AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie
stabilności układu
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest poznanie struktury układów regulacji automatycznej oraz metod
doboru nastaw regulatorów. Ćwiczenie przewiduje badanie własności statycznych
i dynamicznych układu regulacji.
Wstęp
Powszechne zastosowanie regulacji automatycznej w przemyśle przyczyniło się do
powstania systemów blokowych. Pozwalają one na tworzenie dowolnych prostych
i zło\
onych układów regulacji automatycznej poprzez dobór typowych elementów [3]
(rys.2.1). Zastosowanie typowych elementów pozwala na unifikację sygnałów
pośredniczących. Na przykład w pneumatycznym systemie blokowym PNEFAL zakres
sygnałów wynosi 20-100 [kPa], a ciśnienie zasilania 140 [kPa].
Blokowe układy regulacji automatycznej zawierają takie grupy (bloki) elementów:
" urządzenia pomiarowe- czujniki oraz przetworniki pomiarowe[3];
" urządzenia przetwarzania i utrwalenia sygnałów pomiarowych- urządzenia liczące:
sumatory, bloki mno\
ące, pierwiastkujące, dzielące itp. [1]. Do tej grupy nale\
ą
równie\
wskaz
niki, rejestratory sygnałów i przetworniki międzysystemowe;
" urządzenia kształtowania sygnałów- ró\
nego rodzaju regulatory oraz związane z nimi
zadajniki;
" urządzenia wykonawcze- wzmacniacze mocy, siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne
lub elektryczne sterujące nastawnikami w postaci zaworów, przepustnic lub innych
urządzeń kształtujących sygnał wejściowy obiektu;
" urządzenia uzupełniające- np. ogranicznik sygnału, wybierak wartości ekstremalnej
[3];
" urządzenia pomocnicze  zasilacze, stabilizatory, filtry, zawory odcinające itp.
y
w + e
R S N O
-
-
UW
PP
Rys. 2.1. Schemat blokowy układu regulacji: y  sygnał regulowany, w  sygnał zadający, R  regulator,
UW- urządzenie wykonawcze, N  nastawnik, S  siłownik, O  obiekt regulacji, PP  przetwornik pomiarowy
Wykorzystywany w ćwiczeniu układ regulacji jest zbudowany z urządzeń systemu
blokowego pneumatycznego PNEFAL. Obiektem regulacji (O - rys.2.1) jest kaskadowo
połączony układ zbiorników (rys.2), natomiast urządzenie wykonawcze to siłownik
1
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
pneumatyczny z ustawnikiem pozycyjnym współpracujący z zaworem proporcjonalnym.
Woda dostarczana jest z hydroforu pod stałym ciśnieniem.
Przebiegi regulacji i jakość dynamiczna.
Przebiegi wielkości regulowanej zale\
ą od działających zakłóceń, zmian sygnału
zadającego jak równie\
od własności dynamicznych układu regulacji.
Jeden ze sposobów oceny jakości procesu regulacji opiera się na badaniu odpowiedzi
układu regulacji na skokową zmianę: z = z01(t) zakłócenia lub w = w01(t) wartości zadającej.
Zmianę zakłócenia nazywa się wymuszeniem na wejściu obiektu, zmianę wartości zadającej
nazywa się wymuszeniem na wejściu regulatora
Najczęściej stosowane wskaz
niki jakości regulacji:
" odchylenie maksymalne em  największa wartość uchybu regulacji (rys. 2.2);
" czas ustalania się odpowiedzi Tu  czas liczony od chwili przyło\
enia wymuszenia do
chwili, w której odchylenie regulacji jest stale mniejsze od ą"e (rys. 2.2);
" przeregulowanie � - im silniej są tłumione przebiegi oscylacyjne tym mniejsza
wartość � (rys. 2.2);
e2
� = �"100%
em
" wskaz
niki całkowe - określają jakość dynamiczną na podstawie wartości całek
oznaczonych z funkcji uchybu e. Przebiegi uwa\
a się za optymalne, dla których
przedstawione całki osiągają wartości minimalne. Wskaz
niki te wyznacza się na
podstawie charakterystyk skokowych [2].
