background image

 

POLITECHNIKA POZNAŃSKA 

INSTYTUT AUTOMATYKI I INŻYNIERII INFORMATYCZNEJ 

Zakład Automatyki i Robotyki 

Laboratorium podstaw automatyki 

 

Ćwiczenie nr 9 
Temat: Regulacja trójpołożeniowa 

Rok akad. 2007/2008 

Michał Kaczmarek 

Michał Fularz

 

 

Wykonanie ćwiczenia 

 

17.12.2007r. 

 

Oddanie sprawozdania 

 

07.01.2008r. 

Wydział Elektryczny 
Studia dzienne 
Automatyka i robotyka 
Grupa A1 

Ocena: 

UWAGI: 

 

1.  CEL ĆWICZENIA 

Ćwiczenie  ma  na  celu  zapoznanie  się  z  zagadnieniem  regulacji  trój  stawnej  na  przykładzie  układu 

regulacji temperatury i serwomechanizmu przekaźnikowego. Przedstawia ono problem dynamicznej korekcji 
działania regulatora będącego trójpołożeniowym przekaźnikiem histerezą i strefą martwą.  

2.  PRZEBIEG ĆWICZENIA 
2.1.  Regulacja trójpołożeniowa bez korekcji 

Dla  zadanych  parametrów  obiektu  regulacji  określić  wpływ  szerokości  strefy  histerezy,  strefy 

nieczułości i wartości temperatury zadanej na oscyloskopie wielkości regulowanej.  

· 

Wpływ strefy histerezy H 
Badanie przeprowadziliśmy zmieniając strefę histerezy dla temperatury 15

0

C.  

Odpowiedzi skokowe 

 

Uchyb regulacji 

 

 

 

background image

 

Odpowiedz skokowa I 

 

Odpowiedz skokowa II 

 

Odpowiedz skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Zmiana  szerokości  strefy  histerezy  H  przekaźnika  trójpołożeniowego  ma  duży  wpływ  na  odpowiedź  skokową. 

Wraz ze wzrostem strefy rośnie amplituda oscylacji oraz maleje częstotliwość. Wraz ze wzrostem amplitudy oscylacji 
rośnie wartość uchybu. Wartości dla poszczególnych szerokości stref histerezy H: 

-  H=1

0

C:  A=7

0

C, f=0.0033 Hz, y

śr

=15

0

C, 

-  H=4

0

C: A=8

0

C, f=0.0028 Hz, y

śr

=15

0

C, 

-  H=8

0

C: A=10

0

C, f=0.0023 Hz, y

śr

=15

0

     Oscylacje mają większą częstotliwość, a wartość międzyszczytowa odpowiedzi maleje.  
     Wykresy  poszczególnych  odpowiedzi  skokowych  przedstawiają  również  momenty  przełączania  się  przekaźnika. 
Widoczny  jest  efekt  zwiększenia  strefy  histerezy-  dłuższy  czas  przełączania,  więcej  „schodków”.    Czas  sygnału 

sterującego  obiektem  wraz  ze  wzrostem  H  ulega  zwiększeniu.  Czym  większa  histereza  tym  proces  załączenia  trwa 
dłużej.  
      W  stanie  ustalonym  sygnał  uchybu  ma  charakter  oscylacyjny.  Widoczne  jest  na  wykresie,  że  uchyb  oscyluje 
wokół zera. Regulator nie jest w stanie utrzymać stałej wartości na swoim wyjściu. Sygnał jest albo zwiększany albo 

zmniejszany- oscylacje zawsze występują.

  

 

 

 

background image

 

· 

Wpływ strefy nieczułości B 
Badanie przeprowadzone dla temperatury 15

0

C. 

