy symulacji i pomiarów rzeczywistych)

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - Jakość układu regulacji. Dobór nastaw regulatorów PID. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

MATERIAŁY POMOCNICZE

HYDROLIZA SOLI. 1. Hydroliza soli mocnej zasady i słabego kwasu. Przykładem jest octan sodu, dla którego reakcja hydrolizy przebiega następująco:

STEROWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ I. Laboratorium. 8. Układy ciągłe. Regulator PID

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania KOMPUTEROWE SYSTEMY STEROWANIA (KSS)

Sreszczenie. Słowa kluczowe: sterowanie, poziom cieczy, regulator rozmyty

ODCZYN WODY BADANIE ph METODĄ POTENCJOMETRYCZNĄ

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJUM W ROKU SZKOLNYM 2010/2011

Zad: 5 Oblicz stężenie niezdysocjowanego kwasu octowego w wodnym roztworze o stężeniu 0,1 mol/dm 3, jeśli ph tego roztworu wynosi 3.

PODSTAWY AUTOMATYKI I MIERNICTWA PRZEMYSŁOWEGO Laboratorium 3 Regulatory PID i ich strojenie, Regulacja dwupołożeniowa

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

RÓWNOWAGI W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW.

Praktyka inżynierska korzystamy z tego co mamy. regulator. zespół wykonawczy. obiekt (model) Konfiguracja regulatora

Spis treści. Wstęp... 9

Regulatory o działaniu ciągłym P, I, PI, PD, PID

LICEALIŚCI LICZĄ PRZYKŁADOWE ZADANIA Z ROZWIĄZANIAMI

Zaawansowane metody sterowania kaskadowym układem zbiorników

Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki. Badanie układu regulacji poziomu cieczy

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Chemia Poziom rozszerzony

11. Dobór rodzaju, algorytmu i nastaw regulatora

TEST SPRAWDZAJĄCY Z CHEMII

Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki. Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI

Dobór parametrów regulatora - symulacja komputerowa. Najprostszy układ automatycznej regulacji można przedstawić za pomocą

Zadanie 2. [2 pkt.] Podaj symbole dwóch kationów i dwóch anionów, dobierając wszystkie jony tak, aby zawierały taką samą liczbę elektronów.

Kwas HA i odpowiadająca mu zasada A stanowią sprzężoną parę (podobnie zasada B i kwas BH + ):

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI INSTYTUT AUTOMATYKI I INFORMATYKI KIERUNEK AUTOMATYKA I ROBOTYKA STUDIA STACJONARNE I STOPNIA

c. Oblicz wydajność reakcji rozkładu 200 g nitrogliceryny, jeśli otrzymano w niej 6,55 g tlenu.

REGULATORY W UKŁADACH REGULACJI AUTOMATYCZNEJ. T I - czas zdwojenia (całkowania) T D - czas wyprzedzenia (różniczkowania) K p współczynnik wzmocnienia

Laboratorium Metod i Algorytmów Sterowania Cyfrowego

Temat 7. Równowagi jonowe w roztworach słabych elektrolitów, stała dysocjacji, ph

Wodorotlenki. n to liczba grup wodorotlenowych w cząsteczce wodorotlenku (równa wartościowości M)

ZADANIE 164. Na podstawie opisanych powyżej doświadczeń określ charakter chemiczny tlenków: magnezu i glinu. Uzasadnij słownie odpowiedź.

Elementy układu automatycznej regulacji (UAR)

HYDROLIZA SOLI. ROZTWORY BUFOROWE

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

Automatyka i Regulacja Automatyczna SEIwE- sem.4

1 Hydroliza soli. Hydroliza soli 1

XI Ogólnopolski Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2018/2019. ETAP I r. Godz Zadanie 1 (10 pkt)

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie OLIMPIADA O DIAMENTOWY INDEKS AGH 2017/18 CHEMIA - ETAP I

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ D-1 LABORATORIUM Z AUTOMATYKI I ROBOTYKI Ćwiczenie nr 4. Badanie jakości regulacji dwupołożeniowej.

