39 Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Danuta Pawełczyk
Jacek Krzysztoforski

Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi
311[07].Z7.03

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2006

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
mgr inż. Anna Górska
mgr inż. Grzegorz Śmigielski

Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Danuta Pawełczyk

Konsultacja:
mgr inż. Gabriela Poloczek

Korekta:

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[07].Z7.03

„Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi”, zawartego w modułowym programie
nauczania dla zawodu Technik elektronik.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa)

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Regulacja trójstawna (trójpołożeniowa)

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Aparatowe regulatory i sterowniki

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Regulator wielofunkcyjny

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik, będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o budowie, zasadzie działania

i przeznaczeniu regulatorów nieciągłych, dwu- i trójstawnych, a także ułatwi wykonywanie
ćwiczeń, zadań oraz umożliwi Tobie przygotowanie się do czekających w przyszłości
egzaminów.

Poradnik ten zawiera:

1. Wymagania wstępne - wykaz niezbędnych umiejętności i zakres wiedzy, które powinieneś

mieć opanowane, aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej.

2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej.
3. Materiał nauczania (rozdział 4) umożliwiający samodzielne przygotowanie się do

wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj materiał nauczania do
poszerzenia wiedzy jak również wskazaną literaturę oraz inne źródła informacji.
Obejmuje on również ćwiczenia, które zawierają:

−

wykaz materiałów, narzędzi i sprzętu potrzebnych do realizacji ćwiczenia,

−

pytania sprawdzające wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczenia,

−

sprawdzian postępów z zestawem pytań sprawdzających opanowanie Twojej
wiedzy i umiejętności określonych w tej jednostce modułowej.

4. Sprawdzian osiągnięć zawierający zestaw pytań sprawdzających Twoje opanowanie wiedzy

i umiejętności z zakresu całej jednostki. Zaliczenie tego sprawdzianu jest dowodem
osiągnięcia umiejętności praktycznych określonych w tej jednostce modułowej. Jeżeli masz
trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela o wyjaśnienie
i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność. Po przerobieniu
materiału spróbuj zaliczyć sprawdzian z zakresu jednostki modułowej.
Jednostka modułowa: „Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi”, której

treści teraz poznasz, jest jedną z jednostek koniecznych do zapoznania się z sterowaniem
procesami technologicznymi z zastosowaniem regulatorów nieciągłych, co w przyszłości
pozwoli Ci na zrozumienie działania urządzeń, z jakimi spotykasz się na co dzień, a także
pozwoli na podjęcie prac projektowych, montażowych, konserwatorskich związanych
z sterowaniem.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni, laboratorium musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

bhp oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Przepisy
te poznasz podczas trwania nauki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych w module

”Montowanie i eksploatowanie układów automatyki elektronicznej”

Moduł 311[07].Z7

Montowanie i eksploatowanie układów

automatyki elektronicznej

311[07].Z7.01

Montowanie i testowanie połączeń

układów automatyki

311[07].Z7.02

Badanie układów sterowania

z regulatorami ciągłymi

311[07].Z7.02

Badanie układów sterowania

z regulatorami naciągłymi

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

charakteryzować podstawowe zjawiska zachodzące w polu elektrycznym, magnetycznym
i elektromagnetycznym,

−

mierzyć podstawowe wielkości elektryczne i parametry elementów elektrycznych,

−

dobierać metody i przyrządy pomiarowe,

−

przedstawiać wyniki pomiarów w różnej formie,

−

interpretować wyniki pomiarów,

−

wyjaśniać ogólne zasady działania i bezpiecznego użytkowania podstawowych maszyn
i urządzeń elektrycznych,

−

klasyfikować elementy i układy elektroniczne,

−

analizować działanie podstawowych elementów i układów elektronicznych,

−

klasyfikować elementy i układy automatyki,

−

rozróżniać podstawowe człony dynamiczne na podstawie charakterystyk skokowych,

−

określać rolę poszczególnych elementów w układach automatycznej regulacji,

−

analizować działanie podstawowych układów automatyki,

−

korzystać z różnych źródeł informacji o elementach, podzespołach i układach
elektronicznych oraz elementach i układach automatyki,

−

rysować schemat blokowy układu automatycznej regulacji,

−

klasyfikować układ sterowania,

−

klasyfikować układy automatycznej regulacji,

−

klasyfikować regulatory,

−

charakteryzować regulatory ciągłe, dwustawne i trójstawne,

−

charakteryzować parametry sterowników mikroprocesorowych,

−

programować sterownik,

−

podłączać do sterownika elementy sterujące,

−

uruchamiać i prezentować układ sterowania,

−

analizować pracę regulatorów ciągłych i nieliniowych,

−

programować regulatory ciągłe i nieliniowe,

−

sporządzać charakterystyki statyczne i dynamiczne przetworników pomiarowych
i elementów wykonawczych,

−

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy podczas montowania i uruchamiania
elementów i rządzeń automatyki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku procesu kształcenia powinieneś umieć:

−

zmontować układ sterowania z regulatorem nieciągłym,

−

zaplanować eksperyment pomiarowy w celu przeprowadzenia identyfikacji obiektu,

−

wykonać zaplanowany eksperyment i zarejestrować odpowiednie zmienne procesowe,

−

wyznaczyć parametry przybliżonego modelu obiektu na podstawie zarejestrowanych
przebiegów,

−

wyznaczyć nastawy regulatora dwustawnego i trójstawnego dla przyjętej metody doboru
optymalnych nastaw,

−

zaprogramować regulator,

−

uruchomić układ sterowania i przeprowadzić rejestrację zmiennych procesowych,

−

zinterpretować wyniki otrzymane dla sterowania z optymalnymi nastawami.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa)

4.1.1. Materiał nauczania

Do tej pory poznawałeś liniowe układy regulacji, łatwiejsze do badania i projektowania.

W rzeczywistości, w praktycznych zastosowaniach, poza tymi układami zetkniesz się
z układami regulacji nieliniowymi i dyskretnymi. Ponieważ do ich rozpatrywania niezbędne jest
opanowanie elementów wyższej matematyki, ograniczymy się do prostszych przypadków,
istotnych ze względów praktycznych, ułatwiających zrozumienie zasady działania i regulacji
tych układów.

Nieliniowości występujące w układach regulacji są najczęściej spowodowane

ograniczeniami zmian sygnału wyjściowego w elementach i układach oraz szkodliwymi
czynnikami wpływającymi na stany nieustalone układów (np. tarcie, luzy w przekładniach).
W układach liniowych, nieliniowości mają charakter pasożytniczy. Zmniejszenie nieliniowości
jest technicznie możliwe lecz znacznie podnosi koszty urządzeń. Niekiedy celowo stosuje się
elementy nieliniowe, ponieważ są tanie lub korzystne z innych powodów. Przekaźnik
elektromechaniczny, nieliniowy element, jest stosowany bardzo często. Jego zalety, to niska
cena, małe gabaryty i ciężar oraz dobre właściwości przełączania.

Występowanie nieliniowości w układach regulacji może być przyczyną powstania zjawisk,

niemożliwych do wyjaśnienia, jeżeli przyjmie się że rozpatrywany układ jest liniowy. Pojawiają
się np. drgania, praca skokami, nie płynne zmiany wielkości zadanej.

Dlatego niezbędne jest poznanie i zrozumienie skutków jakie powoduje występowanie

typowych nieliniowości.

Na rys. 1a, przedstawiono schemat budowy przekaźnika elektromechanicznego.

Rys. 1. Przekaźnik elektromechaniczny [12, s. 187]:

a) schemat budowy, b) schemat połączeń, c) charakterystyka statyczna

W pozycji jak na rysunku, ruchoma kotwica 1, jest przyciskana do lewego styku 2, dzięki

sile przyciągania pochodzącej od magnesu trwałego 3. Bieguny tego magnesu zaznaczono
literami n

; s

. Gdy przez uzwojenie 4 przekaźnika płynie prąd stały, którego kierunek przepływu

jest taki jak na rys. 1a, wytworzony on bieguny, które oznaczono literami n

Jeśli prąd płynący pod wpływem napięcia U

ma dostateczne duże natężenie, to biegun

ruchomej kotwicy jest silniej przyciągany przez biegun s

, niż przez biegun s

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Kotwica zostanie przełączona i oprze się na styku 5. Gdyby prąd płynący w uzwojeniu

4 miał kierunek odwrotny niż na rys. 1a, to kotwica 1 byłaby jeszcze silniej przyciskana do styku 2.

Współdziałanie magnesu trwałego i elektromagnesu, powoduje że kotwica 1 jest

przełączana, zależnie od kierunku prądu przepływającego przez uzwojenie, a więc od polaryzacji
napięcia U

Sprężyna 6 w przekaźniku, zapewnia utrzymanie położenia środkowego kotwicy, jeśli prąd

płynący przez uzwojenia ma małą wartość.

Pomocny w rozważaniu działania przekaźnika może być schemat elektryczny – rys. 1b.

Przekaźnik spolaryzowany, można rozpatrywać jako element o napięciu wejściowym U

napięciu wyjściowym U

. Zależność między tymi napięciami jest nieliniowa – rys. 1c.

Charakterystyka tego elementu posiada strefę nieczułości, w której napięcie wyjściowe U

= 0

pomimo tego, że napięcie U

≠ 0.

Zastosowanie przekaźnika może znacznie uprościć budowę serwomechanizmu.

Rys. 2. Serwomechanizm z przekaźnikiem[14, s. 188]:

a) schemat połączeń, b) schemat blokowy.

Napięcie U

reprezentuje uchyb regulacji. Powoduje przepływ prądu przez uzwojenia

przekaźnika, który przełącza swą zworę i w ten sposób dołącza wirnik silnika wykonawczego do
jednego z dwu źródeł napięcia. Dołączenie wirnika do źródła napięcia U

powoduje taki

kierunek wirowania, aby różnicę kątów

−

(uchyb regulacji) sprowadzić do małej wartości.

Jeśli, uchyb jest dostatecznie mały, zwora przekaźnika znajduje się w położeniu środkowym
między stykami, wirnik silnika nie jest dołączony do źródła o napięcia U

i układ pozostaje

w spoczynku.

Napięcie U

(rys. 2b), wynosi:

(

)

−

[V].

Napięcie U

dołączone do wirnika silnika wykonawczego jest nieliniową funkcją napięcia U

Można więc napisać:

( )

[V].

Efekty nieliniowe wpływają na właściwości statyczne i dynamiczne układów regulacji, przy

czym uwzględnianie ich wpływu zależy w pewnym stopniu od rodzaju zadania sterowania.
Ograniczenie momentu obrotowego i prędkości obrotowej występuje w układzie przestawiania,
kiedy serwomechanizm musi jak najszybciej zmienić położenie, natomiast nie jest istotne
w układach nadążnych, kiedy serwomechanizm cały czas utrzymuje bliskie położenie
pożądanemu.

W nieliniowych charakterystykach statycznych rozmaitych obiektów występują typowe

rodzaje nieliniowości, takie jak: strefa nieczułości (rys. 3 a), nasycenie (rys. 3 b), luz
mechaniczny (rys. 3 a, d), charakterystyka przekaźnikowa (rys. 3c), tarcie (rys. 3 a),
charakterystyka potencjometru (rys. 3 e).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 3. Modele dynamiczne nieliniowe elementów serwomechanizmu [13, s. 87]:

a) silnika (liniowego), przekładni z luzem i obciążeniem z tarciem; b) silnika z ograniczeniem

przyspieszenia; c) silnika z ograniczeniem prędkości obrotowej; d) uproszczona charakterystyka luzu przy

niewielkim, silnie tłumionym obciążeniu; e) charakterystyka potencjometru (statyczna)

Rys. 4. Charakterystyka statyczna elementu nieliniowego [13, s. 88].

W elemencie nieliniowym, wzmocnienie nie jest stałe. Zależy od wartości wielkości

wejściowej i zmian wielkości wejściowej (rys. 4). Jeżeli taki element zastosujemy w układzie
regulacji przeznaczonym do stabilizacji w szerokim zakresie wartości wielkości regulowanej, to
nieliniowość charakterystyki elementu należy uwzględnić. Przy małych zmianach nieliniowość
można pominąć.

