Danuta Holejko
Laboratorium podstaw automatyki
i robotyki
instrukcja do ćwiczenia PAR2
Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym
dla studentów kierunku Inżynieria Biomedyczna
PAR2
Celem ćwiczenia jest uruchomienie, badanie właściwości statycznych i dynamicznych, a następnie ocena jakości regulacji jednoobwodowego układu regulacji poziomu wody w zbiorniku otwartym. Jakość regulacji oceniana będzie na podstawie wartości wskaźników przebiegów przejściowych układu regulacji wywołanych skokową zmianą wartości zadanej oraz zakłóceń działających na obiekt regulacji. Celem badań będzie określenie wpływu algorytmu i parametrów (nastaw) regulatora na wskaźniki przebiegu przejściowego układu . Identyfikacja obiektu regulacji przeprowadzona w ćwiczeniu PAR1 umożliwi dobór parametrów (nastaw) regulatora EFTRONIK X zastosowanego w układzie. Analiza otrzymanych wskaźników pozwoli na ocenę dokładności kompensacji wpływu działających na obiekt zakłóceń oraz dokładności nadążania wielkości regulowanej za zmianą wartości zadanej.
W bliższym i dalszym otoczeniu spotykamy urządzenia częściowo lub całkowicie zautomatyzowane. Automatyzacja ta zwykle nazywana „automatyką” realizowana jest przez układy sterowania/regulacji. Układ regulacji jest szczególnym przypadkiem układu sterowania charakteryzującym się występującym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Układ taki przedstawia sobą zespół wzajemnie powiązanych elementów uporządkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów. Podstawowymi elementami tego układu to automatyzowany proces zwany obiektem regulacji i regulator / sterownik PLC sterujący tym obiektem wg algorytmu zapewniającego pożądany przebieg procesu. Przebieg procesu scharakteryzowany jest przez zmiany wielości regulowanej ym(sygnał PV) a jej pożądane zmiany określone są w zadaniu regulacji wielkością zadaną w(sygnał SP). Schemat struktury przyrządowej układu regulacji przedstawia rys.2.1. Cienkie linie ze strzałkami reprezentują sygnały przekazywane między elementami układu, natomiast gruba linia reprezentuje przepływ strumieni materiałów lub energii dostarczanych do procesu.
Przedstawiony schemat struktury przyrządowej pokazuje usytuowanie i wzajemne oddziaływanie obiektu i regulatora tworzącego układ regulacji a także dostarcza informacji o cechach funkcjonalnych tych urządzeń. Przemysłowy układ regulacji ma strukturę tzw. rozproszoną. Obiekt regulacji jako instalacja technologiczna wraz z przetwornikiem pomiarowym i zespołem wykonawczym przekazuje sygnały do regulatora zainstalowanego wraz z osprzętem w zdalnej sterowni. Budowa regulatora musi zapewniać realizację regulacji ręcznej (na pulpicie regulatora przycisk oznaczony literą M) oraz automatycznej (na pulpicie regulatora przycisk oznaczony literą A). Zmiana trybu pracy dokonywana jest przez operatora za pośrednictwem pulpitu operatorskiego lub przez nadrzędny układ sterujący. W trybie regulacji ręcznej przeprowadzany jest rozruch instalacji tzn. pierwsze jego uruchomienie oraz praca układu w przypadkach awarii. W trybie tym, operator za pomocą zadajnika sterowania ręcznego M regulatora nastawia wartości sygnału sterującego CV steruje procesem tak aby doprowadzić do równości wielkości regulowanej i zadanej tzn.PV=SP. Wartość zadana SP w układach regulacji stałowartościowej ma wartość stałą i jest także z pulpitu operatorskiego za pomocą nastawnika SP nastawiana przez operatora jak również i nastawy regulatora.