Odpowiedzi skokowe 

 

Uchyb regulacji 

 

Odpowiedz skokowa I 

 

Odpowiedz skokowa II 

 

Odpowiedz skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Zmiana  szerokości  strefy  nieczułości  B  ma  wpływ  podobnie  jak  poprzednio  na  częstotliwość  oraz  amplitudę.  
Gdy  zwiększamy  szerokość  strefy  nieczułości  B,  to  maleje  częstotliwość  przełączeń  i  amplituda  oscylacji.  
Dla mniejszych wartości B częstotliwość sygnału uchybu jest duża, natomiast wartość uchybu maleje. Uchyb również 

oscyluje w pobliżu zera. Wartości dla poszczególnych szerokości strefy nieczułości: 

-  B=1

0

C: A=6

0

C, f=0.004 Hz, y

śr

=15

0

C, 

-  B=2

0

C: A=7

0

C, f=0.0033 Hz, y

śr

=15

0

C, 

-  B=5

0

C: A=7.5

0

C, f=0.0031 Hz, y

śr

=15

0

C. 

 

 

 

background image

 

· 

Wpływ temperatury zadanej – 7

0

Odpowiedzi skokowe 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący siłownikiem i zaworem 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Analizując  wpływ  temperatury  zadanej  dla  7

0

C  łatwo  można  dostrzec  na  wykresie  odpowiedzi  skokowej 

oscylacyjny  charakter  przebiegu  odpowiedzi.  Oscylacje  rosną  powyżej  wartości  zadanej  aż  do  temperatury  18

0

C, 

natomiast  poniżej  zaledwie  do  3

0

C.  Wynika  z  tego,  że  oscylacje  nie  są  symetryczne  względem  wartości  zadanej. 

Wartości dla zmiennej temperatury zadanej: 

-  f=0.0025 Hz, A=10.5

0

C, y

śr

=10

0

     Sygnał sterujący siłownikiem i zaworem również nie jest symetryczny. Czas załączanie jest minimalnie dłuższy od 
czasu wyłączania.  

 

· 

Wpływ temperatury zadanej – 15

0

Odpowiedzi skokowe 

 

Uchyb regulacji 

 

 

 

background image

 

Sygnał sterujący siłownikiem i zaworem 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Badając wpływ temperatury zadanej przy 15

0

C pozwala zauważyć, iż oscylacje przebiegają w zakresie plus-minus 

8

0

C. Wartości dla zmiennej wartości zadanej: 

-  f=0.0025 Hz, A=15

0

C. 

     Oscylacje  uchybu  podobnie  jak  poprzednio  oscylują  w  granicach  zera.  Sygnał  sterujący  siłownikiem  
i zaworem jest symetryczny, tzn. czas załączenia i wyłączenia jest taki sam.

 

 

· 

Wpływ temperatury zadanej – 27

0

Odpowiedzi skokowe 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący siłownikiem i zaworem 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Ostatnią badaną temperaturą jest 27

0

C. Wykres odpowiedzi skokowej ukazuje nam, iż temperatura wyjściowa jest 

wyższa i osiąga wartość 30

0

C. Jest to dokładnie widoczne na charakterystyce uchybu. Zarówno odpowiedz skokowa 

jak i uchyb nie wpadają w oscylacje, ich wartość jest cały czas stała. Sterowanie siłownikiem i zaworem odbywa się 

tylko jednokrotnie. Następuje załączenie przekaźnika i działa on cały czas. Nie występuje sygnał wyłączający.  

 

background image

 

2.2.  Układ z korekcją (PD) 

 

Zbadać wpływ na jakość regulacji i charakter przebiegów przejściowych.: 

-  wzmocnienia k

1

-  stałej czasowej T

1

-  szerokości strefy histerezy H, 
-  szerokości strefy nieczułości B, 

wybierając dla każdego ze zmienianych parametrów trzy wartości.  