"
I1 = - e(t))dt ;
u
+"(e
0
"
2
I2 = - e(t)) dt ;
u
+"(e
0
"
I3 = eu - e(t)dt ;
+"
0
"
I4 = - e(t))dt .
u
+"t(e
0
" wskaz
nik regulacji q( j�) określany na podstawie charakterystyk
częstotliwościowych.
2
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
Rys.2.2. Przebiegi regulacji
Dobór typu regulatora i jego nastaw
Zagadnienie doboru typu regulatora wymaga uwzględnienia własności statycznych i
dynamicznych obiektu regulacji jak i zapewnienia odpowiednich wskaz
ników jakości
regulacji. Nale\
y uwzględnić równie\
własności urządzeń pomiarowych, urządzeń
nastawczych, linii przesyłowych itp.
Zakres stosowania poszczególnych regulatorów ocenia się na podstawie ilorazu czasu
opóz
nienia (martwego) Tm do zastępczej stałej czasowej Tz  konieczne jest przeprowadzenie
identyfikacji układu.
Tab.2.1. Dobór typu regulatora
Regulator
dwupoło\
eniowy o działaniu ciągłym impulsowy
Tm Tm Tm
< 0,2 <1 > 1
T T T
z z z
3
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
Identyfikację nale\
y wówczas przeprowadzić poprzez wykonanie charakterystyki
skokowej obiektu (rys. 2.3).
Rys. 2.3. Charakterystyka skokowa obiektu
Metoda kalibracji Chein-Hrones-Reswick (CHR)
Do obliczenia nastaw konieczna jest znajomość wzmocnienia obiektu, zastępczej
stałej czasowej oraz czasu opóz
nienia. Optymalne nastawy regulatorów ciągłych
z rozró\
nieniem miejsca wprowadzenia zakłóceń dobiera się na podstawie tab. 2.2 (dla
układów z obiektami statycznymi).
Tab. 2.2.Optymalne nastawy regulatorów ciągłych wg metody CHR
Przebieg ćwiczenia
Dobór typu i nastaw regulatora
Wykonanie charakterystyki skokowej
Nale\
y połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 2.3. Ustawić ciśnienie hydroforu na
45 kPa. Ustawić dz
wignię stacyjki operacyjnej w poło\
enie  ręczne , a następnie nastawić
prawym zadajnikiem stacyjki ciśnienie na siłowniku pu=10%. Włączyć hydrofor i ustawić
ciśnienie pwh= 45 kPa. Po ustaleniu się poziomu cieczy w zbiorniku nale\
y odczytać i
zanotować poziom h. Następnie uruchomić rejestrator i skokowo zmienić zadajnikiem
stacyjki operacyjnej ciśnienie na pu=20%.
4
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
SIA
OWNIK
USTAWNIK
POZ.
M3
M1
M2
PP2
A105
REGULATOR
P, PI
M5
STACYJKA OPERACYJNA
Rys. 2.3. Schemat układu regulacji automatycznej poziomu cieczy w zbiorniku. M1, M2, M3, M5  manometry,
PP2(A105)  przetwornik ró\
nicy ciśnień.
Na taśmie rejestratora nale\
y dokładnie zaznaczyć chwilę skokowej zmiany ciśnienia. Po
ustaleniu się poziomu wyłączyć ciśnienie hydroforu i zapis na rejestratorze.
Dobór nastaw regulatorów
5
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
Dokonać aproksymacji otrzymanej charakterystyki skokowej i wykreślić
charakterystykę statyczną układu [1]. Następnie korzystając z tab.2.2 wyznaczyć nastawy
regulatorów P, PI, PID według kryterium �=0% i �=20%. Punkt pracy pp regulatora P
wyznaczyć dla wartości zadanej poziomu wody h [cm] (ph [%]), wskazanej przez
prowadzącego zajęcia.