Nieliniowości bywają wprowadzane celowo do układów regulacji, np. w układach regulacji

temperatury, poziomu cieczy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Elementy nieliniowe w układzie regulacji mogą pełnić rolę zabezpieczeń. Przykładowo,

w układach zasilaczy z ograniczeniem prądowym, zabezpiecza się element wykonawczy, przed
zniszczeniem przez ograniczenie prądu.

Rys. 5. Charakterystyki zewnętrzne stabilizatorów prądu stałego [13, s. 89]:a) w zakresie pracy liniowej;

b) z ograniczeniem prądowym (charakterystyka 1) oraz z ograniczeniem prądu i mocy (charakterystyka 2)

Analiza wpływu nieliniowości charakterystyki na działanie układu regulacji jest trudna.

Podstawową metodą jest obliczanie odpowiedzi układu na zadane sygnały (korzysta się
z równań różniczkowych nieliniowych opisujących działanie układu – elementy wyższej
matematyki), co wykonuje się zazwyczaj za pomocą komputera, gdyż obliczenia analityczne są
pracochłonne, a czasami niemożliwe. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność
uwzględnienia wielu czynników, w przeciwieństwie do układów liniowych, w których na
podstawie jednego przebiegu można było określić odpowiedzi układu na inne sygnały
wejściowe, czy stabilność układu.

W układach nieliniowych ich właściwości zależeć mogą od amplitudy sygnałów, szybkości

ich narastania, warunków początkowych itp.

Zastosowanie elementów przełączających może znacznie uprościć układy regulacji.

W szczególności proste urządzenia przełączające, działające według zasady: „włączyć, gdy za
mało – wyłączyć, gdy za dużo”, znajdują wiele najrozmaitszych zastosowań, poczynając od
stabilizacji temperatury w lodówce, a kończąc na utrzymywaniu stałej prędkości silników.
Regulacja taka nazywana jest regulacja dwustawną lub dwupołożeniową. Jest to najprostsza
regulacja. W układach regulacji tego typu zadania regulatora spełnia np. przekaźnik
dwupołożeniowy, za którego pośrednictwem następuje załączenie lub wyłączenie np. grzejnika.

Taki sposób działania regulatora powoduje wahania wielkości regulowanej. Przeważnie są

to wahania stałe i periodyczne. Najczęściej zetkniesz się z regulacją tego rodzaju podczas
regulacji temperatury.

Rys. 6. Charakterystyka normalnie otwartych styków przekaźników dwupołożeniowych [18, s. 231]:

a) bez strefy niejednoznaczności, b) ze strefą niejednoznaczności

Jeżeli zerowemu sygnałowi wejściowemu odpowiada stan otwarcia styków, to takie styki

przekaźnika nazywamy normalnie otwartymi. Jeżeli zerowemu sygnałowi wejściowemu
odpowiada stan zamknięcia styków, to takie styki przekaźnika nazywamy normalnie
zamkniętymi. Przykłady konstrukcji przekaźników przedstawione są na rys. 7 i 8.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 7. Przekaźnik kontaktronowy: a) rurka ze stykami; b) uruchamiany polem magnetycznym wytwarzanym

przez cewkę; c) uruchamiany na skutek zbliżenia magnesu trwałego

1 – styk, 2 – cewka, 3 – magnes trwały{10, s. 308].

Rys. 8. Przekaźnik elektromechaniczny [18, s. 231]:

a) bez pośredniczącej kołyski rtęciowej, b) z pośredniczącą kołyską rtęciową.

Zwarcie styków przekaźnika kontaktronowego następuje pod wpływem zewnętrznego pola

magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie nawinięte na rurce zawierającej styki.
Przekaźniki kontaktronowe charakteryzują się dużą niezawodnością i trwałością.

Przekaźniki elektromechaniczne wykorzystują prąd płynący przez uzwojenie przekaźnika.

Staje się on sygnałem sterującym. Strefa niejednoznaczności jest w tym przekaźniku wynikiem
różnicy między wartością prądu potrzebnego do przyciągania zwory a wartością prądu
potrzebnego następnie do jej utrzymania po zamknięciu.

Rys. 9. Przykład prostego układu regulacji temperatury za pomocą regulatora bimetalowego [5, s. 245].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W układzie regulacji przedstawionym na rys. 9, rolę regulatora spełnia wyłącznik

bimetalowy. Jeśli temperatura w komorze grzejnej przekroczy wartość zadaną (nastawioną śrubą
regulacyjną), następuje zadziałanie wyłącznika migowego, co powoduje przerwanie obwodu,
a tym samym wyłączenie grzałki. W przypadku gdy temperatura wewnątrz komory jest niższa
od zadanej, wyłącznik bimetalowy (poprzez wyłącznik migowy) zamyka obwód grzałki.

Rys. 10. Układ dwustawnej regulacji temperatury [14, s. 199].

Rys. 11. Przykładowe przebiegi temperatury w układzie regulacji dwustawnej z uwzględnieniem

wpływu strefy niejednoznaczności [13, s. 92]:a) przebiegi temperatury, b) charakterystyka regulatora

Rys. 12. Odpowiedź skokowa typowego obiektu cieplnego [13, s. 91].

Jak przedstawiono na rys. 12, obiekt cieplny zachowuje się jak element inercyjny

pierwszego rzędu z opóźnieniem.

Pomocnicze sprzężenie zwrotne pozwala na łatwe kształtowanie charakterystyki

regulatorów dwustawnych. Przykład takiego regulatora przedstawiono na rys. 13. Jeśli, na
wejściu wzmacniacza 1 suma sygnałów:

- sygnału z termoelementu (temperatura mierzona),

- sygnału wartości zadanej oraz

- sygnału ujemnego sprzężenia zwrotnego przekroczy

określoną wartość

−

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

to zadziała przekaźnik P, który przez styki włącza napięcie U zasilające grzejnik oraz obwód
ładowania kondensatora C przez rezystor R. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu układ powoduje
włączenie z wyprzedzeniem przekaźnika P. W ten sposób nie dochodzi do zbyt dużych
przeregulowań wielkości regulowanej. Po wyłączeniu przekaźnika maleje temperatura

i zmniejsza się sygnał

sprzężenia zwrotnego ujemnego, bowiem kondensator C rozładowuje

się przez rezystancję wejściową wzmacniacza pomocniczego 2.

Rys. 13. Regulator dwustawny z ujemnym sprzężeniem zwrotnym [14, s. 197]:

a) schemat układu, b) schemat blokowy.

Rys. 14. Zmiany wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej [14, s. 198]:

a) wykresy

( )

oraz

( ) ( )

; b) sygnał sprzężenia zwrotnego

( )

; c) napięcie zasilające grzejnik

Gdy suma sygnałów

dostatecznie zmaleje, ponownie zadziała przekaźnik P i cykl

pracy układu powtarza się.

Rys. 14 przedstawia wykresy czasowe działania układu zobrazowanego na rys. 13. Gdyby

nie było sprzężenia zwrotnego w układzie, przełączanie napięcia U występowałyby przy
sygnałach

osiągających wartości

oraz

. Sytuacja ta odpowiada typowej charakterystyce

statycznej o dodatniej histerezie H przedstawionej na rys. 15a. Zastosowanie ujemnego
sprzężenia zwrotnego, powoduje że regulator włącza napięcie U z wyprzedzeniem, a zatem
uzyskuje się układ mający ujemną histerezę H (rys. 15b). Histereza H uzyskana przy
zastosowaniu ujemnych sprzężeń zwrotnych nazywa się dynamiczną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 15. Charakterystyki statyczne regulatorów dwustawnych z histerezą: a) dodatnią, b) ujemną[14, s. 198].

Regulator dwustawny należy rozpatrywać jako element o nieliniowej charakterystyce

statycznej. Rozpatrując układ przedstawiony na rys. 10, należy zaobserwować, że sygnał
wyjściowy z regulatora przyjmuje tylko dwie wartości: U lub 0. Równanie (przybliżone)
określające właściwości dynamiczne obiektu regulacji ma postać:

( )

(

)

−

gdzie:

T – stała czasowa rozpatrywanego układu regulacji [s],

– czas opóźnienia [s],

U(t – T

) – funkcja U(t) opóźniona o T

Rys. 16. Typowe oscylacje wielkości regulowanej dwustawnie [14, s. 200]:

a) zmiany wielkości regulowanej y, b) zmiany sygnału sterującego

Regulatory przekaźnikowe znajdują szerokie zastosowanie w przemysłowych układach

automatyki dzięki:

−

ich prostocie i niskim kosztom,

−

dużej niezawodności pracy,

−

minimalnych stratach energii w części sterującej,

−

nieczułości na zakłócenia częstotliwości sieci 50 Hz,

−

możliwości pomiaru wielkości wejściowej regulatora,

−

możliwości kształtowania dynamiki przez zastosowanie przystawki sprzężenia zwrotnego.
Do ćwiczeń można zastosować np. regulatory RL1, RL2, RL3 i RK produkowane na licencji

firmy Joens. Regulator RL1 jest regulatorem dwupołożeniowym. Znajduje zastosowanie
w układach regulacji temperatury lub regulacji wielkości, które przetworzone mogą być na
zmianę oporu. Nowszym rozwiązaniem regulatora RL1 jest regulator RL1/s wykonany
z zastosowaniem techniki cyfrowej. Regulator RL1/s przeznaczony jest do pomiaru i regulacji
poziomu cieczy w zbiornikach otwartych (bezciśnieniowych), przy użyciu czujników ciśnienia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

hydrostatycznego. Mierzona wartość słupa cieczy (poziomu) wyświetlana jest w centymetrach
na 4-pozycyjnym wyświetlaczu cyfrowym z rozdzielczością jednego miejsca po przecinku
(1mm). Dwa przekaźniki wyjściowe umożliwiają sterowanie obwodów regulacji poziomu
i obwodów sygnalizujących stany alarmowe.

Rys. 17. Regulator

RL1/s

Aktualny stan przekaźników sygnalizowany jest diodami święcącym umieszczonymi na

płycie czołowej regulatora. Zmianę wartości zadanej

poziomów regulacji oraz nastawianie

wartości poziomów alarmowych umożliwiają trzy przyciski: "PRG" , "-" i "+".

Regulator przystosowany jest do zabudowy modułowej. Możliwość mocowania na szynie

TH 35, zunifikowane wymiary i niewielkie gabarytu zapewniają szybki i estetyczny montaż
w rozdzielnicach elektrycznych.

Cyfrowy regulator poziomu RL1/s mierzy sygnał pomiarowy z przetwornika ciśnienia

hydrostatycznego i wylicza wartość poziomu cieczy znajdującej się w zbiorniku. Wartość
poziomu wyświetlana jest na wyświetlaczu cyfrowym w zależności od aktualnego poziomu
i uprzednio dokonanych nastaw (OFSET – przesuniecie poziomu zerowego oraz GEST – gęstość
właściwa mierzonej cieczy). Stan przekaźników wyjściowych oraz lampek sygnalizacyjnych na
płycie czołowej regulatora poziomu zależy od dokonanych nastaw (L1 - pozom napełniania, dL1
- strefa martwa, AL-L i AL-H – poziomy alarmowe minimalny i maksymalny).

Wartości nastaw można zmieniać za pomocą przycisków: „PRG” (programowanie), „+”

(zwiększanie wartości) i „-„ (zmniejszanie wartości). Ustawione wartości przechowywane są
w pamięci regulatora. Zanik zasilania nie niszczy zawartości pamięci.

Cyfrowy regulator RL1/s posiada jedno wyjście do regulacji pracy zaworu pompy

napełniającej zbiornik i jedno wyjście do sygnalizowania stanów alarmowych.

Poniżej przedstawiono zasadę obsługi i programowania regulatora, by pokazać łatwość

programowania współczesnych regulatorów dwustawnych.

