Zakład Wydzałowy Inżyner Bomedycznej Pomarowej Laboratorum Pomarów Automatyk w Inżyner Chemcznej Regulacja Cągła Wrocław 2005
. Mary jakośc regulacj automatycznej. Regulacja automatyczna polega na oddzaływanu na proces technologczny (ekt regulacj) aby przebeg procesu merzony przebegem wartośc welkośc regulowanej, był zgodny z przebegem założonym. Oddzaływane realzuje urządzene technczne zwane regulatorem. Regulator na podstawe różncy (uchybu regulacj ε) pomędzy wartoścą welkośc określającej stan procesu a wartoścą zadaną tej welkośc generuje sygnał sterujący dla ektu o wartośc zależnej równeż od szybkośc zman stanu procesu występujących zakłóceń. Rys. Struktura układu regulacj automatycznej. W pracach projektowych najczęścej przyjmuje sę uproszczene, że zakłócena z( oddzałują na welkość wyjścową ektu w sposób addytywny z(+ (rys. 6). Istotnym zadanem jest dór rodzaju regulatora do właścwośc dynamcznych ektu a w dalszej częśc dór nastaw (parametrów) regulatora, tak aby przebeg procesu regulacj był zgodny z założenam. Ocenę jakośc procesu regulacj przeprowadza sę w oparcu o pewne wskaźnk: czas regulacj t r, jest to czas po którym uchyb regulacj ε( ne przekracza 5% wartośc ε ust, maksymalny uchyb regulacj ε ust, przeregulowane κ. Wartośc tych wskaźnków wyznacza sę w oparcu o zarejestrowaną odpowedź układu na skokową zmanę zakłócena dzałającego na ekt regulacj lub skokową zmanę wartośc zadanej.
Rys.2 Wyznaczane wskaźnków jakośc regulacj. Określene, który wskaźnk jest najstotnejszy w ocene zależy od konkretnych zastosowań układu regulacj w procesach technologcznych. 2. Regulacja cągła Dór rodzaju regulacj automatycznej do ektu (procesu) pownen być poprzedzony wyznaczenem jego charakterystyk dynamcznej. Najczęścej spotykane ekty to ekty ceplne, mechanczne ( suszark, pece, ultratermostaty, pomeszczena klmatyzowane, wrówk, pojazdy tp.), które mają charakter członów nercyjnych perwszego lub wyższych rzędów, a dla celów projektowych można zastosować uproszczene przypsując m łańcuchowe połączene członu nercyjnego perwszego rzędu członu opóźnającego. Dór parametrów 0, T 0, członów zastępczych przeprowadza sę na podstawe analzy odpowedz ektu na pudzene skokowe u ( = A( Rys.3 Zasada przyblżana odpowedz skokowej ektu nercyjnego wyższego rzędu charakterystyką członu nercyjnego I-go rzędu o stałej czasowej wzmocnenu 0 połączonego łańcuchowo z członem opóźnającym o opóźnenu T 0.
Praktyczne krytera doru rodzaju regulacj do ektu scharakteryzowanego czasem opóźnena (czasem martwym) T 0 stałą czasową zakładają że stosuje sę: T regulację dwupołożenową jeżel 0 < 0. 2, T regulację cągłą jeżel 0.2 0, regulację krokowo-mpulsową jeżel T < 0 Zadane przyblżana charakterystyk dynamcznych można przeprowadzć analtyczne, można też zrealzować eksperymentalne korzystając np. z paketu Smulnk programu Matlab podczas eksperymentu porównywana odpowedz skokowej modelu ektu (człon nercyjny n-tego rzędu) przyblżonego modelu w postac łańcuchowego połączena członów opóźnającego nercyjnego -go rzędu. Ocena jakośc dopasowana odbywa sę na podstawe porównana zarejestrowanych odpowedz skokowych za pomocą rejestratora (rys.4) 0 Skok 3s+ Człon Inerc. 5s+ Cłon Inerc. 2 7s+ Człon Inerc.3 Rejest Człon s+ Człon Inerc Opóźn Rys. 4 Struktura przykładowa umożlwająca porównane odpowedz skokowej ektu: człon nercyjny 3-go rzędu (kolor żółty) z odpowedzą skokową modelu przyblżającego: łańcuchowe połączene członu opóźnającego członu nercyjnego -go rzędu (kolor nebesk). y0 Zadajnk Sum PID Regulator PID z Aproksymacją Różnczkowa Obekt-opóź s+ Obekt-nercja Scope2 Rys. 5 Struktura umożlwająca badane stanu przejścowego w układze regulacj automatycznej typu P,PI,PID, bez ecnośc zakłóceń dla ektu nercyjnego -go rzędu z opóźnenem.
y 0 Zadajnk Sum PID Regulator PID z aproksymacją różnczkow s+ Obekt-opóź Obekt-nercja Sum Scope2 Generator zakłóceń Rys.6 Struktura umożlwająca badane stanu przejścowego w układze regulacj automatycznej typu P,PI,PID, z ecnoścą zakłóceń dla ektu nercyjnego -go rzędu z opóźnenem. Genera Generator sygnałowy Sum PID Regulator PID Obekt opóźnene s+ Obekt nercja Scope2 Rys.7 Struktura umożlwająca badane zachowana sę ektu w odpowedz na programowaną (przebeg: płokształtny, prostokątny, snusodalny) zmanę wartośc zadanej 3. Dór nastaw regulatora Aby uzyskać przebeg regulacj spełnający wymagana narzucone przez automatyzowany proces technologczny trzeba drać nastawy regulatora tak aby odchyłka regulacj ε( zmenała sę zgodne z założonym parametram. Do parametrów określających bezpośredne cechy przebegu odchyłk przede wszystkm należą: czas regulacj t r a węc czas, po którym odchyłka jest mnejsza od dopuszczalnej, maksymalna odchyłka chwlowa ε max, odchyłka ustalona ε ust utrzymująca sę po ustanu zakłócena, przeregulowane κ (rys.2). Istneją opracowane algorytmy, które dla przyjętych kryterów jakośc, pozwalają drać wstępne nastawy regulatorów. Współczesne, ntelgentne regulatory umożlwają samoczynny dór nastaw regulatora według wybranego przez sługę kryterum.
