MIKROPROCESOROWY MODEL OBIEKTU TERMICZNEGO DO TESTÓW REGULATORÓW TEMPERATURY

Danel KUCHARSKI Marcn WESOŁOWSKI MIKROPROCESOROWY MODEL OBIEKTU TERMICZNEGO DO TESTÓW REGULATORÓW TEMPERATURY STRESZCZENIE Aryuł przedsawa moŝlwość dagnosy uładów regulaorów emperaury z wyorzysanem modelowana numerycznego serowanych obeów. Sonsruowano uład eleronczny symulujący zachowane czujna ermoelerycznego, generujący odpowedną warość napęca. San pola emperaury modelu numerycznego wybranego obeu grzejnego, wywarza sygnał odpowadający sygnałow rzeczywsego czujna, co powoduje generację mocy grzejnej przez regulaor emperaury w modelu obeu. Przeprowadzono symulację pracy modelu numerycznego podłog grzejnej, serowanej rzeczywsym regulaorem emperaury. Słowa luczowe: symulacja obeów eleroermcznych, dagnosya regulaorów emperaury. WSTĘP Serowane pracą obeów eleroermcznych wymaga uładów regu- mgr nŝ. Danel KUCHARSKI e-mal: danel.uchars@en.pw.edu.pl mgr nŝ. Marcn WESOŁOWSKI e-mal:marcn.wesolows@en.pw.edu.pl Polechna Warszawsa Insyu Eleroenergey Załad Techn Śwelnej PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszy 39, 008

56 D. Kuchars, M. Wesołows laorów emperaury o róŝnym sopnu zaawansowana onsrucj algorymów serujących. Mogą o być ułady serujące opare o dwusawną regulację emperaury, newymagające doboru paramerów regulacj do oreślonego obeu, nezwyle prose w uŝycu o pewnym dzałanu. Z drugej srony coraz bardzej popularne sają sę regulaory, órych algorym serujący opary jes o procedury log rozmyej zw. fuzzy logc. Nesłabnącym powodzenem ceszą sę ułady serujące opare o regulację ypu PID, wyposaŝone w procedury auomaycznego doboru nasaw, znaczne uławające ch uŝyce. Problemy wysępujące w syuacj wyboru oreślonych meod grzejnych wymuszają ne ylo wybór odpowednego ypu regulaora, lecz równeŝ oreślonego ypu czujna pomarowego, zapewnena nezałóconego przesyłu danych do uładu serującego, oreślone ryera umeszczena czujna w obece grzejnym. W aryule opsano meodę analzy dzałana wybranego uładu regulaora, óry poprzez specjalny uład eleronczny seruje pracą modelu numerycznego wybranego obeu eleroermcznego, symulowanego w czase rwana badana. Wybrany pun pola emperaury modelu, generuje sygnał odpowadający sle ermoelerycznej ermopary, merzącej emperaurę zgodne z wynem symulacj numerycznej. Popularne negdyś modelowane analogowe, pozwalało na podobne procedury badawcze [7], umoŝlwając współpracę regulaora emperaury z modelowanym przy pomocy uładów analogowych obeem. Wydaje sę, Ŝe połączene modelu numerycznego projeowanego obeu, z moŝlwoścą wyorzysana w doborze regulaorów emperaury ch esowanu, sałoby sę cennym narzędzem projeanów. Węszość onsrucj eleroermcznych poprzedzona jes szeregem oblczeń numerycznych, pozwalających w faze projeu zbadać pole emperaury w róŝnych sanach pracy. Częso orzysa sę w ym celu z sysemów rozwązywana problemów oparych o ops równanam róŝnczowym cząsowym, np.: Ansys, QucFeld, Elmer. Czasem oazuje sę nezbędne worzene własnych procedur oblczenowych. Uzysane wyn pomagają w wyborze oreślonego maerału zolacyjnego, jego wymarów, pozwalają badać pole emperaury projeowanego obeu, jeszcze zanm przeobraz sę w snejący w rzeczywsośc obe eleroermczny. W pracy Szoplńsego [7], auor wspomna o rzech moŝlwoścach analzy pracy uładów regulacj współpracujących z obeem poddanym serowanu. NaleŜą do nch badana rzeczywsych obeów, symulacja numeryczna uładu regulaor obe, oraz rzec sposób, na órym opara jes meoda opsana w aryule, łącząca w sobe obydwa załoŝena, zn. badane uładów rzeczywsych przy wyorzysanu symulacj numerycznej. MoŜe o być zarówno symulacja uładu regulacj, serującego obeem rzeczywsym, bądź,

