PRZEMYSŁOWE UKŁADY STEROWANIA PID. Wykład 5 i 6. Michał Grochowski, dr inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Podobne dokumenty
Automatyka i robotyka

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

Podstawowe człony dynamiczne

Automatyka i sterowanie w gazownictwie. Regulatory w układach regulacji

Automatyka i robotyka

Projektowanie układów regulacji w dziedzinie częstotliwości. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

Technika regulacji automatycznej

Ćwiczenie nr 6 Charakterystyki częstotliwościowe

Kompensacja wyprzedzająca i opóźniająca fazę. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

Technika regulacji automatycznej

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

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

Technika regulacji automatycznej

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

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Podstawowe człony dynamiczne. dr hab. inż. Krzysztof Patan

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

Stabilność. Krzysztof Patan

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Korekcja układów regulacji

układu otwartego na płaszczyźnie zmiennej zespolonej. Sformułowane przez Nyquista kryterium stabilności przedstawia się następująco:

PAiTM. materiały uzupełniające do ćwiczeń Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie prowadzący: mgr inż.

Regulator P (proporcjonalny)

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

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Automatyka i robotyka

1. Regulatory ciągłe liniowe.

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - Charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

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

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

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

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

REGULATORY W UKŁADACH REGULACJI AUTOMATYCZNEJ

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

ĆWICZENIE 6 Transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe układów aktywnych pierwszego, drugiego i wyższych rzędów

4. Właściwości eksploatacyjne układów regulacji Wprowadzenie. Hs () Ys () Ws () Es () Go () s. Vs ()

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

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

Laboratorium nr 3. Projektowanie układów automatyki z wykorzystaniem Matlaba i Simulinka

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

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

Charakterystyka amplitudowa i fazowa filtru aktywnego

Transmitancje układów ciągłych

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

Obiekt. Obiekt sterowania obiekt, który realizuje proces (zaplanowany).

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

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

Układ regulacji automatycznej (URA) kryteria stabilności

INSTRUKCJA Regulacja PID, badanie stabilności układów automatyki

Opis matematyczny. Równanie modulatora. Charakterystyka statyczna. Po wprowadzeniu niewielkich odchyłek od ustalonego punktu pracy. dla 0 v c.

Transmitancje i charakterystyki częstotliwościowe. Krzysztof Patan

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Procedura modelowania matematycznego

Regulator PID w sterownikach programowalnych GE Fanuc

PODSTAWY AUTOMATYKI. Analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości dla elementarnych obiektów automatyki.

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

Laboratorium z podstaw automatyki

Regulator PID w sterownikach programowalnych GE Fanuc

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

UKŁADY JEDNOWYMIAROWE. Część II UKŁADY LINIOWE Z OPÓŹNIENIEM

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

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Inżynieria Systemów Dynamicznych (3)

Sterowanie Serwonapędów Maszyn i Robotów

Badanie stabilności liniowych układów sterowania

Dobór typu regulatora i jego nastaw w procesie syntezy układu regulacji automatycznej Ćwiczenia Laboratoryjne Podstawy Automatyki i Robotyki

Laboratorium z podstaw automatyki

Laboratorium z podstaw automatyki

Ćwiczenie nr 3 Układy sterowania w torze otwartym i zamkniętym

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

Podstawy Automatyki. Wykład 4 - algebra schematów blokowych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Badanie wpływu parametrów korektora na własności dynamiczne układu regulacji automatycznej Ćwiczenia Laboratoryjne Podstawy Automatyki i Automatyzacji

Języki Modelowania i Symulacji

Wzmacniacze operacyjne

ELEMENTY AUTOMATYKI PRACA W PROGRAMIE SIMULINK 2013

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

Regulatory wykonywane są z zaworami zamykanymi lub otwieranymi przy wzroście temperatury. Pozycja temperatury może być ukośna, pozioma lub pionowa.

