„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Adrian Mikołajczak

Dobieranie układów sterowania i regulacji
311[46].O2.05

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr inż. Zbigniew Eliasz
mgr inż. Roman Grobelny



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Adrian Mikołajczak



Konsultacja:
mgr inż. Ryszard Dolata










Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[46].O2.05
,,Dobieranie układów sterowania i regulacji”, zawartego w modułowym programie nauczania
dla zawodu technik automatyk sterowania ruchem kolejowym.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1.

Wprowadzenie

3

2.

Wymagania wstępne

5

3.

Cele kształcenia

6

4.

Materiał nauczania

7

4.1. Właściwości układów regulacji automatycznej

7

4.1.1. Materiał nauczania

7

4.1.2. Pytania sprawdzające

12

4.1.3. Ćwiczenia

13

4.1.4. Sprawdzian postępów

15

4.2. Przetworniki pomiarowe

16

4.2.1. Materiał nauczania

16

4.2.2. Pytania sprawdzające

18

4.2.3. Ćwiczenia

19

4.2.4. Sprawdzian postępów

21

4.3. Rodzaje regulatorów

22

4.3.1. Materiał nauczania

22

4.3.2. Pytania sprawdzające

28

4.3.3. Ćwiczenia

28

4.3.4. Sprawdzian postępów

31

4.4 Bezpieczeństwo w układach automatyki

32

4.4.1. Materiał nauczania

32

4.4.2. Pytania sprawdzające

34

4.4.3. Ćwiczenia

34

4.4.4. Sprawdzian postępów

36

5.

Sprawdzian osiągnięć

37

6. Literatura

42

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy na temat dobierania układów

sterowania i regulacji oraz ukształtowaniu umiejętności z zakresu testowania różnych typów
regulatorów przemysłowych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia założonych celów
kształcenia i ukształtowania umiejętności zawartych w jednostce modułowej,

−

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy jesteś już przygotowany do wykonywania
ć

wiczeń,

−

ć

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne; w przypadku pytań i ćwiczeń, których rozwiązanie sprawia
Ci trudności, zwracaj się o pomoc do nauczyciela,

−

sprawdziany postępów, czyli zestawy pytań, na które należy odpowiedzieć dla
samooceny,

−

test osiągnięć, przykładowy zestaw zadań: pozytywny wynik testu potwierdzi, że dobrze
pracowałeś podczas zajęć i ukształtowałeś umiejętności z tej jednostki modułowej,

−

literaturę, do której należy sięgać dla pogłębienia wiedzy i przygotowania się do zajęć.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie realizacji zajęć w pracowni musisz przestrzegać regulaminu, stosować się do

przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji wynikających z rodzaju
wykonywanych prac.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

Schemat układu jednostek modułowych

311[46].O2

Obwody elektryczne i układy elektroniczne

311[46].O2.01

Wykonywanie pomiarów w obwodach

prądu stałego

311[46].O2.02

Wykonywanie pomiarów w obwodach

prądu przemiennego

311[46].O2.03

Wykonywanie pomiarów
w układach analogowych

311[46].O2.04

Wykonywanie pomiarów

w układach cyfrowych

311[46].O2.05

Dobieranie układów

sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

współpracować w grupie,

−

uczestniczyć w dyskusji, prezentacji,

−

przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy podczas zajęć w pracowni,

−

stosować prawa i zależności matematyczne opisujące współzależności między
wielkościami fizycznymi,

−

stosować różne metody i środki (symbole, rysunki, zdjęcia itp.) w posługiwaniu się
zagadnieniami technicznymi,

−

wyjaśniać działanie prostych układów elektrycznych i elektronicznych na podstawie ich
schematów,

−

łączyć układy elektryczne i elektroniczne zgodnie ze schematem,

−

obsługiwać komputer.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

opisać schemat blokowy układu automatycznej regulacji,

−

scharakteryzować układ regulacji otwarty,

−

scharakteryzować układ regulacji zamknięty,

−

scharakteryzować i określić właściwości podstawowych członów układu regulacji,

−

określić zasady działania i stosowania przetworników pomiarowych,

−

opisać pracę układów z regulatorami P, PI, PD, PID,

−

zastosować regulatory dwu- i trójstawne,

−

zastosować zabezpieczenia w układach automatyki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Właściwości układów regulacji automatycznej

4.1.1. Materiał nauczania

Sterowaniem nazywa się oddziaływanie na dany obiekt, w sposób zamierzony, mający

doprowadzić do spełnienia określonego celu. Sterowanie dzielimy na:

−

ręczne

−

realizowane przez człowieka z ewentualnym pomocniczym udziałem urządzeń,

−

automatyczne

−

realizowane przez urządzenia bez bezpośredniego udziału człowieka.

Rozróżniamy dwa podstawowe układy sterowania:

−

układ otwarty – urządzenie sterujące nie otrzymuje informacji o aktualnej wartości
wielkości sterowanej (rys. 1),

−

układ zamknięty – urządzenie sterujące otrzymuje informację o aktualnej wartości
wielkości sterowanej, to znaczy obiekt oddziaływuje na urządzenie sterujące (rys. 2).

Rys. 1. Układ otwarty sterowania: x – wielkość sterująca,

y – wielkość sterowana, z – zakłócenie [opracowanie własne]

Rys. 2. Układ zamknięty sterowania – regulacja: x – wielkość sterująca,

y – wielkość regulowana, z – zakłócenie [opracowanie własne]

Obiekt, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się obiektem sterowanym.

Urządzeniem sterującym jest ta część układu sterowania, która przez element wykonawczy
oddziaływuje na obiekt sterowania. W skład urządzenia sterującego wchodzą urządzenia
wejścia (na przykład łączniki, przyciski, czujniki), człony realizujące funkcje logiczne
i urządzenia wyjścia (przekaźniki, styczniki, tranzystory mocy, tyrystory, zawory).

Czynniki

o

charakterze

przypadkowym,

niezamierzonym,

niekontrolowanym,

utrudniające sterowanie, nazywa się zakłóceniami.

Regulacja jest to sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym. Sprzężeniem zwrotnym

określamy oddziaływanie wsteczne (zwrotne) wielkości regulowanej na wielkość regulującą,
które powinno być tak dobrane, by przeciwdziałało zmianom wielkości regulowanej
(na przykład pod wpływem zwiększenia temperatury urządzenie sterujące zmniejsza dopływ
energii, co powoduje zmniejszenie temperatury). Taki sposób oddziaływania nazywamy
ujemnym sprzężeniem zwrotnym; jest charakterystyczne dla wszelkich układów regulacji.

Urządzenie

sterujące

Obiekt

z

x

y

Urządzenie

sterujące

Obiekt

z

x

y

kierunek przepływu informacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Każdy układ regulacji automatycznej można przedstawić za pomocą schematu

blokowego. Buduje się go po wydzieleniu poszczególnych elementów lub podzespołów
składowych układu i narysowaniu ich w postaci odrębnych bloków połączonych ze sobą
zgodnie ze spełnianymi zadaniami. Oddziaływanie jednych podzespołów lub elementów
układu na drugie jest przedstawione na schemacie blokowym przez odpowiednie połączenia
bloków i podanie za pomocą strzałek kierunku przepływu sygnałów. Bloki rysuje się
w postaci prostokątów umieszczając wewnątrz dodatkowe informacje dotyczące ich
właściwości (na przykład zależności matematyczne lub charakterystyki graficzne). Należy
pamiętać, że podział na bloki nie musi odpowiadać podziałowi na urządzenia!.
Podstawowymi elementami układu regulacji są obiekt regulacji oraz regulator (rys. 3).

