Technik_elektronik_311[07]_Z7.03

„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,

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,

−

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:

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 i otrzymaniu zezwolenia,

przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

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.

„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:

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 i otrzymaniu zezwolenia,

przyrządy zgodnie z instrukcją i poleceniem nauczyciela,

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.)

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”

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. 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”

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”

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