background image

Politechnika Świętokrzyska
Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn
Centrum Laserowych Technologii Metali PŚk i PAN
Zakład Informatyki i Robotyki
Przedmiot: Teoria Sterowania - laboratorium, rok IV, sem. VII,
Specjalność: Zastosowanie Informatyki, 2003÷2004.

Ćwiczenie nr 5

Badanie układu regulacji temperatury – symulacja komputerowa

1. Wstęp

Stosuje się kilka podziałów klasyfikacyjnych układów automatycznej regulacji (UAR). Do

najczęściej stosowanych należą podział ze względu na zadanie układu oraz podział ze względu
na sposób działania elementów układu.
Ze względu na sposób działania UAR można podzielić na:

układy o działaniu ciągłym,

układy o działaniu nieciągłym.

W układach o działaniu ciągłym wszystkie elementy układu działają w sposób

ciągły w czasie i poziomie. Oznacza to, że wszystkie sygnały są funkcjami ciągłymi i mogą
przybierać każdą wartość (od najmniejszej do największej), znajdującą się w normalnym
obszarze ich zmienności.

Układy o działaniu nieciągłym  (dyskretnym) zawierają przynajmniej jeden element

o działaniu dyskretnym w czasie lub poziomie. Sygnały wyjściowe (lub wejściowe) tych
elementów mogą przyjmować tylko niektóre, wybrane wartości lub występują tylko w
wybranych   chwilach   czasu.   Przykładem   układów   o   działaniu   nieciągłym   są   układy
regulacji dwustawnej.

Wielkość   wyjściowa   regulatora   w  dwustawnych  UAR   może   przyjmować   tylko

dwie   wartości:   maksymalną   i   minimalną.   Taki   regulator   nazwano   regulatorem
dwustawnym.  Prostota   i   taniość   regulatorów   dwustawnych   zadecydowały   o   ich
powszechnym zastosowaniu, ograniczonym jednak do obiektów, w których dopuszczalne

1

background image

są   periodyczne   zmiany   wielkości   regulowanej,   wynikające   z  dwustawnego  działania
regulatora.   Regulacja  dwustawna  jest   najczęściej   stosowana   w   układach   regulacji
temperatury.

2. Budowa dwustawnych regulatorów temperatury

Regulatory dwustawne można podzielić pod względem konstrukcji na dwie grupy.

Pierwsza   grupa   to   regulatory   ze   stykami   przełączanymi   bezpośrednio   przez   czujnik
(termometry   stykowe).   Drugą   grupę   stanowią   regulatory   dwustawne   z   pośrednim
przełączaniem styków.

2.1. Regulatory dwustawne ze stykami przełączanymi bezpośrednio przez czujnik
Przykładem   regulatora   dwustawnego   z   zestykiem   przełączanym   bezpośrednio

przez   czujnik   jest   termometr   rtęciowy   kontaktowy   (rys.2.1.).   Do   zbiornika   rtęci   1
zatopiono na trwałe elektrodę 2. W rurce 3 znajduje się ruchoma elektroda 4 połączona z
nakrętką   5.   Pokręcając   śrubą   6   za   pomocą   magnesu   zewnętrznego   7,   przesuwamy
elektrodę 4, co zmienia wartość zadaną. Ze względu na małą obciążalność styku, elektroda
4 – rtęć, termometr kontaktowy współpracuje zwykle z przekaźnikiem pośredniczącym.
Zetknięcie słupka rtęci z elektrodą nastawną 4 powoduje zamknięcie obwodu zasilania
przekaźnika.   Wówczas   jego   styk  rozwierny  wyłączy   uzwojenie   grzejne,   np.   pieca
elektrycznego.   W   innych   konstrukcjach   styki   mogą   być   uruchamiane   bimetalem,
dylatometrem itp.

Rys. 2.1.1 Termometr kontaktowy rtęciowy

2.2 Regulatory elektroniczne
Współczesne   regulatory   elektroniczne   są   urządzeniami   mikroprocesorowymi.

Przykładem   takiego   regulatora   jest   mikroprocesorowy   regulator   RE54   produkowany

2

background image

przez  „LUMEL” Zielona Góra. Płytę czołową tego  regulatora  pokazano   na rys. 2.2.1
Regulator RE54 wyposażony jest w cyfrowy wskaźnik wartości wielkości regulowanej 1 i
analogowy   nastawnik   wartości   zadanej   2.   Oprogramowanie   regulatora   umożliwia
wybranie różnych wariantów pracy tego regulatora np.: wariant podstawowy - regulator
dwustawny  lub warianty, w których regulator  dwustawny ma własności zbliżone do
regulatorów typu P, PD lub PID. Przyciski 3 i 4, oznaczone symbolami  ,    służą do
wybór wariantu algorytmu regulatora jego nastaw. Diody 5 i 6 sygnalizują stany wyjść
regulatora. Schemat obsługi regulatora przedstawia rys. 2.2. 

3. Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego

Charakterystykę   statyczną   regulatora   dwustawnego   z   histerezą   dodatnią

przedstawiono na rys. 3.1. Jeżeli odchyłka  e = y – y

z

  jest zawarta w przedziale –H/2 < e <

+H/2, to możliwe są dwa stany wyjściowe: u = U

max

 lub U

min

. Charakterystyka jest w tym

przedziale   niejednoznaczna.   Zmiana   stanu   wyjściowego   regulatora   z    U

max

    na    U

min

następuje wówczas, gdy odchyłka przekroczy wartość e = H/2 i odwrotnie: z  U

min  

na  U

max

,

gdy odchyłka zmaleje poniżej wartości  e =   – H/2.  H  jest szerokością strefy histerezy i
zależy od konstrukcji regulatora. W niektórych regulatorach szerokość strefy histerezy
można zmieniać w pewnym zakresie.

3

Rys. 2.2.1 Mikroprocesorowy regulator  RE54

 

5
6

LUMEL

background image

Rys. 3.1. Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego

4. Układ regulacji dwustawnej

Schemat   blokowy   układu   regulacji   dwustawnej   pokazano   na   rys.   4.1,   a

charakterystykę skokową obiektu regulacji przedstawiono na rys. 4.2. Jeżeli na wejście

obiektu   załączymy  U

max

,   to   w   czasie  t      sygnał   wyjściowy   osiągnie   wartość  y

max

.

Odpowiednio dla  u = U

min

 otrzymamy wartość  y

min

. Z charakterystyki skokowej obiektu

wyznaczono:

T

m

 – czas martwy obiektu (charakterystyczna właściwość obiektu polegająca na

przedłużeniu stanu istniejącego przed wymuszeniem),

T

0

 – opóźnienie zastępcze obiektu,

T

z

 – zastępcza stała czasowa obiektu.

Wykres  przebiegu  temperatury  w układzie  regulacji  dwustawnej  pokazano na

rys. 4.3. W chwili   t

0

   na wejście obiektu jest załączone napięcie   U

max

, temperatura  y  w

obiekcie narasta. W chwili  t

1

  temperatura obiektu osiągnęła wartość   y

z

  + H/2. W tym

momencie regulator wyłączy grzanie (u = U

min

). Pomimo to temperatura obiektu nadal

narasta   przez   czas  T

m

,  po   czym   zaczyna   maleć.   W  chwili  t

2

  temperatura   zmalała   do

wartości  y

z

  – H/2. Regulator załączył grzanie (U

max

). Jednak temperatura nadal maleje i

dopiero po czasie  T

m

  nastąpi w obiekcie ponowny jej wzrost. Omówiony cykl powtarza

się.

4

background image

Rys. 4.1. Schemat blokowy układu regulacji dwustawnej

Rys. 4.2. Charakterystyka skokowa obiektu

Rys. 4.3. Przebieg wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej 

Wielkość regulowana oscyluje między  y

y

 z amplitudą  y = y

2

 – y

1

.  Amplitudę

oscylacji wyznacza w przybliżeniu zależność:

                                         

)

(

min

max

y

y

T

T

H

y

z

m

                             (4.1)

5

background image

Jak widać, jedną z wielkości decydujących o amplitudzie, jest stosunek   T

m

/T

z  

. W

praktyce jako kryterium stosowalności regulacji dwustawnej przyjęto:

                                                      

)

2

,

0

(

1

,

0

0

z

T

T

                                          (4.2)

Amplitudę   oscylacji   można   zmniejszyć   dobierając:  y

max

  i  y

min

,   regulator   o   małej

strefie histerezy lub z histerezą ujemną oraz regulatory z członami korekcyjnymi. Wartość

średnia przebiegu  y

śr

 = y

2

 y

1

 /2, różni się od  wartości  zadanej  y

z

  o odchyłkę

                                                        

œr

z

œr

y

y

e

                                        (4.3)

Wielkość tej odchyłki można określić wzorem przybliżonym

                                            

z

m

z

œr

T

T

y

y

y

e

)

2

(

min

max

                          (4.4)

Odchyłka  e

śr

  jest więc równa zeru tylko dla przypadku

                                                     

z

y

y

y

)

(

2

1

min

max

                                (4.5)

Ze wzoru (4.4) można wywnioskować, iż zakłócenie z (zmieniające wartości  y

max

 lub  y

min

)

będzie miało  T

z

/T

m

  razy mniejszy wpływ niż w układzie bez regulatora. Układ zachowuje

się więc jak proporcjonalny. Przedstawione rozważania oparto na założeniu, że amplituda
oscylacji jest niewielka, a właściwości dynamiczne obiektu zbliżone do właściwości członu
inercyjnego pierwszego rzędu z opóźnieniem. Otrzymane zależności (4.1) i (4.4) są więc
jedynie   przybliżeniem   rzeczywistych   zależności   i   można   je   stosować   dla   obiektów   z
inercyjnością pierwszego i drugiego rzędu.