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 57 prezenowana w aryule symulacja obeu serowanego, współpracującego z rzeczywsym uładem regulaora emperaury. Meoda opsana w aryule moŝe być z powodzenem sosowana w dagnosyce uładów regulacyjnych. Isneje zasadncza róŝnca mędzy zaprojeowanem dealnego regulaora PID, pracującego w środowsu numerycznym przechodzącego wszyse esy pozyywne, a realne snejącym uładem współdzałającym z prawdzwym pecem, bądź budynem, órego ogrzewanem ma serować. Proponowany uład ma na celu wspomóc onsruorów uładów serujących, realzujących załoŝone algorymy serujące.. PROGRAM STERUJĄCY PRACĄ SYSTEMU BADAWCZEGO Program serujący badanem regulaora emperaury, pozwala na współpracę elemenów sładowych sysemu badawczego, w sład órego wchodzą: model numeryczny obeu eleroermcznego, uład symulujący zachowane czujna emperaury, zwanego dalej uładem badawczym, oraz regulaor emperaury, órego pracę poddano analze. Praca programu rozpoczyna sę od wyznaczena począowego rozładu emperaury podłog grzejnej. Jednocześne sprawdzana jes poprawność realzacj wybranej emperaury, poprzez opsywany w dalszej częśc aryułu uład eleronczny odczy worzonej warośc na wyśwelaczu, bądź wsaźnu regulaora emperaury. Ułady regulaorów emperaury współpracują z róŝnym czujnam pomarowym. Popularność ermoelemenów wyna z duŝego zaresu pomarowego, sęgającego od emperaur ujemnych do warośc masymalnej rzędu 00 C. Sła ermoeleryczna merzona na ońcach ermopary, zaleŝy od emperaury pomaru, ale co waŝnejsze równeŝ od emperaury w mejscu umeszczena jego ońców. W przypadu zasosowana czujna rezysancyjnego P00, bądź półprzewodnowego (np.: Ds80) problem en ne wysępuje. Warość welośc fzycznej, na órą przewarzana jes emperaura, zaleŝy w ym wypadu bezpośredno od warunów umeszczena czujna. Doładność pomarów realzowanych poprzez ermoelemen podłączony do regulaora emperaury, wymaga znajomośc aualnej warośc emperaury odnesena, poprzez np.: pomar emperaury mejsca do órego przyłączone są przewody ermopary, bądź ompensacj jej zmany w czase. Dane napęce generowane przez uład symulujący słę ermoeleryczną ermopary, odpowadało pomarow przez regulaor róŝnej warośc emperaury,

58 D. Kuchars, M. Wesołows w zaleŝnośc od emperaury odnesena przyjęej w uładze regulaora. Urzymane oreślonej zgodnośc warośc emperaury realzowanej w uładze regulaora wyznaczonej z symulacj numerycznej, oazało sę sanowć jedną z powaŝnejszych rudnośc napoanych w przygoowanu algorymu serującego. Prayczne wszyse zaawansowane współczesne onsrucje regulaorów współpracujące z czujnam ermoelerycznym, śledzą na beŝąco własną emperaurę. Przypuśćmy, Ŝe w race pomarów nasępuje wzros emperaury ermomeru (odnesena) od 9 C do 35 C, co zwązane jes z generowanem cepła w uładach eleroncznych w wynu ch dzałana zmaną warunów oddawana cepła do ooczena z powerzchn regulaora. Zmanę sły ermoelerycznej wywarzanej przez ermoparę ypu J, merzącą sałą w czase pomaru emperaurę 45 C, przedsawa rysune. Wdać wyraźne, Ŝe bra onrol emperaury odnesena, prowadz do powaŝnych błędów. Algorym serujący pownen dysponować procedurą doonywana na beŝąco orey jej warośc, a by jednocześne z jej wzrosem zmnejszać napęce symulujące słę ermoeleryczną ermopary, uzysując sałość wsazana emperaury na wyśwelaczu badanego regulaora emperaury. 0.95 0.9 0.85 45 44 3 U ermopary [mv] 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 Temperaura [C] 43 4 4 40 0.45 8 30 3 34 36 39 8 30 3 34 36 Temperaura [ oc] Temperaura [ oc] Rys.. Błędy zwązane ze zmaną emperaury wolnych ońców ermopary. Krzywa oznaczona sła ermoeleryczna, przy wzrośce emperaury wolnych ońców, sła ermoeleryczna dla sałej emperaury odnesena wynoszącej 9 C, 3 pomar emperaury neuwzględnający zmany emperaury odnesena Uład badawczy doonywał pomaru emperaury uładu regulaora, poprzez półprzewodnowy czujn emperaury (rys. ), óry moŝna było umeścć na obudowe regulaora, bądź w jego wnęrzu. Ze względu na

