INSTYTUT AUTOMATYKI i ROBOTYKI

WYDZIAŁ MECHATRONIKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

- laboratorium

Ćwiczenie PA7a

„

Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu

cieczy w zbiorniku otwartym

”

Instrukcja laboratoryjna

Opracowanie : dr

inż. Danuta Holejko

dr inż. Jakub Możaryn

mgr inż. Kacper Malinowski

Warszawa 2011

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

2

Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku

otwartym

Celem ćwiczenia jest określenie na podstawie wyznaczonych doświadczalnie

charakterystyk statycznych i dynamicznych rzeczywistego obiektu regulacji, którym jest
proces. zmiany poziomu cieczy w zbiorniku otwartym, modelu matematycznego tego
procesu. Proces pozyskiwania modelu matematycznego nazywany jest identyfikacją obiektu.

1.WPROWADZENIE

Obiektem regulacji nazywamy zachodzący w urządzeniu proces

technologiczny podlegający oddziaływaniu zakłóceń, którego pożądany przebieg uzyskuje się
przez zewnętrzne oddziaływanie sterujące (sterowanie).

Przebiegi zautomatyzowanych procesów technologicznych są oceniane

(kontrolowane) na podstawie pomiarów wielkości charakteryzujących dany proces, a których
pożądany przebieg jest określony w zadaniu regulacji. Są to najczęściej wielkości fizyczne
takie jak np. temperatura, ciśnienie, lepkość, zawartość składników. Mówi się, że wielkości te
są wielkościami wyjściowymi obiektu regulacji (procesu) – wielkościami
regulowanymi oznaczanymi umownie symbolami – y

1

, y

2

, .... y

n

.

Aby dany proces technologiczny mógł być realizowany, muszą być do niego

doprowadzone odpowiednie strumienie materiałów (np. odpowiednie ilości reagujących ze
sobą składników) lub strumienie energii (np. paliwa, energii elektrycznej). Od wielkości tych
strumieni i od ich parametrów zależeć będzie pożądany przebieg wielkości regulowanych.

Zatem ilości dostarczanej energii lub materii są wielkościami wejściowymi x

1

,

x

2

,...x

m

obiektu regulacji (procesu). Innymi wielkościami wejściowymi są wielkości

wpływające niekorzystnie na przebieg wielkości regulowanych. Są to różnego rodzaju
zakłócenia (umownie oznaczane symbolami z

1

, z

2,

... z

k

). Zakłócenia te mogą bezpośrednio

oddziaływać na proces, np. w układzie regulacji temperatury takimi zakłóceniami są zmiany
temperatury otoczenia, lub zniekształcać doprowadzone do obiektu strumienie energii lub
materii, np. w układzie regulacji temperatury takimi zakłóceniami są zmiany wartości
opałowej paliwa. Związek między wielkościami regulowanymi a wejściowymi tworzy opis
obiektu w sensie procesowym (rys. 1a).

Urządzenia, w których realizowane są procesy technologiczne wyposażone są

w zespoły wykonawcze (ZW), którymi są np. zawory regulacyjne, pompy o zmiennej
wydajności, silniki, styczniki itp., umożliwiające dostarczanie strumieni energii lub
materiałów do procesu oraz w przetworniki pomiarowe (PP), dostarczające informacje o
przebiegu zmian wielkości regulowanych. Zespoły wykonawcze, w wyniku oddziaływania na
nie sygnałów sterujących oznaczanych stosując terminologię techniczną symbolami CV

1

,

CV

2

, ... CV

m

, i wytwarzanych przez regulatory (sterowniki), kształtują natężenie strumieni

materiałów lub energii. Sygnały te są wielkościami wejściowymi obiektu regulacji w sensie
aparaturowym jako elementu składowego układu regulacji. Wielkościami wyjściowymi tak
rozumianego obiektu regulacji są sygnały wyjściowe przetworników pomiarowych PV

1

, PV

2

,

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

3

... PV

n

, nazywane zmiennymi procesowymi. Zależność zachodząca pomiędzy sygnałami

wyjściowymi obiektu (zmiennymi procesowymi) a jego sygnałami wejściowymi (sygnały
sterujące i zakłócenia) stanowi opis obiektu w sensie aparaturowym (rys.1b).

a) b)