· 

Zmienne wzmocnienie k

1

 w torze sprzężenia zwrotnego 

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Sygnał ze sprzężenia korekcyjnego 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

background image

 

Odpowiedź skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Analizując  wpływ  zmiany  wzmocnienia  w  torze  sprzężenia  zwrotnego  można  dostrzec,  iż  mniejsza  wartość  jest 
dużo lepsza. Dla 1

0

C wartość wyjściowa najszybciej zbliża się do wartości zadanej. Już po 1000s następuje ustalenie 

się  stałej  temperatury  delikatnie  poniżej  zadanej.  Wzrost  wzmocnienia  powoduje  wydłużenie  się  czasu  ustalania 

odpowiedzi. Dla 15

0

C ustalenie temperatury trwa bardzo, bardzo długo. Wykres sygnału sterującego przekaźnikiem 

przedstawia  moment  przeczenia  przekaźnika  dla  1

0

C,  natomiast  dla  15

0

Cwystępuje  jednokrotne  załączenie.  

Sygnał  ze  sprężenia  korekcyjnego  podobnie  jak  w  odpowiedzi  skokowej  m  największą  wartość  dla  dużego 
wzmocnienia.  Poszczególne  odpowiedzi  skokowe  zawierają  także  charakterystyki  łączeniowe  przekaźnika.  

Dobrze  widoczna  jest  zmiana  ilości  przełączeń  wraz  ze  wzrostem wzmocnienia.  Czym  gorsze  przeniesienie  sygnału 
wymuszającego tym następuje większa ilość łączeń.  

 

· 

Zmienna stała czasowa T

1

 w torze sprzężenia  

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Sygnał ze sprzężenia korekcyjnego 

 

 

 

background image

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Zmiana  stałej  czasowej  T

1

  w  torze  sprzężenia  ma  decydujący  wpływ  na  szybkość  regulacji  oraz  wartość  i  czas 

oscylacji  sygnału  wyjściowego.  Mała  stała  czasowa  wprowadza  szybkie  narastanie  aż  do  przeregulowania  wartości 
zadanej.  Duża  stała  powoduj  początkowo  niedoregulowanie  wyjścia  poprzez  oscylacje  i  ustalenie  się  poziomu 
przejściowego.  Najlepszy  efekt  uzyskujemy  przy  stałej  czasowej  150s,  wtedy  to  występuje  stopniowe  narastanie  

do  wartości  ustalonej,  która  jest  troszkę  poniżej  wartości  zadanej-  nie  występują  oscylacje.  Uchyb  ma  największa 

wartość przy największej stałej czasowej.  
     Przekaźnik  jest  najczęściej  załączany  przy  małej  stałej  czasowej,  jego  zwłoka  jest  najmniejsza.  
Analogicznie  najmniejsza  liczba  przełączeń  występuje  przy  dużej  stałej  czasowej.  Najlepiej  czasy  przeczeń  widać  

na poszczególnych charakterystykach odpowiedzi skokowych. 

 

 

· 

Zmienna szerokość strefy histerezy H 

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

 

 

background image

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Sygnał ze sprzężenia korekcyjnego 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Zmienna  strefa  histerezy  wpływa  na  wartość  wyjściową.  Ustawiając  w  przekaźniku  mała  stałą  czasową  0.1

0

szybko  osiągamy  wartość  bliską  zadanej.  Delikatny  wzrost  powoduje  spadek  wartości  wyjściowej.  

Najbliżej  z  wartością  wyjściową  jesteśmy  przy  dużej  strefie  histerezy.  Jednakże  występuje  pewien  „przeskok 
poziomów”, początkowy uchyb jest największy.  

     Sygnał  ze  sprzężenia  korekcyjnego  przy  największej  strefie  histerezy  wpada  w  większe  oscylacje  aniżeli  
przy małej histerezie H.  

     Zwiększenie  histerezy  znacznie  wpływa  na  ilość  przełączeń  przekaźnika.  Duża  histereza  pozwala  na  małą  
liczbę przełączeń.  