Rys. 3. Ogólny schemat blokowy układu regulacji [opracowanie własne]

Regulatorem nazywamy urządzenie, którego zadaniem jest porównanie wartości

rzeczywistej z wartością zadaną i wytworzenie sygnału oddziałującego na obiekt w taki
sposób, aby różnicę między wartością rzeczywistą a wartością zadaną sprowadzić do zera
(w praktyce często zadajnik wartości zadanej jest częścią regulatora).

Wielkości wejściowe obiektu są to wielkości fizyczne (informacje), za pomocą których

otoczenie oddziaływuje na obiekt, natomiast wielkości wyjściowe obiektu są to wielkości, za
pomocą których obiekt oddziaływuje na otoczenie lub są to informacje o przebiegu procesów
zachodzących w obiekcie (rys. 4).

Rys. 4. Obiekt sterowany [opracowanie własne]

Gdy w układzie występuje dodawanie lub odejmowanie sygnałów trzeba na schemacie

blokowym umieszczać węzły sumujące. Zaznacza się na nich za pomocą znaków (+) i (-)
w jaki sposób otrzymuje się sygnał wyjściowy z tego węzła, będący algebraiczną sumą
sygnałów dochodzących do niego (rys. 5).

Rys. 5. Węzeł sumujący (

y

x

0

−

=

ε

) [opracowanie własne]

Jeżeli dany sygnał działa na więcej bloków niż jeden, umieszcza się na schemacie

blokowym węzeł informacyjny. Charakteryzuje się on tym, że każdy sygnał wyjściowy jest
równy sygnałowi wejściowemu (rys. 6).

we

wy

Obiekt

Regulator

Obiekt

z

x

-

+

x

0

±

ε

y

y

x

0

ε

+

-

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

Rys. 6. Węzeł informacyjny [opracowanie własne]

Porównując schemat z rysunku 3 oraz schemat z rysunku 7 można dodatkowo wyodrębnić:

−

urządzenie pomiarowe, które mierzy wartość wielkości regulowanej. Wielkość wyjściowa
z tego urządzenia stanowi dla układu regulacji informację, jaka jest wartość rzeczywista,
czyli wartość wielkości regulowanej w danej chwili. Urządzenie pomiarowe składa się
z czujnika pomiarowego mierzącego wielkość podlegającą regulacji (np. temperaturę)
oraz z przetwornika pomiarowego przetwarzającego informację z czujnika na wielkość
fizyczną dogodną do wykorzystania w układzie regulacji. Szczegółowe informacje
dotyczące przetworników pomiarowych zawarto w rozdziale 4.2.

−

urządzenie wykonawcze, za pośrednictwem którego regulator oddziaływuje na przebieg
procesu technologicznego (na przykład: zawory, silniki, zasuwy, pompy, siłowniki,
elektromagnesy).

Rys. 7. Szczegółowy schemat blokowy układu regulacji [opracowanie własne]

Sygnałem nazywamy przebieg dowolnej wielkości fizycznej występującej w procesie

regulacji. Podstawowe sygnały występujące w układach regulacji to: sygnał regulowany
y, sygnał wartości zadanej x

0

, sygnał uchybu (błędu) ε oraz sygnał sterujący (nastawiający)

x, a także sygnał zakłócający z. Uchyb ε jest to różnica między zadaną a rzeczywistą aktualną
wartością regulowaną. Uchyb (błąd) regulacji oznacza się także literą e.
W zależności od postaci sygnałów występujących w układzie regulacji można wyróżnić
sygnały:

−

analogowe, które przyjmują dowolną wartość z zakresu ograniczonego górną i dolną
wartością graniczną. Każda wartość sygnału analogowego oznacza konkretną informację,

−

cyfrowe, które przedstawiają stany poszczególnych elementów oraz oddziaływują na
człony realizujące określone funkcje logiczne.
W zależności od sposobu przetwarzania i wykorzystania sygnałów rozróżnia się układy

sterowania:

−

sekwencyjnego, w którym poszczególne czynności sterujące odbywają się krok po kroku,
przy czym przejście do następnego uzależnione jest od realizacji poprzedniego
(lub upłynięcia określonego czasu),

Urządzenie

wykonawcze

Obiekt

z

x

Regulator

-

+

±

ε

Urządzenie

pomiarowe

y

Zadajnik x

o

y

y

y

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

−

kombinacyjnego, w którym sygnał sterujący powstaje z powiązania logicznego kilku
sygnałów.
Człon jest to najmniejsza komórka, którą można opisać właściwą dla niej funkcją

przejścia (od jednego do drugiego stanu ustalonego). Z członów budujemy elementy.
Podstawowymi członami układu regulacji są odpowiedzi uzyskano podając na wejście
wymuszenie standardowe w postaci skoku jednostkowego przy zerowych warunkach
początkowych, rys. 8:

Rys. 8. Skok jednostkowy: a) wykres, b) postać analityczna [opracowanie własne]

−

Człon proporcjonalny (rys. 9). Wielkość wyjściowa przyjmuje wartość proporcjonalną do
wielkości wejściowej. Człon charakteryzuje się bezinercyjnością (stała czasowa

0

T

=

)

oraz brakiem opóźnienia (

0

T

o

=

).

Rys. 9. Człon proporcjonalny: a) odpowiedź skokowa,

b) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]

−

Człon inercyjny (rys. 10). Wielkość wyjściowa narasta stopniowo od momentu zmiany
wielkości wejściowej. Ustalenie nowej wartości y następuje po czasie T dla inercji I rzędu
oraz po czasie

o

T

T

+

dla inercyjności II i wyższego rzędu (układ statyczny ma rząd

inercji równy 0). Szybkość zmian zmiennej wyjściowej charakteryzowana jest przez stałą
czasową T. Im większa jest wartość stałej czasowej, tym wolniej nadąża wielkość
wyjściowa za wejściową. Stała czasowa omawianego członu jest to czas, po którym
sygnał wyjściowy w odpowiedzi na wymuszenie skokowe sygnału wejściowego osiągnie
wartość 63,2% stanu ustalonego. Stałą czasową T wyznaczamy graficznie przez
wystawienie stycznej do krzywej odpowiedzi czasowej. T

o

to czas, w którym wielkość

sterowana nie ulega zmianie.

x

t

1

0

( )







≥

<

=

0

t

,

1

0

t

,

0

t

x

a)

b)

y

t

0

a)

b)

x

y

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

Rys. 10. Człon inercyjny: odpowiedź skokowa: a) I rzędu, b) II i wyższego rzędu; c) oznaczenie

symboliczne I rzędu, d) oznaczenie symboliczne II i wyższego rzędu [opracowanie własne]

−

Człon całkujący (rys. 11). Wartość wielkości wyjściowej będzie narastać tak długo, jak
długo trwa sygnał wejściowy, a prędkość narastania wielkości y będzie tym większa im
większa będzie wartość x (nachylenie wykresu będzie zależeć od wartości T

i

).

Rys. 11. Człon całkujący: a) odpowiedź skokowa,

b), c) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]

T

i

−

stała czasowa całkowania (czas zdwojenia, czas izodromu). Jest to czas, po którym

sygnał wyjściowy połączonych członów proporcjonalnego i całkującego lub proporcjonalnego
i całkującego oraz różniczkującego osiąga podwójną wartość działania proporcjonalnego.

−

Człon różniczkujący (rys. 12). Wielkość wyjściowa uzależniona jest od prędkości zmian
wielkości wejściowej.

y

t

0

T

i

a)

b)

x

y

∫

dt

T

1

i

1

c)

x

y

t

y

b)

T

o

t

y

0,632

a)

T

1

T

d)

c)

x

y

x

y

0

0

1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Rys. 12. Człon różniczkujący: a) odpowiedź skokowa,

b), c) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]

T

d

−

stała czasowa różniczkowania (czas wyprzedzenia). Jest to czas, po jakim liniowo

narastający sygnał wejściowy staje się równy sygnałowi wyjściowemu członu
różniczkującego.