Po załączeniu zasilania regulator poziomu wyświetla przez czas ok. 2 sek. wersję

wykonania, wykonując w tym czasie pomiary wstępne poziomu (ciśnienia hydrostatycznego).
Następnie przechodzi do wyświetlania wartości poziomu i sterowania przekaźnikami
wyjściowymi i diodami świecącymi. Wciśniecie przycisku "PRG" powoduje wyświetlenie na
wyświetlaczu nazwy parametru, który zostanie udostępniony do modyfikacji. Po zwolnieniu
przycisku "PRG" wyświetlana jest (światłem migowym) aktualna wartość parametru, którą
możemy zwiększać przyciskiem "+" lub zmniejszać przyciskiem "-". Przyciskając ponownie
przycisk "PRG" uzyskujemy dostęp do modyfikacji kolejnych parametrów. Ukazanie się napisu
"END" oznacza zakończenie programowania regulatora, a ustawione parametry przepisane
zostają do pamięci. W czasie ustawiania parametrów regulator poziomu wykonuje pomiary
ciśnienia hydrostatycznego i steruje pracą przekaźników i diod świecących.

Do regulatora typu RL1/s mogą być podłączane przetworniki ciśnienia o innych zakresach

pomiarowych (np. 0-10 kPa, 0-100 kPa, 0-500 kPa, 0-700 kPa, 0-1000 kPa), pracujące jako
przetworniki nadciśnienia, ciśnienia absolutnego lub różnicy ciśnień (np. do pomiaru spadku
ciśnienia na filtrach).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Innym typem regulatora, który może być zastosowany do ćwiczeń, jest regulator

temperatury ST-03. Jest on regulatorem dwustawnym z modyfikowaną charakterystyką typu PD.
Dzięki sprzężeniu zwrotnemu uzyskano zmianę częstotliwości załączania regulatora, co pozwala
poprawić dokładność stabilizacji temperatury. Regulator umożliwia kontrolę i sterowanie
temperatury jednego punktu. Posiada on sygnalizację załączenia grzania i sygnalizację przerwy
w obwodzie czujnika. Wyjście regulatora stanowi przekaźnik. Czujnik jest galwanicznie
odizolowany od sieci zasilającej. Wersja z wejściem termoparowym posiada kompensację
zimnych końców termopary.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń

1. Jaki jest powód występowania nieliniowości w układach regulacji?
2. W jaki sposób wyznaczamy strefy nieczułości?
3. Jak działa element dwustawny?
4. W jaki sposób sprzężenie zwrotne wpływa na kształtowanie charakterystyk regulatorów

dwustawnych?

5. Jakie korzyści wynikają z zastosowania regulatorów dwustawnych w przemysłowych

układach automatyki?

6. Jaki przebieg mają charakterystyki statyczne regulatorów dwustawnych z histerezą i bez

histerezy?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zaprojektuj układ sterowania ogniwem Peltiera. Należy uwzględnić temperaturę minimalną

i maksymalną, określoną przez nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia,
2) zapoznać się z parametrami technicznymi ogniwa,
3) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
4) zaprojektować układ,
5) połączyć układ,
6) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
7) nastawić, po sprawdzeniu poprawności połączeń przez nauczyciela i otrzymaniu zezwolenia,

przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

8) wykonać pomiary zgodnie z instrukcją,
9) obserwować wpływ wprowadzanych zmian na działanie układu,
10) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
11) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
12) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układu pomiarowego,

otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

ogniwo Peltiera,

−

zasilacz laboratoryjny,

−

mierniki analogowe,

−

multimetry cyfrowe, w tym jeden z pomiarem temperatury,

−

przewody łączące,

−

katalog lub karty informacyjne ogniwa Peltiera.

Ćwiczenie 2

Zaprojektuj układ sterowania sygnalizacją akustyczną i optyczną układu pomiaru

nieszczelności instalacji gazowej. Nieszczelność jest sygnalizowana akustycznie lub optycznie.
Przyjąć, że odpowiednikiem przekroczenia stanu alarmowego jest pojawienie się w układzie
sygnału logicznego - wysokiego. Wyłączenie sygnalizacji wymaga najpierw usunięcia
nieszczelności (wyłączenie sygnału sygnalizującego nieszczelność), a następnie ręcznego
skasowania.

Układ nie zezwala na wyłączenie sygnalizacji, gdy aktywny jest sygnał nieszczelności.

Ze względów bezpieczeństwa i kosztów czujników gazu, nieszczelność należy zasymulować.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3) zaprojektować układ,
4) połączyć układ,
5) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
6) nastawić, po sprawdzeniu poprawności połączeń przez nauczyciela, przyrządy zgodnie

z instrukcją,

7) wykonać pomiary w wybranych punktach układu, zgodnie z instrukcją,
8) obserwować wpływ wprowadzanych zmian na działanie układu,
9) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
10) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
11) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając schematy układów pomiarowych,

otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz laboratoryjny,

−

sygnalizatory akustyczne (dzwonek, głośnik, itp.) i optyczne (lampa, dioda luminescencyjna, itp.),

−

zestaw ćwiczeniowy, trenażer,

−

multimetry cyfrowe,

−

przewody łączące,

−

instrukcja.

Ćwiczenie można również wykonać wykorzystując stanowisko laboratoryjne wyposażone

w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Zaprojektuj układ sterowania mechanizmem zamykającym i otwierającym bramę garażu.

Brama jest otwarta tylko w razie wolnego miejsca garażowego. Gdy w garażu brak wolnych
miejsc – jest zamknięta. Możliwe jest wtedy otwarcie bramy od wewnątrz w razie wyjazdu
samochodu z garażu. Wprowadź sygnalizację optyczną zajętego miejsca w garażu (max liczba
stanowisk – 5).

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3) zaprojektować układ (algorytm),
4) zaprogramować regulator,
5) połączyć układ,
6) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
7) przystąpić, po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz

otrzymaniu zezwolenia, do sprawdzenia poprawności działania układu,

8) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
9) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
10) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając algorytm działania układu,

wydruk programu, otrzymane wyniki, wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem wielofunkcyjnym,

−

komputer z odpowiednim oprogramowaniem,

−

drukarka,

−

przewody łączące.

Ćwiczenie 4

Montowanie i badanie układu automatycznej regulacji temperatury z regulatorem

dwustawnym (rys. do ćwiczenia).

Rysunek do ćwiczenia 4. Schemat układu regulacji temperatury.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z materiałem teoretycznym o regulacji dwustawnej,
2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3) zapoznać się z elementami składowymi układu regulacji (sprawdzić czy układ jest

odłączony od sieci zasilającej),

4) zbadać właściwości dynamiczne obiektu włączając ręcznie uzwojenie grzejnika,
5) zdjąć charakterystykę obiektu

= f(t),

6) powtórzyć pomiary dla innej mocy grzejnika i dla innego umiejscowienia czujnika

temperatury,

7) wyjaśnić różnice przebiegu otrzymanych krzywych

= f(t),

8) określić wartość temperatury zadanej

równą w przybliżeniu połowie wartości

maksymalnej, dla grzejnika o mniejszej mocy,

9) połączyć układ dwustawnej regulacji temperatury według załączonego schematu na rys. do

ćwiczenia,

10) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
11) przystąpić, po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz

otrzymaniu zezwolenia, do sprawdzenia poprawności działania układu,

12) zarejestrować wahania temperatury i napięcia grzejnika,
13) zmienić moc grzejnika oraz umiejscowienie czujnika,
14) obserwować wpływ powyższych zmian na amplitudę wahań temperatury rejestrowanej,
15) powtórzyć pomiary dla wartości zadanej

większej i mniejszej o 30% od dotychczasowej

wartości zadanej,

16) narysować na papierze milimetrowym otrzymane przebiegi regulacji temperatury,
17) odczytać z wykresu okres zmian, amplitudę zmian,
18) wyznaczyć wartość średnią temperatury dla wartości zadanych,
19) porównać i uzasadnić otrzymane wyniki i wykresy,
20) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
21) dokonać oceny poprawności wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

piec elektryczny,

−

termoelement,

−

wzmacniacz,

−

przekaźnik,

−

zasilacz (transformator z prostownikiem),

−

miernik uniwersalny,

−

stoper,

−

przewody łączące,

−

zeszyt,

−

papier milimetrowy,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 5

Celem ćwiczenia jest montowanie i badanie układu regulacji dwustawnej poziomu cieczy

w zbiorniku z wypływem wymuszonym oraz poznanie budowy i właściwości regulatora
przemysłowego dwustawnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się materiałem teoretycznym dotyczącym regulatorów dwustawnych,
2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3) zapoznać się ze sposobem użycia rejestratora,
4) zapoznać się ze strukturą regulatora, rodzajem i zakresem nastaw oraz możliwością

wyłączenia korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,

5) zmontować układ do zdejmowania charakterystyki statycznej regulatora,
6) dokonać pomiarów a wyniki zanotować w przygotowanej tabelce,
7) wykreślić charakterystykę statyczną regulatora bez korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,
8) wyznaczyć zakres strojenia histerezy H,
9) sporządzić charakterystykę u

śr

= f(ε) dla kilku nastaw regulatorów [u

śr

= t

/( t

+ t

)],

10) wyznaczyć

charakterystykę

skokową

obiektu

przeznaczonego

współpracy

z regulatorem dwustawnym,

11) połączyć układ regulacji z możliwością rejestracji przebiegu poziomu cieczy w zbiorniku,
12) zanotować czasy załączenia i wyłączenia regulatora oraz amplitudę oscylacji,
13) zarejestrować przebiegi poziomu cieczy dla różnych wartości histerezy H regulatora oraz

wielkości natężenia strumienia wypływającego cieczy,

14) sporządzić dokumentację techniczną z wykonanych badań,
15) sporządzić wnioski z przeprowadzonych badań,
16) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulator dwustawny (alternatywnie regulator wielofunkcyjny lub sterownik PLC),

−

instalacja zbiornik cieczy z wypływem wymuszonym,

−

poziomomierz pływakowy,

−

instrukcje obsługi, karty katalogowe, dokumentacja techniczno-ruchowa urządzeń,

−

miernik uniwersalny (alternatywnie układ do rejestracji zmiennych procesowych, np.
miernik uniwersalny z interfejsem, komputer z oprogramowaniem, drukarka),

−

rejestrator,

−

stoper,

−

kartki papieru,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Tak

Nie

Czy potrafisz:

1) zaprojektować układ regulacji dwustawnej temperatury?

2) połączyć układ z sygnalizacją optyczną i akustyczną przekroczenia

wartości ustalonej jako awaryjna?

3) napisać algorytm i wykres czasowy działania układu

realizującego funkcję typu „zał – wył’?

4) napisać program realizujący regulację dwustawną?

5) podłączyć regulator wielofunkcyjny?

6) uruchomić działanie regulatora wielofunkcyjnego?

7) zmodyfikować działanie regulatora wielofunkcyjnego?

8) wyjaśnić wpływ histerezy regulatora dwustawnego na działanie

układu regulacji automatycznej?

9) wyznaczyć z przebiegów regulacji temperatury w układzie regulacji

dwupołożeniowej amplitudę oscylacji, częstotliwość oscylacji, histerezę
przekaźnika?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Regulacja trójstawna (trójpołożeniowa)

4.2.1. Materiał nauczania

Jednym z najtańszych i bardzo popularnych elementów, które można wykorzystać jako

regulatory przy budowie zamkniętych układów automatyki, są przekaźniki trójpołożeniowe.
Istotną ich cechą jest to, że sygnał może przyjmować tylko trzy różne wartości. Produkowane są
regulatory trójwartościowe, w których sygnały sterujące przyjmują wartości odpowiadające
działaniom: grzanie, stygnięcie, chłodzenie, (dotyczy procesu sterowania temperaturą)
lub kierunek wirowania: w prawo, hamowanie, w lewo (dotyczy sterowaniem silników).

Klasycznym

przedstawicielem

elementu

trójpołożeniowego

jest

przekaźnik

elektromagnetyczny, którego charakterystykę statyczną przedstawiono na rys. 18, a konstrukcję
na rys. 19.

Rys.18 . Charakterystyka statyczna przekaźnika trójstawnego

Rys. 19. Spolaryzowany przekaźnik

[18, s. 211]: a - strefa nieczułości; b – strefa niejednoznaczności

elektromechaniczny [18, s. 211]

Poznanie zasady działania przekaźnika przedstawionego na rys. 19 ułatwi zrozumienie

działania elementów trójpołożeniowych.

Wielkością wejściową tego przekaźnika jest prąd płynący w uzwojeniu między punktami

1 – 1’, wielkością wyjściową zaś – napięcie załączone przez ruchomą kotwiczkę k za pomocą
styków 2 lub 2’.