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 59 rudnośc w dopasowanu dynam zman emperaury odnesena merzonej przez regulaor uŝyy czujn, pomar emperaury uładu regulaora słuŝył jedyne ocene przyblŝonej warośc emperaury odnesena ermopary. Program serujący pozwalał w czase rwana badań na oreę przez uŝyowna, poprawnej warośc emperaury odnesena, wraz z zauwaŝonym odchylenam warośc wsazywanej na wsaźnu regulaora uzysanej w wynu oblczena pola emperaury modelu numerycznego. Wydaje sę o być słusznym podejścem, ym bardzej, Ŝe emperaura odnesena wsazywana przez regulaor (zwarce zacsów wejścowych ermopary na obudowe regulaora) po osągnęcu ermcznego sanu usalonego przez jego uład eleronczny, ne ulega duŝym zmanom. WaŜne jes zwrócene uwag na sałość warunów oddawana cepła do ooczena w czase rwana badań, unane esponowana na dzałane źródeł cepła (np.: owór wyloowy uładu chłodzącego lapopa), czy eŝ nadmerną wenylację pomeszczena. Perwszym sposobem zapewnena znajomośc emperaury odnesena ermopary w czase rwana badana, był jej pomar, drug sposób polega na zapobeganu jej zmanom poprzez umeszczene uładu badanego w ścśle onrolowanym środowsu, w órym jes znana jej warość. Wymagane napęce wyznaczane było na podsawe podanej emperaury odnesena, odpowadającej generowanemu przez ermoparę, merzącą daną emperaurę w danych warunach. Algorym serujący wczyywał dane z plu, w órym w forme abel zgromadzono warośc sły ermoelerycznej, odpowadających merzonej emperaurze, oreślonych co C. Na ej podsawe, znana warość emperaury odnesena, zamenana na słę ermoeleryczną, odejmowana jes od sły ermoelerycznej odpowadającej generowanej warośc emperaury. Znając zares napęć realzowanych przez uład badawczy, załadając lnową zaleŝność generowanego napęca od bowej lczby z zaresu 0 4095, znana była warość lczby jaą naleŝy przeazać do przeworna D/A. Procedura serująca załadała wyznaczane pola emperaury co pewen nerwał czasowy, órego warość usalono na seundę. Po uzysanu nowej warośc emperaury punu, odpowadającego połoŝenu symulowanego czujna regulaora emperaury, jej warość realzowana była na badanym regulaorze, wymuszając jego odpowedną reację. Do momenu oblczena pola emperaury w olejnym momence czasu, algorym serujący oczeuje na zmanę sanu elemenu serującego dosarczanem mocy grzejnej badanego regulaora. Badany serown przysosowany był do pracy z raem ypu SSR, zn.: w syuacj załączana mocy, na zacsach wyjśca mocy pojawało sę napęce sałe o danej warośc, bra dosarczana mocy obserwowany był jao napęce 0. Dla zapewnena pełnej zgodnośc modelu numerycznego z aualnym sanem źródeł cepła,

60 D. Kuchars, M. Wesołows w momence zarejesrowana przez program serujący włączena mocy lub jej wyłączena, nasępowało naychmasowe oblczene pola emperaury przeazane nowej danej do uładu eleroncznego symulującego czujn, odpowadającego aualne oblczonej warośc. Wynało o za fau Ŝ moc dosarczana moŝe być w orese rószym od seundy, co mogłoby prowadzć do pomjana neórych momenów załączena mocy grzejnej, bądź uwzględnena nnego czasu ch rwana, jeŝel ro czasowy symulacj usawony byłby na sałe. Ze względu na jego zmenność w czase badań, aŝde oblczane pola emperaury, wymuszało worzene na nowo macerzy współczynnów A, na podsawe róŝncy czasu pomędzy momenem poprzednego aualnego wyznaczana sanu ermcznego. Program serujący pracował w pęl, w órej co pewen, usalony czas nasępował zaps do plu wynów pola emperaury modelu, oraz aŝda zmana dosarczanej mocy. 3. KONSTRUKCJA UKŁADU BADAWCZEGO Dla zrealzowana celu pracy, oneczne było sworzene specjalnego uładu eleroncznego, łączącego w sobe la funcj. Schema bloowy całego sysemu dagnosycznego (uład eleronczny, wraz z regulaorem emperaur, oraz ompuerem) przedsawono na rysunu. Lczba przesyłana do przeworna San serowna mocy grzejnej, emperaura regulaora Temperaura regulaora mroonroler Uład dopasowujący san mocy do wejśca mroonrolera Do wejśca regulaora ermopary D/A Uład dopasowujący Rys.. Schema bloowy uładu eleroncznego, wraz z badanym uładem regulaora emperaury (zdjęce regulaora emperaury zaczerpnęo z nsrucj obsług regulaora mroprocesorowego TROL 9090)