−

Człon oscylacyjny (rys. 13). O tym, jakie jest tłumienie odpowiedzi członu oscylacyjnego
informuje współczynnik tłumienia

ξ

, który wyznaczamy z zależności:

1

2

A

A

=

ξ

Rys. 13. Człon oscylacyjny: a) odpowiedź skokowa,

b) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]

Wartości stałych czasowych mają podstawowe znaczenie przy projektowaniu układów
sterowania automatycznego.

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Co to jest sterowanie ręczne i sterowanie automatyczne?

2.

Czym się różni układ otwarty od układu zamkniętego?

3.

Co to jest sprzężenie zwrotne?

4.

Jakie znasz sygnały w układach regulacji?

5.

Jakie znasz rodzaje węzłów?

6.

Jakie zadanie spełnia urządzenie pomiarowe?

7.

Do czego wykorzystujemy urządzenie wykonawcze?

8.

Czym charakteryzuje się sygnał analogowy?

9.

W jaki sposób odbywa się sterowanie sekwencyjne?

10.

Jakie parametry charakteryzują człon proporcjonalny?

11.

Jakie parametry charakteryzują człon inercyjny?

12.

Jakie parametry charakteryzują człon całkujący?

y

t

0 T

d

a)

b)

x

y

dt

d

T

d

c)

x

y

y

t

0

a)

b)

A

1

A

2

x

y

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj przykłady sterowania ręcznego i sterowania automatycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeprowadzić analizę proponowanych przykładów,

2)

przyporządkować

przykładowe

typy

sterowania

do

poszczególnych

grup

(ręczne/automatyczne),

3)

narysować schematy układów sterowania,

4)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj typy układów sterowania przedstawione na rysunkach.

Rys. nr 1 do ćwiczenia 2 [2, s. 10]

Rys. nr 1 do ćwiczenia 2 [2, s. 11]

1 – termometr,
2 – mieszek sprężysty,
3 – dźwignia,
4 – dysza,
5 – siłownik membranowy,
6 – zawór,
7 – śruba do nastawiania

wartości zadanej.

1 – termometr,
2 – wskaźnik temperatury,
3 – zawór.

1

2

3

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować w zespole działanie układów sterowania przedstawionych na rysunkach,

2)

sformułować i uzasadnić wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arkusze papieru formatu A4,

–

przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Zbadaj układ modelujący pracę członu: a) różniczkującego i b) całkującego przy

wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego.

Rys. 1. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Rys. 2. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

połączyć urządzenia według schematu z rys. 2,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

wyznaczyć dla kilku wartości pojemności z otrzymanego przebiegu stałą czasową członu
różniczkującego i całkującego,

4)

obserwować zmieniając częstotliwość generatora w zakresie 1

÷

10 kHz (dla pojemności

100 nF) na ekranie oscyloskopu zachowanie się członu różniczkującego i całkującego,

5)

przeprowadzić analizę otrzymanych przebiegów czasowych,

6)

opracować wnioski.

Generator

Człon badany

+

+

+

R

R

C

+

U

wy

U

we

I

we

R

R

C

+

U

wy

U

we

I

we

a)

b)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko do badania członu różniczkującego i całkującego,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

instrukcja do ćwiczenia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

rozróżnić sterowanie ręczne od sterowania automatycznego?

2)

wskazać różnice pomiędzy otwartym i zamkniętym układem
sterowania?

3)

dokonać analizy układu regulacji?

4)

wyznaczyć stałą czasową członu różniczkującego i całkującego?

5)

dokonać analizy otrzymanych charakterystyk?

6)

dokonać analizy otrzymanych wyników?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2. Przetworniki pomiarowe

4.2.1. Materiał nauczania

Sygnał wyjściowy z czujnika pomiarowego ze względu na różnorodność parametrów

mierzonych rzadko można wykorzystać bezpośrednio w układzie regulacji, dlatego należy
zastosować układy pośredniczące przetwarzające sygnały wyjściowe czujników na sygnały
standardowe akceptowalne przez regulatory. Układy te nazywane są przetwornikami
pomiarowymi. Standaryzacja (ujednolicenie) sygnałów zapewnienia możliwości łączenia
bloków za sobą tak, aby sygnały wyjściowe i wejściowe wszystkich urządzeń były identyczne
co do postaci, zakresów zmienności, mocy i innych parametrów (tab.1).

Tabela 1. Sygnały standardowe występujące w układach regulacji [6, s. 12]

Rodzaj sygnału

Wielkość fizyczna

Wartość lub zakres zmian

wartości sygnału

pneumatyczny

ciśnienie powietrza

do 3,0 kPa

20

÷

100 kPa

600k Pa

hydrauliczny

ciśnienie oleju

1,0 MPa
6,0 MPa

10,0 MPa
16,0 MPa

natężenie prądu
stałego

0

÷

5 mA

0

÷

20 mA

4

÷

20 mA

napięcie prądu
stałego

0

÷

5 V

0

÷

10 V

0

÷±

10 V

elektryczny

napięcie prądu
przemiennego

230 V
400 V

Parametry charakteryzujące przetworniki pomiarowe:
–

klasa dokładności, którą określa się w zależności od jego uchybu względnego

δ

(stosunku

uchybu bezwzględnego

∆

y do rzeczywistego wyniku pomiaru y

rz

. Uchybem

bezwzględnym nazywamy różnicę między teoretyczną a rzeczywistą wartością sygnału
wyjściowego

rz

i

y

y

y

−

=

∆

,

–

zakres pomiarowy, w którym przetwarzanie odbywa się zgodnie z określoną klasą
dokładności,

–

liniowość, która określa stopień odchylenia charakterystyki statycznej z linią prostą.
Wyraża się ją jako stosunek maksymalnego odchylenia

max

y

∆

do zakresu przetwarzania

min

max

x

x

−

(rys. 14),

–

niejednoznaczność (histereza), którą wyznacza się z różnicy pomiędzy sygnałami
wyjściowymi dla tej samej wartości mierzonej, gdy wartość tę osiąga się najpierw przy
zwiększaniu, a następnie przy jej zmniejszaniu. Na rysunku 14 łatwo zauważyć, że dla x

02

otrzymano y

rz02

↑

oraz y

rz02

↓

,

–

próg pobudliwości (czułość) jest to najmniejsza zmiana wielkości mierzonej powodująca
zauważalną zmianę sygnału wyjściowego (na rysunku 14 dla

rz

y

∆

czułością jest x

∆

).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Rys. 14. Graficzne przedstawienie parametrów przetwornika; opracowano na podstawie [6, s. 71]

Jednym z podziałów przetworników jest rozdzielenie na dwie grupy:
–

bierne (pasywne); do realizacji przetwarzania konieczne jest doprowadzenie energii
zewnętrznej (zasilania), na przykład przetwornik rezystancyjny.

–

czynne (aktywne); realizacja przetwarzania nie wymaga doprowadzenie energii
zewnętrznej, na przykład przetwornik termoelektryczny.

Innym podziałem przetworników jest klasyfikacja, w której jako kryterium przyjęto wielkość
wejściową, na przykład przetworniki przemieszczenia, sił, ciśnienia. Jest to podział, według
którego buduje się obecne katalogi dotyczące przetworników.
Przetworniki współpracujące z regulatorami mogą być zasilane w układzie dwuprzewodowym
lub w układzie czteroprzewodowym (rys. 15). Przy zasilaniu w systemie dwuprzewodowym
napięcie zasilania do przetwornika doprowadzane jest tą samą parą przewodów, po której
przesyłany jest sygnał pomiarowy.

