Opracowanie: dr inż. Rafał Kociszewski

Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

ĆWICZENIE Nr. 5

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID

na przykładzie SIPART DR22

Laboratorium z przedmiotu:

A

UTOMATYKA

Kod: ENS1C300 023

BIAŁYSTOK 2013

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

2

Kod: ES1A500 039

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Ćwiczenie 4

2

1. Cel ćwiczenia

•

Nabycie umiejętności programowania cyfrowego regulatora .

•

Przeprowadzenie doświadczeń wykorzystujących fizyczny regulator PID.

Przed ćwiczeniem

Należy zapoznać się, ze streszczeniem instrukcji technicznej regulatora SIPART DR22 firmy
Siemens [1]. Należy powtórzyć informacje nt. regulatorów PID (równania, charakterystyki
czasowe i częstotliwościowe, itd.).

2. Stanowisko laboratoryjne

Komputer PC z zainstalowaną kartą akwizycji danych PCI-1711 oraz oprogramowaniem
ADAQView, i MATLAB

Terminal PCLD-8710 z kablem połączeniowym

Zestaw modelu analogowego obiektu (MAO)

Regulator cyfrowy SIPART DR22.

3. Przebieg ćwiczenia

1.

Należy zaprogramować strukturę regulatora SIPART DR22, pozwalającą na sterowanie

wielkością wyjściową, przy pomocy przycisków na płycie czołowej aparatu. Następnie
należy przetestować zgodność ustawienia i odczytu tej wielkości ze wskazaniami wolto-
mierza podłączonego do odpowiednich zacisków regulatora. Wynikiem pomiarów jest
charakterystyka: U

v

= f(U

reg

).

2.

Stosując analogiczne pomiary należy uzyskać charakterystykę U

v

= f(U

reg

) dla zakresu

sygnału wyjściowego regulatora 4...20 mA (Tabela 3 w [1]).

Rys. 1. Schemat połączeń do p. 1, 2.

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

3

Kod: ES1A500 039

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Ćwiczenie 4

3

3.

Stosując schemat z rys.1 zdjąć w środowisku ADAQView charakterystyki skokowe regu-

latorów: P, PI i PID przy nastawach parametrów wskazanych przez prowadzącego.

4.

Skonfigurować układ regulacji zgodnie z poniższym rysunkiem poglądowym, gdzie poka-

zane są kanały przesyłu sygnałów po-
między: obiektem (MAO), regulato-
rem Sipard DR 22 oraz terminalem
PCLD-8710. Linie zielone symbolizują
przepływ sygnałów z wyjść kolejnych
urządzeń (czerwone kółka) na wejścia
następnych (zielone kółka). Do za-
cisków (24,23) dołączony jest kanał sy-
gnału wymuszenia, podawanego z sys-
temu Advantech za pośrednictwem
terminala (AO) . Z zacisków (12,1) re-
gulatora podawany jest sygnał sterowania na wejście obiektu. Linia czerwona jest kana-
łem sygnału wyjściowego z obiektu, który podawany jest na zaciski (20,19) regulatora.
Sygnał ten jest rejestrowany w systemie Advantech za pośrednictwem wejścia (AI) termi-
nala PCLD-8710. Gniazda w kolorze czarnym oznaczają masę.

5.

Połączyć układ regulacji, w którym model obiektu w postaci członu inercyjnego pierw-

szego rzędu z opóźnieniem jest sterowany regulatorem PI, i PID zaprogramowanym w re-
gulatorze

SIPART DR22

. Nastawy regulatora wybieramy na podstawie dołączonych do

danej instrukcji (Dodatek C) danych tabelarycznych. Parametry obiektu podaje prowadzą-
cy zajęcia.

6.

Należy zarejestrować charakterystykę skokową połączonego układu regulacji. Wyniki

rejestracji zapisujemy do pliku tekstowego, a następnie przenosimy do środowiska

MATLAB

.

4. Sprawozdanie

W sprawozdanie należy zamieścić:
a)

Schematy blokowe układów pomiarowych.

b)

Tabele eartości pomiarowych z p. 1 i 2.

c)

Zarejestrowaną charakterystykę układu regulacji z p.3.

d)

Wnioski i komentarze na temat uzyskanych wyników oraz przebiegu doświadczeń.

5. Literatura

1.

Ruszewski A.: Regulator SIPART DR22. Katedra Automatyki i Elektroniki PB, Białystok

2001.

2.

SIMENS, SIPART DR22 Controller, Manual. Instrukcja producenta.

3. Kaczorek T.: Technika regulacji automatycznej. PWN, Warszawa,1977.
4. Luft M., Łukasik Z.: Podstawy teorii sterowania. Wyd. Polit. Radomskiej, Radom, 1999.
6.

Kuźnik J.: Regulatory i układy regulacji. Wyd. Polit. Śląskiej, Gliwice, 2002.

7.

Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, Warszawa, 1992.

24

23

20

19

12

1

A

AI

PCLD-8710

MA

O

wyj.

wej.