Przekaźniki bezstykowe wykonuje się w postaci elementu wzmacniającego z dodatnim

sprzężeniem zwrotnym(rys. 20).

Rys. 20. Wzmacniacz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym [18, s. 211].

Jeżeli we wzmacniaczu o charakterze elementu inercyjnego pierwszego rzędu zastosuje się

dodatnie sprzężenie zwrotne za pomocą elementu bezinercyjnego, to funkcja przejścia
otrzymanego układu można przedstawić wzorem:

( )

( ) (

)

−

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

gdzie:

- wzmocnienie wzmacniacza,

- funkcja przejścia elementu bezinercyjnego,

- stała czasowa wzmacniacza.

Dla sygnału wejściowego w postaci skoku jednostkowego, sygnał wyjściowy wynosi:

( )















−

Gdy w układzie spełniony jest warunek

≥

i układ zostanie wzbudzony to zachowa się

jak przedstawiono na rys. 21, przy czym uzyskanie ponownie wartości y = 0, wymaga
doprowadzenia do węzła sumacyjnego sygnału ujemnego o wartości bezwzględnej większej od
x

. Jest to charakterystyka elementu dwupołożeniowego ze strefą niejednoznaczności x

O wartości strefy niejednoznaczności decyduje wartość funkcji przejścia

zastosowanego

sprzężenia zwrotnego. Działanie tego elementu przypomina zasadę działania komparatora
analogowego z sprzężeniem zwrotnym.

Rys. 21. Charakterystyka statyczna wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym dla kβ > 1 [18, s. 212]

Przesunięcie charakterystyki wzdłuż osi x można uzyskać, wprowadzając do węzła

sumacyjnego sygnał polaryzujący x

. Otrzymuje się wtedy charakterystykę , jak na rys. 22.

Rys. 22. Charakterystyka statyczna wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym dla kβ > 1

po dodaniu sygnału polaryzującego (strefa nieczułości: x

– x

; strefa niejednoznaczności: x

) [18, s. 212]

Do uzyskania przekaźnika trójpołożeniowego należy zestawić dwa układy przedstawione

powyżej, w sposób przedstawiony na rys. 23.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 23. Schemat blokowy bezstykowego przekaźnika trójpołożeniowego [18, s. 212].

Funkcja opisująca przekaźnika trójpołożeniowego

Przekaźnik trójpołożeniowy jest, jak wynika z jego charakterystyki, elementem

nieliniowym. Do analizy pracy układu automatyki, należy zastosować jedną z metod analizy
układów nieliniowych, np. metodę pierwszej harmonicznej lub metodę płaszczyzny fazowej.
Metody te wymagają znajomości elementów matematyki wyższej. Metoda pierwszej
harmonicznej wymaga znajomości tak zwanej funkcji opisującej danego elementu nieliniowego
(podobnie jak dla regulacji dwustawnej).

Rys. 24. Charakterystyka przekaźnika trójpołożeniowego ze strefą nieczułości [18, s. 213].

Rys. 25. Wyjściowy sygnał przekaźnika przy pobudzeniu sinusoidalnym [18, s. 213].

Funkcję tę obliczamy dla przekaźnika, którego charakterystykę ze strefą nieczułości

przedstawiono na rys. 24. Po podaniu na wejście elementu sygnału sinusoidalnego jak na rys. 25,
otrzymujemy zależność:













−

gdzie:

−

- tzw. norma przekaźnika, zależna od jego danych: strefy nieczułości a i wartości B

sygnału wyjściowego,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−













−

- tzw. znormowana funkcja opisująca przekaźnika,

−

A - amplituda wejściowego sygnału sinusoidalnego.

Zależność znormowanej funkcji opisującej J

od wartości A/a przedstawia rys. 26.

Rys. 26. Przebieg funkcji opisującej J

(A/a) przekaźnika trójpołożeniowego

bez strefy nieczułości [18, s. 214].

Maksimum funkcji J

jest dla wartości A/a = 2 i wynosi J

( 2 ) = 2/π.

Na rys. 27 pokazany jest przebieg funkcji – 1/J

na płaszczyźnie zmiennej zespolonej K(jω).

Rys. 27. Przebieg funkcji

(

)

−

na płaszczyźnie K(jω) [18, s. 215].

Analiza pracy układów regulacji przekaźnikowej metodą pierwszej harmonicznej

Schemat prostego układu regulacji trójstawnej przedstawiono na rys.28.

Rys. 28. Schemat prostego układu regulacji trójstawnej [18, s. 216].

Składa się z części liniowej i przekaźnika (elementu nieliniowego). Warunek wzbudzenia

tego układu można określić wzorem:

( ) ( )

w którym:

( )

- charakterystyka częstotliwościowa części liniowej układu,

J (A)

- funkcja opisująca elementu nieliniowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Korzystając z pojęcia normy przekaźnika, warunkiem powstania oscylacji jest spełnienie

zależności:

( )

lub

( )

= -

Przebieg –1/J

na płaszczyźnie

( )

jest pokazany na rys 29. Symbol ω

180

oznacza

częstotliwość, dla której przesunięcie fazowe między sygnałem wprowadzonym na wejście
części liniowej układu a sygnałem na wyjściu wynosi 180

Rys. 29. Charakterystyka częstotliwościowa obiektu liniowego i funkcja opisująca przekaźnika [18, s. 216].

Z rys. 29 wynika, że warunkiem stabilności absolutnej układu z przekaźnikiem

trójpołożeniowym jest

(

)

180

albo

(

)

180

Jeżeli spełniony jest warunek

(

)

180

, to układ jest na granicy stabilności.

W przypadku, gdy

(

)

180

(na rys. 29 linia przerywana), to dla zaburzeń z < A

układ będzie stabilny, dla zaburzeń z > A

, nastąpi wzbudzenie z amplitudą A

i częstotliwością

180

. Analizując wykresy zamieszczone na rys. 29, można wskazać trzy najprostsze sposoby

ustabilizowania układu w przypadku wzbudzenia przez:

−

zmniejszenie wzmocnienia części liniowej,

−

zmniejszenie wartości sygnału B załączanego przez przekaźnik,

−

zwiększenie strefy nieczułości a przekaźnika.
Zastosowanie jakiejkolwiek z nich pogarsza własności dynamiczne układu. Zapewnienie

stabilizacji układu bez pogarszania własności dynamicznych wymaga wprowadzenia
dodatkowych sprzężeń zwrotnych.

Układy regulacji trójpołożeniowej

Ponieważ regulatory trójstawne stosuje się często w połączeniu z silnikami elektrycznymi

jako urządzeniami wykonawczymi, służącymi np. do przestawiania zaworów, sygnały sterujące
regulatora odpowiadają wtedy włączeniu silnika 1, wyłączeniu (stop) 0 oraz włączeniu silnika

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w przeciwnym kierunku –1. Silnik jest więc sterowany impulsami +1 i – 1, przedzielonymi
sygnałami 0.

Rys. 30. Schematy blokowe układu regulacji z regulatorem krokowym [14, s. 212]:

a)szczegółowy; b) przybliżony; c) uproszczony

Regulator na rys. 30 składa się z dwóch połączonych układów dwustawnych, objętych

układem ujemnego sprzężenia zwrotnego. Steruje on obiektem za pośrednictwem elektrycznego
(silnikowego) członu wykonawczego. Silnikowy element wykonawczy jest członem całkującym.
Włączenie go szeregowo z regulatorem trójstawnym o właściwościach członu PD powoduje
powstanie w efekcie regulatora typu PI. Układy jak przedstawiony na rys. 30 są nazywane
regulatorami krokowymi, ponieważ silnik wykonawczy wykonuje jak gdyby kroki, o długości
zależnej od wartości uchybu.

Rys. 31. Układ trójpołożeniowej regulacji temperatury [12, s. 15].

ZE – zawór elektromagnetyczny, T – przetwornik pomiarowy temperatury, RT – regulator temperatury

Rys. 31 przedstawia regulację temperatury w wymienniku ciepła. Temperatura wody

na wlocie do wymiennika ciepła może być w pewnych przypadkach czasu wyższa od wartości
zadanej. Potrzebne jest więc w tych przedziałach czasu chłodzenie wody. Wielkość sterująca,
czyli ilość energii cieplnej dopływającej do wymiennika, może przyjąć trzy wartości: grzanie –
wyłączenie – chłodzenie.

Inne rozwiązanie, regulacji temperatury, z zastosowaniem regulatora krokowego

przedstawiono na rys. 32. Elementem wykonującym funkcje: załącz w prawo – stop – załącz
w lewo, realizuje serwomechanizm.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 32. Układ regulacji temperatury z regulatorem krokowym [12, s. 16].

SE – silnik elektryczny, PP – przetwornik położenia wału silnika, PT – przekaźnik trójpołożeniowy,

T- przetwornik pomiarowy temperatury, RC – regulator, Z – zawór.

W węźle sumacyjnym, następuje porównanie sygnału wyjściowego z regulatora (sygnał

prądowy) z sygnałem z przetwornika położenia. W przypadku nierówności sygnałów
(z uwzględnieniem stref nieczułości i strefy niejednoznaczności) następuje uruchomienie silnika
w odpowiednim kierunku, aż do zrównania się tych sygnałów.
Dobór optymalnych nastaw regulatorów krokowych

Układy z regulatorami krokowymi i regulatorami ciągłymi mają wiele cech wspólnych, lecz

także istotne różnice. Praca regulatorów krokowych w układach regulacji nie jest taka sama jak
regulatorów ciągłych. Mimo, że przekaźnikowe sygnały wyjściowe regulatorów krokowych są
„uciąglone” dzięki stosowaniu całkowych elementów wykonawczych (serwomotorów
elektrycznych), to sygnały nastawcze na skutek działania „krokowego” regulatorów nie
zmieniają się całkowicie płynnie. Zjawisko to może być przyczyną powstawania oscylacji
zależnych od wartości „kroków” serwomotoru, a nie występujące w układach regulacji ciągłej.

Następna różnica między pracą regulatorów ciągłych a pracą regulatorów krokowych

w układach regulacji to obecność uchybów ustalonych w przypadku stosowania astatycznych
regulatorów krokowych (typu PI lub PID). Przyczyną ich występowania jest strefa nieczułości
we wzmacniaczach o trójpołożeniowej charakterystyce przekaźnikowej.

Kolejna różnica to występowanie we wzorze określającym współczynnik wzmocnienia

regulatora krokowego stałej czasowej T

silnika. W związku z tym należy odpowiednią jej

wartość również uwzględnić podczas doboru optymalnych nastaw.

Również w trakcie oceny jakości regulacji układów z regulatorami krokowymi należy

uwzględnić częstotliwość przełączeń silnika (wiąże się to z szybkością zużywania elementu
przekaźnikowego).

Z powyższych względów wynika, że dostrajanie regulatorów krokowych w układach

regulacji jest bardziej złożone niż dostrajanie regulatorów ciągłych.

Cechą szczególną regulatorów krokowych jest występowanie w nich wzmacniaczy

o charakterystyce przekaźnikowej posiadających strefę nieczułości Δ i strefę histerezy H. Sygnał
wyjściowy regulatora o postaci impulsów prostokątnych uruchamia silnik (element całkujący
o stałej czasowej T

), oddziałujący na obiekt regulacji poprzez przesunięcie zaworu,

przepustnicy czy innego elementu nastawczego.

W stanie ustalonym w układzie regulacji należy uzyskać możliwie małą strefę nieczułości Δ,

bowiem im strefa ta jest mniejsza, tym ustalony uchyb regulacji jest mniejszy. Natomiast okres
impulsowania wzmacniacza powinien być możliwie długi dla małych uchybów regulacji, aby
element wykonawczy nie działał zbyt często, ponieważ prowadzi do szybkiego zużycia się jego
części składowych. Miarą dostrojenia w stanie ustalonym regulatora krokowego do obiektu jest
stosunek okresu impulsowania do wartości bezwzględnej uchybu w stanie ustalonym.
Im wartość tego stosunku jest większa, tym dostrojenie regulatora jest lepsze.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jakość dostrojenia regulatora zależy także od własności dynamicznych regulowanego

obiektu (nastaw regulatora). Również wzrost stosunku histerezy H do wartości strefy nieczułości

Δ powoduje lepsze działanie regulatora w stanie ustalonym. W praktyce stosunek ten (|

∆

zwykle nie przekracza wartości 0,5, bowiem zbyt duża strefa histerezy doprowadza do
niestabilności układu regulacji.