Rys. 15. Połączenie regulatora z przetwornikiem: a) dwuprzewodowe,

b) czteroprzewodowe [opracowanie własne]

Większość przetworników pomiarowych jest typu SISO (jedno wejście i jedno wyjście,

ang. Single Input Single Output). W związku z upowszechnieniem się mikroprocesorów
obserwuje się rozwój przetworników, które służą do przeprowadzania pomiaru wielu
parametrów. Pomiary takie realizowane są przy zastosowaniu systemów o wielu wejściach
i jednym typu MISO (ang. Multi Input Single Output)lub wielu wyjściach typu MIMO (ang.
Multi Input Multi Output). Jeżeli konstrukcja takiego przetwornika będzie zawierać jeden lub
kilka mikroprocesorów to wtedy otrzymamy przetwornik inteligentny.

Przetwornik

Regulator

Zasilacz

+

+

+

a)

b)

Przetwornik

Regulator

Zasilacz

+

+

+

+

+

+

rzeczywista

( )

x

f

y

rz

=

0

x

01

x

y

i02

∆

x

∆

y

rz

idealna

( )

x

f

y

i

=

Charakterystyka:

x

min

x

max

y

max

y

min

↓

y

min

↑

∆

y

max

x

02

y

y

rz02

↑

y

rz02

↓

∆

y

↓

∆

y

↑

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

Funkcje przetworników inteligentnych:

–

automatyczne ustawianie zakresu pomiarowego (samoadaptacja),

–

sterowanie pracą wydzielonych bloków przyrządu (np. przetwornik A/C),

–

rejestracja danych oraz ich kompresja (bez utraty informacji) celem zaoszczędzenia
pamięci,

–

wstępne statystyczne opracowanie danych,

–

automatyczne sterowanie procesem porównania ze wzorcem (np. równoważenie),

–

linearyzacja charakterystyk przetwornika,

–

sterowanie procesami wizualizacji,

–

autodiagnoza poszczególnych bloków przyrządu,

–

rozpoznawanie i usuwanie błędów przejściowych,

–

sterowanie pracą interfejsu zgodnie z określonym protokołem.
Podział przetworników inteligentnych:

–

funkcyjne (pośrednie), tzn. pomiar jest możliwy tylko w sposób pośredni, czyli poprzez
pomiar kilku wielkości fizycznych, a następnie określenie sygnału wyjściowego,

–

kompensacyjne (inwariantne), czyli poprawiające ich właściwości metrologiczne.
W przetwornikach tych najczęściej wyróżnia się jedną wielkość x

1

, która ma być

mierzona przez przetwornik, natomiast pozostałe wielkości x

2..n

są wielkościami

zakłócającymi,

–

ekspertowe (doradcze), w których główną częścią składową jest system ekspertowy, który
zawiera program z wiedzą eksperta gwarantujący inteligentne doradztwo i podejmowanie
decyzje odnośnie funkcjonowania procesu,

–

uczące się, w których przetwornik poprzez program wprowadza korzystne zmiany
dotyczące jego działania. Przetworniki te również gromadzą informacje będące wynikiem
doświadczeń i obserwacji, a także eliminują ich nadmiar,

–

nadmiarowe, w których w celu podniesienia niezawodności toru pomiarowego
rozbudowuje się system o dodatkowe kanały pomiarowe lub całe przetworniki.

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1.

W jakim celu stosowane są sygnały standardowe?

2.

Co to jest klasa dokładności przetwornika?

3.

W jakim przypadku otrzymujemy histerezę?

4.

Co określa czułość przetwornika?

5.

Czym charakteryzuje się przetwornik bierny?

6.

W jaki sposób łączymy regulator z przetwornikiem?

7.

Jakie mają funkcje przetworniki inteligentne?

8.

Jakie znasz rodzaje przetworników inteligentnych?

9.

Jakie właściwości charakteryzuje przetwornik ekspertowy?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ możliwości współpracy urządzeń w układzie regulacji.

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 1

Urządzenie

Napięcie
zasilania

Sygnał
wejściowy

Sygnał
wyjściowy

W zależności od ilości urządzeń tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować zasadę działania układu regulacji,

2)

odszukać w katalogach odpowiednie urządzenia,

3)

zestawić w tabeli parametry urządzeń,

4)

potwierdzić możliwość współpracy,

5)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

katalogi urządzeń i elementów automatyki,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek.

Ćwiczenie 2

Zbadaj układ modelujący pracę przetwornika I/U przy wykorzystaniu wzmacniacza

operacyjnego.

T

Regulator

Zasilacz

I

Element

wykonawczy

Przetwornik

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 2

I

we

[mA]

U

wy

[V]

W zależności od ilości pomiarów tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

połączyć urządzenia według schematu,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

zanotować zmieniając wartość prądu wejściowego w zakresie 0

÷

20mA wartości napięcia

na wyjściu przetwornika,

4)

wyznaczyć charakterystykę przetwarzania przetwornika I/U,

5)

przeprowadzić analizę otrzymanego wykresu,

6)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko do badania przetwornika I/U,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

instrukcja do ćwiczenia.

Ćwiczenie 3

Zbadaj czteroprzewodowy przetwornik temperatury z czujnikiem termoelektrycznym.

R

2

+

U

wy

I

we

R

1

0

÷

10V

0

÷

20mA

R

40k

Ω

10k

Ω

100

Ω

U

R

Przetwornik

Rejestrator

Zasilacz

+

+

+

+

+

mA

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]

Tabela do ćwiczenia 3

o

[C]

R [

Ω

]

I

mierzone

[mA]

I

idealne

[mA]

∆

[mA]

δ

[%]

W zależności od ilości pomiarów tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

połączyć urządzenia według schematu,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika („zero”),

4)

ustawić wartość końcową sygnału wyjściowego przetwornika (zakres pomiarowy),

5)

symulować działanie czujnika termoelektrycznego w zakresie od 0 do 100

o

C zmieniając

na opornicy dekadowej rezystancję zgodnie z kartami katalogowymi i odczytać wartość
prądu,

6)

wyznaczyć charakterystykę przetwornika,

7)

przeprowadzić obliczenia błędów,

8)

przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,

9)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe do badania przetwornika temperatury,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

wkrętak,

–

karty katalogowe czujników termoelektrycznych,

–

kalkulator do obliczeń,

–

instrukcja do ćwiczenia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

dobrać elementy (urządzenia) układu sterowania?

2)

korzystać z katalogu elementów i urządzeń automatyki?

3)

wyznaczyć charakterystykę przetwarzania przetwornika?

4)

obliczyć błędy przetwornika?

5)

dokonać analizy otrzymanych charakterystyk?

6)

dokonać analizy otrzymanych wyników?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

4.3. Rodzaje regulatorów

4.3.1. Materiał nauczania

Regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym

Różnorodność obiektów, pod względem ich właściwości dynamicznych, wymaga

stosowania regulatorów o zróżnicowanych charakterystykach. Rozróżnia się następujące typy
regulatorów przemysłowych z sygnałem wyjściowym ciągłym:

−

typu P (proporcjonalny, rys. 18). Charakteryzuje się tym, że wartość sygnału wyjściowego
jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji (sygnału wejściowego).

Rys. 18. Regulator proporcjonalny P: a) schemat blokowy, b) odpowiedź skokowa [opracowanie własne]

−

typu PI (proporcjonalno-całkujący, rys. 19). Charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy
jest sumą działania proporcjonalnego i całkującego.

Rys. 19. Regulator proporcjonalno-całkujący PI: a) schemat blokowy, b) odpowiedź skokowa [2, s. 168]

−

typu PD (proporcjonalny-różniczkujący, rys. 20). Charakteryzuje się tym, że wartość
sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do prędkości zmian uchybu regulacji.