Ćw. S-III.4 ELEMENTY ANALIZY I SYNTEZY UAR (Dobór nastaw regulatora)

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych. Układ całkujący i różniczkujący

Podstawy Automatyki Zbiór zadań dla studentów II roku AiR oraz MiBM

A-2. Filtry bierne. wersja

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

TEORIA STEROWANIA I, w 5. dr inż. Adam Woźniak ZTMiR MEiL PW

Plan wykładu. Własności statyczne i dynamiczne elementów automatyki:

Sterowanie przekształtników elektronicznych zima 2011/12

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

Część 1. Transmitancje i stabilność

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Realizacja regulatorów analogowych za pomocą wzmacniaczy operacyjnych. Instytut Automatyki PŁ

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

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

Transkrypt:

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki PRZEMYSŁOWE UKŁADY STEROWANIA PID Wykład 5 i 6 Michał Grochowski, dr inż. Studia I stopnia inżynierskie, Semestr IV

Charakterystyki częstotliwościowe Charakterystyki częstotliwościowe są popularnymi metodami analizy i syntezy liniowych układów regulacji. Metody oparte o charakterystyki częstotliwościowe są uważane za metody graficzne w odróżnieniu od metod charakterystyk czasowych, które związane są bezpośrednio z równaniami różniczkowymi i są zasadniczo oparte na podejściu analitycznym.

Charakterystyki częstotliwościowe Zasadniczą cechą metod charakterystyk częstotliwościowych jest to, że opis układu jest dany w kategoriach jego odpowiedzi ustalonej na sinusoidalnie zmienny sygnał wejściowy. Jeżeli układ jest liniowy, odpowiedź układu będzie sinusoidalna o tej samej częstotliwości, co wejście, ale o innej amplitudzie i przesunięta w fazie; jeżeli układ jest nieliniowy, odpowiedź układu będzie dodatkowo zawierała wyższe harmoniczne i czasem podharmoniczne. x(t) y(t) x(s) Obiekt liniowy y(s) t t x(t)=a 1 sinωt x(t)=a 2 sin(ωt+ϕ)

Charakterystyki częstotliwościowe Drugą ważną cechą metod częstotliwościowych jest to, że widmowa funkcja przejścia (transmitancja widmowa) opisująca ustaloną odpowiedź układu na wymuszenie sinusoidalne może być otrzymana z operatorowej funkcji przejścia (transmitancji operatorowej), przez podstawienie zmiennej jω w miejsce zmiennej s. G j Gs s j

Charakterystyki częstotliwościowe W analizie i syntezie liniowych układów regulacji (liniowych układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym) szczególnie popularne są następujące metody graficznego przedstawiania transmitancji widmowej G(jω): 1. Charakterystyki amplitudowo-fazowe (wykresy Nyquist a, wykresy biegunowe) wykresy zależności modułu transmitancji widmowej w funkcji przesunięcia fazowego w układzie współrzędnych biegunowych przy zmianie ω od zera do nieskończoności jako parametru na tych wykresach; 2. Charakterystyki Bode a (wykresy kątowe, logarytmiczne) wykresy zależności modułu transmitancji widmowej w decybelach w funkcji log(ω) (lub ω) oraz kąta przesunięcia fazowego w funkcji log(ω) (lub ω) w prostokątnym układzie współrzędnych;

Charakterystyki częstotliwościowe Charakterystyki amplitudowo-fazowe są używane przede wszystkim w analizie i projektowaniu układów realizowanych z wykorzystaniem kryterium Nyquist a. Załóżmy, że mamy element układu regulacji o transmitancji widmowej G(jω). Aby narysować charakterystykę amplitudowofazową tego elementu powinniśmy przedstawić transmitancję G(jω), traktując ją jako liczbę zespoloną, np.: G j() j G j e Dalej sporządzenie charakterystyki amplitudowo-fazowej związane jest z przeprowadzeniem obliczeń służących zestawieniu tabeli punktów wykresu.

Charakterystyki częstotliwościowe Transmitancja G(jω) w postaci zespolonej: ) ( ) ( 1 2 ) ( ) ( ) ( ) ( j j j e M e A A e j G j G ) ( ) ( jq P j G ) ( )cos ( Re ) ( M j G P ) ( )sin ( Im ) ( M j G Q lub na podstawie: gdzie: ) ( ) ( ) ( 2 2 Q P j G M ) ( ) ( ) ( arg P Q arctg j G sin cos ) ( j e j

Charakterystyki częstotliwościowe Charakterystyki Bode a są inną użyteczną formą graficznego przedstawiania transmitancji widmowej na dwóch wykresach: z modułem transmitancji w zależności od log ω (lub ω); z kątem przesunięcia fazowego transmitancji w zależności od log ω (lub ω). Charakterystyki Bode a mają następujące zalety: Iloczyny czynników w wyrażeniu stają się sumami składników, ponieważ używany jest zapis logarytmiczny; Kształty charakterystyk Bode a najczęściej spotykanych transmitancji elementów układów regulacji pozwalają na ogół na ich przybliżone przedstawienie za pomocą tak zwanych asymptotycznych charakterystyk Bode a.

