PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

Wyk

ład 1

LITERATURA

LITERATURA

1.

Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2003

2.

Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.

Muller. 2002.

Automatyzowane obiekty

Automatyzowane obiekty

Automatyka budynków

Automatyka budynków

Intalacje

Intalacje technologiczne

technologiczne

Wprowadzenie do uk

ładów

Wprowadzenie do uk

ładów

automatycznej regulacji i

automatycznej regulacji i

sterowania

sterowania

Uk

ład regulacji

Uk

ład regulacji

Funkcje realizowane przez automatyk

ę w inżynierii środowiska:

- regulacja,

- sterowanie,

- zabezpieczenie,

- optymalizacja.

Uk

ład regulacji jest połączeniem elementów automatyki, które

wspó

łdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie.

Schemat blokowy uk

ładu regulacji

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Element automatyki

Element automatyki

• Element automatyki jest to urz

ądzenie posiadające sygnał

wej

ściowy i wyjściowy

• Elementy

liniowe

s

ą

to

takie

elementy,

których

matematyczny opis ma posta

ć zależności liniowych.

• Elementy nieliniowe s

ą opisywane za pomocą nieliniowych

równa

ń algebraicznych, różnicowych lub różniczkowych.

element automatyki

x

sygna

ł

wej

ściowy

y

sygna

ł

wyj

ściowy

Obiekt regulacji

Obiekt regulacji

•

Obiektem regulacji mo

że być urządzenie, zespół urządzeń lub proces

technologiczny, w którym w wyniku zewn

ętrznych oddziaływań realizuje

si

ę pożądany algorytm działania.

•

Na obiekt regulacji oddzia

łują zmienne wejściowe nazywane sygnałami

nastawiaj

ącymi

u

oraz zmienne szkodliwe nazywane sygna

łami

zak

łócającymi

z

.

•

Sygna

ły wejściowe

wp

ływają na sygnały wyjściowe nazywane

zmiennymi regulowanymi

y

.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Warto

ść zadana, zakłócenie

Warto

ść zadana, zakłócenie

•

Zak

łócenie

z

jest sygna

łem wywierającym niekorzystny wpływ na

warto

ść wielkości regulowanej

y

.

•

Zak

łócenia generowane poza systemem są sygnałami wejściowymi do

obiektu regulacji.

•

Warto

ść zadana

w

wielko

ści regulowanej jest określona przez

wielko

ść wiodącą w procesie regulacji.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Regulator

Regulator

•

Regulator jest to element uk

ładu regulacji, którego zadaniem jest

wytworzenie sygna

łu sterującego wpływającego na przebieg wielkości

regulowanej. Sygna

łem wejściowym regulatora jest uchyb regulacji

e

,

a sygna

łem wyjściowym wielkość sterująca

u

.

•

Uchyb regulacji

e

otrzymuje si

ę w regulatorze w wyniku porównania

warto

ści zadanej

w

oraz warto

ści wielkości regulowanej

y

.

e = w – y

Regulator zale

żnie od uchybu regulacji odpowiednio zmienia sygnał

steruj

ący

u

tak aby spe

łnić warunek równości wielkości regulowanej i

warto

ści zadanej

y=w

.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+/-

Urz

ądzenie wykonawcze

Urz

ądzenie wykonawcze

•

Urz

ądzenie wykonawcze składa się z elementu napędowego oraz

elementu wykonawczego.

•

Element

wykonawczy

jest

to

urz

ądzenie wymuszające zmiany

wielko

ści regulowanej.

•

W systemach grzewczych i wodoci

ągowych elementem wykonawczym

jest

najcz

ęściej

pompa

i

zawór

regulacyjny.

W

systemach

wentylacyjnych

wentylator

i

przepustnica.

W

urz

ądzeniach

transportowych – podajnik, przeno

śnik.

•

Element nap

ędowy służy jako napęd (silnik, siłownik) elementu

wykonawczego.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Element pomiarowy

Element pomiarowy

• Element pomiarowy jest to cz

ęść układu regulacji, której

zadaniem jest pomiar wielko

ści regulowanej

y

oraz

wytworzenie sygna

łu

y

m

dogodnego do wprowadzenia do

regulatora.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

SCHEMATY BLOKOWE

SCHEMATY BLOKOWE

•

W technice regulacji struktur

ę i działanie układu automatyki przedstawia

si

ę często w formie graficznej w postaci schematu blokowego.