Rys. 1. Schemat ideowy obiektu regulacji o jednej wielkości regulowanej : a) - obiekt

regulacji w sensie procesowym, b) – obiekt regulacji w sensie aparaturowym; oznaczenia: x, y
- wielkość wejściowa, wyjściowa obiektu w sensie procesowym, CV - sygnał sterujący, PV
- sygnał wyjściowy przetwornika pomiarowego (zmienna procesowa), z

1

, z

2

,….. z

k

–

zakłócenia

W najprostszych przypadkach, obiekt regulacji może mieć jeden sygnał wyjściowy

(jedną wielkość regulowaną) , jeden sygnał sterujący i wiele wielkości zakłócających (rys.
1a). Jego matematycznym opisem jest zależność sygnału wyjściowego od sygnałów
wejściowych

,

,….

|

(1)

która, w zależności od właściwości obiektu, może być równaniem algebraicznym albo

liniowym lub nieliniowym równaniem różniczkowym o stałych lub zmiennych
współczynnikach.

Poprawna ocena właściwości obiektów regulacji jest podstawowym

warunkiem umożliwiającym projektowanie układów regulacji. Na ogół analiza właściwości
obiektu przebiega dwuetapowo. Pierwszy etap jest analizą procesową, której efektem jest
ustalenie związków procesowych między wielkościami regulowanymi jako zmiennymi
fizycznymi a wielkościami wejściowymi procesu, którymi są najczęściej parametry strumieni
energii lub materiałów dostarczanych do procesu. Wyniki tej analizy są podstawą do
właściwego doboru przetwornika pomiarowego oraz zespołu wykonawczego, czyli do
poprawnego zaprojektowania obiektu regulacji w sensie aparaturowym. Ogólne związki
procesowe powinny zostać określone przez technologa, który najlepiej rozumie fizyczną
stronę procesu. Często jednak konieczna jest przy tym pomoc automatyka, aby opis
właściwości obiektu podany był w formie użytecznej dla celów regulacji.

Drugim etapem analizy jest określenie modelu matematycznego

zaprojektowanego w sensie aparaturowym obiektu jako związku między sygnałami
(zmiennymi procesowymi) PV a sygnałami sterowania CV i zakłóceniami. Tworzone modele
ze względu na ich cechy aplikacyjne mogą być modelami: globalnymi lub lokalnymi
(parametrycznymi).

Modele globalne ( bilansowe) tworzone dla celów analizy procesu technologicznego, jego

optymalizacji i prowadzenia rozruchu określane są na podstawie zależności między
zmiennymi procesowymi wiążącymi np. energię, masę, położenie i stan poszczególnych

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

4

elementów tworzących proces w pełnym zakresie ich zmienności oraz na podstawie bilansów
tych wielkości dla całego obiektu. Model taki ma najczęściej postać nieliniowych zależności
różniczkowo-całkowych. Można go wykorzystać zarówno przy projektowaniu układu
regulacji jak i optymalizacji punktu pracy.

Modele lokalne (parametryczne) opisują właściwości obiektu w otoczeniu danego punktu

pracy co na ogół jest wystarczające do doboru parametrów zainstalowanych w układzie
regulacji elementów, do analizy stabilności układu z regulatorem oraz doboru algorytmu
sterowania i struktury układu regulacji. Model taki ma zazwyczaj postać założonego z góry
opisu matematycznego np. w postaci transmitancji operatorowych : obiektu oraz transmitancji
zakłóceniowych. których nieznane parametry określane są w procesie identyfikacji. Model
matematyczny obiektu może być także przedstawiony w postaci schematu blokowego , który
dostarcza informacji o strukturze obiektu, co jest pomocne przy projektowaniu struktury
układu regulacji. Przykładowy schemat blokowy obiektu o jednej wielkości regulowanej i
dwu działających zakłóceniach z

1

, z

2

opracowany dla zmiennych przyrostowych przedstawia

rys.2.

a)

b)

Rys. 2. Schemat blokowy obiektu regulacji : a) schemat szczegółowy, b) schemat

zastępczy

Jak już wcześniej wspomniano, obiekt regulacji w sensie aparaturowym to nie tylko

proces zachodzący w urządzeniu (transmitancja G

proc

(s)) ale także zespół wykonawczy ZW

(transmitancja G

ZW

(s)) sterowany sygnałem CV oraz przetwornik pomiarowy PP

(transmitancja G

PP

(s)) generujący sygnał PV (rys. 2a). Iloczyn tych transmitancji przedstawia

sobą wyrażoną operatorowo zależność wielkości procesowej PV od sterowania CV i jest
transmitancją operatorową obiektu określoną symbolem

|

(rys.2 b).