Ze względu na możliwość wystąpienia oscylacji w stanie nieustalonym wartość stosunku

∆

|) jest ograniczona od góry i zależy od stałej czasowej serwomotoru T

oraz od własności

obiektu (K

) i nastaw regulatora (T

). Wartość optymalnych nastaw k

, T

regulatorów

krokowych są niemal takie same jak dla regulatorów ciągłych., jeśli tylko stałe czasowe
regulowanych obiektów są dostatecznie duże w stosunku do stałych czasowych wzmacniacza
regulatora i serwomotoru. Wynika stąd, że doboru nastaw dokonuje się w taki sam sposób, jak
dla regulatorów ciągłych.

Do układu regulacji należy dokonać jeszcze doboru wartości stałej czasowej serwomotoru,

ponieważ wartość stałej T

zależy od współczynnika wzmocnienia K

obiektu regulacji. Im

wartość współczynnika K

ma większą wartość, tym stała T

powinna być większa. Dla

określenia stałej czasowej T

serwomotoru korzysta się z poniższej tabeli 1.

Tabela 1. Dobór stałej czasowej serwomotoru T

[2, s. 622].

Współczynnik

wzmocnienia

obiektu K

[%]

20 ...50

50 ... 100

100 ... 200 200 ... 300

Ponad

300%

Stała czasowa T

serwomotoru

[s]

60 ...120

120 ... 180 180 ... 300 300 ...600

W rzeczywistych regulatorach przemysłowych strefa nieczułości Δ może wynosić 0,25; 0,5;

1,0; 2,0% maksymalnej wartości sygnałów wejściowych, czas zdwojenia 0,3 < T

< 30 min,

stosunek czasu wyprzedzania do czasu zdwojenia 0 <

< 0,3.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie zalety wynikają z zastosowania elementów trójstawnych w układach regulacji?
2. Jaki wpływ na sterowanie obiektem ma układ trójstawny z histerezą?
3. Jakie parametry układu trójstawnego są najważniejsze?
4. Jakie znasz struktury układów działających tak jak element trójstawny?
5. Jak sprzężenie zwrotne wpływa na kształtowanie charakterystyk regulatorów trójstawnych?
6. W jaki sposób dobiera się optymalne nastawy regulatorów krokowych?
7. Co jest miarą dobroci dostrojenia w stanie ustalonym regulatora krokowego do obiektu?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zaprojektuj układ sterowania silnikiem prądu stałego. Należy przewidzieć zmianę kierunku

obrotów. Uwaga: zmiana kierunków obrotów z prawo (+1) w lewo (-1), odbywa się przez stan
hamownia (0).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

zezwolenia, przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

pomiarowych, otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz laboratoryjny,

−

silnik prądu stałego,

−

zestaw ćwiczeniowy, trenażer,

−

przewody łączące.

Ćwiczenie można również wykonać wykorzystując stanowisko laboratoryjne wyposażone

w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

Ćwiczenie 2

Zaprojektuj układ sterowania sygnalizacją akustyczną i optyczną układu pomiaru

nieszczelności instalacji gazowej. W układzie występują dwa progi: ostrzegawczy i awaryjny.
Przekroczenie dowolnego progu, wyzwala sygnalizację. Uwaga: sygnalizacja informuje o stanie
poprawnej pracy i pozostałych stanach, przy czym, inna sygnalizacja jest dla stanów
ostrzegawczych, a inna dla stanów awaryjnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

pomiarowych, otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz laboratoryjny,

−

sygnalizatory akustyczne (dzwonki, głośniki, itp.) i optyczne (lampy, diody luminescencyjne, itp.),

−

zestaw ćwiczeniowy, trenażer,

−

przewody łączące.

Ćwiczenie można również wykonać wykorzystując stanowisko laboratoryjne wyposażone

w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

Ćwiczenie 3

Zaprojektuj układ sygnalizacji awaryjnej przekroczenia maksymalnego i minimalnego

poziomu cieczy w zbiorniku. Sygnalizacja wystąpienia stanów awaryjnych - akustyczna
i optyczna. W przypadku przekroczenia poziomu maksymalnego zamykany jest zawór
dopływowy cieczy do zbiornika. Sygnalizacja minimalnego poziomu włącza zawór dopływowy
cieczy.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

pomiarowych, otrzymane wyniki, obliczenia i wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zasilacz laboratoryjny,

−

sygnalizatory

akustyczne

(dzwonek,

głośnik,

itp.)

optyczne

(lampa,

dioda

luminescencyjna, itp.),

−

zestaw ćwiczeniowy, trenażer,

−

multimetry cyfrowe,

−

przewody łączące.
Ćwiczenie można również wykonać wykorzystując stanowisko laboratoryjne wyposażone

w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

Ćwiczenie 4

Zaprojektuj układ sterowania bramą garażu. Układ rozróżnia wysokość samochodu

(samochody osobowe i ciężarowe). Brama otwiera się do góry. Brama może znajdować się
w trzech stanach: otwarcia całkowitego, otwarcia do połowy lub zamknięcia, decyduje wysokość
samochodu zamierzającego wjechać do garażu (samochód osobowy lub ciężarowy).
Ograniczeniem jest zajęte miejsce w garażu. – wprowadź sygnalizację optyczną zajętego miejsca
w garażu jak i poziomu otwarcia bramy garażu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie należy wykonać, wykorzystując stanowisko laboratoryjne wyposażone

w regulatory wielofunkcyjne np.: SPS-400, SIPART DR XX, itp.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

otrzymaniu zezwolenia, do sprawdzenia poprawności działania układu,

8) obserwować wpływ wprowadzanych zmian na działanie układu,
9) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
10) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
11) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając algorytm działania układu,

wydruk programu, otrzymane wyniki, wnioski z badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

stanowisko laboratoryjne z aparatowym regulatorem,

−

komputer z odpowiednim oprogramowaniem,

−

drukarka,

−

przewody łączące.

Ćwiczenie 5

Korzystając z programu MATLAB – SIMULINK, zamodeluj układ zgodnie z rys. do

ćwiczenia. Zmieniając parametry: źródła sygnału, elementu nieliniowego, wzmocnienia
elementu inercyjnego, stałej czasowej elementu inercyjnego, zaobserwuj wpływ zmian na
otrzymane przebiegi.

Rys. do ćwiczenia 5.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją wykonania ćwiczenia,
2) uruchomić program w którym zaprojektujesz układ i dokonasz symulacji,
3) zamodelować układ,
4) uruchomić symulację komputerową układu,
5) dokonać zmian w układzie, zmieniając parametry: źródła sygnału, elementu nieliniowego,

wzmocnienia elementu inercyjnego, stałej czasowej elementu inercyjnego,

6) zaobserwować wpływ zmian na działanie układu,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
8) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
9) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając wydruki przebiegów.

Wyposażenie stanowiska pracy

−

instrukcja wykonania ćwiczenia,

−

komputer,

−

oprogramowanie narzędziowe,

−

drukarka,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 6

Korzystając z programu MATLAB – SIMULINK, zamodeluj układ zgodnie z rys. do

ćwiczenia. Zmieniając parametry: źródła sygnału, elementu nieliniowego, wzmocnienia
elementu inercyjnego, stałej czasowej elementu inercyjnego, zaobserwuj wpływ zmian na
otrzymane przebiegi. Porównaj działanie obu układów.

Rys. do ćwiczenia 6.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

wzmocnienia elementu inercyjnego, stałej czasowej elementu inercyjnego,

6) zaobserwować wpływ zmian na działanie układu,
7) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
8) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
9) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, załączając wydruki przebiegów.

Wyposażenie stanowiska pracy

−

instrukcja wykonania ćwiczenia,

−

komputer,

−

oprogramowanie narzędziowe,

−

drukarka,

−

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 7

Wykonaj badanie układu regulacji automatycznej z regulatorem krokowym w układzie jak

na rysunku. Wielkością regulowaną jest temperatura w piecu ogrzewanym gazem.

Rysunek do ćwiczenia 1. Układ regulacji z regulatorem krokowym: 1 – wzmacniacz, 2 , 3 – styczniki,

4 – piec, 5 – silnik nawrotny, 6 – zawór [1, s. 222].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) zapoznać się z właściwościami układu badanego w ćwiczeniu (funkcjami, sposobem

łączenia elementów, możliwością rejestrowania przebiegów),

3) zapoznać się ze sposobem użycia rejestratora,
4) zapoznać się z konstrukcją regulatora,
5) przygotować układ do badań,
6) wyznaczyć charakterystykę statyczną i dynamiczną obiektu regulowanego,
7) wyznaczyć nową wartość zadaną,
8) zaobserwować zmianę zachowania urządzenia wykonawczego,
9) zarejestrować przebieg temperatury w piecu na skokową zmianę wartości zadanej,
10) zmienić ilość dopływającego gazu,
11) zaobserwować zmianę zachowania się układu regulacji w czasie,
12) narysować otrzymane przebiegi,
13) sformułować wnioski,
14) wykonać dokumentację ćwiczenia,
15) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
16) dokonać oceny ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

piec ogrzewany gazem,

−

silnik nawrotny,

−

instalacja gazowa z zaworem nastawczym,

−

wzmacniacz,

−

styczniki,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

układ mostka elektrycznego,

−

czujnik rezystancyjny do pomiaru temperatury wewnątrz pieca,

−

grzejnik oporowy,

−

opornik półprzewodnikowy,

−

rejestrator,

−

miernik uniwersalny,

−

stoper,

−

instrukcje, karty katalogowe urządzeń,

−

papier,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 8

Badanie układu regulacji trójstawnej i krokowej oraz wpływu parametrów poszczególnych

elementów na jakość regulacji.[7, s. 220].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) zapoznać się z właściwościami układu badanego w ćwiczeniu (funkcjami, sposobem

łączenia elementów, możliwością rejestrowania przebiegów),

3) zapoznać się ze sposobem użycia rejestratora,
4) zapoznać się z dokumentacją i konstrukcją regulatora,
5) przygotować układ do badań,
6) wyznaczyć zakres nastaw: strefy nieczułości Δ i histerezy H w elemencie trójstawnym,
7) zapoznać się z silnikiem współpracującym z regulatorem trójstawnym,
8) wyznaczyć czas przejścia pełnego zakresu przez silnik współpracujący z regulatorem

trójstawnym,

9) wyznaczyć charakterystykę statyczną i dynamiczną serwomechanizmu przekaźnikowego,
10) zbadać wpływ parametrów strefy nieczułości Δ i histerezy H na właściwości silnika,
11) wyznaczyć dla regulatora krokowego w układzie otwartym charakterystykę impulsowania –

wypełnienie t

/( t

+ t

) w funkcji uchybu ε (t

, t

– czasy załączenia i wyłączenia wyjścia

przełączanego w jednym okresie impulsowania),

12) zbadać wpływ parametrów Δ i H i nastaw dynamicznych na kształt charakterystyki

impulsowania,

13) wyznaczyć czas przejścia pełnego zakresu przesunięcia silnika współpracującego

z regulatorem krokowym,

14) zarejestrować charakterystykę skokowa regulatora PID (PI) i porównać rzeczywiste

parametry regulatora z odczytanymi na bloku nastaw,

15) zarejestrować odpowiedź obiektu na skokową zmianę wartości zadanej oraz na zmianę

zakłócenia w obiekcie dla układu z regulatorem krokowym,

16) sformułować wnioski,
17) wykonać dokumentację ćwiczenia,
18) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
19) dokonać oceny ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulator trójstawny (alternatywnie regulator wielofunkcyjny wraz z oprogramowaniem do
konfigurowania regulatora lub sterownik PLC),

−

obiekt regulacji (piec ogrzewany gazem),

−

silnik,

−

instrukcje obsługi, karty katalogowe, DTR – Dokumentacja Techniczno - Ruchowa,

−

miernik uniwersalny,

−

rejestrator (alternatywnie układ do rejestracji zmiennych procesowych, np. miernik
uniwersalny z interfejsen, komputer z oprogramowaniem, drukarka),

−

stoper,

−

kartki papieru A4,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura z rozdziału 6.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) zaprojektować układ regulacji temperatury z elementem trójpołożeniowym?