Rys. 2.1. Schemat struktury przyrządowej układu automatycznej regulacji : y– wielkość regulowana, w (SP)– sygnał wielkości zadanej, e – sygnał odchyłki regulacji, u – sygnał sterujący (sygnał wyjściowy regulatora CV), ym (PV) –wielkość mierzona (przetworzona na sygnał standardowy wielkość regulowana), M – regulacja ręczna (Manual), A- regulacja automatyczna (Auto), ZW – zespół wykonawczy, PP – przetwornik pomiarowy
Dla celów analizy matematycznej układu regulacji, schemat struktury przyrządowej przekształca się do postaci uproszczonej, zredukowanej do jednego zakłócenia i jednej wielkości regulowanej i przedstawionej w postaci schematu blokowego jak na rys. 2.2.
Przedstawiony na schemacie blokowym (rys.2) węzeł sumacyjny 1 nie reprezentuje żadnej fizycznie realizowanej operacji sumowania, ma on jedynie ułatwić i uprościć analizę oddziaływania na obiekt zakłóceń z i sygnału u sterującego obiektem tak aby skompensować wpływ zakłóceń lub zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną. .W rzeczywistym układzie regulacji zakłócenia działają najczęściej w różnych miejscach układu a nie tylko na wejściu obiektu i mają one charakter przypadkowy, są niemierzalne , mają określoną dynamikę ale zawsze w efekcie ich działania zmienia się wielkość regulowana co przedstawione jest na schemacie blokowym na rys. 2. Kierunek działania zakłóceń może być dodatni jak i ujemny (stąd znak ± w węźle 1). Oddziaływanie zakłóceń i sygnału sterującego jest zawsze zintegrowane z obiektem. Sterowanie u oddziałuje na obiekt przez zespół wykonawczy, który steruje przepływem strumieni materiałów lub energii do obiektu i zależnie od konstrukcji wewnętrznej tego zespołu wzrost sygnału sterującego może zwiększać (znak + w węźle 1, rys. 2b) lub zmniejszać (znak – w węźle 1, rys. 2a) ilość dostarczanych materiałów/energii. To samo dotyczy węzła sumacyjnego 2. Jest on zintegrowany z regulatorem i stanowi jego część składową. W węźle tym porównywana jest wielkość regulowana ym z wielkością zadaną w, a wynikiem porównania jest odchyłka regulacji e. Znaki występujące w węźle sumacyjnym 2 wynikają z konieczności zapewnienia w układzie regulacji ujemnego sprzężenia zwrotnego. Zatem w węźle sumacyjnym 2 (który jest zespołem regulatora) muszą być znaki jak na rys.2a lub 2b. W przypadku rys. 2a mówi się , że regulator ma działanie normalne (N) a w przypadku rys. 2b - działanie odwrotne (rewersyjne - R).
a)
b)
Rys.2.2. Schemat blokowy układu regulacji z regulatorem o działaniu: a) normalnym, b) odwrotnym. Oznaczenia: z – zakłócenie, u(CV) – sygnał sterujący, ym(PV) - wielkość wyjściowa (regulowana) obiektu, w(SP)– wielkość zadana, Gz, – transmitancja zakłóceniowa obiektu, Gob – transmitancja obiektu względem sterowania, Gr – transmitancja regulatora, e – odchyłka regulacji
2.2. Ocena jakości regulacji
Układ regulacji, oprócz stabilności, winien posiadać szereg innych właściwości dotyczących zarówno stanu ustalonego jak i procesu przejściowego. Stwierdzenie, że układ jest stabilny oznacza, że składowe przejściowe zanikają w miarę upływu czasu, ale to nie wystarcza w zastosowaniach praktycznych. W praktyce powstaje konieczność dokładniejszego sprecyzowania w jaki sposób przebiegi przejściowe zanikają oraz konieczność sprecyzowania warunków stawianych przebiegom przejściowym.