Charakter zmian wielkości regulowanej wywołany zakłóceniami określają transmitancje
zakłóceniowe

|

|

(transmitancje zakłóceniowe

ze względu na niemierzalność zakłóceń można określić w sposób przybliżony raczej
jakościowo niż ilościowo). Schemat blokowy z rys. 2a jest pozyskiwany i weryfikowany w
fazie projektowania i doboru poszczególnych zespołów instalacji obiektowej, natomiast
schemat z rys. 2b jest pozyskiwany w uruchomionym i działającym układzie regulacji .

Działające na obiekt zakłócenia, których jest najczęściej wiele są niemierzalne

i działają w sposób przypadkowy w różnych miejscach obiektu, w efekcie jednak zawsze
zaburzają pożądany przebieg procesu, a ich działanie ujawnia się poprzez zmiany wielkości
regulowanej a zatem i zmiennej procesowej powodując jej wzrost wartości lub jej spadek.
Również zależnie od konstrukcji zespołu wykonawczego , natury fizycznej i właściwości

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

5

procesu oraz charakterystyki statycznej zastosowanego przetwornika pomiarowego, wzrost
wartości sygnału wyjściowego CV regulatora sterującego procesem ma wywoływać wzrost
lub spadek wartości wielkości regulowanej. Oddziaływania te zostały na schemacie
blokowym z rys. 2 przedstawione za pośrednictwem węzła sumacyjnego. Znaki w węźle
sumacyjnym pokazują możliwe kierunki oddziaływań sterowania i zakłóceń.

Pozyskiwanie modelu może być realizowane analitycznie na podstawie znajomości

równań opisujących zależności fizyko - chemicznych obiektu lub eksperymentalnie. Metoda
eksperymentalna może być eksperymentem czynnym lub biernym.

Eksperyment czynny polega na pobudzeniu obiektu zdeterminowanym wymuszeniem.

Jest to najczęściej wymuszenie skokowe, impulsowe lub sinusoidalnie zmienne. Otrzymana
odpowiedź na to wymuszenie pozwala na podstawie odpowiednich konstrukcji graficznych
określić parametry założonego modelu matematycznego , który ze względów praktycznych i
projektowych ma postać niezbyt złożonej transmitancji tzw. transmitancji zastępczej.
Transmitancja ta w sposób przybliżony oddaje właściwości rzeczywistego badanego obiektu
w otoczeniu wybranego punktu pracy. Przed rozpoczęciem doświadczenia obiekt musi
znajdować się w stanie ustalonym. Dokładność identyfikacji zależy od amplitudy
wymuszenia, która winna być na tyle duża aby zminimalizować wpływ zakłóceń a na tyle
mała aby nie wprowadzić obiektu w nasycenie. Czas trwania wymuszenia powinien być
dostatecznie długi aby możliwe było ujawnienie charakteru odpowiedzi.

Obiekty podobnie jak inne elementy automatyki, klasyfikuje się ze względu na ich

właściwości dynamiczne. Taką najbardziej ogólną klasyfikacją jest podział ze względu na
zdolność osiągania lub nie osiągania równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuszenia
skokowego. Z tego punktu widzenia obiekty dzieli się na :



statyczne ,



astatyczne.

Przykładowe odpowiedzi obiektów statycznych i astatycznych na wymuszenie

skokowe sterowania CV wykonane we współrzędnych przyrostowych przedstawia rys.3.

a)

b)

Rys. 3. Przykładowe ogólne odpowiedzi na wymuszenie skokowe a) obiektu

statycznego, b) astatycznego.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

6

Dla obiektów statycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3a

przyjmuje się najczęściej następujące modele matematyczne przedstawione w postaci
transmitancji operatorowej:

s

T

e

s

z

T

ob

k

s

CV

s

PV

s

ob

G

0

1









)

(

)

(

)

(





(2)

lub

s

e

n

Ts

ob

k

s

CV

s

PV

s

ob

G











)

(

)

(

)

(

)

(

1





(3)

gdzie:

k

ob

–wzmocnienie obiektu (w sensie aparaturowym wielkość niemianowana),

T

z

– zastępcza stała czasowa [min],

T

0

– zastępczy czas opóźnienia [min].