Charakterystyki częstotliwościowe - logarytmiczne W praktyce najczęściej wykreśla się charakterystyki amplitudowo fazowe w skali logarytmicznej. Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa L(ω), przedstawia wykres zależności między logarytmem dziesiętnym modułu transmitancji widmowej M(ω) i pulsacją ω. Przyjęło się podawać logarytm z modułu transmitancji widmowej M(ω) w db. Moduł transmitancji widmowej wyrażony w decybelach otrzymamy mnożąc logarytm dziesiętny modułu przez 20: L j 20 log M( j) 20 log M( )

Charakterystyki częstotliwościowe - logarytmiczne Korzyści ze stosowania wykresów logarytmicznych są oczywiste, ponieważ każdy ze składników transmitancji widmowej można traktować jako oddzielny wykres. Wykresy te należy następnie odpowiednio dodać lub odjąć w zależności od tego, jaki jest ich wkład w moduł i przesunięcie fazowe. Przyjmijmy szeregowe połączenie elementów G 1 (jω) oraz G 2 (jω): wtedy: j ( ) 1 G j M ( e oraz G j ) 1 1 G j G jg j M ( ) 2 2 M M ( ) 1 2 1 2 e e j ( ) 2 j[ ( ) ( )] 2 2 stąd: M ) M ( ) M oraz ) ( ) ( ) ( 1 2 ( 1 2 przyjmując: L 20 log M ( ) M ( ) 20 log M ( ) 20 log M ( 2 1 2 ) 1 oznaczając: otrzymujemy: L log M ( ) oraz L log M ( ) L 20 1 1 20 2 2 L 1 L oraz 2 1 2

Charakterystyki częstotliwościowe logarytmiczne 20 log(1000) 20 3 60 db 20 log(100) 20 2 40 db 20 log(10) 20 1 20 db 20 log(1) 20 0 0dB

Charakterystyki częstotliwościowe logarytmiczne Filtr dolnoprzepustowy Filtr górnoprzepustowy

Regulator typu P Zasada działania Sygnał wyjściowy u(t) z regulatora proporcjonalnego (P) jest proporcjonalny do sygnału wejściowego (błędu regulacji e(t)). wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji błąd regulacji e(t) wyjście regulatora u(t) Kp x e(t) e(t) czas czas

Regulator typu P Zasada działania Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do wartości uchybu e(t): u t K p e t gdzie Kp jest współczynnikiem proporcjonalności. Transmitancja operatorowa G(s) regulatora P jest stała i równa współczynnikowi proporcjonalności: gdzie U(s) oraz E(s) jest odpowiednio transformatą Laplace a sygnału sterującego u(t) oraz uchybowego e(t). G s U E s s K p

Regulator typu P Charakterystyka skokowa regulatora

Regulator typu P Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy

Regulator typu P Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a)

Regulator typu P Zalety: bardzo prosta zasada działania a tym samym fizyczna realizacja; tanie i wytrzymałe. Wady: 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 typu I Zasada działania 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 błąd regulacji e(t) wyjście regulatora u(t) Ki x całka e(t) w czasie e(t) czas czas

Regulator typu I Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do całki uchybu e(t): t gdzie Ti jest czasem całkowania, tzn. czasem po którym wartość sygnału sterującego u(t) jest równa wartości wymuszającego go uchybu e(t). Transmitancja regulatora: u 1 T i t e d G s U E s s 1 T i 1 s

Regulator typu I

Regulator typu I Zalety: likwidacja stałego lub wolno zmiennego uchybu regulacji; Wady: wydłużenie czasu regulacji; nasycanie się regulatora!!; Pogorszenie stabilności układu.

Regulator typu PI Zasada działania 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 błąd regulacji e(t) e(t) wyjście regulatora u(t) czas czas

Regulator typu PI Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do sumy wartości i całki uchybu e(t): t 1 u t K p e t e d Ti Czas całkowania Ti w przypadku regulatorów PI nazywa się czasem zdwojenia, gdyż po jego upływie od chwili skokowej zmiany uchybu e(t) dwukrotnie wzrasta sygnał sterujący u(t), tzn. część sygnału sterującego pochodzącego z działania całkującego zrównuje się z częścią o genezie proporcjonalnej do wartości uchybu. Transmitancja regulatora: G s U E s s K 1 1 Ti 1 s p

Regulator typu PI Charakterystyka skokowa regulatora

Regulator typu PI Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy typu I

Regulator typu PI Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a)