¨ ¨

2) opisać charakterystykę przekaźnika trójpołożeniowego?

¨ ¨

3) zaprojektować bezstykowy przekaźnik trójpołożeniowy?

¨ ¨

4) narysować wyjściowe przebiegi czasowe z elementu

trójpołożeniowego, gdy ulega zmianie strefa nieczułości i amplituda
sygnału wejściowego?

¨ ¨

5) odczytać z charakterystyki częstotliwościowej parametry elementu?

¨ ¨

6) podać wpływ strefy nieczułości Δ i histerezy H na właściwości

serwomechanizmu?

¨ ¨

7) podać wpływ Δ i H na właściwości układu regulacji krokowej?

¨ ¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Aparatowe regulatory i sterowniki

4.3.1. Materiał nauczania

Współczesne układy regulacji to urządzenia mikrokomputerowe, a więc urządzenia cyfrowe

zawierające algorytm PID. Spotyka się różne klasyfikacje tych urządzeń stosowanych do
regulacji i sterowania w zależności od przyjętych kryteriów podziału. Jednak najbardziej
uporządkowany jest podział urządzeń mikrokomputerowych na następujące grupy:

−

aparatowe regulatory PID,

−

przetworniki inteligentne zawierające algorytm PID,

−

aparatowe regulatory i sterowniki wielofunkcyjne,

−

sterowniki logiczne,

−

stacje procesowe zdecentralizowanych systemów sterowania.
Aparatowe regulatory PID mogą obsługiwać jeden lub dwa układy regulacji. Do obsługi

jednego układu regulacji przeznacza się najczęściej od 1 do 2 wejść analogowych prądowych,
napięciowych, rezystancyjnych lub niskonapięciowych (dla termoelementów). Wejścia
analogowe nie są uniwersalne. Regulator PID może pracować jako regulator ciągły, dwustawny,
krokowy. W zależności od wykonania można realizować następujące struktury układów
regulacji:

−

regulację stałowartościową, regulację stosunku i regulację programową w regulatorach
z jednym algorytmem PID,

−

dodatkowo regulację kaskadową i kaskadową regulację stosunku w regulatorach z dwoma
algorytmami PID.
Aparatowe regulatory PID programuje się z panelu operatorskiego. Z urządzeń

produkowanych w Polsce do aparatowych regulatorów PID można zaliczyć, m.in.: RF-537
z ZPDA Ostrów Wlkp., regulatory produkowane przez Lumel w Zielonej Górze. Z urządzeń
zagranicznych należących do grupy aparatowych regulatorów PID, dość często stosuje się
SIPART DR 19/21/22 firmy Siemens oraz regulatory serii UDC firmy Honeywell.

Jeżeli przetwornik pomiarowy, oprócz pomiaru, umożliwia realizację jednego prostego

układu regulacji, to nazywamy go – inteligentnym przetwornikiem pomiarowym. Zawiera on
algorytm PID. Nadaje się do układów regulacji nie wymagających częstych zmian nastaw lub
wartości zadanej. Przetwornik umieszczony jest na obiekcie, w miejscach trudno dostępnych,
będących w ruchu, itp., a programowanie odbywa się za pomocą osobnych, ręcznych
programatorów.

Inteligentne przetworniki pomiarowe produkują m.in. Siemens, Honeywell, Fischer-

Rosemount, a w Polsce Controlmatica na licencji firmy Fischer-Rosemount.

Aparatowe regulatory PID i inteligentne przetworniki pomiarowe mają jedną zasadniczą

wadę, która ogranicza ich zastosowanie. To możliwość realizowania tylko kilku podstawowych
funkcji regulacyjnych. Nie wystarcza to w bardziej złożonych lub nietypowych układach
regulacji i sterowania. W takim przypadku stosuje się aparatowe regulatory wielofunkcyjne,
które mogą pracować nie tylko jako regulatory PID, ale także jako sterowniki logiczne,
programatory zegarowe, przeliczniki wielkości procesowych.

Regulatory wielofunkcyjne, w porównaniu z wyżej opisanymi, posiadają co najmniej dwa

układy regulacji. Posiadają większą liczbę wejść i wyjść. Oprócz podstawowych funkcji
regulacyjnych regulatory wielofunkcyjne mają kilkadziesiąt innych funkcji, takich jak np.:

−

funkcje arytmetyczne – sumowanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie, pierwiastkowanie,
funkcja wykładnicza i logarytmiczna, aproksymatory funkcji, przelicznik przepływu,

−

funkcje logiczne – bramki AND, NAND, OR, NOR, EXOR, przerzutniki T, D, impulsatory,
kalkulatory logiczne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

funkcje czasowe – element inercyjny, różniczkujący, opóźnienie, filtr ze strefą nieczułości,

−

programator czasowy,

−

inne – komparatory, wybieraki minimum i maksimum, ograniczniki, strefa nieczułości.
W porównaniu z tradycyjnym układem sterowania w technice analogowej, każda funkcja to

osobne urządzenie aparatowe. Urządzenie to należy, do realizacji postawionego zadania,
odpowiednio połączyć w trakcie fazy programowania zwanej strukturyzacją.

Funkcje lokowane są w blokach algorytmicznych. Blok jest elementem programowym

regulatora mającym przydzielone zmienne wewnętrzne jako wejścia i wyjścia oraz pewien
obszar pamięci RAM na wyniki pośrednie i pamięci EEPROM na parametry.

W zależności od sposobu przydziału pamięci blokom, bloki te można podzielić

w następujący sposób:

−

bloki o ustalonych funkcjach i indywidualnych przydziałach pamięci,

−

bloki o przyporządkowanych funkcjach i jednakowym przydziale pamięci,

−

bloki o przyporządkowanych funkcjach i dynamicznym przydziale pamięci.
Regulatory tego rodzaju produkowane w kraju to: regulatory EFTRONIK X/XP/F firmy

Controlmatica, PSW/WWT-84/166 firmy ZPDA. Z urządzeń zagranicznych stosowane są
regulatory wielofunkcyjne: SIPART DR 24 firmy Siemens, CD 600 firmy Smar, PROTRONIC
550 firmy Hartmann-Braun.

W przypadku sterowania obrabiarkami, maszynami, urządzeniami, układami zabezpieczeń

wygodnie jest zastosować sterowniki logiczne. Realizują sterowanie kombinacyjne
i sekwencyjne. W związku z tym posiadają wejścia i wyjścia dwustanowe, których liczba może
sięgać nawet do kilku tysięcy. Mikroprocesory sterowników wykonują instrukcje w czasie kilku
mikrosekund. Sterowniki logiczne mają możliwość realizacji układów automatycznej regulacji.
Algorytm PID liczący kilkaset instrukcji znacznie wydłuża czas obliczeń sterownika. W związku
z tym algorytm PID wykonywany jest często przez moduły inteligentne sterownika posiadające
własne procesory. Nie wydłuża się więc cyklu obliczeń głównego procesora.

Sterowniki PLC mogą współpracować z panelami operatorskimi. Jednak często

współpracują z odpowiednimi systemami wizualizacji i nadrzędnego sterowania SCADA.
Programowanie sterowników odbywa się za pomocą firmowych programatorów lub komputerów
PC wyposażonych w odpowiedni program.

W Polsce nie produkuje się sterowników logicznych w większych seriach. Przykładowe

zagraniczne rozwiązania to: S7 200/300/400 firmy Siemens, MODICON firmy Schneider
Elektric, sterowniki firm SAIA, Allen Bradley, GE Fanuc.

Do regulacji i sterowania dużych instalacji technologicznych stosuje się stacje procesowe.

Mają one podstawowe funkcje podobne do funkcji realizowanych przez aparatowe regulatory
wielofunkcyjne. Ponadto mogą realizować wiele innych zadań związanych z optymalizacją,
symulacją procesu i obliczeniami eksploatacyjnymi. Mogą obsługiwać co najmniej kilkanaście
układów regulacji i kilkadziesiąt obwodów sterowania logicznego.

Stacje procesowe współpracują ze stacją operatorską zawierającą firmowy lub uniwersalny

system wizualizacji i sterowania nadrzędnego SCADA.

W Polsce nie produkuje się dużych, scentralizowanych systemów sterowania. Przykładowe

rozwiązania zagraniczne to: SYSTEM TOTAL PLANT SOLUTION firmy Honeywell, RS 3
firmy Fischer-Rosemount oraz PROCONTROL P firmy ABB.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Ile układów regulacji mogą obsługiwać aparatowe regulatory PID?
2. Dlaczego algorytm PID wykonywany jest przez moduły inteligentne sterownika?
3. Jakie zadania spełnia inteligentny przetwornik pomiarowy?
4. Jakie funkcje regulacyjne wykonuje regulator wielofunkcyjny?
5. Jakie sterowanie i regulację zapewniają sterowniki logiczne?
6. Jakie urządzenia stosuje się do regulacji i sterowania dużych instalacji technologicznych?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj prezentacji wybranych regulatorów firm: SAIA, Allen Bradley, GE Fanuc.

Porównaj: dane techniczne, warunki eksploatacyjne, zakres zastosowań, ceny. Skorzystaj
z dostępnych katalogów, czasopism specjalistycznych, internetu. Wyniki poszukiwań przedstaw
w tabeli.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) wyszukać niezbędne informacje i umieścić w tabeli wg wymagań,
2) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
3) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia, porównać parametry regulatorów, napisać

wnioski z analizy dokumentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

komputer z odpowiednim oprogramowaniem i dostępem do internetu,

−

drukarka,

−

katalogi,

−

czasopisma (Pomiary Automatyka Kontrola, Pomiary Automatyka Robotyka).

Ćwiczenie 2

Korzystając z dokumentacji oraz internetu porównaj regulatory RF-537 i SIPART DR 19.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

wnioski z analizy dokumentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

komputer z odpowiednim oprogramowaniem i dostępem do internetu,

−

drukarka,

−

katalogi.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Korzystając z dokumentacji oraz internetu porównaj regulatory PSW/WWT-84/166

i SIPART DR 24.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

wnioski z analizy dokumentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

komputer z odpowiednim oprogramowaniem i dostępem do internetu,

−

drukarka,

−

katalogi.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) rozróżnić sterownik logiczny od aparatowego regulatora PID?

¨ ¨

2) posługiwać się obcojęzyczną dokumentacją dotyczącą regulatorów?

¨ ¨

3) wybrać odpowiedni regulator do postawionego zadania?

¨ ¨

4) zaprogramować regulator?

¨ ¨

5) na schemacie rozpoznać przeznaczenie bloków regulatora?

¨ ¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Regulator wielofunkcyjny

4.4.1. Materiał nauczania

Do najpopularniejszych w Europie urządzeń cyfrowych z algorytmem PID zaliczany jest

regulator SIPART DR 24 (firmy Siemens) – uważany za jeden z najlepszych w swojej klasie.
Inne regulatory, w tym produkowane w firmie ZPDA regulatory PSW/WWT, mają
porównywalne właściwości funkcjonalne.

Regulator SIPART DR 24 w wersji podstawowej zawiera trzy zasadnicze części: zasilacz,

panel operatorski oraz główny obwód drukowany.

Rys. 33. Regulator wielofunkcyjny SIPART DR 24 [12, s. 49].

Użytkownik może swobodnie zaprogramować sposób wykorzystania wszystkich elementów

panelu operatorskiego. Przykładowo, wskaźnika cyfrowego można użyć do wyświetlania
wartości każdej wielkości ciągłej dostępnej podczas programowania regulatora. Wszystkie
elementy obsługi i wskazywania można podłączyć na ich wejściach lub na ich wyjściach do
maksymalnie 4 sygnałów.