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 6 Głównym jego przeznaczenem, była generacja zadanej przez program symulujący emperaury, zn. odbór danej wysyłanej z ompuera przesyłane do przewor worna D/A. Procedurą doboru napęca, zn. oreślenem warośc danej óra ma zosać przeazana do uładu, serował program pracujący na ompuerze. Agorym załadał cągłe śledzene aualnej emperaury regulaora rzesyłane jej do programu symulacyjnego na ompuerze, oraz przesyłane aualnego sanu wyjśca serującego dosarczanem mocy badanego regulaora emperaury. Do generacj sygnału napęcowego odpowadającego sle ermoelerycznej, wyorzysany zosał uład scalony bowego przeworna sygnału cyfrowego na analogowy DAC80-CBI-V frmy Burr-Brown []. Wywarzane napęca wybrane zosały w zarese 0 5 V. Symulowano zachowane czujna emperaury, pracującego w zarese ooło 84,4 C, co dla ermopary ypu J (Ŝelazo onsanan) oznacza zares napęć 4,44 mv. Dzę odpowednemu uładow dopasowującemu sygnał generowany przez przeworn, do podłączonego regulaora emperaury doprowadzane jes napęce o odpowednej warośc. Zares emperaury zosał dobrany do charaerysy ceplnej symulowanego obeu eleroermcznego. Isneje oczywśce moŝlwość usawena nnego zaresu, co wymaga wyonana w ładze dopasowującym (rys. ) newelch zman. Pewną rudność sprawł dobór odpowednch flrów, óre ne pownny wprowadzać zby duŝych opóźneń w generacj emperaury co mogłoby wpływać na przebeg symulacj. Uzysana doładność realzacj emperaur wynosła ooło 0, C. Jednosą cenralną uładu jes mroonroler PIC8F430 frmy Mcrochp []. Wybór zwązany jes z moŝlwoścam danego uładu, óry zawera wszyse moduły nezbędne dla porzeb algorymu serującego. Oprogramowane sworzono w assemblerze procesorów Mcrochp. W celu śledzena emperaury regulaora wyorzysano uład scalony LM35, generujący 0 mv napęca sałego na C, merzonej emperaury, doonujący pomaru z masymalną doładnoścą 0,5 C. Jego sygnał pomarowy, dołączono do wejśca modułu A/D mroonrolera. Komunacja z modelem numerycznym worzonym na ompuerze, nasępuje poprzez por szeregowy w sandardze RS-3. Nse warośc sygnałów napęcowych, doprowadzanych do wejść czujna badanego regulaora, wymagały przecwdzałana załócenom, mogącym wpływać na doładność osąganej generacj emperaury. Oazało sę, Ŝe najwęszym zagroŝenem jes podłączene uładu badawczego do ompuera PC. Zaslacze ompuerów opare o pracę mpulsową, wywarzają w czase dzałana duŝe warośc załóceń. Zasosowane ypowego uładu scalonego MAX3, umoŝlwającego dopasowane pozomów napęć mędzy sandardem RS-3

6 D. Kuchars, M. Wesołows ( V, - V), a TTL (0, 5 V) było newysarczające. W uładze uŝyo węc poczwórnego ransopora PC847, dzę óremu uzysano całową separację uładów eleroncznych ompuera uładu badawczego, z moŝlwoścą ransmsj sygnałów w obe srony. 4. MODEL NUMERYCZNY OBIEKTU ELEKTROTERMICZNEGO Przedsawona oncepcja pracy uładu, wymagała sworzena własnych procedur numerycznych dla oblczena pola emperaury w sane neusalonym wybranego obeu eleroermcznego [5], [6]. Prayczne nemoŝlwe było wyorzysane sysemów rozwązujących ego ypu problemy, sosowanych ypowo w ym przypadu, wymenonych we wsępe. Program wymagał symulacj w czase rzeczywsym modelowanego obeu, co wymagało omunacj z opsywanym uładem symulującym zachowane ermoelemenu, poprzez óry wywarzana była odpowedna warość napęca dosarczana do wejść czujna regulaora. Realny regulaor emperaury wpływał na warość źródła mocy modelu, powodując odpowedną reację modelu na dosarczaną warość mocy. Dla rozwązana równana róŝnczowego Fourera-Krchoffa () w przypadu nesacjonarnego pola emperaury z wewnęrznym źródłam cepła, wyorzysano meodę róŝncową [6]. Na jej wybór wpłynęła ławość wyorzysana we własnych procedurach, przejrzysość zapsu maemaycznego worzonych na jej podsawe równań, moŝlwość bezpośrednego zapsu za jej pomocą równań róŝnczowych. cw γ =λ +p τ v () Program symulacyjny napsany zosał w języu programowana Pyhon (www.pyhon.org). Jes o nezwyle neresujący sysem, o bardzo duŝych moŝlwoścach zasosowana, równeŝ do rozwązywana problemów numerycznych. Charaeryzuje sę duŝą prosoą przejrzysoścą zapsu. Programy napsane w ym środowsu prayczne bez Ŝadnych zman uruchamają sę pod onrolą róŝnych sysemów operacyjnych, jedynym wymogem jes jego pełna nsalacja. Dla języa programowana Pyhon sneje