Parametry modelu obiektu regulacji określonego wzorem (2) można określić z

odpowiedzi na wymuszenie skokowe stosując metodę : stycznej (rys.3a) lub siecznej (rys.4).

Rys.4. Ilustracja metody siecznej wyznaczania stałych czasowych modelu (2) obiektu

regulacji

W przypadku metody stycznej parametry te określa się bezpośrednio z wykresu tak

jak to pokazuje rys.3a, natomiast stosując metodę siecznej (rys.4) przechodzącej przez punkty
P1, P2, wartości stałych czasowych T

0

, T

z

określa się z zależności

0

2

2

1

2

2

1

0

T

t

z

T

t

t

T











ln

)

ln

(4)

Parametry modelu określonego wzorem (3) zwanego modelem Strejca określa się z

wykresu i z tablic podanych w literaturze.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

7

Dla obiektów astatycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3b

przyjmuje się najczęściej model matematyczny przedstawiony w postaci transmitancji
operatorowej

s

T

e

s

z

T

s

CV

s

PV

s

ob

G

0

1







)

(

)

(

)

(





(5)

Parametry modelu określonego wzorem (5) odczytuje się wprost z wykresu na rys.3b.

W eksperymencie biernym parametry modelu określa się na podstawie pomiaru

dostępnych sygnałów podczas normalnej pracy układu regulacji bez konieczności
przerywania jego pracy i naruszania warunków eksploatacji. W metodzie tej nie mamy
wpływu na sygnały podawane na obiekt i identyfikacja obiektu jest w tej metodzie trudna ze
względu na często niską zdolność pobudzającą sygnałów. Analiza sygnałów pozwala określić
model tzw. stochastyczny, który ze względu na dokładność opisu właściwości obiektu może
być wykorzystywany w systemach diagnostycznych lub do optymalizacji procesu regulacji
lub też opracowania innego od standardowego algorytmu regulacji.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

8

2. OPIS INSTALACJI OBIEKTOWEJ

Obiektem regulacji jest proces zmiany poziomu cieczy w odpowiednio połączonych

zbiornikach Z1, Z2. Schemat instalacji obiektowej przedstawia rys.5.

W zależności od konfiguracji stanów zaworów V2 i V4 oraz zastosowaniu na dopływie

specjalnie skonstruowanej wężownicy W można realizować różne właściwości obiektu
regulacji podane w tablicy 1.

Tablica1. Właściwości obiektu w zależności od konfiguracji zaworów

l.p.

Typ właściwości

obiektu

Zawór

Ustawienie zaworu

Wielkość

regulowana

1.

Inercyjny I rzędu
bez opóźnienia

V2

Zamknięty

poziom H1

V4

Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

2.

Inercyjny I rzędu

z opóźnieniem

V2

Zamknięty

poziom H1

V4

Ciecz wpływa do zbiornika Z1 przez

wężownicę W

3.

Inercyjny II rzędu

bez opóźnienia

V2

Otwarty

poziom H2

V4

Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

4.

Inercyjny II rzędu
z opóźnieniem

V2

Otwarty

poziom H2

V4

Ciecz wpływa do zbiornika Z1 przez

wężownicę W

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

9

Rys.5. Schemat części obiektowej stanowiska układu regulacji poziomu cieczy

Oznaczenia :

Z1, Z2 – zbiorniki,
V1, V3- ręczne zawory odpływowe,

V2- ręczny zawór łączący zbiorniki Z1 i Z2,

V4 - zawór trójdrożny ,
W- wężownica, T

0

- opóźnienie transportowe wprowadzane przez wężownicę,

VE1- zawór elektromagnetyczny odcinający odpływ ze zbiornika Z1,
VE2 - zawór elektromagnetyczny odcinający zrzut wody na tłoczeniu z pompy,

H1 , H2 - wysokość słupa cieczy w zbiorniku Z1, Z2,
PV – sygnał wyjściowy z przetwornika poziomu cieczy
LT1, LT2 – przetworniki poziomu cieczy w zbiorniku Z1, Z2,
Q -sygnał wyjściowy z przetwornika QT przepływu (przepływomierz zwężkowy),
P- pompa o zmiennej wydajności,

CV- sygnał sterujący pompą (wyjściowy ze sterownika PLC),
P1, P2 - przełączniki ręczne zaworów elektromagnetycznych do wprowadzania zakłóceń.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

10

Połączenie zbiorników realizowane jest za pomocą zaworu odcinającego V2. Wielkością

regulowaną jest wysokość słupa cieczy H1 w zbiorniku Z1 lub H2 w zbiorniku Z2.
Wymaganiem stawianym badanemu układowi regulacji jest utrzymanie na zadanym stałym
poziomie wysokości słupa wody mimo działających na obiekt zakłóceń.