•

Elementarne bloki s

ą członami obwodu regulacyjnego, każdy z nich ma

wielko

ść wejściową i wyjściową.

•

Bloki s

ą rysowane w postaci prostokątów z umieszczonymi wewnątrz

informacjami opisuj

ącymi ich właściwości.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

W

ęzły informacyjne

W

ęzły informacyjne

•

W

ęzły informacyjne umożliwiają przekazanie tej samej informacji do

kilku ró

żnych punktów schematu blokowego (jedno wejście i co najmniej

dwa wyj

ścia)

•

Schemat w

ęzła informacyjnego

x

x

x

W

ęzły sumujące

W

ęzły sumujące

• W

ęzły sumujące (porównujące) umożliwiają algebraiczne

sumowanie kilku sygna

łów (jedno wyjście i co najmniej dwa

wej

ścia)

• Schemat w

ęzła sumującego

w

e

y

±

ŁĄCZENIE BLOKÓW

ŁĄCZENIE BLOKÓW

Podstawowe bloki mog

ą być połączone:

• szeregowo,

• równolegle

• lub w uk

ładzie ze sprzężeniem zwrotnym.

W ka

żdym z wymienionych połączeń można wyznaczyć

wypadkow

ą zależność między sygnałem wejściowym a

sygna

łem wyjściowym.

Zale

żność między tymi sygnałami nazywana jest

transmitancj

ą.

Po

łączenie szeregowe

Po

łączenie szeregowe

•

Po

łączenie szeregowe charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy

jednego bloku jest sygna

łem wejściowym bloku następnego.

•

Po

łączenie to nazywane jest również połączeniem kaskadowym.

•

Transmitancja wypadkowa jest iloczynem transmitancji.

•

G

w =

G

1

· G

2

· ... · G

n

u

G

1

G

2

……

G

n

y

Po

łączenie równoległe

Po

łączenie równoległe

•

Po

łączenie równoległe charakteryzuje się tym, że ten sam sygnał jest

wprowadzany do kilku bloków, a sygna

ły wyjściowe tych bloków są

algebraicznie sumowane.

•

Transmitancja wypadkowa dla dowolnej liczby bloków jest sum

ą

algebraiczn

ą poszczególnych transmitancji.

•

•

G

w =

G

1

+ G

2

+ ... + G

n

G

2

y

G

n

G

1

u

u

u

u

+

+

Po

łączenie ze sprzężeniem zwrotnym

Po

łączenie ze sprzężeniem zwrotnym

•

Po

łączenie ze sprzężeniem zwrotnym charakteryzuje się tym, że

sygna

ł wyjściowy układu, bezpośrednio lub za pomocą innego bloku

zostaje wprowadzony na wej

ście tego układu.

•

Je

żeli sygnał wejściowy odejmujemy od sygnału wejściowego do układu

wówczas sprz

ężenie nazywamy ujemnym, jeżeli sygnał ten dodajemy

wówczas sprz

ężenie nazywamy dodatnim.

•

Transmitancj

ę wypadkową opisuje wzór

•

Znak dodatni w mianowniku wyst

ępuje przy sprzężeniu dodatnim, znak

ujemny przy sprz

ężeniu ujemnym.

G

1

G

2

±

y

u

2

1

1

w

G

G

1

G

G

•

±

=

Regulacja

Regulacja -- definicja

definicja

•

Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie którego mierzy si

ę

jak

ąś wielkość fizyczną, nazywaną wielkością regulowaną

y

, porównuje

z warto

ścią innej wielkości nazywanej wielkością zadaną

w

i wp

ływa na

jego przebieg w celu minimalizacji ró

żnicy tych wielkości

e

[DIN 19226].