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 63 ogromna sale powęszana bbloea dodaowych procedur, co znaczne uławło worzene aplacj serującej. W programe zasosowano moduł omunacj przy uŝycu poru szeregowego ompuera, moduł pysparse, rozwązujący, dzę specjalnemu zapsow macerzy w pamęc ompuera, nezwyle szybo równana macerzowe, oraz moduł numpy, zawerający sporą lość funcj maemaycznych procedur numerycznych przydanych w programe. Modelowanym obeem był powerzchnowy elemen grzejny, jam jes aumulacyjna podłoga grzejna. Charaeryzuje sę powolnym zmanam pola emperaury w czase. Badana rzeczywsych budynów, ogrzewanych przy pomocy ego ypu uładów są nezwyle urudnone. Wymagają ne ylo dość duŝych naładów fnansowych prowadzena analzy pracy, ale są nezwyle czasochłonne, co wyna z bardzo duŝych sałych czasowych. Konsrucja podłog zosała przygoowana na podsawe jednej z newelu pozycj leraurowych, wydanych w Polsce, pośwęconych problemayce [4]. Obe słada sę z rzech warsw: beonu z umeszczonym w nm przewodem grzejnym, warswą syropanu, warswą pasu. Przygoowany model sanowł jednowymarowy wycne podłog. Tae podejśce jes z pewnoścą bardzo uproszczone w sosunu do rzeczywsośc, pozwala jedna na doonane pewnych obserwacj. Moc z powerzchn płyy przeazywana była do ooczena na drodze onwecj swobodnej promenowana emperaurowego. W modelu pomnęe zosały problemy rozwązana zagadneń unoszena onwecyjnego mas powerza nad podłogą. Wymanę cepła do pomeszczena, opsano za pomocą współczynna przejmowana cepła. ZałoŜono sałą emperaurę powerza 0 C. Na powerzchn warswy pasu załoŝono warune brzegowy Drchlea, odpowadający emperaurze grunu. ZałoŜono jej nezmenność w czase przyjęo warość 0 C. Zaem cepło aumulowane w podłodze było odprowadzane z nej główne przez powerzchnę podłog, oraz w mnejszym sopnu przez grun. Dla wyznaczena współczynna przejmowana cepła, zasosowano równana ryeralne paramery maerałowe powerza [3]. Na ej podsawe wyznaczono lczbę Nussela (). ( Gr Pr) n Nu=C () Warośc lczb Gr Pr wymagały podana paramerów powerza, zaleŝnych od średnej emperaury pomeszczena emperaury powerzchn podłog. Ich zmenność opsano welomanam, nerpolowanym na podsawe

D. Kuchars, M. Wesołows 64 ablc zawerających warośc dla róŝnych emperaur [3]. Pozwolło o znaleźć warość współczynna onwecyjnego przejmowana cepła na podsawe zaleŝnośc: d λ Nu = α (3) W wymane radacyjnej przyjęo emsyjność ε = 0,9 odpowadającą węszośc maerałów budowlanych. Dla oblczena współczynna radacyjnego przejmowana cepła α r wyorzysano wzór (4). ( ) ( ) o p o p 0 r T + T +T T =εσ α (4) W aŝdym rou czasowym wyznaczano sumaryczny współczynn przejmowana cepła, co pozwolło na doładnejsze oblczene emperaur przegrody budowlanej w czase symulacj. Posać równana Fourera-Krchoffa () przeszałcono do równana róŝncowego, zgodne ze schemaem nejawnym z roem wprzód (5). Równane ogólne dla aŝdego punu przeszałcone z równana 5, przedsawa równane 6. ( ) ( ) + v w λ λ + + p = τ γ c (5) Paramery maerałowe z ndesem zosały oreślone dla aŝdego z punów, podobne ja gęsość źródeł cepła, zgromadzonych w podłodze grzejnej. ( ) ( ) ( ) + w w w w v = + γ c λ τ + γ c λ + λ τ + + γ c λ τ γ c τ p + (6) WyraŜena znajdujące sę przy emperaurach poszuwanych w aualnym rou czasowym τ (6), uŝyo do wypełnena macerzy współczynnów A (7).