Tab. Dór nastaw regulatorów cągłych ( p - wzmocnene; T - czas całkowana; T d czas różnczkowana) dla ektów statycznych o wzmocnenu ; czase opóźnena T 0 ; stałej czasowej, przy założenu mnmalnego czasu regulacj t r dwóch wartoścach Typ Reg ulato ra przeregulowana. (Poradnk nżynera automatyka, WNT Warszawa 995.) Przeregulowane 0%, mnmum t r Przeregulowane 20%, mnmum t r t r T 0 P 4.5 PI 8 PID 5.5 Nastawy t r T 0 0.3 P T0 OB 6.5 0.6 T p =0.8T 0 +0.5 0 2 0.95 T p =2.4T 0,T d =0.4T 0 0 Nastawy.0 = p T0 0.7 = T, T p =T 0 +0.3 0.2 = T, T p =2.0T 0,T d =0.4T 0 0 Dane w tabel wyznaczone zostały dla następującej funkcj przetwarzana regulatora: dε ( yr ( = p{ ε ( + Td + ε ( } T 4. Program ćwczena 4. Dla ektu nercyjnego wyższego rzędu (np. peca, czujnka) o modelu zadanym przez prowadzącego drać eksperymentalne model przyblżony w postac łańcuchowego połączena członu opóźnającego członu nercyjnego perwszego rzędu wyznaczyć parametry zgodne z modelem przedstawonym na rys. 3. 4.2 Dla ektu z pkt. 4. zaprogramować układ regulacj cągłej PID o stałej wartośczadanej y 0 (uzgodnonej z prowadzącym) bez ecnośc zakłóceń (rys.5). zarejestrować przebeg czasowe: - odpowedz ektu, - odchyłk regulacj, - sygnału na wyjścu regulatora. Wyznaczyć lczbowe wartośc czasu regulacj t r, przeregulowana κ, odchyłk statycznej ε ust. Badana przeprowadzć dla różnych nastaw regulatorów P, PI, PID, określć wartośc nastaw przy których układ regulacj przestaje być stablny. Uwag a!!! nastawy regulatora PID w pakece Smulnk, p zdefnowane są następująco: I =, P= p, D= T d p T 4.3 Do struktury z pkt. 4.2 włączyć generator zakłócający (rys.6). Dla uprzedno wybranych nastaw regulatorów przeprowadzć badana wpływu zakłóceń. Wartośc średne warancje zakłóceń derać ze zboru: [ 0; 0.05y 0 ; 0.y 0 ; 0.2y 0 ] Porównać uzyskane wynk z wynkam z zad. 4.2. 4.4 Drać optymalne warunk nastaw regulatora przeprowadzć proces regulacj, stałowartoścowej dla regulatora P oraz PI, porównać uzyskane wynk z wynkam z poprzednch zadań. 4.5 Dla optymalnych nastaw regulatora przeprowadzć symulację regulacj przy
programowej zmane wartośc zadanej y 0, bez ecnośc zakłóceń, (rys. 7). Zalecany wybór płokształtnego przebegu y 0. 5.Lteratura uzupełnająca [] S. Węgrzyn, Podstawy automatyk, PWN Warszawa. [2] ostro, Automatyka w pytanach odpowedzach, WNT Warszawa 990 [3] Praca zborowa, Poradnk nżynera Automatyka. WNT, Warszawa 973. [4] Notatk z wykładu Podstawowe lnowe człony dynamczne. Poneważ w programe ćwczena przewdzano korzystane z model opsywanych z zastosowanem przekształcena Laplace a ponżej zameszczono zestawene opsów matematycznych tych model. Człon proporcjonalny = = Człon nercyjny perwszego rzędu d + = ( ) u s s + Człon całkujący = T = T s Człon całkujący rzeczywsty Człon różnczkujący Człon różnczkujący rzeczywsty Człon opóźnający d + = T = T s( s + ) = T d = T d d s d + = T Td s = s + d d
= t-t 0 ) sto = e Regulator PID dε ( yr ( = p{ ε ( + Td + ε ( } T yr ( = p{ + Td s + } ε ( T s Regulator PID stosowany w pakece Smulnk programu Matlab zawera składową nercyjną w bloku odpowadającym za różnczkowane sygnału odchyłk ε( Poszczególne nastawy do poprzedno sformułowanego opsu zdefnowane są następująco: p I =, P= p, D= T d p T Transmtancja tego regulatora ma postać: y R ( Ds = P + + I ε ( / Ns + s P Proporcjonalna Wejśce ε I s Całkująca Sum Wyjśce yr Ds /Ns+ Różnczkująca Rys.8 Struktura regulatora PID wykorzystywanego w ćwczenu jego tablca nastaw.