Zadanie każdego układu regulacji polega na utrzymywaniu równości między wartościami wielkości regulowanej y, a zadanej w. Zadanie to może być wykonane z ograniczoną dokładnością. Jak wynika ze schematu blokowego (rys2) w pracy układu regulacji powstaje bowiem odchyłka regulacji e, stanowiąca różnicę między wielkością regulowaną a wartością zadaną wielkości regulowanej. Odchyłka ta zdefiniowana jako
e(t) = y(t) – w(t)
lub (1)
e(t)= PV-SP
niezależnie od kierunku działania regulatora czy zespołu wykonawczego (tzn. niezależnie od znaków w węźle sumacyjnym schematu blokowego-rys.2.2) przyjmowana jest jako wskaźnik jakości regulacji.
Odchyłka oznaczona symbolem ez zwana odchyłką zakłóceniową wywołana jest zakłóceniami działającymi na obiekt i wywołującymi zmianę wielkości regulowanej a odchyłka oznaczona symbolem ew zwana odchyłką nadążania wywołana jest zmianą w czasie wielkości zadanej i regulator winien poprzez swoje działanie zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną.
Ocena poprawności i jakości działania układu regulacji sprowadza się do oceny jego dokładności statycznej i dynamicznej. Dokładność statyczną ocenia się na podstawie wartości odchyłki regulacji tzw. odchyłki statycznej oznaczonej symbolem est w stanie ustalonym. Odchyłka ta jest wynikiem braku możliwości regulacyjnych układu do całkowitego skompensowania w stanie ustalonym wpływu działających na obiekt zakłóceń.
Podstawową formą oceny właściwości dynamicznych układu regulacji jest ocena przebiegu zmian odchyłki regulacji spowodowanej skokową zmianą zakłócenia z lub skokową zmianą wartości zadanej w. Przebiegi przejściowe w stabilnych układach regulacji mogą być zależnie od parametrów obiektu oraz regulatora aperiodyczne lub oscylacyjne.
Dla oceny tych przebiegów stosuje się najczęściej następujące wskaźniki:
em. - maksymalna odchyłka dynamiczna,
tr - czas regulacji określony jako czas od chwili wprowadzenia pobudzenia (z lub w) do chwili, gdy odchyłka regulacji e(t) osiąga wartości mieszczące się w strefie tolerancji ±D. Wartość D określa się jako D = 0.05em, lub D = 0.05e dla zakłócenia z oraz D = 0.05edla zmiany w, gdzie: ei esą odchyłkami statycznymi w układzie bez regulatora, em.jest maksymalną odchyłką dynamiczną. Inną miarą czasu regulacji jest czas ustalania Tu ( ang. settling time) definiowany jako czas po którym wielkość regulowana ustala się z błędem względnym 2% lub 5%,
c - przeregulowanie określa w procentach stosunek amplitudy drugiego odchylenia e2 do amplitudy pierwszego odchylenia e1 zgodnie ze wzorem ,
est – odchyłka statyczna , ogólnie,
ez – statyczna odchyłka zakłóceniowa,
ew – statyczna odchyłka nadążania.
Sposób określania wymienionych wskaźników na podstawie odpowiedzi skokowej odchyłki regulacji dla wymuszenia skokowego wartości zadanej SP lub zakłócenia z działającego na obiekt pokazują rys. 2.3, 2.4., 2.5, 2.6.
Rys. 2.3. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est ¹0, b) z odchyłką statyczną est =0
Rys. 2.4. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est ¹0, b) z odchyłką statyczną est =0
Rys. 2.5. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = DSP×1(t) : a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est ¹0, b) z odchyłką statyczną est =0
Rys.2.6. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = DSP×1(t) : a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est ¹0, b) z odchyłką statyczną est =0
Z punktu widzenia użytkownika poza wartościami odchyłek regulacji ważne są wartości wielkości regulowanej zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych. Szczególnie ważne są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i warunki bezpieczeństwa.
2.3. Dobór nastaw regulatorów ciągłych
Stosowane w praktyce przemysłowej regulatory ciągłe są urządzeniami uniwersalnymi. Ich parametry (nastawy) można zmieniać (nastawiać) w szerokich granicach, dzięki czemu mogą one współpracować poprawnie z obiektami o zróżnicowanej dyn...
biomedycyna