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 65 A T n = T p (7) Sworzona macerz wadraowa, o wymarze odpowadającym lośc równań (poszuwanych emperaur), ma róŝne od 0 jedyne wyrazy leŝące na przeąnej głównej macerzy, oraz dwa elemeny w jej ooczenu. W aŝdym rou czasowym nasępowało rozwązane równana macerzowego (7), przy czym T n T p o macerze warośc emperaur w aualnym rou czasowym () poprzednm (-). Dzę bbloece pysparse rozwązane nawe obszernych macerzy było bardzo szybe, co mało ogromne znaczene dla programu symulacyjnego, wymagającego oblczeń pola emperaury symulowanego obeu w czase rwana rou czasowego. Ceawą moŝlwość, órą oferuje model, była manpulacja czasem rwana symulacj. MoŜlwa była realzacja badana nagrzewana obeów o bardzo powolnych zmanach pola emperaury, w znaczne rószym czase, poprzez zasosowane czasu symulacyjnego, proporcjonalnego do rzeczywsego. Aby zachować dynamę obeu grzejnego, na pozome den ycznym dla czasu rzeczywsego, naleŝało zmodyfować jeden z paramerów ceplnych maerałów w proporcj wybranej sal czasu. W programe w órym seunda czasu badana, odpowadała 90 seundom czasu rozgrzewu realnego obeu, naleŝało podzelć przez 90 równeŝ cepło właścwe maerału, uzysując proporcjonalność dyfuzyjnośc w danej sal czasu. W en Temp. [oc] 3. 3.8.6.4..8.6 0 360.4 0 40 60 80 00 0 Czas [h] Rys. 3. Porównane symulacj numerycznej dla sal przyspeszającej czas 0 360, wyn oblczeń są zapsywane w czase rzeczywsym

66 D. Kuchars, M. Wesołows sposób moŝna uzysać proporcjonalność dynam obeów w róŝne zmenających sę czasach, przy czym wyn pola emperaury dla czasu przesalowanego, zapsywane są w waroścach rzeczywsych, zn. czasu odpowadającego symulacj obeu o danych paramerach maerałowych, w czase nezmenonym. Poprawność a przygoowanych procedur poazuje rysune 3, na órym wdać zmanę emperaury podłog grzejnej dla symulacj z przyspeszonym czasem w sal 0 360, ale órych wyn zapsywano w czase rzeczywsym (0 seunda oblczeń odpowadała 00 seundom czasu rzeczywsego, dla sal 0 oraz odpowedno 3600 seund dla sal 360). 5. WYNIKI BADAŃ REGULATORA TEMPERATURY TYPU PID, WSPÓŁPRACUJĄCEGO Z OPISANYM MODELEM OBIEKTU GRZEJNEGO Opsywany sysem badawczy wyorzysano do analzy pracy cyfrowego regulaora emperaury ypu PID, wyposaŝonego w opcję auomaycznego doboru nasaw (zw. auounngu ): czasu całowana, czasu róŝnczowana zaresu proporcjonalnośc. W rozdzale 4, opsującym model numeryczny obeu symulowanego, wspomnano o moŝlwośc przyspeszana, bądź spowalnana jego zmany. W pracy zasosowano la róŝnych sal czasu, dla sprawdzena poprawnośc realzacj symulacj ego samego modelu. Dzę emu symulacja rwająca w rzeczywsośc 40 godzn, dla przyspeszana czasu 90-ronego wynosła 5600 seund, 80-rone sracało czas analzy do 800 seund, 360 rone do 400 seund. Wyn pracy procedury auounngu dla przygoowanego modelu podłog grzejnej, w róŝne przyspeszanych czasach, przedsawa abela. Wdać wyraźne, Ŝ zmana przebegu czasu symulowanego, wpływała na warośc czasu całowana, proporcjonalne do przyjęej sal, naomas czas róŝnczowana był w przyblŝenu sały dla wszysch pomarów, podobne ja zares proporcjonalnośc, chocaŝ wdoczny jes newel wzros ch warośc, wraz ze zmnejszanem sę warośc sal przyspeszającej. Przebeg pracy regulaora, doberającego paramery PID dla modelu numerycznego podłog, w sal czasu 90, przedsawa rysune 4. Lna cągła o przebeg emperaury powerzchn podłog, wdoczne są rzy perwsze oscylacje, po czym po ooło 0 h czasu symulowanego, regulaor doonał doboru nasaw. Ich warośc przedsawono w abel.