Rys. 20. Regulator proporcjonalno-różniczkujący PD: a) schemat blokowy,

b) odpowiedź skokowa [opracowanie własne]

t

k

p

x

-

+

x

0

±

ε

y

+

+

y

0

a)

b)

k

p

ε

dt

d

T

d

T

d

k

p

∫

dt

T

1

i

x

-

+

x

0

±

ε

y

+

+

y

t

0

T

i

a)

b)

k

p

ε

2k

p

ε

k

p

x

-

+

x

0

±

ε

y

a)

b)

y

t

0

k

p

ε

gdzie: k

p

−

wzmocnienie regulatora

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

−

typu PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący, rys. 21). Jest to regulator złożony
z trzech podstawowych członów: proporcjonalnego, różniczkującego i całkującego.

Rys. 21. Regulator proporcjonalno-różniczkująco-całkujący PID:

a) schemat blokowy, b) odpowiedź skokowa [2, s. 171]

Wymienione typy regulatorów są wykonywane jako elektryczne, pneumatyczne

i hydrauliczne.

Na rys. 22 przedstawiono zależność sygnału wyjściowego od sygnału wejściowego

członów wchodzących w skład regulatorów; człon proporcjonalny działa jak wzmacniacz
(rys. 22b), człon całkujący generuje sygnał narastający, kiedy sygnał wejściowy uchybu jest
dodatni lub malejący, gdy sygnał wejściowy jest ujemny (rys. 22c). Człon różniczkujący
wytwarza sygnał dodatni, gdy sygnał wejściowy narasta, lub ujemny, jeśli sygnał wejściowy
maleje (rys. 22d).

Rys. 22. Działanie członów formujących sygnał sterujący regulatora:

a) przykładowy przebieg sygnału wejściowego i odpowiadające mu przebiegi sygnałów wyjściowych członów,

b) proporcjonalnego, c) całkującego, d) różniczkującego [5, s. 78]

k

p

∫

dt

T

1

i

x

-

+

x

0

±

ε

y

+

+

y

t

0

T

i

a)

b)

k

p

ε

dt

d

T

d

k

p

ε

+

+

t

2

x

p

x

i

x

d

t

t

t

t

a)

b)

c)

d)

0

0

0

0

ε

+

+

t

1

t

2

t

3

t

5

t

6

t

4

max

min

t

1

t

3

t

5

+

+

t

1

t

3

t

5

t

6

t

4

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

Na schematach przedstawionych rysunkach 18

÷

21 można zauważyć zależności

matematyczne (wiążące ze sobą przebiegi wejściowe i wyjściowe) określające właściwości
dynamiczne członów, które nazywamy transmitancjami operatorowymi, będącymi funkcjami
zmiennej zespolonej s (są one odpowiednikiem impedancji w elektronice). Transmitancję
oznacza się literą „G”. Korzyści płynące ze stosowania transmitancji to łatwość
przedstawiania złożonych zależności dynamicznych w postaci odpowiednio połączonych
układów realizujących proste zależności, takie jak całkowanie i różniczkowanie. Wyznaczenie
równań wymaga znajomości matematyki wyższej, dlatego w niniejszym poradniku
ograniczono się do zdefiniowania i przedstawienia graficznego właściwości członów
dynamicznych. Zależności matematyczne regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym
zestawiono w tablicy 2.

Tabela 2. Zależności matematyczne regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym

Zależności matematyczne

Typ regulatora

Równanie regulatora

Transmitancja operatorowa

P

( )

( )

t

k

t

y

p

ε

=

( )

p

k

s

G

=

PI

( )

( )

( )













ε

+

ε

=

∫

dt

t

T

1

t

k

t

y

i

p

( )













+

=

s

T

1

1

k

s

G

i

p

PD

( )

( )

( )













ε

+

ε

=

dt

t

d

T

t

k

t

y

d

p

( )

(

)

s

T

1

k

s

G

d

p

+

=

PID

( )

( )

( )

( )













ε

+

ε

+

ε

=

∫

dt

t

d

T

dt

t

T

1

t

k

t

y

d

i

p

( )













+

+

=

s

T

s

T

1

1

k

s

G

d

i

p

W rozdziale tym poznałeś już właściwości typowych regulatorów przemysłowych. Dobór

nastaw regulatora stanowi jeden z etapów kształtowania właściwości dynamicznych układów
regulacji automatycznej. Do wyznaczenia nastaw potrzebna będzie jeszcze krótka informacja
na temat budowy regulatora. W regulatorach wartość poszczególnych parametrów nastawiamy
za pomocą pokręteł zaopatrzonych w podziałki lub przyciski. Należy pamiętać, że nie
wszystkie regulatory mają możliwości nastaw, bowiem rodzaj nastaw przypisany jest
właściwościom poszczególnych regulatorów (tab. 3):

−

x

p

– zakres proporcjonalności regulatora. Jest to odwrotność wzmocnienia k

p

wyrażona

w procentach,

%

100

k

1

x

p

p

=

−

T

i

– czas zdwojenia. Określa właściwości członu całkującego regulatora,

−

T

d

– czas wyprzedzenia. Określa właściwości członu różniczkującego regulatora.

Tabela 3. Możliwości nastaw regulatorów przemysłowych

x

p

T

i

T

d

P

+

−

−

PI

+

+

−

PD

+

−

+

PID

+

+

+

nastawa

regulator

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

Regulatory mają ograniczony zakres nastaw. Typowe wartości nastaw w regulatorach
przemysłowych zebrano w tablicy 4.

Tabela 4. Typowe wartości nastaw w regulatorach przemysłowych

x

p

T

i

T

d

500

÷

1%

(kp = 0,2

÷

100)

0,1

÷

30 min

0,05

÷

20 min

Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym

Regulatory dwupołożeniowe (dwustawne) umożliwiają załączenie i wyłączenie energii

lub czynnika do obiektu w zależności od wartości uchybu. Na wyjściu regulatora
otrzymujemy sygnał, który może przyjmować tylko dwa stany 0 (wyłączanie) i 1 (załączanie).
Z rysunku 23 łatwo zauważyć, że dla wartości uchybu mniejszych od –h/2 sygnał wyjściowy
regulatora jest równy zeru, natomiast dla wartości uchybu większych od h/2 sygnał wyjściowy
regulatora przyjmuje wartość maksymalną. Przykładem obiektu sterowanego regulatorem
dwustawnym może być piec technologiczny ogrzewany energią elektryczną, a wielkością
regulowaną temperatura.

Rys. 23. Układ regulacji dwustawnej [opracowanie własne]

Parametry opisujące przebieg wielkości regulowanej w układzie regulacji dwupołożeniowej
(rys. 24):
–

x

o

– wartość zadana,

–

x

1

– wartość, przy której następuje wyłączenie wielkości regulowanej y,

–

x

2

– wartość, przy której następuje załączenie wielkości regulowanej y,

–

T – stała czasowa obiektu regulowanego,

–

T

o

– czas opóźnienia,

–

h – szerokość pętli histerezy;

2

1

x

x

h

−

=

,

–

δ

– błąd regulacji;

(

)

T

T

x

x

2

h

o

o

max

−

+

=

δ

–

x

max

– maksymalna wartość wielkości regulowanej x w przypadku gdyby nie działał

regulator,

–

τ

c

– okres cyklu pracy regulatora;

(

)

o

o

max

o

max

c

T

4

x

x

x

x

h

T

+

−

⋅

=

τ

lub

o

c

T

4

≈

τ

Obiekt

z

x

-

+

±

ε

y

Zadajnik x

o

Regulator

x

0

ε

1

h

2

h

2

h

−

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

–

τ

c

’ – czas stanu załączenia wielkości regulującej. Prawidłowo nastawiony regulator

powinien spełniać:

c

c

2

1

'

τ

=

τ

oraz

o

max

x

25

.