W procesie regulacji przebieg sygna

łów odbywa się

w obwodzie

zamkni

ętym

, nazywanym uk

ładem automatycznej regulacji.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Przyk

ład układu regulacji

Przyk

ład układu regulacji

• Schemat

funkcjonalny

uk

ładu

regulacji

temperatury

powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu

w

y

T

1

2

u

3

z

1

z

2

z

3

z

5

z

4

1 - regulator, 2 – czujnik temperatury powietrza w pomieszczeniu, 3 - cz

łon wykonawczy, 4 -

obiekt regulacji (pomieszczenie z grzejnikiem), u - wielko

ść nastawna, w - wartość zadana, y -

wielko

ść regulowana, z

1

, z

2

, z

3

, z

4

, z

5

- wielko

ści zakłócające

4

Zak

łócenia zewnętrzne

z

u

Schemat funkcjonalny

Schemat funkcjonalny –

– schemat blokowy

schemat blokowy

uk

ładu regulacji

uk

ładu regulacji

2

2

3

3

1

1

4

4

1 = REGULATOR
2 = CZUJNIK TEMPERATURY
3 = SI

ŁOWNIK Z ZAWOREM

4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM

z = wielko

ści zakłócające

y = wielko

ść regulowana

w = warto

ść zadana

u = wielko

ść nastawna

e = odchy

łka regulacji

w

y

m

T

e

y

Uk

ład regulacji = układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym

Uk

ład regulacji = układ sterowania ze sprzężeniem zwrotnym

((zamkni

ęty układ sterowania

zamkni

ęty układ sterowania))

•

W literaturze z zakresu automatyki uk

ład regulacji jest definiowany

równie

ż jako

zamkni

ęty układ sterowania

lub

uk

ład sterowania ze

sprz

ężeniem zwrotnym.

•

Aby otrzyma

ć zamknięty układ sterowania należy zamknąć pętlę

oddzia

ływań, uzależniając sterowanie od skutków jakie to sterowanie

wywo

łuje.

obiekt regulacji

w

e

u

y

y

y

m

z

regulator

urz

ądzenie

wykonawcze

obiekt

regulacji

element

pomiarowy

+_

Sterowanie

Sterowanie -- definicja

definicja

•

Sterowanie jest to proces w uk

ładzie, w którym jedna wielkość lub ich

wi

ększa ilość, jako wielkości wejściowe, wpływają na wielkości

wyj

ściowe według prawidłowości właściwej układowi [DIN 19226].

•

Uk

ład sterowania jest układem otwartym, w którym sygnał wyjściowy

nie jest mierzony ani porównywany z sygna

łem wejściowym i nie

wp

ływa na akcję sterowania (brak sprzężenia zwrotnego!).

•

Otwarte uk

łady sterowania stosowane są wówczas, gdy związek

pomi

ędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym jest znany.

z

urz

ądzenie

steruj

ące

cz

łon

wykonawczy

obiekt

sterowania

w

u

y

Regulacja i sterowanie. Ró

żnice!

Regulacja i sterowanie. Ró

żnice!

Regulator

Cz

łon

wykonawczy

Obiekt

regulacji

zak

łócenia Z

u

w

y

Cz

łon

pomiarowy

e

Sterownik

Cz

łon

wykonawczy

Obiekt

sterowania

zak

łócenia Z

w

u

y

Przyk

ład regulacji i sterowania

Przyk

ład regulacji i sterowania

6

y’→ t

i

w

T

2

1

u

3

4

5

y

y

m

Schemat funkcjonalny układu aut. reg. i sterowania

regulator

(1)

obiekt

regulacji

(3,4,5)

element

pomiarowy

(2)

obiekt

sterowania

(6)

y

u

e

w

y

m

y

z

2

z

1

t

zco

Sterowanie temperatur

ą powietrza w pomieszczeniu i regulacja temperatury wody zasilającej grzejnik:

1 - regulator, 2 – czujnik temperatury wody, 3 – zawór regulacyjny z si

łownikiem, 4 - wymiennik ciepła, 5

- pompa obiegowa, 6 – grzejnik w ogrzewanym pomieszczeniu, w – warto

ść zadana, u – sygnał

nastawiaj

ący, y- wielkość regulowana, y

m

– zmierzona warto

ść wielkości regulowanej, y’ – wielkość

sterowana, z

1,

z

2

– zak

łócenia

Schemat blokowy układu regulacji i sterowania

Regulacja pogodowa jako przyk

ład regulacji i

Regulacja pogodowa jako przyk

ład regulacji i

sterowania

sterowania

7

3

u

2

4

T

5

t

zco

y

m

y

w

T

1

6

y' = t

w

t

zco

-

wielko

ść regulowana

t

w

-

wielko

ść sterowana

Przyk

ład sterowania

Przyk

ład sterowania

Sterowanie czasowe (programowe) prze

łączaniem równolegle

po

łączonych pomp

M

M

w

u

1

u

2

y

1

y

2

Zegar sterujący

P

1

P

2

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji

• R

ęczna

• Automatyczna

Ró

żnice w regulacji ręcznej i automatycznej.