Wielkościami zakłócającymi są zmiany przepływu cieczy na dopływie lub odpływie

zbiorników. Zakłócenia te realizowane są przez zdalnie sterowane odcinające zawory
elektromagnetyczne VE1, VE2. Zamykanie/otwieranie zaworów realizowane jest za pomocą
przycisków P1 i P2 znajdujących się na pulpicie instalacji obiektowej stanowiska. Zawór VE1
wywołuje skokową zmianę przepływu na odpływie ze zbiornika Z1. Jest to zakłócenie VE1.
Zawór VE2 wywołuje skokową zmianę przepływu na dopływie cieczy do zbiornika Z1 (tzw.
zrzut z pompy). Jest to zakłócenie VE2.

Wielkością sterującą obiektem jest sygnał standardowy 4 - 20 mA pochodzący ze

sterownika PLC Simatic S7-1200 firmy Siemens. Sygnał ten zostaje przekształcony przez
odpowiedni układ elektroniczny na sygnał napięciowy 0 – 10 V i steruje pompą, której
wydajność zmienia się w granicach: 0 – 6.5 l/min na dopływie do zbiornika Z1. Pompa ta
pełni rolę elementu wykonawczego w układzie regulacji. Dodatkowo dokonywany jest
pomiar przepływu za pomocą przepływomierza zwężkowego. Zmiana przepływu w zakresie
0 -6.5 l/min wywołuje różnicę ciśnień na zastosowanej zwężce Venturiego w zakresie
0 -500 mm H

2

O Zastosowany przetwornik różnicy ciśnień przetwarza różnicę ciśnienia na

zwężce w sygnał standardowy o zakresie 4 – 20 mA.

Informację o bieżącej wartości wielkości regulowanej wysokości H1 lub H2 słupa cieczy

dostarczają elektryczne przetworniki pomiarowe o zakresie 0 - 500 mm H

2

O i sygnale

wyjściowym 4 - 20 mA (pomiar wysokości słupa cieczy odbywa się metodą pośrednią
poprzez pomiar ciśnienia hydrostatycznego).

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

11

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Identyfikację opisanego obiektu regulacji przeprowadzimy w układzie regulacji o

schemacie przedstawionym na rys.6.

Identyfikacja obiektu przeprowadzona będzie na podstawie pomiaru charakterystyki

statycznej obiektu w pełnym możliwym zakresie zmian wielkości regulowanej oraz
odpowiedzi badanego obiektu na celowo wprowadzone wymuszenie skokowe w wybranym z
charakterystyki statycznej punkcie pracy. Będzie to zatem eksperyment czynny, w którym
celowe oddziaływanie na obiekt odbywać się będzie poprzez sygnał sterowania zadawany
przez operatora.

Pomiary właściwości statycznych i dynamicznych obiektu przeprowadzone zostaną w

układzie regulacji stałowartościowej poziomu cieczy pracującego w trybie sterowania
ręcznego „Manual”. Właściwości statyczne i dynamiczne będą reprezentowane poprzez
związki między wielkością regulowaną, którą jest wysokość H1 słupa cieczy w zbiorniku Z1
przetworzoną na sygnał mierzony PV, a sygnałem sterującym CV oraz między wielkością
regulowaną a wielkościami zakłócającymi proces zmiany poziomu cieczy w zbiorniku.
Związki te reprezentować będą: transmitancja operatorowa obiektu G

ob

(s) oraz transmitancje

zakłóceniowe G

z1

(s), G

z2

(s). Transmitancje te reprezentować będą właściwości dynamiczne w

otoczeniu wybranego z charakterystyki statycznej punktu pracy procesu.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

12

Rys.6. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy

W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:



zespół zbiorników połączonych szeregowo,



sterownik PLC SIMATIC S7-1200 firmy Siemens wraz z modułem wejść/wyjść

analogowych wraz z zasilaczem 24V,



panel HMI



komputer stacjon

a

rny

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

13

3.1.Wizualizacja

Podczas wykonywania ćwiczenia student komunikuje się ze sterownikiem PLC

za pośrednictwem panelu operatorskiego HMI typu SIMATIC KPT600 z dotykowym
kolorowym ekranem. Umieszczona na panelu wizualizacja umożliwia odczyt oraz zmianę
sygnału CV sterującego odczyt wartości wielkości mierzonej PV. Wielkości te są także
monitorowane na wykresach słupkowych.