Rys. 34. Panel operatorski regulatora SIPART DR 24 [12, s. 50].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32 funkcje proste
w max. 109 blokach

15 funkcji złożonych
z własnymi parametrami
w max. 41 blokach

Nastawialne parametry

Stałe
Sygnalizacja awarii

Panel operatorski zawiera:

−

2 wskaźniki analogowe (bargrafy) dA1 i dA2 z programowalnymi zakresami. Drugiego
bargrafu można, przy odpowiednim zaprogramowaniu, użyć w razie potrzeby jako
10 indywidualnych LED-ów,

−

3 wyświetlacze cyfrowe: dd1 (4½-pozycyjny), dd2 (4½-pozycyjny) i dd3 (3-pozycyjny)
z programowalnymi zakresami i położeniem kropki dziesiętnej,

−

7 klawiszy tA1 do tA7,

−

13 indywidualnych LED-ów.
Istotną cechą regulatora jest możliwość przechowywania konfiguracji użytkownika

w wymienialnej pamięci EEPROM 4 kB. A więc w przypadku wymiany regulatora nie jest
potrzebne programowanie nowego regulatora. Wystarczy włożyć pamięć EEPROM
z poprzedniego regulatora.

Diody

świecące

Obszar wejściowy

Obszar funkcyjny

Obszar wyjściowy

Rys. 35. Uproszczony schemat blokowy regulatora SIPART DR 24 [12, s. 53].

Obszar wejściowy zawiera funkcje dla maksimum 11 wejść analogowych, 14 wejść

dwustanowych i 7 klawiszów. Funkcje wejściowe przetwarzają sygnały wejściowe oraz sygnały
z panelu operatorskiego na wewnętrzne źródła sygnałów regulatora.

Obszar wyjściowy zawiera funkcje dla maksymalnie 9 wyjść analogowych, 16 wyjść

dwustanowych oraz wskaźników analogowych i wskaźników cyfrowych i dla indywidualnych
LED-ów. Funkcje wyjściowe przetwarzają swobodnie podłączane sygnały wewnętrzne
regulatora na sygnały obiektowe (wyjścia analogowe i dwustanowe) oraz wskazania (wskaźniki,
diody).

Pomiędzy obszarami wejściowym i wyjściowym zawarty jest obszar funkcyjny. Zawiera on

109 bloków o jednakowym przydziale pamięci, w którym można umieszczać 32 funkcje
podstawowe oraz 41 bloków z indywidualnym przydziałem pamięci dla 15 funkcji złożonych.
Funkcje podstawowe lokowane są w blokach o jednakowym przydziale pamięci, których nazwa
zaczyna się na literę b. Funkcje złożone przydzielone są na stale do bloków, których nazwy

Pamięć użytkownika

Wejścia

1 – 11

analogowe

Wyjścia

1 – 9

analogowe

Wejścia

1 – 14

dwustanowe

Wyjścia

1 – 16

dwustanowe

Klawisze 1 - 7

Wskaźn. anal.

1 - 2

Wskażn. cyfr.

1 - 3

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zaczynają się na litery c, d oraz h. Ponadto obszar funkcyjny zawiera nastawialne parametry
liniowe i dekadowe oraz pewną liczbę stałych i sygnałów awarii, które można dowolnie
podłączyć w zależności od potrzeb.

Nastawialne parametry podłącza się np. do określonych wejść funkcji podstawowych dla

określenia wartości parametrów tych funkcji. Funkcje złożone mają własne parametry
nastawiane on-line lub off-line.

Zaprogramowana struktura bloków funkcyjnych oraz parametrów funkcji przechowywane

są w pamięci użytkownika.

Funkcje regulatorów umieszczone są w blokach o przydzielonych funkcjach, których nazwa

zaczyna się na literę h. Są to funkcje:

−

regulatora ciągłego CCN,

−

regulatora krokowego z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym CSE,

−

regulatora krokowego z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym CSI.
Funkcje regulatorów mogą być użyte maksymalnie czterokrotnie w dowolnej kombinacji,

np. dwie funkcje regulatora ciągłego, jedna funkcja regulatora z zewnętrznym sprzężeniem
zwrotnym i jedna funkcja regulatora z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym. SIPART DR 24
pozwala więc zrealizować np. cztery układy regulacji stałowartościowej.

Funkcje regulatora ciągłego przedstawia rys. 36.

Rys. 36. Funkcja regulatora ciągłego CCN [12, s. 63].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Numer wejścia poprzedza się literą E, a numer wyjścia poprzedza się literą A. Wejścia E01,

E02 oraz wyjście A1 są związane z funkcją automatycznego doboru nastaw.

Wejścia E04, E05, E06 służą do podłączania sygnałów wejściowych odpowiednio do

działania proporcjonalnego, różniczkującego i całkującego algorytmu PID. AH – nastawiana
wartość strefy nieczułości.

Wejście E03 służy do wprowadzenia sygnału pochodzącego od zakłócenia, przy realizacji

układu z kompensacją zakłócenia.

Rys. 37. Układ regulacji z dodatkową kompensacją zakłócenia. [12, s. 64].

Układy kompensacji zakłócenia stosuje się tylko dla najbardziej dokuczliwych, mierzalnych

zakłóceń, lecz wtedy pozostałe zakłócenia nadal wpływają na wielkość regulowaną.
Kompensacja zakłócenia ponadto jest możliwa jedynie w przypadku dokładnej znajomości
transmitancji obiektu i transmitancji zakłóceniowej. Ponieważ jest to niemożliwe, stosuje się
połączenie układu kompensacji z układem regulacji ze sprzężeniem zwrotnym, tak jak pokazano
na rys. 37. Taki układ można zrealizować dzięki wejściu E03.

Wejście E08 służy do przełączania między regulacją automatyczna i ręczną.

Rys. 38. Schemat ideowy regulatora krokowego z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym CSE [12, s. 66].

Uproszczony

schemat

regulatora

krokowego,

połączonego

siłownikiem

i przetwornikiem położenia, przedstawia rys. 38. Sygnał z algorytmu PID oraz z przetwornika
położenia porównywany jest w węźle sumacyjnym, w którym obliczany jest uchyb położenia E

przekazywany do przekaźnika trójpołożeniowego. Dwa wyjścia dwustanowe przekaźnika
trójpołożeniowego służą do uruchomienia siłownika. Jeżeli uchyb położenia przekracza wartość
strefy nieczułości przekaźnika, to na jednym z wyjść dwustanowych pojawia się stan wysoki
i następuje uruchomienie siłownika w odpowiednim kierunku. Silnik zostanie zatrzymany, jeżeli
uchyb serwomechanizmu zmniejszy się do wartości strefy nieczułości przekaźnika
pomniejszonej o strefę niejednoznaczności.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Funkcja regulatora z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym przedstawiona jest na rys. 39.

Rys. 39. Funkcja regulatora krokowego z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym CSE [12, s. 67].

Funkcję tę stosuje się wtedy, gdy w urządzeniu wykonawczym znajduje się

stałoprędkościowy, rewersyjny siłownik elektryczny i dysponuje się dokładnym i pewnym
w działaniu pomiarem położenia siłownika.

Funkcję regulatora krokowego z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym stosuje się wtedy,

gdy w urządzeniu wykonawczym znajduje się stałoprędkościowy, rewersyjny siłownik
elektryczny i brak pomiaru położenia siłownika, bądź gdy pomiar ten jest niepewny

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

lub niedokładny. Ideę regulatora krokowego z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym przedstawia
rys. 40.

Rys. 40. Schemat ideowy regulatora z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym [12, s. 69].

Z rysunku tego widać, że brakującą informację o położeniu siłownika uzyskuje się tu

z modelu siłownika. Czas całkowania modelu powinien być równy czasowi przestawienia
siłownika. Nierówność czasów (w praktyce uzyskanie takiej równości jest niemożliwe) jest
przyczyną „rozbiegnięcia” się wartości położenia siłownika i wartości sygnału zwrotnego
z modelu siłownika. W związku z tym, w funkcji regulatora krokowego z wewnętrznym
sprzężeniem zwrotnym, w porównaniu z funkcją regulatora krokowego z zewnętrznym
sprzężeniem zwrotnym, nie zastosowano:

−

dolnego i górnego ograniczenia sygnału z algorytmu PID - zapobiega to sytuacji,
w której nie byłoby możliwe ustawienie siłownika w jednym ze skrajnych położeń,

−

możliwości realizacji algorytmów P oraz PD,

−

śledzenia sygnału wyjściowego za sygnałem wejściowym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 41. Funkcja regulatora krokowego z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym CSI [12, s. 70].

W zestawie parametrów regulatora z wewnętrznym sprzężeniem zwrotnym brak wartości

dolnego i górnego ograniczenia YA i YE oraz stałego sygnału podporowego Yo. Brak ponadto
wejścia E07, które w regulatorze ciągłym i w regulatorze krokowym z zewnętrznym
sprzężeniem zwrotnym umożliwiło przełączanie na algorytm P lub PD.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 42. Regulator dwupołożeniowy [12, s. 72]

a) realizacja regulatora dwupołożeniowego, b) wykresy czasowe.

W SIPART DR 24 nie ma gotowej funkcji regulatora dwupołożeniowego. Można ją jednak

zrealizować z funkcji regulatora ciągłego i kilku innych funkcji. Jeden sposób realizacji
przedstawiono na rys. 42a. Część górna tego układu, składająca się z integratora binarnego,
komparatora i funkcji NOR realizującej negację, służy do wytworzenia sygnału piłokształtnego
o okresie 2tin.

Wartość pierwszego wejścia górnego komparatora wynosi 0,5 a wartość strefy

niejednoznaczności tego komparatora 1,0. Dzięki takim wartościom sygnał piłokształtny ma
przebieg przedstawiony na górnym wykresie rys. 44b. Środkowy przebieg przedstawia sygnał
wyjściowy z górnego komparatora powodujący zmiany sygnału piłokształtnego. W dolnym
komparatorze, o strefie niejednoznaczności równej 0, następuje porównanie sygnału
piłokształtnego z sygnałem wyjściowym z ciągłego regulatora PID. Na wyjściu tego
komparatora otrzymuje się sygnał prostokątny o wypełnieniu zależnym od wartości sygnału
wyjściowego z regulatora PID. Funkcje wytwarzające sygnał piłokształtny oraz sygnał
o modulowanej szerokości impulsów (górna część rys. 42a) można zastąpić jedną funkcją
modulatora szerokości impulsów PWM przedstawioną na rys. 43. Modulator ten ma dwa własne
parametry: okres impulsów tM oraz minimalny czas włączania tAE.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 43. Funkcja modulatora szerokości impulsów PWM [12, s. 73].

Regulator trójpołożeniowy przedstawiono na rys. 44 zrealizowany został za pomocą funkcji

regulatora ciągłego CCN, dwóch funkcji podziału zakresu SPR oraz dwóch funkcji modulatora
szerokości impulsów PWM. Funkcja podziału zakresu SPR tworzy odcinki linii prostej
pomiędzy punktem dolnym SPA oraz punktem górnym SPE. Poza zakresem, określonym tymi
punktami, sygnał wyjściowy przyjmuje wartości 0 lub 1. Przez odpowiedni dobór parametrów
SPA i SPE można realizować zarówno rosnącą jak i opadającą funkcję SPR.
W przypadku trójpołożeniowego regulatora temperatury dla toru „grzanie” należy wybrać
charakterystykę rosnącą, przedstawioną na rys. 44b, a dla toru „chłodzenie” należy wybrać
charakterystykę opadającą, przedstawioną na rys. 44c.

Rys. 44. Regulatora trójpołożeniowy [12, s.73]:

a) realizacja regulatora trójpołożeniowego, b) charakterystyka rosnąca, c) charakterystyka opadająca.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Korzystając z regulatora SIPART DR 24 można przeprowadzić eksperyment

z automatycznym doborem nastaw Ziglera-Nicholsa. W czasie normalnej pracy układu regulacji
sygnał S (strojenie) równy jest Lo (w programach symulacji komputerowej układów
elektronicznych sygnał ten oznacza się jako LO). Zakłada się, że przed uaktywnieniem strojenia
proces znajduje się w stanie ustalonym i regulator jest w stanie pracy ręcznej R.
W chwili S = Hi (w programach symulacji komputerowej układów elektronicznych sygnał ten
oznacza się jako HI), pierwszy przełącznik ASO zapamiętuje ostatnią wartość wielkości
sterującej x jako wartość zadaną x

dla regulatora dwupołożeniowego, zrealizowanego za

pomocą komparatora COMP. Następny przełącznik ASO oraz funkcja LINE umożliwia
uzyskanie zmian sygnału sterującego w zakresie od –Y do +Y wokół wartości y otrzymanej
z regulatora. Zmiany sygnału sterującego przekazywane są do obiektu za pośrednictwem
kolejnego przełącznika ASO. Sygnał z komparatora podawany jest także bezpośrednio i przez
negację, zrealizowaną za pomocą funkcji NOR, do integratora binarnego BIN.