 

 

 

background image

10 

 

· 

Zmienna strefa nieczułości B 

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

 

Sygnał ze sprzężenia korekcyjnego 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

 

 

background image

11 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

Sygnał sterujący obiektem 

 

     Strefa  nieczułości  ma  bardzo  podobny  wpływ  jak  histereza.  Dla  małej  wartości  osiągamy  wartość  wyjściową 
najbliższą wejściowej. Zwiększenie powoduje łagodniejsze ustabilizowanie się temperatury. Ustawiając dużą wartość 
strefy martwej osiągamy przeregulowanie powyżej temperatury zadanej 

     Najmniejszy uchyb występuje przy strefie nieczułości B=1

0

C. Zwiększa się wraz ze wzrostem owej strefy. 

Odwrotny  efekt  niż  poprzednio  uzyskuje  się  przy  ilości  przełączeń  przekaźnika.  Czym  mniejsza  wartość  tym 

przełączeń jest mniej.   

 

 

 

background image

12 

 

2.3.  Wpływ  wartości  parametrów  na  odpowiedź  skokową  serwomechanizmu 

przekaźnikowego bez sprzężenia tachometrycznego 

Określić wpływ wartości parametrów układu na odpowiedź skokową: 

-  szerokości strefy histerezy H, 

 wybierając dla każdego ze zmienianych parametrów trzy wartości. 

· 

Zmienna szerokość strefy histerezy H  

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

     Zmiana  szerokości  strefy  histerezy  H  ma  znaczny 
wpływ  na  oscylacje  odpowiedzi.  Czym  większa  histereza 

tym  oscylacje  są  większe.  Najkorzystniejszym  jest 
ustawienie małej wartości histerezy H, gdyż obiekt ulega 

najszybszemu  wyregulowaniu-  oscylacje  są  najmocniej 

tłumione. 
     Podobnie  jest  z  uchybem,  który  osiąga  wartości 
najbliższe zeru przy małej histerezie.  

    Analizując  poszczególne  odpowiedzi  skokowe  łatwo 

można zauważyć wpływ histerezy na moment przełączeń 
przekaźnika.  Początkowo  przekaźnik  załącza  się  na 
dłuższy  czas,  lecz  po  około  50s,  następuje  wzrost 

krótkich  impulsowych  załączeń,  występujących  co  około 
10s.  Najkorzystniejsza  dla  przekaźnika  jest  średnia 

wartość  histerezy,  gdyż  przełączenia  są  w  miarę 

jednolite.  

 

background image

13 

 

2.4.  Wpływ  wartości  parametrów  na  odpowiedź  skokową  serwomechanizmu 

przekaźnikowego ze sprzężeniem tachometrycznym 

Określić wpływ wartości parametrów układu na odpowiedź skokową: 

-  szerokości strefy histerezy H, 
-  szerokości strefy nieczułości B, 
-  wzmocnienia prądnicy tachometrycznej k

t

wybierając dla każdego ze zmienianych parametrów trzy wartości.  

· 

Zmienna szerokość strefy histerezy H  

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

background image

14 

 

     Wprowadzenie  dodatkowego  sprzężenia  tachometrycznego,  czyli  członu  proporcjonalnego  do  prędkości  ma 

znaczący  wpływ  na  odpowiedz  skokową.  Sprzężenie  likwiduje  oscylacje  występujące  w  układzie  bez  korekcji. 

Odwrotnie  jak  poprzednio  działa  zmiana  strefy  histerezy.  Tym  razem  korzystniejsza  jest  większa  histereza.  
Wartość wyjściowa od razu jest zbliżona do wejściowej. Uchyb jest największy dla małej wartości histerezy. 
    Wraz  ze  wzrostem  histerezy  maleje  również  częstotliwość  przełączeń  przekaźnika,  które  to  zjawisko  jest  bardzo 

korzystne. 