Badanie przebiegów regulacji układu z regulatorem P
Przełączyć dz
wignię stacyjki w poło\
enie  automatyka . nastawić na regulatorze
obliczone wartości zakresu proporcjonalności Xp i punktu pracy pp dla. Ustawić wyznaczoną
wartość zadaną ph [%] lewym zadajnikiem stacyjki. Następnie włączyć ciśnienie hydroforu i
skorygować punkt pracy tak aby uchyb w stanie ustalonym był równy zeru.
Włączyć zapis rejestrator i zmienić skokowo wartość zadaną ph na inna wskazaną
przez prowadzącego. rejestrować przebieg regulacji do osiągnięcia stanu ustalonego.
Ćwiczenie nale\
y wykonać dla nastaw odpowiadających �=0% i �=20%.
Badanie stabilności układu regulacji automatycznej
Nale\
y połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 2.3. Ustawić dz
wignię stacyjki
operacyjnej w poło\
enie  automatyczna a następnie nastawić lewym zadajnikiem stacyjki
wartość zadaną pwz=15% (poziom wody). Włączyć hydrofor i ustawić ciśnienie pwh= 45 kPa.
Podłączyć regulator PID. Wstępnie regulator ustawić na działanie proporcjonalne (Td=min,
Ti=max) z niewielkim wzmocnieniem Xp=300%. Po ustaleniu się poziomu cieczy w
zbiorniku nale\
y skokowo zmienić wartość zadaną na pwz=20%. Zarejestrować przebieg
ciśnienia py. Następnie układ przez stopniowe zwiększanie wzmocnienia doprowadzić do
granicy stabilności. Nale\
y wówczas odczytać wzmocnienie graniczne kp_kryt, przy którym
układ osiągnął granicę stabilności i okres To_osc oscylacji niegasnących sygnału regulowanego
(poziom wody, py). Nastawy regulatora obliczyć wg wzorów:
typ
nastawy regulatora
regulatora
k = 0,5k
P
p p _ kryt
k = 0,45k
p p _ kryt
PI
Ti = 0,83To osc
_
k = 0,6k
p p _ kryt
Ti = 0,5To osc
PID
_
Td = 0,125To osc
_
Uwagi o sprawozdaniu
W sprawozdaniu nale\
y zamieścić:
" cel ćwiczenia,
" schemat połączeń stanowiska laboratoryjnego,
" krótko opisać sposób identyfikacji obiektu i przedstawić wyniki,
" przedstawić sposób doboru nastaw regulatora i przedstawić wyniki obliczeń,
6
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne  Podstawy automatyki, Podstawy automatyki i regulacji automatycznej
" załączyć opisane przebiegi regulacji,
" określić rzeczywiste przeregulowanie na podstawie zarejestrowanych przebiegów
regulacji,
" określić nastawy regulatora z wykorzystaniem eksperymentu Zieglera-Nicholsa oraz
wyznaczyć uzyskane przeregulowanie
" wnioski i spostrze\
enia.
Literatura
[1]. Maczyński K., Kłosiński J., Pikoń S., Suwaj S.: Podstawy automatyki w przykładach i ćwiczeniach
laboratoryjnych. Skrypty dla szkół wy\
szych. Politechnika A
ódzka, A
ódz
1989.
[2]. Awrajcewicz J., Wodzicki W.: Podstawy automatyki. Teoria i przykłady. A
ódz
, 2001.
[3]. Bogumił T.: Elementy urządzeń automatyki. PWSZ 1972.
[4]. Dinsdale J., Kłosiński J.: Podstawy automatyki z elementami mechatroniki. PA
Filia w Bielsku-Białej,
Bielsko-Biała 1998.
7
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilności układu