DR 22

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

4

Kod: ES1A500 039

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Ćwiczenie 4

4

Dodatek A

Równania regulatora PID

Modelowanie zadań sterowania w ramach struktury PID może różnić się (formalnie

i merytorycznie) w zależności od stosowanego środowiska programowego. W wersji ideali-
zowanej regulatora możemy posłużyć się często spotykaną w praktyce transmitancją

,

1

1

1

)

(













+

+

=

d

i

R

sT

sT

V

s

G

gdzie: V - zakres proporcjonalności (wielkość 1/V jest równoważna współczynnikowi
wzmocnienia regulatora

p

k

),

i

T - czas zdwojenia,

d

T - czas wyprzedzenia. Za ich po-

średnictwem określa się współczynniki wzmocnienia dla wyników trzech działań na sygnale
uchybu regulacji (wzmocnienie proporcjonalne, całkowanie i różniczkowanie).
W środowiskach programowych stosowanych w trakcie Laboratorium Techniki Regulacji 2
wymaga się wprowadzenia tych wartości w sposób następujący:

⇒

w środowisku

MATLAB/SIMULINK

wymaga się wprowadzenia nastaw według zapisu

transmitancji w postaci

,

/

)

(

Ds

s

I

P

s

G

R

+

+

=

przy czym

,

/

1

p

k

V

P

=

=

,

/

i

p

T

k

I =

.

d

p

T

k

D

⋅

=

Rys.3. Model blokowy idealnego regulatora PID w środowisku MATLAB/SIMULINK,

a) ikona regulatora, b) schemat blokowy torów P, I, D, c) okno dialogowe do wpi-
sywania parametrów (nastaw)

+

+

+

Sum

du/dt

Derivative

I

s

Integral

P

Proportional

D

PID

PID Controller

a)

b)

c)

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

5

Kod: ES1A500 039

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Ćwiczenie 4

5

⇒

w ramach systemu oprogramowania GENIE, programując regulator posługujemy się
równaniem

))

3

(

))

2

(

)

1

(

(

3

)

(

(

)

6

/(

)

((

)

(

)

(

)

(

−

−

−

−

−

+

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

+

=

n

e

n

e

n

e

n

e

T

D

P

k

Se

T

I

P

n

Pe

n

U

s

s

w którym:

)

(n

U

stanowi wyjście PID w n-tym takcie próbkowania, P jest współczynnikiem

wzmocnienia części proporcjonalnej regulatora,

i

T

I

/

60

=

stanowi wskaźnik wzmocnienia w

części całkującej regulatora, natomiast

60

/

d

T

D =

to równoważnik czasu wyprzedzenia,

s

T

jest przyjętym czasem

Rys. 4. Model blokowy regulatora PID w środowisku GENIE a) ikona regulatora, b) okno

dialogowe do wpisywania parametrów (nastaw)

⇒

przy programowaniu regulatora

SIPART DR22

stosowane są natomiast następujące rów-

nania i oznaczenia:

w strukturze P:

xo

xd

Kp

ya

+

⋅

±

=

w strukturze PI:

yo

dt

xd

tn

xd

Kp

ya

t

+















+

±

=

∫

0

1

przy opisie składnika różniczkującego D, wygodniejsza jest forma transmitancji widmo-
wej

vv

tv

j

tv

j

Kp

xd

xa

ω

ω

+

1

±

=

a)

b)

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

6

Kod: ES1A500 039

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Ćwiczenie 4

6

Oznaczenia i zakresy nastaw aparatu są następujące:

cP – wzmocnienie proporcjonalne:

0,100...100,0;

tn – czas całkowania (zdwojenia) :

1,00 ... 9984 s;

tv – stała czasowa różniczkowania:

OFF, 1,00...2,992 s;

vv – współczynnik członu różniczkującego:

1,00...10;

xd – uchyb regulacji;

ya – wyjście regulatora, którego wartość początkowa yo jest uwzględniana

w równaniach regulatorów P, PI.

Dodatek B

Programowanie regulatora SIPART DR22

Cechą charakterystyczną regulatorów cyfrowych z serii SIPART DR20 - DR22 jest ankie-
towy sposób programowania. Technika tego typu polega na tym, że użytkownik ustala struk-
turę regulatora, zasady wstępnego, cyfrowego przetwarzania mierzonych sygnałów, zasady
komunikacji itp., odpowiadając (za pośrednictwem wyboru numeru odpowiedniej wersji od-
powiedzi) na pytania przedstawione w instrukcji obsługi regulatora. Istotnym problemem dla
użytkownika może być znaczna liczba pytań ankietowych o charakterze instalacyjnym, tzn.
takich, na które należy sformułować odpowiedź jednorazowo, przed montażem regulatora w
systemie automatyki związanym np. ze sterowaną linią technologiczną. Konieczność jedno-
znaczności programu regulatora w każdej sytuacji powoduje, iż jedna, według oceny produ-
centa najbardziej prawdopodobna z wersji każdej odpowiedzi, jest z góry opcjonalnie
ustalona. W praktyce, w typowych sytuacjach, jedynie nieznaczna część pytań, bezwzględnie
wymaga zmiany ustawień tego rodzaju przed instalacją regulatora.

Poniżej został przedstawiony ciąg działań przy programowaniu regulatora SIPART DR22 do
pracy w układzie stabilizacji wielkości regulowanej:

Etap 1.