Regulator typu D Zasada działania 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 błąd regulacji e(t) e(t) wyjście regulatora u(t) Kd x de(t)/dt czas czas

Regulator typu D Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do pochodnej uchybu e(t): u t T d det dt Gdzie T d jest czasem różniczkowania. Regulator ten nazywamy idealnym, gdyż w praktyce nie można zrealizować urządzenia, które wygeneruje sygnał proporcjonalny do pochodnej innej wielkości w chwili bieżącej. Transmitancja regulatora: G s U E s s T Transmitancja regulatora rzeczywistego typu D: gdzie T l <T d G s jest stałą inercji. U E d s s T s d s T s 1 l

Regulator typu D rzeczywisty

Regulator typu D Zalety: szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji); Wady: 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 typu PD Zasada działania 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 błąd regulacji e(t) e(t) wyjście regulatora u(t) czas czas

Regulator typu PD Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do sumy wartości i pochodnej uchybu e(t): de t u t K p e t Td dt Gdzie Td jest czasem różniczkowania, zwanym także czasem wyprzedzenia, gdyż po jego upływie od chwili podania sygnału uchybowego e(t) narastającego liniowo dwukrotnie wzrasta sygnał sterujący u(t), tzn. część sygnału sterującego pochodząca od działania proporcjonalnego zrównuje się z częścią o genezie różniczkującej. Transmitancja regulatora: G s s s U K p 1 T E d s

Regulator typu PD Charakterystyka skokowa regulatora

Regulator typu PD Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy typu D

Regulator typu PD Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a)

Regulator typu PD - rzeczywisty Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do sumy wartości uchybu e(t) i pochodnej sygnału inercyjnego e (t) wymuszonego uchybem e(t): u t t de' e' t et dt de' t K p et Td dt T l Gdzie T l <T d jest stałą inercji. Transmitancja regulatora: G s U E s s K p T 1 Tl s d s 1

Regulator typu PD - rzeczywisty Charakterystyka skokowa regulatora

Regulator typu PD - rzeczywisty Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy

Regulator typu PD - rzeczywisty Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a)

Regulator typu PD Zalety: szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji), zmniejsza uchyb w stanie ustalonym. Wady: 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 typu PID Zasada działania 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 typu PID Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do sumy wartości uchybu e(t), jego całki oraz pochodnej: Przemysłowe układy sterowania PID Transmitancja regulatora: dt t de T d e T t e K t u d t i p 1 s T s T K s E s U s G d i p 1 1 1

Regulator typu PID Charakterystyka skokowa regulatora s) ) Wielkość nastawiająca m k p α tg α = k p /T i Czas t

Regulator typu PID Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy a). L (ω) [db] 20 db/dek + 20 db/dek 20 log k p b). 0 φ (ω) [rad] 1/T i 1/T d log ω [rad/s] π/2 π/2 0 1 1 / T it d log ω [rad/s]

Regulator typu PID Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a) Im(ω) k p ω Re(ω)

Regulator typu PID - rzeczywisty Sygnał sterujący u(t) jest proporcjonalny do sumy wartości uchybu e(t), jego całki oraz pochodnej sygnału inercyjnego e (t) wymuszonego uchybem e(t): t 1 de' t Transmitancja regulatora: u t K et e T l p de' dt t T e' i t et d T gdzie e (t) jest rozwiązaniem poniższego równania w chwili t. G s U E s s K p 1 1 T i 1 s d T ds Tl s 1 dt

Regulator typu PID - rzeczywisty Charakterystyka skokowa regulatora

Regulator typu PID - rzeczywisty Charakterystyki logarytmiczne regulatora (charakterystyki Bode a): a). modułu, b). fazy

Regulator typu PID - rzeczywisty Charakterystyka amplitudowo fazowa regulatora (charakterystyka Nyquist a)

Regulator typu PID

Charakterystyki częstotliwościowe logarytmiczne 20 log(1000) 20 3 60 db 20 log(100) 20 2 40 db 20 log(10) 20 1 20 db 20 log(1) 20 0 0dB

Stabilność układów liniowych wykresy Bode a 100 50 Bode Diagram System: Gukladu Gain Margin (db): -23.5 At frequency (rad/s): 4.47 Closed loop stable? No Magnitude (db) 0-50 -100-90 Phase (deg) -180 System: Gukladu Phase Margin (deg): -9.09 Delay Margin (sec): 0.356 At frequency (rad/s): 17.2 Closed loop stable? No -270 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Frequency (rad/s)