Rys.7. Wizualizacja pulpitu operatorskiego sterownika na ekranie panelu HMI

Druga wizualizacja, zrealizowana została na komputerze. W menu głównym

wyświetlanym na ekranie monitora komputera (rys.8) operator wybiera pulpitu
operatorskiego odpowiedniego do aktualnego etapu ćwiczenia.

Rys.8. Menu główne wizualizacji na ekranie monitora

Na monitorze, panelu o przekątnej 15'', możliwe jest śledzenie trendów wyświetlanych

z dużą dokładnością, co umożliwia późniejszą ich obróbkę. Możliwe jest zatrzymywanie
wykresów, zmienianie skali osi czasu, aby dostosować wykres do swoich potrzeb. Na ekranie
ukazane są bieżące wartości PV i CV, obecność zakłóceń VE1 i VE2.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

14

Identyfikacja będzie przeprowadzana dla obiektu w konfiguracji 2 (tablica 1),

należy więc sprawdzić położenie zaworów, a także dokładnie skontrolować wykonane
połączenia elektryczne (rys. 6.), ewentualne wątpliwości skonsultować z prowadzącym.

3.2. Identyfikacja eksperymentalna właściwości statycznych obiektu regulacji

Identyfikacja właściwości statycznych obiektu sprowadzać się będzie do pomiaru

charakterystyk statycznych obiektu jako związku w stanie ustalonym wielkości regulowanej
od sterowania w pełnym zakresie działających zakłóceń. Charakterystyki te są istotne do
określenia możliwych punktów pracy obiektu i dopuszczalnych sterowań. Charakterystyki
statyczne wykonywane będą dla trzech oddzielnych przypadków:

1. Zawory VE1 i VE2 zamknięte => brak zakłóceń
2. Zawór VE1 – otwarty, VE2 – zamknięty => zakłócenie VE1
3. Zawór VE1 – zamknięty , VE2 – otwarty => zakłócenie VE2.

Wyniki pomiarów należy zamieścić w odpowiednich komórkach tablicy 2.

Każdy z tych przypadków wymaga przeprowadzenia takiej samej procedury, którą

przedstawiono poniżej:

a) Na głównym ekranie wizualizacji na komputerze, wybrać opcję: Identyfikacja

właściwości statycznych.

b) Sprawdzić położenie zaworów VE1 i VE2 poprzez skontrolowanie stanu

przełączników P1 i P2, bądź lampek kontrolnych na wizualizacji komputerowej.

c) Ustawić na panelu HMI sygnał sterujący pompą CV na wartość 0%
d) Odczytać i zapisać bieżącą wartość PV poziomu wody.
e) Odczytać poziom wody H1 wykorzystując skalę umieszczoną na ściance zbiornika.
f) Wykonać punkty od c) do e) zmieniając wartość sygnału sterującego pompą CV

zgodnie z tablicą 2.

Procedurę powtórzyć dla kolejnych dwóch przypadków.

.Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji

CV[%]

0

20

30

40

50

60

70

80

100

1.

H1[cm]

PV[%]

2.

H1[cm]

PV[%]

3.

H1[cm]

PV[%]

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

15

3.3. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji

Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych: obiektu i

zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego w
którym wykorzystano metodę odpowiedzi skokowej generując skokowe zmiany sygnału
sterującego CV i wielkości zakłócających. Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów
założonej transmitancji obiektu na podstawie prostych konstrukcji graficznych. Z
otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na zakłócenia skokowe określać się będzie
transmitancje operatorową obiektu względem sterowania G

ob.

(s) , oraz transmitancje

operatorowe obiektu G

z1.

(s), G

z2.

(s) względem zakłóceń .

3.3.1. Wyznaczenie odpowiedzi skoko

wej obiektu regulacji na zmianę

sterowania CV (z

większenie wydajności pompy) w układzie otwartym.

