PA lab [11] rozdział 11


Rozdział 11

REGULATORY - DOBÓR NASTAW

WSTĘP TEORETYCZNY

Zazwyczaj ukÅ‚ady automatycznej regulacji można przed­stawić w sposób
uproszczony w postaci schematu blokowego pokazanego na rysunku 11.1.

Rys.11.1. Schemat blokowy układu regulacji automatycznej

Założenia:
1) W transmitancji operatorowej obiektu regulacji wydzielone
zostały dwa obwody:
tor sterowania,
tor zakłóceń.

Zakłócenie oddziałuje tylko na obiekt regulacji.
W skład obiektu regulacji włączone zostały układy
pomiarowe i wykonawcze.
Zaniedbuje siÄ™ istnienie zadajnika.
Na schemacie przedstawionym na rysunku 11.1 zaznaczono następujące
transmitancje operatorowe:
- tor sterowania
- tor zakłóceń
- tor sprzężenia zwrotnego (regulatora)
oraz sygnały:
Y(s) - wielkość regulowana
X(s) - wielkość zadana
Z(s) - zakłócenia
E(s) - sygnał błędu
W(s) - wielkość nastawiająca.
Regulatorem nazywa się w automatyce urządzenie, które na podstawie uchybu
regulacji E(s) wypracowuje oddziaływanie zwrotne na obiekt - wielkość
nastawiajÄ…cÄ… W(s).
Dla układu dynamicznego, jakim jest regulator, sygnałem wejściowym jest więc
sygnał błędu E(s), sygnałem wyjściowym natomiast - sygnał nastawiający W(s).
Podstawowy rodzaj regulatora realizuje pomiędzy tymi wielkościami zależność
typu proporcjonalno P - całkująco I -różniczkującą D = PID, określoną
transmitancjÄ… operatorowÄ…:

gdzie odpowiednio:
- czas różniczkowania,
- czas całkowania,
- współczynnik wzmocnienia.
Regulator spełnia następujące funkcje:
Porównuje aktualne wartoÅ›ci zmiennej regulowanej z war­toÅ›ciÄ… zadanÄ… tej
zmiennej (okreÅ›lenie uchybu regu­lacji) .
Wytwarza sygnaÅ‚ wyjÅ›ciowy o wartoÅ›ci zależnej od war­toÅ›ci uchybu regulacji,
czasu występowania uchybu i szybkości jego zmian.

Sygnał wyjściowy regulatora powinien posiadać odpowiednią moc, a jego przebieg
odpowiednią postać, by móc uruchomić urządzenia wykonawcze.
Rodzaje regulatorów:
1) Podział ze względu na sposób dostarczania energii zasilającej potrzebnej do
oddziaływania na obiekt, czyli
do przestawienia elementu nastawczego:
a) regulatory korzystajÄ…ce z energii pomocniczej - regula­tory tego typu możemy
podzielić według rodzaju nośnika tej energii na:
elektryczne,
pneumatyczne,
hydrauliczne,
b) regulatory nie korzystajÄ…ce z energii pomocniczej, tak zwane regulatory
pośredniego działania. Pobierają one potrzebną do działania energię z
urządzenia pomiarowego. Są to z reguły proste konstrukcje umożliwiające
uzyskanie niewielkich dokładności regulacji.
2) PodziaÅ‚ ze wzglÄ™du na postać sygnaÅ‚u wyjÅ›ciowego regula­tora:
o wyjściu ciągłym (wśród tych regulatorów istnieje grupa takich, w których
wzmacniacz regulatora wytwarza sygnał nieciągły, ale dzięki zastosowaniu członu
wykonawczego o własnościach całkujących uzyskuje się ciągłość zmian sygnału
sterujÄ…cego - sÄ… to tak zwane regulatory kroko­we) ,
regulatory impulsowe,
regulatory dwu- i trójpołożeniowe.
3) Podział ze względu na własności dynamiczne regulatora (jest to jedno z
ważniejszych kryteriów), czyli według rodzaju zależności pomiędzy wartością
sygnału wyjściowego regulatora a wartością i zmianami wartości uchybu
regulacji. Według tego kryterium rozróżnia się regulatory:
proporcjonalne P,
całkujące I,
proporcjonalno-całkujące PI,
proporcjonalno-różniczkujące PD,
proporcjonalno-całkująco-różniczkujące PID.
Transmitancje opisujące te grupy regulatorów są transmitancjami idealnymi -