STEROWANIE ADAPTACYJNE WYBRANEJ KLASY PROCESÓW INŻYNIERII ROLNICZEJ

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

1. Opis teoretyczny regulatora i obiektu z opóźnieniem.

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

13. TERMODYNAMIKA WYZNACZANIE ENTALPII REAKCJI ZOBOJĘTNIANIA MOCNEJ ZASADY MOCNYMI KWASAMI I ENTALPII PROCESU ROZPUSZCZANIA SOLI

Zadanie 2. (1 pkt) Uzupełnij tabelę, wpisując wzory sumaryczne tlenków w odpowiednie kolumny. CrO CO 2 Fe 2 O 3 BaO SO 3 NO Cu 2 O

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów dotychczasowych gimnazjów. 07 marca 2019 r. zawody III stopnia (wojewódzkie) Schemat punktowania zadań

Wykład nr 1 Podstawowe pojęcia automatyki

Związki nieorganiczne

REAKCJE UTLENIAJĄCO-REDUKCYJNE

Sterowanie pracą reaktora chemicznego

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

VI Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2013/2014

Spis treści. Dzień 1. I Elementy układu automatycznej regulacji (wersja 1109) II Rodzaje regulatorów i struktur regulacji (wersja 1109)

Zmiana barwy wskaźników w roztworach kwaśnych, obojętnych i zasadowych.

Fragmenty Działu 5 z Tomu 1 REAKCJE W ROZTWORACH WODNYCH

Transkrypt:

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Automatyka zastosowania, metody i narzędzia, perspektywy Synteza systemów sterowania z wykorzystaniem regulatorów PID Pytania i zadania do zajęć laboratoryjnych 1 Opracowanie: Bartosz Puchalski, mgr inż. Robert Piotrowski, dr inż. Michał Grochowski, dr inż. Październik 2015

Pytania sprawdzające 1. Z jakich czterech głównych elementów składa się układ regulacji? Podaj ich przykłady, które można spotkać w praktyce przemysłowej. 2. Jakie cztery główne wielkości można wyróżnić w układzie regulacji? Podaj ich przykłady, które można spotkać w praktyce przemysłowej. 3. Z jakimi elementami układu regulacji związane są ograniczenia sterowania? Podaj przykłady takich ograniczeń. 4. Czy w każdym przypadku możliwa jest realizacja sygnału sterującego przez urządzenie wykonawcze? Odpowiedź krótko uzasadnij. 5. Z jakich trzech części składa się regulator PID? Na jakie własności układu regulacji one wpływają? 6. Jak nazywają się trzy nastawy regulatora PID? 7. Czy regulator PID jest regulatorem liniowym? Odpowiedź krótko uzasadnij. 8. Na jakie dwie grupy dzielą się metody doboru nastaw regulatora PID? Krótko scharakteryzuj każdą z nich. 9. Jakie znasz przykłady inżynierskich metod doboru nastaw regulatora PID? Krótko scharakteryzuj jedną z nich. 10. W jaki sposób można przeprowadzić optymalizację nastaw regulatora PID? 11. W jaki sposób przeprowadzisz linearyzację nieliniowego modelu obiektu w punkcie pracy? 2