Przykład regulacji PID Transmitancja obiektu Transmitancja regulatora G s 15 s(1 0.01s)(1 5s) G s U E s s K p 1 1 T i 1 s T d s Nastawy regulatora: Kp: 33.4 Ti: 12.5 Td: 3.125

Odpowiedź obiektu na skok jednostkowy 2.5 x 104 Odpowiedz na skok jednostkowy obiektu 2 Amplitude 1.5 1 0.5 0 0 500 1000 1500 Time (sec)

OBIEKT ZAMKNIĘTY JEDNOSTKOWYM UJEMNYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM 2 Rozklad biegunow obiektu "zamknietego" Odpow iedz na skok jednostkow y obiektu "zamknietego" 2 1 1.5 Imaginary Axis 0-1 Amplitude 1 0.5-2 -150-100 -50 0 0 0 10 20 30 40 50 60 Real Axis Time (sec) Bode Diagram Gm = 16.5 db (at 4.47 rad/sec), Pm = 5.62 deg (at 1.73 rad/sec) 100 Magnitude (db) Phase (deg) 0-100 -200 0-180 -360 10-2 10 0 10 2 10 4 Frequency (rad/sec) Imaginary Axis 2000 1000 0-1000 Charakterystyka Nyquista obiektu -2000-80 -60-40 -20 0 Real Axis

UKŁAD REGULACJI Z REGULATOREM TYPU PID 40 Rozklad biegunow ukladu regulacji Odpow iedz na skok jednostkow y ukladu regulacji 1.5 Imaginary Axis 20 0-20 Amplitude 1 0.5-40 -60-50 -40-30 -20-10 0 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Real Axis Time (sec) Magnitude (db) Phase (deg) Bode Diagram Gm = -Inf db (at 0 rad/sec), Pm = 70.3 deg (at 35.4 rad/sec) 100 0-100 -90-180 10-2 10 0 10 2 10 4 Frequency (rad/sec) Imaginary Axis Charakterystyka Nyquista ukladu regulacji 4000 2000 0-2000 -4000-6 -5-4 -3-2 -1 0 Real Axis x 10 4

PORÓWNANIE UKŁADÓW REGULACJI Z JEDNOSTKOWYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM I REGULATOREM TYPU PID Bieguny obiektu (niebieska); ukladu regulacji (zielona) 40 Odpow iedz skokow a obiektu (niebieska); ukladu regulacji (zielona) 2 20 1.5 Imaginary Axis 0-20 Amplitude 1 0.5-40 -150-100 -50 0 0 0 10 20 30 40 50 60 Real Axis Time (sec) Magnitude (db) Phase (deg) Bodea obiektu (niebieska); ukladu regulacji (zielona) 100 0-100 -200 0-180 -360 10-2 10 0 10 2 10 4 Frequency (rad/sec) Imaginary Axis Nyquista obiektu(niebieska); ukladu regulacji (zielona) 4000 2000 0-2000 -4000-6 -5-4 -3-2 -1 0 Real Axis x 10 4

Aspekty praktycznych realizacji regulatorów PID Nasycenie wyjścia regulatora, Czułość wejść, Szybkość zmian sygnału sterującego, np. cykl pracy sterownika (np. 10mS), Zakresy wejść i wyjść regulatora wejścia/wyjścia napięciowe: zakresy (-10/+10 V; 0/10 V), wejścia/wyjścia prądowe: zakresy (4/20mA), Ograniczenia urządzenia wykonawczego, Dostępność interfejsów sieciowych.

Aspekty praktycznych realizacji regulatorów PID Nasycenie wyjścia regulatora (integrator windup) Integrator w każdym kroku całkowania sumuje błąd regulacji aby zgodnie z zasadą jego działania skompensować błąd na wejściu. W przypadku gdy wyjście z regulatora się nasyci (osiągnie maksymalne ograniczenie), dalsze działanie członu I nie ma wpływu na wyjście z regulatora. Więcej, jest to zjawisko bardzo niepożądane, gdyż w przypadku gdy sygnał uchybu zaniknie (zmaleje), wyjście z regulatora przez jakiś czas będzie zdominowane przez sygnał z członu I, co powoduje utrzymywanie się przez jakiś czas wysokich wartości sygnału wyjściowego regulatora. Rozwiązanie: mechanizm anti windup.

Aspekty praktycznych realizacji regulatorów PID

Aspekty praktycznych realizacji regulatorów PID Anti windup system zasada działania, urządzenie wykonawcze Ingerencja w strukturę regulatora!!!