Przyk

ład:

- termostat grzejnikowy – regulacja

automatyczna (r

ęczne nastawianie wielkości

regulowanej?),

- zawór grzejnikowy – regulacja r

ęczna.

32

+ 20°C

°C

24

22

20

18

16

Z

1

Z

2

Z

3

1

1

2

2

3

3

4

4

R

ęczna regulacja temperatury powietrza w

R

ęczna regulacja temperatury powietrza w

pomieszczeniu

pomieszczeniu

33

2

2

3

3

T

1

1

w

y

u

4

4

Automatyczna regulacja temperatury

Automatyczna regulacja temperatury

powietrza w pomieszczeniu

powietrza w pomieszczeniu

Z

1

Z

2

Z

3

Rodzaje regulacji automatycznej

Rodzaje regulacji automatycznej

AUTOMATYCZNA
REGULACJA

STAŁOWARTOŚCIOWA

NADĄŻNA

PROGRAMOWA

Rodzaje regulacji

Rodzaje regulacji

• Regulacja sta

łowartościowa polega na utrzymaniu stałej

warto

ści wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje

na sta

łym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na

uk

ład (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu

regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wp

ływu

zak

łóceń na wielkość regulowaną.

• Jest to najcz

ęściej stosowany rodzaj regulacji: np. regulacja

temp. w pomieszczeniu

w

y

T

1

2

u

3

z

1

z

2

z

3

z

5

z

4

Regulacja sta

łowartościowa

Regulacja sta

łowartościowa

• Regulacja temperatury powietrza nawiewanego.

+

T

w

y

m

u

y

1

2

3

4

5

z

1

z

2

Regulacja sta

łowartościowa temperatury powietrza w

Regulacja sta

łowartościowa temperatury powietrza w

pomieszczeniu

pomieszczeniu –

– kocio

ł jako człon wykonawczy.

kocio

ł jako człon wykonawczy.

T

pomieszczenie

czujnik temperatury

kocioł

regulator

y

w

Człon
wykonawczy

Obiekt
regulacji

Człon
pomiarowy

w

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

• Regulacja poziomu wody w zasobniku

z

1

P

1

u

2

1

w

y

4

3

z

2

V

2

h

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

• Regulacja temperatury wody w zasobniku

(podgrzewaczu pojemno

ściowym).

Regulacja programowa

Regulacja programowa

• Regulacja programowa utrzymuje

zmienn

ą w czasie

warto

ść

wielko

ści

regulowanej

zgodnie

z

zadanym

programem zmiany warto

ści zadanej (w = w(t)). Typowym

przyk

ładem regulacji programowej w systemach ogrzewania

pomieszcze

ń

jest

okresowe

obni

żanie

temperatury

powietrza do poziomu temperatury dy

żurnej w godzinach

nocnych lub w dni wolne od pracy.

Regulacja programowa

Regulacja programowa

t

i

°C

czas

0:00

7:00

17:00

24:00

+20

+15

DZIEŃ

normalna praca
instalacji
ogrzewania

NOC

praca instalacji
ogrzewania
z osłabieniem

NOC

praca instalacji
ogrzewania
z osłabieniem

Regulacja sta

łowartościowa sekwencyjna

Regulacja sta

łowartościowa sekwencyjna

• Regulacja

sta

łowartościowa

sekwencyjna

stosowana jest w przypadku gdy dla utrzymania
sta

łej wartości wielkości regulowanej konieczna jest

wspó

łpraca regulatora z dwoma lub więcej

elementami wykonawczymi.

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

Przyk

ład regulacji stałowartościowej

sekwencyjnej

sekwencyjnej

•

Uk

ład regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu.