1

x

≅

. Przy spełnieniu tych warunków

uzyskujemy minimalną wartość błędu

δ

.

Rys. 24. Przebiegi wielkości regulowanej w układzie regulacji dwupołożeniowej [opracowanie własne]

Regulator trzypołożeniowy (trójstawny) charakteryzuje się sygnałem wyjściowym

mogącym przyjmować trzy wartości: +1, 0, -1 (rys. 25). Regulator ten powstaje najczęściej
z połączenia dwóch regulatorów dwustawnych z charakterystykami przesuniętymi w taki
sposób, aby po zsumowaniu można było otrzymać charakterystykę elementu trójstanowego.
Przykładem obiektu sterowanego regulatorem trójstawnym może być układ stabilizacji
temperatury w wannie technologicznej, w której podgrzewanie odbywa się elektrycznie,
a chłodzenie wodą.

Rys. 25. Układ regulacji trójstawnej [opracowanie własne]

Obiekt

z

x

-

+

±

ε

y

Zadajnik x

o

Regulator

x

0

ε

1

-1

t

x

x

0

x

max

0

y

x

2

x

1

δ

T

T

o

T

o

T

o

τ

c

τ

c

’

1

t

0

h

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

Regulatory cyfrowe

Rozwój techniki mikroprocesorowej i układów scalonych spowodował znaczną poprawę

jakości regulatorów oraz możliwości współpracy z systemami komputerowymi. Regulator
cyfrowy jest urządzeniem, w którym

µ

P na podstawie programu zapisanego w pamięci steruje

procesem technologicznym. W pierwszej kolejności

µ

P odczytuje sygnały wejściowe, które

pochodzą z czujników i przetworników pomiarowych. Następnie wykonuje obliczenia
zgodnie z programem, aby na podstawie wyników tych obliczeń generować sygnały
wyjściowe sterując urządzeniami wykonawczymi (rys. 26).

Rys. 26. Ogólny schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego [opracowanie własne]

Konstrukcje i odmiany regulatorów cyfrowych mają budowę aparatową z umieszczoną
w przedniej części obudowy płytą czołową spełniającą funkcje zadajnika, wskaźnika (cyfrowe
DIx, diodowe LDx i LNx) oraz przycisków (KE1

÷

8), którymi parametryzuje się regulator

(rys. 27). W tylnej części obudowy jest listwa zaciskowa, do której podłączone są sygnały
wejściowe i wyjściowe regulatora oraz zasilanie.

Rys. 27. Elementy panelu operatorskiego regulatora cyfrowego [7, s. 122]

Tryby pracy regulatora cyfrowego:

–

konfiguracja, podczas której wybiera się algorytm sterowania, strukturę alarmów,
ograniczeń sygnałów, zakresy wskaźników, parametry transmisji oraz ustalane są dane
liczbowe.

Regulator można konfigurować ręcznie korzystając z adresów zawartych

µ

P

Sygnały
wejściowe

Pamięć

(program)

Sygnały
wyjściowe

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

w jego Dokumentacji Techniczno-Ruchowej lub poprzez komputer wykorzystując
odpowiednie oprogramowanie narzędziowe,

–

tryb ręczny jest wymagany podczas uruchamiania układu regulacji. Wywołując ręcznie
zmiany sygnału sterującego przyciskami zwiększającymi/zmniejszającymi wartości
i obserwując reakcję obiektu operator poznaje cechy nieznanego w pełni obiektu,

–

tryb automatyczny

sterowanie elementem wykonawczym odbywa się automatycznie

(reguluje regulator) według ustalonego w trakcie konfigurowania algorytmu i parametrów
regulacji.

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jakie znasz typy regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym?

2.

Jakie zależności matematyczne opisuje transmitancja?

3.

Jakie nastawy można ustawić w regulatorach ciągłych?

4.

W jaki sposób obliczamy zakres proporcjonalności x

p

?

5.

Jakie występują kombinacje nastaw w różnych typach regulatorów?

6.

Jakie typowe wartości nastaw występują w regulatorach przemysłowych?

7.

Od czego zależy szerokość pętli histerezy w regulatorach z sygnałem wyjściowym
nieciągłym?

8.

Na podstawie czego regulator cyfrowy generuje sygnały wyjściowe?

9.

Jakie są tryby pracy regulatora cyfrowego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Sprawdź działanie regulatora elektronicznego PID.

Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

połączyć urządzenia według schematu,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

ustawić wartość zadaną na połowie zakresu,

-

Rejestrator

Regulator

PID

Wielkość

regulowana y

Ź

ródło prądowe

regulowane 0

÷

20 mA

+

Zadajnik x

o

Ź

ródło prądowe

regulowane 0

÷

20 mA

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

4)

zasymulować konkretną wartość y,

5)

wyłączyć działanie I oraz D (nastawić

∞

→

i

T

oraz

0

T

d

=

),

6)

nastawić wartość zakresu proporcjonalności podaną przez prowadzącego i zarejestrować
odpowiedź,

7)

zarejestrować odpowiedzi regulatora PD, PI, PID dla różnych wartości nastaw podanych
przez prowadzącego,

8)

przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,

9)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe do badania regulatora PID,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora,

–

instrukcja do ćwiczenia.

Ćwiczenie 2

Zbadaj układ regulacji z regulatorem dwustawnym, w którym piec technologiczny

ogrzewany jest energią elektryczną, a wielkością regulowaną jest temperatura.

Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

połączyć urządzenia według schematu,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

ustawić wartość zadaną,

4)

ustawić wartość histerezy,

Regulator

-

+

±

ε

Przetwornik

Zadajnik x

o

Czujnik

pomiarowy

∼

Nagrzewnica

Obiekt

Zakłócenia

Obiekt

Zakłócenia

Obiekt

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

5)

zarejestrować odpowiedź czasową układu regulacji,

6)

zakłócić pracę układu poprzez otwarcie drzwiczek pieca,

7)

zarejestrować odpowiedź czasową układu regulacji przy zakłóceniach,

8)

przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,

9)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe do badania układu regulacji z regulatorem dwustawnym,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

stoper,

–

instrukcja do ćwiczenia.

Ćwiczenie 3

Sprawdź działanie regulatora cyfrowego realizującego funkcję start-stop poprzez

symulacyjne uruchamianie silnika napędowego urządzenia technologicznego.

Rys. do ćwiczenia 3 [7, s. 153]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeanalizować działanie układu przedstawionego na rysunku,

2)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

3)

dokonać parametryzacji i konfiguracji regulatora,

4)

sprawdzić działanie układu,

5)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko pomiarowe do badania regulatora cyfrowego,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek,

–

dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora,

–

komputer klasy PC z oprogramowaniem narzędziowym do konfiguracji graficznej
regulatora,

–

instrukcja do ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

scharakteryzować

parametry

określające

ś

rodowisko

pracy

regulatora?

2)

sprawdzić i skontrolować prawidłowość pracy podstawowych
elementów regulatora?

3)

ustawić nastawy regulatora?

4)

włączyć regulator dwustawny do układu regulacji?

5)

zdefiniować podstawowe parametry regulatorów cyfrowych?

6)

przeprowadzić konfigurację regulatora cyfrowego?