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Wszystkie elementy w klasycznym regulatorze PID, otrzymują na wejściu sygnał uchybu (E). Najczęściej skutkuje to tym, że skokowa zmiana wielkości zadanej W powoduje przeregulowanie na wyjściu Y. Można to wyeliminować podając na wejście członu D sygnału Y (wyjścia obiektu), zamiast uchybu (E=W-Y). Taka struktura, nazywana PI-D, zmniejsza przeregulowanie związane ze skokową zmianą wielkości zadanej, jednocześnie pozostawiając niezmienioną odpowiedź układu na skokowe zakłócenie (sprowadzone na wejście obiektu). Dalszą redukcję (lub całkowitą eliminację) przeregulowania można uzyskać stosując strukturę I-PD, w której na wejście członu I podawany jest sygnał uchybu E, a na wejścia członów P oraz D sygnał Y (wyjście obiektu). Niestety powoduje to zwykle znacznie zwiększenie czasu regulacji w odpowiedzi na skok wielkości zadanej, co jest niekorzystnym zjawiskiem.

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Pewnym kompromisem pomiędzy strukturami PI-D a I-PD jest tak zwany regulator z ważoną wielkością zadaną (weighted set-point controller), w którym na wejście toru P podawana jest różnica βw-y, gdzie β <0, 1 >, więc dla β=1 otrzymujemy strukturę PI-D a dla β=0 strukturę I-PD. Dobierając odpowiednio współczynnik β można uzyskać odpowiedź pomiędzy PI-D (mniejszy czas regulacji) a I-PD (mniejsze przeregulowanie) bez oddziaływania na kształt odpowiedzi zakłóceniowej.

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Sterowanie U na wyjściu regulatora PID z ważoną wielkością zadaną dane jest wzorem: U k p d W y E Y T s T s N i d /( 1) Schemat ten można przekstzałcić tak aby jawnie wydzielić filtr wielkości zadanej przed blok I-PD. 1 T s

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Przyjmijmy, że dla pewnych nastaw regulatora k p, T i oraz T d, otrzymujemy poprawne tłumienie zakłóceń (z dopuszczalnym przeregulowaniem), ale nawet dla β=0 (czyli dla struktury I-PD ) nadal występuje pewne przeregulowanie przy skokowej zmianie wielkości zadanej. Oznacza to, że charakterystyka amplitudowa posiada pewne maksimum ( podbicie ) w okolicach pulsacji 1/T i (rys. b). Charakterystyki częstotliwościowe: a) filtru βt i s + 1 oraz b) układu z regulatorem I-PD oraz PI-D.

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Ponieważ charakterystyka amplitudowa członu βt i s + 1 przyjmuje tylko dodatnie wartości, więc wypadkowa charakterystyka częstotliwościowa układu filtr + I-PD (a więc także PI-D ) ma również maksimum i to nie mniejsze niż dla I-PD. Wybierając odpowiednio współczynnik β można przesunąć charakterystykę filtru w prawo, a więc w ograniczonym zakresie kształtować maksimum charakterystyki amplitudowej (a więc zwiększyć przeregulowanie) oraz pasmo przenoszenia układu zamkniętego (a więc zmniejszyć czas regulacji).

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Rozważmy teraz (w miejsce członu βt i s + 1 ) filtr wielkości zadanej o transmitancji: Ti 2 2 s 2 Ti Ti s 1 / s 1 2 Jego charakterystykę amplitudową pokazano na rysunku (linia przerywana).

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. W porównaniu z filtrem βt i s + 1, proponowany filtr II rzędu ma bardziej płaską charakterystykę w okolicach pulsacji 1/T i, a więc nie zwiększa przeregulowania dla skokowej zmiany wielkości zadanej, a poszerza pasmo przenoszenia układu zamkniętego, a więc czas regulacji ulega zmniejszeniu w porównaniu do I-PD.

Modyfikacje algorytmu PID * Materiał w całości oparty o publikację: Zbigniew Świder, Leszek Trybus: Rozszerzony algorytm PID dla przemysłowego regulatora temperatury z samostrojeniem. Pomiary Automatyka Robotyka, 2/2013. Na rysunku a) przedstawiono schemat blokowy układu z filtrem wielkości zadanej i regulatorem I-PD, a na rysunku b) przekształcony (praktyczny) schemat bloku PID w regulatorze przemysłowym. Zastosowano go w regulatorze temperatury RE-91 firmy LUMEL S.A.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Dziękuję za uwagę Studia I stopnia inżynierskie, Semestr IV