5. Regulatory dwustawne z korekcją

Zmniejszenie   amplitudy   oscylacji   wielkości   regulowanej,   w   układzie   regulacji

dwustawnej, można uzyskać dzięki zastosowaniu regulatora z korekcyjnym sprzężeniem
zwrotnym.  Schemat   blokowy  układu  regulacji  dwustawnej  z  inercyjnym  sprzężeniem
zwrotnym pokazano na rys. 5.1. 

6

background image

Rys. 5.1. Schemat blokowy układu regulacji dwustawnej ze sprzężeniem zwrotnym

Stała czasowa    członu w sprzężeniu zwrotnym powinna być znacznie mniejsza

od zastępczej stałej czasowej   T

z

   obiektu regulacji. Przebieg regulacji w tym układzie na

rys.   5.2.   Jak   widać,   po   zastosowaniu   pojedynczego   sprzężenia   zwrotnego   wzrosła
częstotliwość oscylacji, zmalała amplituda wahań, wystąpiła natomiast różnica między

wartością średnią   y

śr

   a zadaną   y

z

. Odchyłkę tę można zmniejszyć przez zastosowanie

drugiego   inercyjnego   sprzężenia   zwrotnego   (rys.   5.3).   Regulator   dwustawny   z
pojedynczym inercyjnym sprzężeniem zwrotnym ma właściwości zbliżone do regulatora
PD.   Regulator   z   dwoma   członami   inercyjnymi   w   sprzężeniu   ma   natomiast   charakter
zbliżony do PID. Za wielkość wyjściową regulatora uważa się wówczas wartość średnią

przebiegu u(t).

Rys. 5.2. Porównanie przebiegu regulacji w układzie regulacji dwustawnej bez sprzężenia

zwrotnego z przebiegami w układzie z pojedynczym sprzężeniem zwrotnym

7

background image

Rys. 5.3. Schemat blokowy układu regulacji dwustawnej z podwójnym sprzężeniem

zwrotnym

6. Ćwiczenia

a) otworzyć okno robocze (polecenie  File/New), uwaga: parametr  Max Step  

Size  (opcja  Simulation) należy ustawić tak, aby otrzymać dostatecznie dużą  

liczbę wartości sygnału w oknie oscyloskopu (np. przy ustawieniu parametru 

Scope/Horizontal Range =  1, aby otrzymać w oknie obraz złożony ze  100  

wartości sygnału należy przyjąć Max Step Size = 0:01).
b) zamodelować układ regulacji dwupołożeniowej z obiektem inercyjnym I-szego 
rzędu z opóźnieniem przyjmując następujące dane:

transmitancja obiektu:

G

s=

e

T

s

T s1

T

=0.1

,  T=10 ,

poziomy przełączeń przekaźnika:

Y

off

=0

Y

on

=2

,

strefa histerezy:

H=±0.5 ,

wymuszenie: jednostkowe.

8

background image

c) uruchomić symulację układu i przeprowadzić obserwacje sygnałów uchybu 
regulacji, zmiennej regulowanej i sygnału sterującego, zbadać wpływ zmian 

parametrów 

T

0, 

T , H ,Y

on

i wymuszenia na przebiegi regulacji.

d) zamodelować układ z regulatorem dwupołożeniowym z korekcyjnym 
sprzężeniem zwrotnym:

G

s=

k

T s1

,  k=0.5 ,  T=0.005 ,

e) przeprowadzić obserwację przebiegów regulacji i zbadać wpływ zmian 
parametrów sprzężenia korekcyjnego na te przebiegi.
f) jakie sprzężenie należy zastosować, aby regulator miał właściwości zbliżone do 
regulatora liniowego ciągłego typu PID - sprawdzić symulacyjnie.
g) uzasadnić wyniki symulacji otrzymane w e) i f).

Spis treści

1. Wstęp...............................................................................................................................................1

2. Budowa dwustawnych regulatorów temperatury..................................................................2

2.1. Regulatory dwustawne ze stykami przełączanymi bezpośrednio przez czujnik.............2
2.2 Regulatory elektroniczne............................................................................................................2

3. Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego............................................................3

4. Układ regulacji dwustawnej...................................................................................................... 4

5. Regulatory dwustawne z korekcją............................................................................................ 6

6. Ćwiczenia....................................................................................................................................... 8

9