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 67 TABELA Wyn procedury auomaycznego doboru nasaw regulaora PID, dla róŝnych sal czasu. Sala czasu d P Temperaura nasawona 90 465 9,5 30 C 80 9 86,3 30 C 360 7 80, 30 C 35 30 Temp. [oc] 5 0 5 0 5 0 4 48 7 96 0 44 68 Czas [h] Rys. 4. Zmana emperaury symulowanego czujna regulaora (powerzchna podłog). Lna cągła przedsawa procedurę auounngu, lna ropowana przedsawa zmanę emperaury powerzchn podłog, dla pracy regulaora emperaury, na wybranych nasawach Przebeg z zaznaczonym punam, przedsawa nagrzewane modelu od ooło 0 C, do emperaury nasawy wynoszącej 30 C. Po ooło 70 godznach od rozpoczęca pracy regulaora, nasąpła zmana emperaury nasawy do 6 C, pod onec 4 doby czasu symulowanego zwęszene emperaury nasawy do 8 C. Przebeg czasowy emperaury punu modelu, raowanego jao czujn emperaury regulaora, wsazuje na poprawność doboru nasaw. San mocy doprowadzanej do modelu w czase pracy doboru paramerów regulacj PID, przez regulaor emperaury, przedsawono na rysunu 5, dla sal czasu 80. Wyres prezenuje 48 godznny odcne czasu badana (czas symulacyjny 960 s). Wyn uzysano dla głęboośc umeszczena źródeł cepła 7 cm, w 30 cm grubośc warswe beonu.

68 D. Kuchars, M. Wesołows Temp. [oc] 30.8 3 30.6 30.4 30. 9.8 30 9.6 9.4 48 7 96 Czas [h] Temp. [oc] 00 80 60 40 0 0 48 7 96 Czas [h] Rys. 5. Procedura auounngu przy 80 ronym przyspeszenu czasu. Zmana emperaury symulowanego czujna regulaora (powerzchna podłog) na górnym wyrese, dolny prezenuje zmanę dosarczanej mocy 3 30.5 90 80 Temp. [oc] 30 9.5 9 8.5 8 48 7 96 Czas [h] Rys. 6. Porównane pracy procedury auounngu przy salowanu 90 80 Zachowane regulaora emperaury, w zasosowanu do serowana modelem w róŝnej sal czasu, zapsane w sal rzeczywsej, pownno przedsawać podobeńswo. Wdać o na rysunu 6, gdze prezenowana jes

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 69 zmana w czase emperaury czujna regulaora dla sal 90 80, czase pracy doboru nasaw przez regulaor. Wdoczne róŝnce mędzy przebegam, wynają z newelch zman emperaury odnesena w race rwana pomarów. 3.5 3 3 Temp. [oc] 30.5 30 9.5 9 8.5 4 Czas [h] Rys. 7. Próba doboru nasaw dla podłog grzejnej, o głęboośc umeszczena przewodów cm, sala czasu 45 Zasosowana procedura symulacyjna, pozwalała na dowolne modyfacje wybranych paramerów modelu numerycznego obeu. Zbadano zachowane regulaora dla płyszego umeszczena abl grzejnych ( cm) mnejszej grubośc warswy beonu. Wyn uzysane w sal czasu 45, prezenuje rysune 7, na órym przedsawono próbę doboru nasaw regulaora PID, na podsawe oscylacj usalonych regulaora ypu P (rzywa 3), o warośc zaresu proporcjonalnośc,0. Na podsawe oscylacj usalonych dobrano pewne nasawy czasu całowana róŝnczowana (odpowedno 64 s 4 s, dla pracy w sal czasu 45). Sprawdzono pracę regulaora we współpracy z obeem (rzywa oraz ). Wdać znaczące przeregulowane w przypadu rzywej (za mała warość zaresu proporcjonalnośc), oraz znaczne mnejsze dla rzywej, gdze wprowadzono oreę parameru. W przyspeszanu czasu symulacj obeów eleroermcznych, ryją sę ogromne moŝlwośc badawcze. NaleŜy meć na uwadze, Ŝe jednocześne maleje doładność pracy modelu, ale regulaora, óry dosarcza energę z mnejszą doładnoścą. Przedsawono o na rysunu 8, na órym wdoczny jes przebeg zmany emperaury symulowanego czujna regulaora w sal 90

70 D. Kuchars, M. Wesołows (rzywa 3), auounng dla sal 360 (rzywa ), oraz praca regulaora dla dobranych nasaw (rzywa ). Temp. [oc] 33 3 3 30 9 8 7 6 5 4 3 4 48 Czas [h] 3 Rys. 8. Nedoładność pracy regulaora PID na nasawach dobranych poprzez procedurę auounngu, dla sal czasu 360 6. WNIOSKI W aryule przedsawono sysem dagnosy poprawnośc pracy regulaorów emperaury. Meoda wyorzysuje dane uzysane z symulacj numerycznej pola emperaury obeu eleroermcznego, do wyworzena sygnału odpowadającego dosarczonemu przez współpracujący z regulaorem czujn pomarowy. Współczesne regulaory emperaury dzałają w oparcu o czujn emperaury ne ylo ermoeleryczne, ale równeŝ ermorezysory (np.: P00), ułady scalone ypu Ds80, lub LM35. Przygoowany uład symulował pomary realzowane przez ermoparę, jedna przy newelch modyfacjach uładu, moŝna uzysać symulację zachowana popularnego ermorezysora P00, poprzez np. cyfrowo serowany poencjomer; czy uładu scalonego Ds80, generując cyfrowo dane wyn pomarów, odpowadające przesyłanym przez czujn. Wydaje sę, Ŝe właśne symulacja zachowana ermopary, sawa najwęsze wymagana dla uładu eleroncznego algorymu serującego. Wyna o z porzeby generacj sygnałów