 

 

· 

Zmienna szerokość strefy nieczułości B  

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

     

Wpływ  szerokości  strefy  martwej  jest  odwrotny  aniżeli  histerezy.  Mała  strefa  martwa  wprowadza  znaczne 

oscylacje  wokół  wartości  zadanej.  Duża  znaczny  wzrost,  oraz  wydłuża  czas  ustalania  się  odpowiedzi. 
Najkorzystniejsza jest wartość pośrednia, dzięki, której przy małym początkowym przeregulowaniu osiągamy szybko 

wartość pożądaną. Uchyb analogiczne do odpowiedzi skokowej jest największy dla dużej strefy nieczułości.  

background image

15 

 

     Podobnie  sprawa  się  ma  z  częstotliwością  przełączeń  przekaźnika.  Dla  małej  wartości  przekaźnik  przełącza  się 

dosyć  często  w  dużych  odstępach  czasu.  Duża  wartość  wprowadza  częste  przełączenia  w  początkowej  fazie 

odpowiedzi.  
     Korzystnie  jest  tak  dobrać  strefę  nieczułości,  aby  osiągnąć  wartość  najbliższą  oczekiwanej  przy  małej 
częstotliwości łączeń przekaźnika.  

 

· 

Zmienne wzmocnienie prądnicy tachometrycznej k

t

 

Odpowiedź skokowa 

 

Uchyb regulacji 

 

Sygnał sterujący przekaźnikiem 

 

Odpowiedź skokowa I 

 

Odpowiedź skokowa II 

 

Odpowiedź skokowa III 

 

    Obserwując  wykres  odpowiedzi  skokowej  łatwo  można  dostrzec,  iż  najkorzystniejsze  jest  duże  wzmocnienie 

prądnicy tachometrycznej. Odpowiedź jest wtedy osiągnięta najszybciej z pominięciem oscylacji. Małe wzmocnienie 
wprowadza do układu duże oscylacje i wydłuża czas ustalania się odpowiedzi. Pośrednia wartość posiada początkową 
oscylację  i  ustalenie  się  odpowiedzi,  lecz  powyżej  wartości  oczekiwanej.  Uchyb  jest  odwrotnie  proporcjonalny  do 

wartości wzmocnienia. Czym mniejsze wzmocnienie tym większy uchyb.  

background image

16 

 

     Zmiana  wzmocnienia  wpływa  również  na  częstość  przełączeń  przekaźnika.  Podobnie  jak  wartość  uchybu 

przełączenia są odwrotnie proporcjonalne do wartości wzmocnienia.  

    Korzystne  jest  ustawienie  dużego  wzmocnienia,  gdyż  wtedy  najszybciej,  przy  małej  liczbie  przełączeń  oraz 
pomijając oscylacje dochodzimy do wartości zadanej, której oczekujemy na wyjściu układu.  

 

3.  WNIOSKI 

Wnioski  sprowadzę  jedynie  do  krótkiego  podsumowania,  gdyż  wszystkie  wykresy  były  opisywane  

na bieżąco.  

Układ  regulacji  temperatury  co  było  do  przewidzenia  działa  lepiej  z  korekcją.  Temperatura,  którą 

osiąga  jest  szybsza  oraz  stabilniejsza.  Wyeliminowane  są  oscylacje  sygnału  wyjściowego.  
Zmiana parametrów przekaźnika, tj. szerokości histerezy H, szerokości strefy martwej B ma znaczny wpływ 
na  wyjście  układu.  Raz  jest  to  zmniejszenie  czasu  ustalania  się  odpowiedzi  innym  razem  zmniejszenie 
oscylacji. 

 

Regulacja  prędkości  w  układzie  ze  sprzężeniem  tachometrycznym  jest  dużo  korzystniejsza,  aniżeli 

bez  korekcji.  Prędkość  ustala  się  na  jednym  zadanym  poziomie  już  po  około  40s.  Układ  bez  korekcji 
wprowadza  oscylacje  wokół  wartości  oczekiwanej.  Podobnie  jak  w  układzie  regulacji  temperatury  zmiana 
parametrów  przekaźnika  jak  i  wzmocnienia  prądnicy  tachometrycznej  ma  duży  wpływ  na  prędkość 
wyjściową.  Korzystne  jest  zwiększenie  wzmocnienia  k

t

,  histerezy  H,  oraz  ustawienie  strefy  nieczułości  

na wartość pośrednią, zależną od poprzednich czynników.