- w rzeczywistości moduł transmitancji jest ograniczony zarówno w zakresie
górnych, jak i dolnych częstotliwości.
Jeśli jednak częstotliwości, przy których występują owe ograniczenia,
dostatecznie różnią się od częstotliwości średnich (to jest takich, w których
moduł transmitancji układu otwartego jest bliski jedności), to przyjęcie
transmitancji regulatorów w podanej postaci jest uzasad­nione. Wymienione
regulatory są elementami jednowymiarowymi o jednym wejściu i jednym wyjściu.
Przy rozważaniu układów wielowymiarowych zachodzi konieczność użycia
regula­torów o wielu wejÅ›ciach i wielu wyjÅ›ciach, o "wymiarze" dopasowanym do
rozważanego obiektu i wybranej struktury. Najczęściej taki wielowymiarowy
regulator liniowy jest zbudowany z regulatorów jednowymiarowych podanych typów,
a jego transmitancja operatorowa ma postać macierzowÄ… o ele­mentach bÄ™dÄ…cych
transmitancjami regulatorów jednowymia­rowych .
Regulatory mają najwyżej trzy dające się nastawić parametry:
współczynnik wzmocnienia,
stałą czasową całkowania,
stałą czasową różniczkowania.
Dla parametrów tych stosuje się następujące nazwy:
- współczynnik wzmocnienia,
- zakres proporcjonalności,
- czas zdwojenia,
- czas wyprzedzenia.

Zakres proporcjonalności - podaje informację, dla jakiego zakresu zmian sygnału
uchybu (który jest sygnałem wejściowym regulatora) jest zachowana
proporcjonalność pomiÄ™dzy wartoÅ›­ciÄ… sygnaÅ‚u uchybu a wartoÅ›ciÄ… sygnaÅ‚u
wyjÅ›ciowego regula­tora proporcjonalnego.
Czas zdwojenia - okreÅ›la szybkość zmian sygnaÅ‚u wyjÅ›cio­wego regulatora przy
stałej wartości sygnału uchybu. Jest to czas, po którym sygnał wyjściowy
regulatora PI osiąga (po podaniu skokowego sygnału wymuszającego) dwukrotnie
większą wartość niż miałoby to miejsce w regulatorze typu P. Liczbowo czas
zdwojenia jest równy wartości stałej czasowej całkowania. Im mniejsza jest
wartość czasu zdwojenia, tym bardziej intensywne jest całkowanie.
Czas wyprzedzenia - okreÅ›la wÅ‚asnoÅ›ci czÅ‚onu różniczku­jÄ…cego regulatora.
Dodanie do regulatora czÅ‚onu różniczku­jÄ…cego wprowadza do sygnaÅ‚u wyjÅ›ciowego
składnik zależny od szybkości zmian uchybu. Dzięki temu do układu wprowadza się
jak gdyby przewidywanie (wyprzedzenie): jeśli uchyb narasta i jest coraz
wiÄ™kszy, regulator wytwarza sygnaÅ‚ przeciwdzia­Å‚ajÄ…cy temu narastaniu
wcześniej, niż mogłoby to być zrobione na podstawie znajomości tylko aktualnej
wartoÅ›ci uchybu. Liczbowo czas wyprzedzenia jest równy wartoÅ›ci sta­Å‚ej
czasowej różniczkowania.
Regulator PI jest regulatorem korygującym działanie układu przede wszystkim w
zakresie małych częstotliwości, w szczególności zmniejszającym uchyb ustalony.
Właściwości członu całkującego predestynują ten regulator także do pracy w
przypadku znacznej obecności szumów w sygnale, gdyż szumy jako przebiegi o
dużych częstotliwościach są silnie tłumione przez regulator całkujący.
Regulator PI wprowadza ujemne przesunięcie fazowe, a moduł jego charakterystyki
maleje ze wzrostem czÄ™stotliwoÅ›ci. Transmitancja operatorowa regu­latora PI
przedstawia się następująco:


Charakterystyki częstotliwościowe regulatora PI oraz jego odpowiedź na sygnał
skokowo zmienny przedstawiajÄ… rysunki 11.2 oraz U.3.
Regulator PD dziaÅ‚a korekcyjnie przede wszystkim w zakre­sie dużych
czÄ™stotliwoÅ›ci. Wprowadza on dodatnie przesu­niÄ™cie fazowe, a jego moduÅ‚ roÅ›nie
ze wzrostem czÄ™sto­tliwoÅ›ci - można to odczytać z jego charakterystyk
czÄ™sto­tliwoÅ›ciowych - rys. 11.4. SÄ… to charakterystyki regulatora
rzeczywistego o transmitancji:

przy czym stała czasowa Charakterystyki idealnego regulatora PD podane są na
wykresie liniÄ… przerywanÄ….
Transmitancja operatorowa idealnego regulatora PD ma postać:

Rys.11.2. Charakterystyki częstotliwościowe regulatora PI: a) amplitudowa, b)
fazowa, c) amplitudowo-fazowa


Rys.11.3. Odpowiedź regulatora PI na sygnał skokowo zmienny, ilustracja czasu
zdwojenia

Rys.11.4. Charakterystyki częstotliwościowe regulatora PD: a) amplitudowa, b)
fazowa, c) amplitudowo-fazowa

Wykres odpowiedzi regulatora PD na wymuszenie liniowo narastajÄ…ce przedstawiono
na rysunku 11.5.

Rys.22.5. Odpowiedź regulatora PD na wymuszenie liniowo narastające, ilustracja
czasu wyprzedzenia
Regulator PID-proporcjonalno-całkująco-różniczkujący jest połączeniem
wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci regulatora proporcjonalno-caÅ‚kujÄ…­cego PI z wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciami
regulatora proporcjonalno-różnicz-kującego PD. Jego transmitancja operatorowa
ma następującą postać (regulator PID idealny):

Transmitancja operatorowa rzeczywistego regulatora PID przedstawia siÄ™
następująco:

gdzie:
Charakterystyki częstotliwościowe regulatora PID oraz jego odpowiedź skokową
przedstawiajÄ… rysunki 11.6 oraz 11.7.

Rys.11.6. Charakterystyki częstotliwościowe regulatora PID:
a) amplitudowa, b) fazowa, c) amplitudowo-fazowa