7)

posługiwać się oprogramowaniem narzędziowym do konfiguracji
graficznej regulatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

4.4. Bezpieczeństwo w układach automatyki

4.4.1. Materiał nauczania

Urządzenia i układy automatyki, tak jak wszystkie urządzenia stosowane w technice nie

są niezawodne. Istnieje zawsze mniejsze lub większe prawdopodobieństwo wystąpienia awarii
czy uszkodzenia w układach sterowania, dlatego rozwiązania techniczne powinny je
przewidywać i w razie ich wystąpienia chronić w pierwszej kolejności zdrowie i życie
ludzkie, a następnie sprzęt. W praktyce dużą grupę urządzeń automatyki przemysłowej tworzą
układy sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń. Pełnione przez nie funkcje są różne, lecz istnieją
między nimi silne związki. Układy te częściowo korzystają z tych samych sygnałów, razem
tworzą zestaw urządzeń uzupełniających część sterującą tak, że dopiero o całości można
mówić jako o pełnym systemie automatyki procesu przemysłowego.
Sygnalizacja

Zadaniem układów sygnalizacji jest zwrócenie uwagi operatora procesu na fakt

zaistnienia zdarzeń, które są ważne dla bezpieczeństwa ludzi, trwałości instalacji, jakości
produktu itp. Sygnalizacja musi być tak zaprojektowana, aby informacja o aktualnym stanie
procesu niezwłocznie trafiła do odbiorcy (operatora) w postaci sygnału świetlnego,
akustycznego ze wskazaniem miejsca lub czasu wystąpienia. Rozróżniamy następujące typy
sygnalizacji:
–

kontrolno–wskaźnikowa (informacyjna), która dostarcza informację o stanie pracy
poszczególnych urządzeń i podzespołów, położenia elementów nastawczych, wartości
różnych parametrów w procesie technologicznym. Sygnalizacja ta realizowana jest
przeważnie jako optyczna; podczas swej normalnej pracy nie powinna rozpraszać uwagi
obsługi.

–

ostrzegawcza, która informuje o odchyłkach mogących doprowadzić do awarii lub
o mającym nastąpić uruchomieniu określonych maszyn, urządzeń lub procesów
technologicznych. Sygnalizacja ta realizowana jest jako optyczna i/lub akustyczna.

–

awaryjna, która informuje o wystąpieniu stanów awaryjnych. Najczęściej przyjmowaną
barwą awaryjną w tym rodzaju sygnalizacji jest barwa czerwona, zaś syrena ma dźwięk
modulowany i zsynchronizowany z błyskami światła.
Spotyka się ponadto sygnalizację wywoławczą umożliwiającą skontaktowanie się

z określoną osobą, sygnalizację porozumiewawczą, która służy do przekazywania sygnałów
nakazu, zakazu, zezwolenia – zazwyczaj wymagających potwierdzenia ich odbioru oraz
sygnalizację ochronną (przeciwpożarową, przeciwwłamaniową, kontroli wartowników).
Blokady

Układy blokad stosujemy w celu uniemożliwienia środkami technicznymi użycia

urządzenia w warunkach niezgodnych z jego przeznaczeniem lub w sytuacji zagrażającej
samemu urządzeniu lub otoczeniu. Układy blokad mogą być konstruowane z elementów
logicznych stykowych (przekaźniki) i półprzewodnikowych, mogą też być realizowane za
pomocą programów, gdy nadrzędnym urządzeniem sterującym jest komputer lub sterownik
programowalny.
Zabezpieczenia

Zadaniem układów zabezpieczeń jest zapobieżenie szkodliwym dla instalacji lub

otoczenia warunkom eksploatacji urządzenia zabezpieczanego. Zazwyczaj odbywa się to
metodą wymuszenia stanu uznanego jako niebezpieczny bez możliwości samoczynnego
wyjścia z tego stanu po zniknięciu zagrożenia. Zabezpieczenia stosowane są szczególnie tam,
gdzie występują duże nakłady finansowe na układy regulacji.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

Podział zabezpieczeń procesów technologicznych:

–

zabezpieczenia w warunkach rozruchowych,

–

zabezpieczenia indywidualne elementów i urządzeń w poszczególnych obiektach,

–

zabezpieczenia prowadzące do zatrzymania wszystkich urządzeń.
Urządzenia zabezpieczające reagują na zmiany różnych wielkości fizycznych, na przykład

napięcie, częstotliwość prądu, temperatura łożyska silnika, poziom oleju w transformatorze.

Najpowszechniejszymi

zabezpieczeniami

urządzeń

elektrycznych

stosowanych

w układach regulacji są zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne. Na rysunku 28
przedstawiono schemat budowy bezpiecznika termicznego. Dźwignia 1, na której końcu
znajduje się popychacz styku zamykającego obwód zasilania silnika, jest dociskana do
gniazda w punkcie A za pomocą sprężyny 2 rozpiętej między punktami B i C. Przeciążenie
silnika wywołuje wzrost temperatury uzwojeń i części metalowych stanowiących obwód
magnetyczny. Umieszczony na nich bimetal 3 odkształca się pod wpływem nagrzewania,
przesuwając w dół punkt A. Gdy punkt A znajdzie się poniżej prostej przechodzącej przez
punkty B i C, układ przejdzie pod wpływem siły sprężyny do nowego stanu równowagi –
punk B przesunie się do punktu B’, a styki w obwodzie zasilania zostaną rozłączone i nastąpi
wyłączenie silnika. Układ jest tak zbudowany, że powrót bimetalu do pierwotnego kształtu
(po ostudzeniu urządzenia) nie wywołuje samoczynnego powrotu do stanu zwarcia styków
w obwodzie zasilania. Ponowne załączenie silnika możliwe jest przy pomocy przycisku
powtórnego załączenia 4 wymuszającego przestawienie końca sprężyny z punktu B’ do B.

Rys. 28. Układ zabezpieczenia termicznego silnika [1, s. 242]

Często w systemach sterowania cyfrowego stosuje się specjalne oprogramowanie, które

sprawdza poprawność działania urządzeń na podstawie wysyłanego przez nie sygnału
testowego. Jeżeli oprogramowanie wykryje, że sygnał testowy odbiega od przyjętego jako
bezpieczny, to uruchamia się alarm sygnalizujący miejsce i rodzaj awarii.

W celu podniesienia niezawodności dużych, skomplikowanych, drogich, zagrażających

ż

yciu lub środowisku procesów technologicznych stosuje się układy redundancyjne

(nadmiarowe). Pojawienie się sygnału alarmowego może spowodować w przypadku awarii
wyłączenie urządzeń uszkodzonych i włączenie urządzeń rezerwowych dublujących pracę
części lub całości układu regulacji.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jaki znasz podział układów gwarantujących poprawną pracę urządzeń i układów
automatyki?

2.

Czym charakteryzują się układy sygnalizacji?

3.

W jakim celu stosujemy układy blokad?

4.

Jakie zadania spełniają układy zabezpieczeń?

5.

Jaką funkcję spełnia wyłącznik termiczny?

6.

W jakim celu stosujemy układy redundancyjne?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj przykłady sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń w układach automatyki.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

przeprowadzić analizę proponowanych przykładów,

2)

przyporządkować poszczególne przykłady układom sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń,

3)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

arkusze papieru formatu A4,

–

przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Sprawdź działanie blokady.

Rys. 1 do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

K1

+

K2

K1

Zał.

K1

Zał.

K2

pomocniczy obwód

prądowy

główny obwód

prądowy

K2

L1

N

M

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

Rys. 2 do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zaproponować procedurę sprawdzenia sprawności blokady,

2)

połączyć urządzenia według schematu elektrycznego,

3)

poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,

4)

poprzez odpowiednią kombinację wciśniętych przycisków (pola A, B, C, D na przebiegu
czasowym) uruchamiać blokadę,

5)

uzupełnić przebieg czasowy blokady,

6)

przeprowadzić analizę otrzymanych przebiegów czasowych,

7)

opracować wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

stanowisko do badania blokady,

–

arkusze papieru formatu A4,

–

linijka, ołówek.