Zadanie 1. Wprowadzenie Roztwory produktów mogą mieć różne wartości ph i dzielą się na trzy grupy: ph<7 odczyn kwaśny roztworu, ph=7 odczyn obojętny (neutralny) roztworu, 7<pH 14 odczyn zasadowy roztworu. W wielu procesach przemysłowych (np. przemysł chemiczny, petrochemiczny, farmaceutyczny, spożywczy) wykorzystuje się proces zobojętniania (neutralizacji) ph roztworu. Reakcja zobojętniania (neutralizacji) jest reakcją chemiczną prowadzącą do zmiany ph środowiska, zachodzącą głównie między kwasem a zasadą. Przebiega ona w kierunku bardziej obojętnego odczynu i w jej wyniku powstaje sól i czasami woda. Reakcja zobojętniania może również zachodzić między innymi substratami, np. kwasem i solą, zasadą i solą, dwoma kwasami, dwiema zasadami E. Schemat przykładowego procesu zobojętniania ph roztworu złożonego z dwóch substratów (obiekt regulacji) pokazano na rysunku 1. a). b). NaOH HCL F b,in, C b,in F a,in, C a,in F a,in, C a,in, C b,in h V ph F b,in Proces zobojętniania ph roztworu ph F out Rys. 1. Schemat: a). obiektu regulacji, b). przepływu sygnałów gdzie: F b,in, C b,in natężenie dopływu i stężenie molowe pierwszego substratu (zasada sodowa) [dm 3 /s, mol/dm 3 ], F a,in, C a,in natężenie dopływu i stężenie molowe drugiego substratu (kwas solny) [dm 3 /s, mol/dm 3 ], F out natężenie odpływu produktu (roztworu)[dm 3 /s], V objętość produktu (roztworu)[dm 3 ], h poziom produktu (roztworu)[dm]. 3

Tabela 1. Podstawowe dane procesu zobojętniania ph roztworu Opis Oznaczenie i wartość Stężenie molowe pierwszego substratu C b,in = [OH - ] in = 1 mol/dm 3 Stężenie molowe drugiego substratu C a,in = [Cl - ] in = 0,2 mol/dm 3 Natężenie dopływu drugiego substratu F a,in = 20 dm 3 /s Objętość produktu V = 10 4 dm 3 Maksymalna wartość natężenia dopływu pierwszego substratu F b,in,max = 100 dm 3 /s Proces posiada dwa dopływy, pierwszym z nich pompowany jest silny kwas solny HCl podlegający neutralizacji. Drugim dopływem pompowana jest silna zasada sodowa NaOH. W zbiorniku zachodzi następująca reakcja chemiczna: H Cl Na OH Na Cl H2O (1) Wejściem sterującym jest natężenie przepływu zasady F b,in, natomiast wyjściem jest odczyn ph w zbiorniku, w którym następuje idealne mieszanie. Zakłada się że poziom roztworu w zbiorniku utrzymywany jest na stałym poziomie. Na proces oddziałują następujące zakłócenia: F a,in, C a,in, C b,in. Celem sterowania jest utrzymywanie stałej (obojętnej) wartości ph roztworu (ph=7). Model matematyczny rozważanego procesu opisano zależnościami (2)-(8). równanie przepływów (utrzymanie stałego poziomu h roztworu w zbiorniku): F F = F a, in b, in out (2) równanie określające stężenie molowe jonów [Na ]: d [ Na ] 1 = ( F b [ OH ] F [ Na ]) dt V, in in out równanie określające stężenie molowe jonów [Cl - ]: [ Cl ] 1 = ( F a [ Cl ] F [ Cl ]) d dt V, in in out (3) (4) 4

iloczyn jonowy wody: równanie elektroobojętności: 14 [ H ][ OH ] = 10 = eq [ ] [ H ] = [ Cl ] [ OH ] K (5) Na (6) Podstawiając [OH - ] z zależności (5) do równania (6) ostatecznie otrzymujemy nieliniową zależność na stężenie jonów [H ]: [ H ] = Wartość ph obliczamy z równania: ([ Na ] [ Cl ]) ([ Na ] [ Cl ]) 2 [ ] = ([ H ]) 2 4 K eq (7) ph log 10 (8) Charakterystykę statyczną procesu zobojętniania ph roztworu (tzn. charakterystykę sygnału wyjściowego od wejściowego w stanie ustalonym) przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Charakterystyka statyczną procesu zobojętniania ph roztworu 5