Rys.11. 7. Odpowiedź skokowa regulatora PID: a) idealnego,
b) rzeczywistego

Decydująca dla wyboru rodzaju regulatora jest znajomość własności obiektu
regulacji. Dla prawidÅ‚owego wyboru regula­tora najważniejszy wpÅ‚yw majÄ…:
charakterystyka amplitudowo-fazowa układu otwartego oraz charakterystyka
czÄ™stotli­woÅ›ciowego wskaźnika regulacji. Wynika to z warunków stabil­noÅ›ci
układu zamkniętego i jakości regulacji:
układ zamknięty powinien być stabilny,
wskaźnik regulacji powinien przyjmować odpowiednie wartoÅ›­ci w okreÅ›lonych
przedziałach częstotliwości.
Dokonując wyboru regulatora należy przede wszystkim dokonać analizy, czy
regulator P nie spełnia przypadkiem wymaganych warunków, a dopiero po tej
analizie decydować się ewentualnie na bardziej skomplikowane regulatory.
Bardzo ważne jest też określenie nastaw regulatora. W tym celu należy dokonać
analizy własności dynamicznych obiektu oraz charakteru zakłóceń i analitycznie
przeprowadzić okreÅ›­lenie parametrów regulatora. Ale droga analityczna w wielu
przypadkach nie może być zastosowana lub nie prowadzi do doboru optymalnych
nastaw.
Istnieją również reguły doświadczalnego doboru nastaw regulatorów. Pozwalają
one na nastawienie parametrów regula­torów po ich zainstalowaniu w ukÅ‚adzie bez
dokonywania pomiarów własności dynamicznych obiektu. Jedną z tych metod jest
metoda Zieglera-Nicholsa. Kolejność działań przy jej zastosowaniu jest
następująca:
zainstalowany regulator należy nastawić na działanie tylko proporcjonalne
powoduje wyłączenie części całkującej i różniczkującej),
należy zwiększać stopniowo współczynnik wzmocnienia regulatora, dochodząc do
granicy stabilnoÅ›ci, czyli wystÄ…­pienia niegasnÄ…cych oscylacji w ukÅ‚adzie,
- należy zmierzyć krytyczny współczynnik wzmocnienia oraz okres wzbudzonych
oscylacji
- zależnie od typu regulatora należy przyjąć:
regulator P:
regulator PI:
regulator PID:

WSKAZÓWKI PRAKTYCZNE

Jako przykład podany zostanie tok postępowania przy doświadczalnym doborze
nastaw regulatorów dla regulatorów P, PI oraz PID metodą Zieglera - Nicholsa.

Rys.11.8. Uchyb regulacji przy różnych nastawach regulatora

Wszystkie wykresy przedstawione na rysunku 11.8 zostały zdjęte dla działającego
układu regulacji, na którym przeprowadzano doświadczalnie dobór nastaw
regulatora.
Zainstalowany regulator nastawiono na działanie tylko proporcjonalne (zostały
wyłączone człony: całkujący - oraz człon różniczkujący -Wzmocnienie kp
regulatora wynosiło 3,33. Dla takich nastaw zdjęto wykres 11.8a - widać
wyraźnie, iż przy tych nastawach układ jest stabilny. Po zwiększeniu kp do 10 -
wykres 11.8b - można zauważyć, iż nastąpiło przeregulowanie. Zmniejszono więcdo
5 i przy takiej wartości układ (jak zostało to pokazane na rysunku 11.8c)
znajdował się praktycznie na granicy stabilności -wystąpiły drgania o bardzo
nieznacznie rosnącej amplitudzie i można je było z powodzeniem uznać za drgania
niegasnące oraz przyjąć krytyczny współczynnik wzmocnienia a okres wzbudzonych
oscylacji
Zgodnie z regułą Zieglera Nicholsa przyjmuje się dla regulatora:
P: PI:

PID: = 3
= 0,775[s] = 0,186[s] .
PROGRAM ĆWICZENIA
I. Przygotowanie teoretyczne do ćwiczenia
Definicja regulatora
Funkcje regulatora
Rodzaje regulatorów:
- podział ze względu na sposób dostarczania energii zasilającej potrzebnej do
oddziaływania na obiekt,
podział ze względu na postać sygnału wyjściowego,
podział ze względu na własności dynamiczne regulatora
4) Parametry regulatorów:
współczynnik wzmocnienia,
stała czasowa całkowania,
stała czasowa różniczkowania,
zakres proporcjonalności,
czas zdwojenia,
czas wyprzedzenia

Charakterystyki i zastosowanie regulatorów
Zasady doboru nastaw regulatora
II. Ćwiczenie
1) Zamodelować układ automatycznej regulacji, w którym obiekt będzie miał
charakter inercji III rzÄ™du, a regu­lator bÄ™dzie typu P, PI lub PID.
8) Wykorzystując metodę Zieglera-Nicholsa dobrać nastawy takich regulatorów.







Wyszukiwarka