Ćwiczenie 3

Narysuj schemat rozruchowy silnika elektrycznego w układzie gwiazda-trójkąt

uwzględniający stycznik zasilający główny, stycznik trójkąta, stycznik gwiazdy, przekaźnik
czasowy do nastawiania czasu rozruchu silnika. Przyjmując, że w silniku znajduje się
wyłącznik termiczny chroniący silnik przed przeciążeniem podać jego miejsce na schemacie
zasilania zapewniające skuteczne zabezpieczenie przed uszkodzeniem silnika. Układ
uruchamiać przyciskiem Start (styk zwierny), wyłączać przyciskiem Stop (styk rozwierny).

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

narysować schemat połączeń,

2)

uzasadnić sposób rozwiązania,

3)

opracować wnioski.

t

Zał. K1

0

1

t

Zał. K2

0

1

t

K1

0

1

t

K2

0

1

A

B

C

D

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

arkusze papieru formatu A4,

−

linijka, ołówek.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wskazać różnicę pomiędzy funkcją i działaniem układów
sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń

w układach automatyki?

2)

dokonać analizy działania blokady?

3)

narysować przebiegi czasowe blokady?

4)

prawidłowo

umiejscowić

na

schemacie

elektrycznym

zabezpieczenie?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

5.

SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.

Przeczytaj uważnie instrukcję.

2.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

3.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

4.

Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi. Tylko
jedna jest prawdziwa.

5.

Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi, wstawiając w odpowiedniej
rubryce znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zaznaczyć odpowiedź prawidłową.

6.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

7.

Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż rozwiązanie tego
zadania na później i wróć do niego, kiedy zostanie Ci wolny czas.

8.

Na rozwiązanie testu masz 60 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1.

Sterowanie automatyczne realizowane jest
a)

bezpośrednio przez człowieka.

b)

bezpośrednio przez urządzenia bez udziału człowieka.

c)

bezpośrednio przez urządzenia i człowieka.

d)

krok po kroku.

2.

Uchyb ε wyznaczamy z różnicy
a)

sygnału sterującego i zakłóceń.

b)

sygnału wartości zadanej i sygnał uchybu.

c)

zadanej i rzeczywistej wartości wielkości regulowanej.

d)

sygnału zakłócającego i wartości zadanej.

3.

Stałą czasową różniczkowania oznaczamy symbolem
a)

T

i

.

b)

T

d

.

c)

x

p

.

d)

k

p

.

4.

Na rysunku przedstawiono

a)

układ otwarty sterowania.

b)

strukturę regulatora.

c)

układ zamknięty sterowania.

d)

strukturę urządzenia pomiarowego.

Urządzenie

sterujące

Obiekt

z

x

y

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

5.

Węzeł sumujący
a)

mnoży i dzieli sygnały.

b)

dodaje i odejmuje sygnały.

c)

porównuje sygnały.

d)

przetwarza sygnał na inną wielkość fizyczną.

6.

W sterowaniu sekwencyjnym
a)

sygnał sterujący powstaje z powiązania logicznego sygnałów.

b)

następuje linearyzacja charakterystyki.

c)

nie występuje opóźnienie.

d)

czynności odbywają się krok po kroku.

7.

Standardowy sygnał prądowy to
a)

0

÷

5 A.

b)

4

÷

20 mA.

c)

0

÷

15 mA.

d)

4

÷

10 mA.

8.

Na schemacie blokowym w pustym miejscu należy wpisać

a)

obiekt sterowania.

b)

przetwornik.

c)

zadajnik x

o

.

d)

generator.

[

9.

Przetwornik pomiarowy typu SISO ma
a)

wiele wejść i jedno wyjście.

b)

wiele wejść i wiele wyjść.

c)

jedno wejście i wiele wyjść.

d)

jedno wejście i jedno wyjście.

10.

Zakres proporcjonalności regulatora wyznacza się z zależności

a)

%

100

T

1

x

i

p

=

.

b)

x

y

x

p

∆

−

∆

=

.

c)

%

100

k

1

x

p

p

=

.

d)

y

x

x

p

∆

∆

=

.

11.

Transmitancje opisują
a)

charakterystykę regulatora dwustanowego.

b)

przetworniki w stanie nieustalonym.

c)

własności dynamiczne regulatorów.

d)

algorytmy sterowania blokadami.

czujnik

regulator

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

12.

Właściwości metrologiczne poprawiają inteligentne przetworniki
a)

kompensacyjne.

b)

czynne.

c)

nadmiarowe.

d)

bierne.

13.

W trybie pracy automatyczny regulatora cyfrowego
a)

wybieramy algorytm sterowania.

b)

możemy przyciskami zmniejszać/zwiększać wartości.

c)

konfigurujemy parametry.

d)

następuje regulacja według ustalonego algorytmu i parametrów.

14.

Do realizacji przetwarzania niewymagane jest doprowadzenie energii zewnętrznej
zasilającej do przetworników
a)

jedno wejście i jedno wyjście.

b)

aktywnych.

c)

trójstanowych.

d)

pasywnych.

15.

Układ blokady przedstawiony na rysunku

a)

wyklucza możliwość załączenia silnika jeżeli przycisk Zał. K1 jest wciśnięty.

b)

powoduje automatyczne załączenie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K1.

c)

nie zezwala na uruchomienie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K2.

d)

powoduje uruchomienie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K1 i Zał. K2.

16.

Urządzenie sterujące
a)

oddziaływuje na obiekt sterowania.

b)

wytwarza sygnał błędu regulacji.

c)

mierzy wartość wielkości regulowanej.

d)

porównuje wartość rzeczywistą z wartością zadaną.

17.

Nastawami regulatora typu PI są
a)

p

x ,

i

T

.

b)

p

x ,

d

T .

c)

p

x ,

i

T

,

d

T .

d)

i

T

,

d

T .

K1

+

K2

K1

Zał.

K1

Zał.

K2

pomocniczy obwód

prądowy

główny obwód

prądowy

K2

L1

N

M

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

18.

Element składowy charakteryzujący regulator cyfrowy to
a)

zdejmowany panel przedni.

b)

wyświetlacz dotykowy.

c)

mikroprocesor.

d)

pokrętła.

19.

Przedstawiona odpowiedź skokowa jest odpowiedzią regulatora typu

a)

PI.

b)

P.

c)

PD.

d)

PID.

20.

W celu uniemożliwienia środkami technicznymi użycia urządzenia w warunkach
niezgodnych z jego przeznaczeniem stosujemy
a)

zabezpieczenie w warunkach rozruchu.

b)

blokady.

c)

sygnalizację awaryjną.

d)

tabliczkę ostrzegawczą.

y

t

0

k

p

ε

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

KARTA ODPOWIEDZI

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

Dobieranie układów sterowania i regulacji.

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr

zadania

Odpowiedź

Punkty

1.

a

b

c

d

2.

a

b

c

d

3.

a

b

c

d

4.

a

b

c

d

5.

a

b

c

d

6.

a

b

c

d

7.

a

b

c

d

8.

a

b

c

d

9.

a

b

c

d

10.

a

b

c

d

11.

a

b

c

d

12.

a

b

c

d

13.

a

b

c

d

14.

a

b

c

d

15.

a

b

c

d

16.

a

b

c

d

17.

a

b

c

d

18.

a

b

c

d

19.

a

b

c

d

20.

a

b

c

d

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

6.

LITERATURA

1.

Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, W-wa 1996

2.

Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, W-wa 1997

3.

Kwaśniewski J.: Wprowadzenie do inteligentnych przetworników pomiarowych. WNT,
W-wa 1993

4.

Markowski A., Kostro J., Lewandowski A.: Automatyka w pytaniach i odpowiedziach.
WNT, W-wa 1979

5.

Płoszajski G.: Automatyka. WSiP, W-wa 1995

6.

Siemieniako F., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, W-wa 1996

7.

Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, W-wa 1992