•

Regulator

w

zale

żności od wartości temperatury powietrza w

pomieszczeniu wysy

ła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy

lub do si

łownika chłodnicy.

•

Za

łączanie tych sygnałów odbywa się sekwencyjnie

T

y

w

u

ch

u

g

y=t

i

Sekwencyjna regulacja temperatury

Sekwencyjna regulacja temperatury

powietrza

powietrza

• Wykres przebiegu sygna

łu sterującego

+

-

Strefa martwa

t

i

0

100%

u

g

u

ch

u

Regulacja nad

ążna

Regulacja nad

ążna

• Regulacja nad

ążna ma za zadanie nadążne korygowanie

warto

ści wielkości regulowanej

stosownie do aktualnej

warto

ści

zadanej,

która

zmienia

si

ę

w

sposób

niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))

• W ogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego

zasilaj

ącego instalację wewnętrzną t

zco

(jako wielko

ść

regulowana y) w procesie regulacji nad

ąża za zmianami

temperatury powietrza zewn

ętrznego t

zew

(warto

ścią zadaną

w)

• Regulacja

ta

uwzgl

ędnia wpływ parametrów klimatu

zewn

ętrznego

potocznie

jest

nazywana

regulacj

ą

pogodow

ą lub kompensacyjną.

Regulacja nad

ążna (pogodowa?)

Regulacja nad

ążna (pogodowa?)

7

3

u

2

4

T

5

t

zco

y

m

y

w

T

1

6

y' = t

w

Wykres regulacji jako

ściowej

Wykres regulacji jako

ściowej c.o

c.o..

t

zco

[°C]

0

90

50

- 20

-10

0

10

10

20

30

40

60

70

80

t

zco

=f(t

zew

)

t

zew

[°C]

Regulacja nad

ążna kaskadowa

Regulacja nad

ążna kaskadowa

• Regulacja

nad

ążna kaskadowa stosowana jest do

regulacji temperatury w systemach wentylacji i klimatyzacji
w

celu

uzyskania

wysokiej

jako

ści regulacji poprzez

kompensacj

ę własności dynamicznych obiektu regulacji.

• W procesie regulacji zak

łada się kaskadowe działanie dwu

regulatorów,

regulatora

g

łównego

(wiod

ącego)

oraz

regulatora pomocniczego (nad

ążnego).

• Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mog

ą być

zaprogramowane w jednym urz

ądzeniu.

Schemat uk

ładu kaskadowej regulacji

Schemat uk

ładu kaskadowej regulacji

temperatury powietrza w pomieszczeniu

temperatury powietrza w pomieszczeniu

wentylowanym

wentylowanym

•

Temperatura powietrza nawiewanego t

N

(jako wielko

ść pomocnicza y

1

)

utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez
regulator 2 nad

ążnie za aktualną wartością temperatury powietrza

wywiewanego t

W

(g

łówna wielkość regulowana y

2

).

T

T

1

y

1

w=t

i

u

1

t

i

t

W

t

N

2

y

2

u

2

Przyk

ład zastosowania regulacji

Przyk

ład zastosowania regulacji

kaskadowej

kaskadowej

• Wykres zale

żności temperatury powietrza nawiewanego od

temperatury powietrza wywiewanego stosowany w uk

ładach

regulacji kaskadowej

t

W

[°C]

t

N

[°C]

30

t

N max

t

i

12

-Δt

+Δt

t

N min

a

b

-1K t

i

+1K

t

N max

t

N min

t

N

t

W

t

N

=f(±Δt)

Regulacja kaskadowa

Regulacja kaskadowa

• Regulacja kaskadowa korzystna jest szczególnie

wówczas gdy w

łasności dynamiczne obu obwodów

regulacji ró

żnią się znacznie między sobą. Dzięki

ma

łej inercyjności pierwszego obiektu regulacji

(nagrzewnica powietrza) mimo du

żej bezwładności

cieplnej

g

łównego

obiektu

regulacji

(pomieszczenie wraz z instalacj

ą wentylacyjną)

stosuj

ąc regulację kaskadową można znacznie

poprawi

ć własności dynamiczne układu regulacji i

uzyska

ć wysoką jakość regulacji.

KONIEC

KONIEC