Mroprocesorowy model obeu ermcznego do esów regulaorów emperaury 7 o masymalnych waroścach lunasu mv, bardzo podanych na załócena, przy zachowanu lnowośc ch wywarzana. Dodaowym urudnenem jes zaleŝność wywarzanego napęca od warośc emperaury odnesena, a ne a ja w przypadu nnych czujnów, jedyne w zaleŝnośc od emperaury merzonej. Uład dososowano do współpracy z regulaoram serującym mocą poprzez ra ypu SSR, serowany sałym napęcem. W uładach regulaorów sosuje sę popularne równeŝ przeaźn ułady serujące fazowo yrysoram, bądź raam. Isneje moŝlwość dopasowana uładu badawczego dla onrol warośc dosarczanej mocy dla aŝdej z wymenonych opcj. Regulacja przynos ne ylo wygodę uŝyowna pewność uzysanych wynów, przyczyna sę do uzysana oszczędnośc, wynających ze sarannejszego dozowana energ ceplnej. Jaość pracy serowna emperaury jes przez o waŝnejsza, wymuszając na projeanach sysemów serujących doładnejszą dagnosyę przygoowanych urządzeń. Prezenowany sysem dagnosyczny, pozwala esować dany uład regulaora do onrol procesu nagrzewana obeów o róŝnych sałych czasowych, bez porzeby prowadzena badań na prawdzwym obece fzycznym. MoŜna przy jego uŝycu sprawdzać szczegóły onsrucyjne, óre na realnym obece są bardzo rudne do zbadana, np.: wpływ umeszczena czujna emperaury na pracę regulaora, proces serujący przy róŝnych waroścach mocy zaslana, czy nawe róŝną onsrucję źródeł cepła. Ineresująca jes moŝlwość uzysana orenacyjnych paramerów regulacj PID poprzez procedury auounngu, badające model obeu, w przyspeszonej symulacj. MoŜe być o przydane dla wyznaczena nasaw regulaora, współpracującego z obeam o bardzo duŝych sałych czasowych. Opsywana praca moŝe być sosowana w dydayce uładów serujących, pozwalając sudenom na obserwację wpływu nasaw regulaora, na wyn regulacj. Zaleą jes praca z rzeczywsym regulaorem, z órym mogą sę późnej spoyać w pracy zawodowej. Przedsawone ogólne zarysy ego ypu badań ne wyczerpują problemu. Celem pracy było wyazane poencjału moŝlwośc zasosowań prezenowanej meody. LITERATURA. Monolhc -B DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTERS. Burr-Brown Corporaon, 986.. PIC8F0/30/40/430 Daa Shee. Mcrochp Technology Inc., 007.

7 D. Kuchars, M. Wesołows 3. Gogół W.: Wymana cepła ablce wyresy. WPW, Warszawa, 99. 4. Januszewcz T. K.: Eleryczne aumulacyjne ogrzewane pomeszczeń. Ośrode Informacj Techna nsalacyjna w budowncwe, Warszawa 998. 5. Kuchars D., Nedbała R.: Wpływ paramerów maerałowych zewnęrznych przegród budowlanych na ogrzewane pomeszczeń. Przegląd Eleroechnczny, 3/007, sr. 97-99, 007. 6. Sanszews B.: Wymana cepła podsawy eoreyczne. PWN, Warszawa 979. 7. Szoplńs Z.: Badane projeowane uładów regulacj. WNT, Warszawa, 975. Ręops dosarczono dna 3..008 r. Opnował: prof. dr hab. nŝ. Anon CIEŚLA THE MICROPROCESSOR MODEL OF A THERMAL OBJECT FOR TESTING TEMPERATURE CONTROLLER Danel KUCHARSKI, Marcn WESOŁOWSKI ABSTRACT Ths paper presens he possbly of esng emperaure conrol sysems by usng numercal smulaons of a conrolled objec. We consruced a specal elecronc crcu ha smulaes hermocouple, generaes specfed value of volage, and sends daa hrough a seral por o a compuer. Numercal model of a heaed objec creaes a parcular sgnal, whch s receved by a conroller. The crcu ransms a sae of power oupu o he numercal model. We smulaed a heang floor, he smulaon was conrolled by real emperaure conroller.