Dzięki temu na wyjściu integratora uzyskuje się sygnał piłokształtny o amplitudzie

OSC

to czas całkowania integratora binarnego), określanej za pomocą pamięci wartości

maksymalnej MAME. Podwójną amplitudę zmian wielkości regulowanej x określa się za
pomocą układu składającego się z pamięci wartości maksymalnej MAME, pamięci wartości
minimalnej MIME i funkcji wzmacniacza różnicowego AMPL, realizującej tu odejmowanie.
Wartości T

osc

/4 t

oraz 2·A

osc

można odczytać na wyświetlaczach cyfrowych przełączanych na

takie działanie klawiszem ustawiającym także sygnał S.

Rys. 45. Realizacja automatycznego eksperymentu Zieglera-Nicholsa [12, s. 96].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie zadania sterownicze może realizować regulator wielofunkcyjny?
2. Jak zorganizowany jest obszar funkcyjny w regulatorze wielofunkcyjnym?
3. Jakie ograniczenia dotyczą funkcji regulatora?
4. Które wejścia regulatora umożliwiają podłączanie sygnałów wejściowych do działania

proporcjonalnego, różniczkującego i całkującego algorytmu PID?

5. W jaki sposób w regulatorze realizuje się kompensację zakłóceń?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 funkcję

A = (E1 - E2) · E3

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z instrukcją regulatora,
2) zaprojektować i połączyć układ,
3) zaprezentować wykonane ćwiczenie,
4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,
5) sporządzić sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 porównanie sygnałów ciągłych podanych na

wejścia E1 i E2 z uwzględnieniem strefy niejednoznaczności określonej wejściem E3.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 funkcję dzielenia i mnożenia sygnałów

ciągłych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 funkcję sumy logicznej z negacją.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 5

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 funkcję wybierania wartości maksymalnej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 6

Wykonaj za pomocą regulatora SIPART DR 24 funkcję integratora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 7

Zaprojektuj za pomocą regulatora SIPART DR 24 układ regulacji kaskadowej, jak

przedstawiono na rys.

Rys. do ćwiczenia 7: a) schemat blokowy, b) schemat połączeń [12, s. 81].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

instrukcja regulatora,

−

stanowisko laboratoryjne z regulatorem,

−

literatura z rozdziału 6.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) rozróżnić wejścia i wyjścia regulatora?

¨ ¨

2) skonfigurować regulator za pomocą elementów panelu operatorskiego?

¨ ¨

3) nastawić parametry samonastrajania regulatora?

¨ ¨

4) zaprogramować kolejność obliczeń bloków funkcyjnych regulatora?

¨ ¨

5) przeprowadzić parametryzację i strukturyzację regulatora?

¨ ¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2. Test składa się z 20 zadań dotyczących regulatorów dwustawnych, trójstawnych, jak

również aparatowych regulatorów.

3. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 40 minut.
4. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonym arkuszu.
5. W zadaniach 1, 11, 15, 17, 18, 20 uzupełnij zdania. W zadaniu 19 wybierz jedną

odpowiedź. Zadanie 13 wymaga narysowania charakterystyk. Pozostałe zadania
zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna.

6. Zadania punktowane są 0, 1.
7. Za prawidłową odpowiedź otrzymujesz 1 punkt., za nieprawidłową lub brak odpowiedzi 0

punktów.

8. Wybraną odpowiedź zakreśl znakiem X. Jeśli uznasz, że pomyliłeś się i wybrałeś

nieprawidłową odpowiedź, to zakreśl ją kółeczkiem i znakiem X zaznacz prawidłową
odpowiedź.

9. Zadania oznaczone gwiazdką mogą sprawiać Ci trudność, dlatego jeśli początkowo

wydają Ci się trudne, rozwiąż pozostałe i ponownie spróbuj rozwiązać trudniejsze.

10. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie.

Powodzenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Jeżeli zerowemu sygnałowi na wejściu odpowiada stan otwarcia styków, to taki styk

przekaźnika jest ............................... .

2. W przekaźnikach elektromechanicznych strefa niejednoznaczności jest wynikiem:

a) niesprawności przekaźnika,
b) różnicy między wartością prądu potrzebnego do przyciągania zwory a wartością prądu

potrzebnego następnie do jej utrzymania po zamknięciu,

c) przyjętego sposobu sterownia przekaźnikiem,
d) zbyt dużego obciążenia styków przekaźnika.

3. Obiekt cieplny zachowuje się jak:

a) element inercyjny pierwszego rzędu,
b) regulator PD,
c) regulator PID,
d) regulator PI.

4. Regulatory dwustanowe z histerezą umożliwiają:

a) zwiększenie dokładności regulacji,
b) zmniejszenie amplitudy oscylacji temperatury,
c) zwiększenie liczby przełączeń styków przekaźników dwustanowych,
d) zmniejszenie liczby przełączeń styków przekaźników dwustanowych.

5. Amplituda oscylacji temperatury w układach regulacji dwustawnej zależy tylko od:

a) szerokości pętli histerezy przekaźnika dwustanowego i wartości zadanej,
b) stosunku opóźnienia do stałej czasowej obiektu i wartości zadanej,
c) szerokości pętli histerezy przekaźnika dwustanowego i stosunku opóźnienia do stałej

czasowej obiektu,

d) szerokości pętli histerezy przekaźnika dwustanowego, stosunku opóźnienia do stałej

czasowej obiektu, wartości zadanej.

6. Zmniejszenie amplitudy oscylacji w układzie regulacji dwustanowej można uzyskać przez:

a) częstszą zmianę sygnału sterującego,
b) ujemne sprzężenie zwrotne z elementem inercyjnym w układzie regulatora,
c) dodatnim sprzężeniem zwrotnym z elementem całkującym w układzie regulatora,
d) ujemne sprzężenie zwrotne z elementem różniczkującym w układzie regulatora.

7. J(A) przedstawia:

a) wzmocnienie układu nieliniowego,
b) funkcję opisującą elementu nieliniowego,
c) charakterystykę częstotliwościową części liniowej elementu trójpołożeniowego,
d) warunek wzbudzenia przekaźnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8. Warunkiem stabilności absolutnej układu z przekaźnikiem trójpołożeniowym jest:

)

(

)

(

)

(

)

(

180

(

)

180

9. Układ z elementem trójpołożeniowym jak na rys., w przypadku wzbudzenia, można

ustabilizować przez:

a) zwiększenie wzmocnienia części liniowej,
b) zwiększenie wartości sygnału załączonego przez przekaźnik,
c) zwiększenie strefy nieczułości przekaźnika,
d) zmniejszenie czasu opóźnienia przekaźnika.

10. Ile układów dwustawnych należy połączyć by uzyskać układ trójstawny:

a) dwa układy o takich samych charakterystykach połączone szeregowo,
b) dwa układy połączone równolegle, przy czym w węźle sumującym sygnały się

odejmują,

c) dwa, objęte układem ujemnego sprzężenia zwrotnego,
d) dwa, objęte układem dodatniego sprzężenia zwrotnego.

11. *W układzie jak na rys., w węźle sumującym, następuje .............................. sygnału

wyjściowego z regulatora z sygnałem z przetwornika położenia. W przypadku nierówności
sygnałów następuje ................................................................... aż do zrównania się tych
sygnałów.

Układ regulacji temperatury z regulatorem krokowym

SE – silnik elektryczny, PP – przetwornik położenia wału silnika,

PP – przekaźnik trójpołożeniowy, T- przetwornik pomiarowy temperatury,

RC – regulator, Z – zawór.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12. *Aparatowe regulatory PID i inteligentne przetworniki pomiarowe:

a) ze względu na prostotę budowy, programowania i montażu stosuje się do regulacji

i sterowania dużych instalacji technologicznych,

b) nie działają samodzielnie i współpracują z systemami wizualizacji i nadrzędnego

sterowania SCADA,

c) realizują tylko kilka podstawowych funkcji regulacyjnych i obsługują najczęściej jeden

układ regulacji,

d) wykonują funkcje arytmetyczne, logiczne i czasowe.

13. *Narysuj wykresy czasowe jakie, spodziewasz się zaobserwować na elementach

oznaczonych na rys.: Scope, Scope 1.

14. *Na rys. przedstawiono funkcje regulatora SIPART DR 24:

a) funkcję wybieraka wartości maksymalnej,
b) funkcje pamięci wartości maksymalnej,
c) funkcje integratora binarnego,
d) funkcje wskaźnika cyfrowego.

15. Na charakterystyce jak na rys.

„a” oznacza - ............................................ ,

„b” oznacza – ............................................. .

16. *Układ regulacji dwustawnej z korekcyjnym sprzężeniem zwrotnym wykazuje cechy

regulatora:
a) PI lub PD,
b) PID lub P,
c) P lub PD lub PID,
d) P lub I lub PD.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17. Układy regulacji trójstawnej z korekcyjnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym zmniejszają

amplitudę drgań (oscylacji) i posiadają cechy regulatorów ……………………….. .

18. Regulatory elektromechaniczne (np. regulator prądnicy samochodowej) dokonują

przełączeń

dużą

częstotliwością.

Regulatory

tego

typu

noszą

nazwę

………………………………… .

19. Która z charakterystyk układu jak na rys. odpowiada sumowaniu sygnałów w węźle

sumującym?

20. *Funkcje w regulatorach wielofunkcyjnych lokowane są w blokach algorytmicznych. Blok

jest elementem programowym regulatora mającym przydzielone zmienne wewnętrzne jako
wejścia i wyjścia oraz pewien obszar pamięci ………………… na wyniki pośrednie
i pamięci ………………………………. na parametry.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………..

Badanie układów sterowania z regulatorami nieciągłymi

Zakreśl poprawną odpowiedź, wpisz brakujące części zdania lub wykonaj rysunek.

Odpowiedź

zadania

Punkty

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17.

18.

19.

20.

RAZEM :

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Dębski S.: Pracownia automatyki. PWSZ, Warszawa 1973
2. Findeisen Wł. (red): Poradnik inżyniera automatyka. WNT, Warszawa 1973
3. Gerlach M., Janas R.: Automatyka dla liceum technicznego. WSiP, Warszawa 1999
4. Gessing R.: Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001
5. Hörnemann E., Hübscher H., Klaue J., Schierack K., Stolzenburg R.: Elektrotechnika.

Instalacje elektryczne i elektronika przemysłowa. WSiP, Warszawa 1998

6. Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 2002
7. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1998
8. Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Robotyka. WSiP, Warszawa 1999
9. Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Układy regulacji automatycznej. WSiP,

Warszawa 1999

10. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1998
11. Kostro J.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996
12. Kuźnik J.: Regulatory i układy regulacji. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006
13. Płoszajski G.: Automatyka. WSiP, Warszawa 1995
14. Pochopień B.: Automatyzacja procesów przemysłowych. WSiP, Warszawa 1993
15. Pułaczewski J.: Podstawy regulacji automatycznej. WSiP, Warszawa 1988
16. Siemieniako F., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1993
17. Technika sterowników z programowalną pamięcią. Praca zbiorowa. WSiP, Warszawa 1998
18. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN, Warszawa 1978

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Badanie układów sterowania z regulatorami ciągłymi
Badanie układu sterowania z regulatorem PID
04 Stosowanie układów sterowania i regulacji
Dobieranie układów sterowania i regulacji
Badanie ukladow sterowania ze s Nieznany (2)
Badanie układu sterowania z regulatorem PID
5 1 Opracowanie Badanie ukladow sterowania dlawieniowego
Dobieranie układów sterowania i regulacji
Badanie elektropneumatycznych układów sterowania
ćw 7 Badanie układów regulacji dwupołożeniowej
cw 7 Badanie ukladow regulacji dwupolozeniowej
39 Uruchamianie układów napędowych ze sterownikami
sprawozdanie 6 ?danie elektronicznych układów sterowania
Badanie Układów scalonych

więcej podobnych podstron