Określenie parametrów transmitancji G

ob

(s)

Badania przeprowadzić stosując poniższą procedurę:

a) Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych
b) Wcisnąć przycisk Obiekt – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu
c) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
d) Na panelu HMI ustawić CV=50%
e) Odczekać aż PV osiągnie ustaloną wartość
f) Zmienić wartość CV z 50% na 60%
g) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
h) Zapisać cały przebieg przejściowy na komputerze dobierając odpowiedni przedział

czasu. Zaleca się przyjąć ok. 300 sek.

i) Po zatrzymaniu przebiegu na monitorze przyciskiem STOP, wcisnąć na klawiaturze

komputera przycisk prtsc ,wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i
wydrukować dwie kopie przebiegu przejściowego ( do obróbki wykresu stosując
metodę stycznej (rys.9) i siecznej rys.4).

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

16

Rys.9. Przykład konstrukcji

graficznej do określania
parametrów transmitancji
operatorowej obiektu
wyznaczonych metodą stycznej

Otrzymany przebieg będzie miał postać jak na rys.9 Zgodnie z rys.9, dla badanego

obiektu można przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (2) :

s

T

e

s

z

T

ob

k

s

CV

s

PV

s

ob

G

0

1









)

(

)

(

)

(





(6)

Z zarejestrowanego przebiegu należy odczytać wartości parametrów zastępczej

transmitancji operatorowej obiektu :T

z

,T

0

, k

ob

. Parametry te należy odczytać stosując metodę

stycznej (rys.9) oraz metodę siecznej (rys.4).

Przedstawione transmitancje zostaną zastosowane do doboru nastaw regulatora

w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.

3.3.2

.

Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiekt

u dla zakłócenia wywołanego

zwiększeniem odpływu cieczy (skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1).
Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej G

z1

(s)

Wykonać następujące czynności:

a) Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych

b) Wcisnąć przycisk Zakłócenie – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu

c) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte

d) Na panelu HMI ustawić CV=50%

e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const.

f) Przełącznikiem P1 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE1

g) Poczekać na ustalenie się poziomu

h) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia parametrów

założonej transmitancji:

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

17

s

T

e

s

T

k

s

f

s

PV

s

z

G

0

1

1

1

1









)

(

)

(

)

(





(7)



f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych



f = 30.4 %

Na zarejestrowanym wykresie odczytać



PV i obliczyć w ten sposób wartość

f

PV

k







1

3.3.3.

Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu wywołanej zmianą otwarcia

zaworu VE2 („zrzut” z pompy). Określenie parametrów transmitancji
zakłóceniowej G

z2

(s)

Należy wykonać następujące czynności:

a) Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych
b) Wcisnąć przycisk Zakłócenie – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu
c) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
d) Na panelu HMI ustawić CV=50%
e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
f) Przełącznikiem P2 (rys.5) wprowadzić zakłócenie VE2
g) Poczekać na ustalenie się poziomu
h) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia transmitancji:

s

T

e

s

T

k

s

f

s

PV

s

z

G

0

1

2

2

2









)

(

)

(

)

(





(8)



f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1, wg danych katalogowych



f = 30.4 %.

Z zarejestrowanego wykresu odczytać



PV i obliczyć podobnie jak w p.3.3.2 wartość k

2

.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

18

4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia ,

schematy, wykresy otrzymane z rejestratora z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane
na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:

1) Określ parametry transmitancji obiektu stosując metodę siecznej oraz stycznej.

2) Określ przebieg odpowiedzi skokowej obiektu obliczony na podstawie przyjętych

transmitancji i dokonaj porównania z przebiegiem rzeczywistym.

3) Narysuj schemat blokowy badanego obiektu regulacji oraz przeprowadź jego analizę.

4) Narysuj charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadź analizę właściwości

statycznych obiektu,

5) Określ na podstawie charakterystyki statycznej obiektu możliwe punkty pracy układu

regulacji

6) Porównaj wartość wzmocnienia obiektu k

ob

otrzymaną z charakterystyki statycznej

obiektu oraz z charakterystyki skokowej. Skomentuj otrzymane wyniki.

7) Określ na podstawie schematu blokowego obiektu jaki winien być kierunek działania

regulatora w układzie zamkniętym.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

19

5. LITERATURA

1.Kościelny W.J.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki dla

studiów wieczorowych, WPW, 1997, 2001.

2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980
3. Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976