2. Zadania do wykonania 1. Dokonaj klasyfikacji modelu obiektu regulacji: liniowy/nieliniowy, ciągły/dyskretny, statyczny/dynamiczny, stacjonarny/niestacjonarny, o parametrach skupionych/o parametrach rozproszonych. 2. Wyodrębnij następujące elementy układu regulacji: obiekt regulacji, urządzenie wykonawcze, urządzenie pomiarowe. 3. Określ następujące wielkości: zadana, regulowana (sterowana), regulująca (sterująca), zakłócająca. 4. Podaj przykładowe ograniczenia związane ze sterowaniem (jeżeli istnieją). 5. Narysuj schemat blokowy układu regulacji umieszczając elementy i wielkości wymienione wcześniej (bez określania rodzaju regulatora). 6. W pliku regulacja_ph.mdl zamieszczono elementy układu regulacji. Na podstawie punktu 5 zbuduj podstawowy układ regulacji procesu zobojętniania ph z wykorzystaniem klasycznego regulatora PID. 7. Zbadaj wpływ zmian nastaw tego regulatora (współczynnik wzmocnienia K p, wzmocnienie całkowania K i, wzmocnienie różniczkowania K d ) na wybrane wskaźniki jakości regulacji (np. uchyb w stanie ustalonym, czas regulacji, czas narastania, przeregulowanie). Wyciągnij możliwie obszerne wnioski odnośnie uzyskanych wyników. 8. Przetestuj działanie układu regulacji w różnych punktach pracy (od 1 do 14). 9. Dobierz nastawy regulatora metodą Zieglera-Nicholsa i porównaj je z tymi otrzymanymi w punkcie 8. 10. W układzie regulacji uwzględnij ograniczenia sygnału sterującego (do wartości 100). Przeanalizuj uzyskane wyniki. 11. W układzie regulacji dodatkowo uwzględnij dynamikę urządzenia wykonawczego (inercja pierwszego rzędu o wzmocnieniu k = 1 oraz stałej czasowej T = 0.5 [s]). Przeanalizuj uzyskane wyniki. 12. Przy użyciu pliku optymalizacja_nastaw_xx.m dobierz optymalne (wyznaczone z kryterium całkowego: całki z modułu uchybu (ang. Integral of the Absolute value of Error IAE) nastawy regulatora PID dla różnych punktów pracy (np. 1; 7; 12). Wykorzystaj optymalne nastawy regulatora. Wyciągnij możliwie obszerne wnioski odnośnie uzyskanych wyników i porównaj je z tymi otrzymanymi w poprzednich punktach. 6

13. Przeanalizuj plik regulacja_wieloobszarowa_ph.mdl. 14. W pliku regulacja_wieloobszarowa_ph.mdl zaproponowano układ regulacji procesu zobojętniania ph z wykorzystaniem wieloobszarowego regulatora PID. W tym celu przeprowadzono linearyzację modelu procesu w trzech punktach pracy, a następnie zaprojektowano trzy regulatory PID, z nastawami dobranymi optymalnie dla każdego punktu pracy. Zapoznaj się z tym plikiem, a następnie dokonaj analizy działania układu regulacji. Wyciągnij możliwie obszerne wnioski odnośnie uzyskanych wyników i porównaj je z tymi otrzymanymi w poprzednich punktach. 15. Przetestuj działanie układu regulacji w różnych punktach pracy (od 1 do 14). 16. Przeanalizuj ponownie Rysunek 1 przy założeniu, że wielkościami sterującymi są: natężenie przepływu pierwszego substratu Fa,in oraz natężenie przepływu drugiego substratu Fb,in, a następnie wykonaj ponownie punkty 1 5. 17. Przedyskutuj możliwe sposoby regulacji takiego układu, wskaż ich potencjalne zalety i wady oraz przedstaw kroki jakie należałoby wykonać w celu syntezy proponowanego regulatora. Bibliografia 1. Åström K.J., Hägglund T. (1995). PID Controllers: Theory, Design and Tuning. 2 nd Edition. Instrument Society of America, North Carolina. 2. Brzózka J. (2002). Regulatory cyfrowe w automatyce. Wydawnictwo MIKOM, Warszawa. 3. Brzózka J. (2004). Regulatory i układy automatyki. Wydawnictwo MIKOM, Warszawa. 4. Corriou J.-P. (2004). Process Control: theory and applications. Springer- Verlag, London. 7