Naciskając przez 5 sekund przycisk (12) na panelu sterowania przechodzimy z

poziomu obsługi na poziom wyboru (rys.4, rys.5).

Etap 2.

Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania struktury regulatora –

na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis „StrS”.

Etap 3.

Naciskając przez 3 s. przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu

wyboru do poziomu konfiguracji (ustawiania przełączników struktur regulatora).

Etap 4.

Nastawiamy wymagane przełączniki struktur. Na wskaźnikach cyfrowych wi-

doczne są dane ostatnio wybranego przełącznika struktury: jego numer na wyświe-
tlaczu (14) a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić
położenie przełącznika struktur. Do przeglądania przełączników konfiguracyjnych
służą przyciski (13.1, 13.2).

Etap 5.

Podczas nastawiania przełączników konfiguracyjnych regulator może być

w dowolnej chwili przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie
przycisku (2) lub poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).

Etap 6.

Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania

parametrów off line regulatora – na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis
„oFPA”.

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID

Kod: ES1A500 039

Etap 7.

Naciskając przez 3s przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu

wyboru do poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów

Etap 8.

Nastawiamy wymagane parametry

są dane ostatnio wybranego parametru
a stan na (19). Za pomocą p
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).

Etap 9.

Podczas nastawiania parametrów

przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie pr
poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).

Etap 10.

Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania

parametrów on line
„onPA”.

Etap 11.

Naciskając przycis

poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów

Etap 12.

Nastawiamy wymagane parametry

są dane ostatnio wybranego parametru
a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość param
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).

Etap 13.

Podczas nastawiania parametrów

przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku (2) lub
poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).

Rys. 5. Płyta czołowa regulatora SIPART DR22

parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Naciskając przez 3s przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu
wyboru do poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów off line
Nastawiamy wymagane parametry off line. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne
są dane ostatnio wybranego parametru off line: jego nazwa na wyświetlaczu (14)
a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość param
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).
Podczas nastawiania parametrów off line regulator może być w dowolnej chwili
przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie pr
poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).
Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania

on line regulatora – na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis

Naciskając przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu wyboru do
poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów on line regulatora).
Nastawiamy wymagane parametry on line. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne
są dane ostatnio wybranego parametru on line: jego nazwa na wyświetlaczu (14)
a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość param
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).
Podczas nastawiania parametrów on line regulator może być w dowolnej chwili

poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku (2) lub

poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).

5. Płyta czołowa regulatora SIPART DR22

na przykładzie SIPART DR22

7

Ćwiczenie 4

7

Naciskając przez 3s przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu

off line regulatora).

. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne

: jego nazwa na wyświetlaczu (14)

rzycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość parame-

tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).

regulator może być w dowolnej chwili

przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku (2) lub

Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania

na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis

k (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu wyboru do

regulatora).

. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne

a wyświetlaczu (14)

a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość parame-
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).

regulator może być w dowolnej chwili

poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku (2) lub

Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID

Kod: ES1A500 039

Rys. 6. Konfiguracja i parametryzacja regulatora

parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22

P

ODSTAWY AUTOMATYKI

2

Rys. 6. Konfiguracja i parametryzacja regulatora

SIPART DR22

na przykładzie SIPART DR22

8

Ćwiczenie 4

8

SIPART DR22

Opracowanie: dr inż. Rafał Kociszewski

DODATEK C. Nastawy regulatorów i wskaźniki jakości regulacji dla obiektów
o transmitancji:

G

o

(s)= K

ob

exp (-s T

o

) / (sT +1).

Typ
Regulatora

Przeregulowanie

≈

0%

Minimum czasu regulacji t

r

Przeregulowanie

≈

20%

Minimum czasu regulacji t

r

t

T

r

o

ε

u

ob

z

K A

ε

1

K A

ob

z

Nastawy

t

T

r

o

ε

u

ob

z

K A

ε

1

K A

ob

z

Nastawy

P

4,5

T

T

T

T

o

o

0 3

, +

T

T

T

T

o

o

0 3

, +

k

K

T

T

p

ob

o

=

0 3

,

6,5

T

T

T

T

o

o

0 7

, +

1 2

0 7

,

,

T

T

T

T

o

o

+

k

K

T

T

p

ob

o

=

0 7

,

PI

8

0

0 1

, +

T

T

o

k

K

T

T

p

ob

o

=

0 6

,

T

T

T

i

o

=

+

+

0 8

0 5

,

,

12

0

0 05

0 95

,

,

+

T

T

o

k

K

T

T

p

ob

o

=

0 7

,

T

T

T

i

o

=

+ 0 3

,

PID

5,5

0

0 06

0 84

,

,

+

T

T

o

k

K

T

T

p

ob

o

=

0 95

,

T

T

T

T

i

o

d

o

=

=

2 4

0 4

,

,

7

0

0 05

0 78

,

,

+

T

T

o

k

K

T

T

p

ob

o

=

1 2

,

T

T

T

T

i

o

d

o

=

=

2 0

0 4

,

,