Automatyka w Inżynierii
Automatyka w Inżynierii
Środowiska
Środowiska
Wykład 1
Standardowe algorytmy regulacji i
sterowania
Wstępne informacje
Wstępne informacje
" Podstawa zaliczenia wykładu: kolokwium  15.01.2011
" Obecność na wykładach: zalecana.
" Zakres tematyczny przedmiotu: (10 godzin wykładów)
" Standardowe algorytmy regulacji i sterowania
" Charakterystyka i zasady doboru regulatorów i sterowników
" Programowanie sterowników swobodnie programowalnych
" Charakterystyka urządzeń wykonawczych
" Charakterystyka urządzeń pomiarowych
" Rozdzielnice zasilająco-sterujące w systemach automatyki
" Komputerowe systemy telemetrii i nadrzędnego sterowania
" Komputerowe systemy zarządzania infrastrukturą techniczną w
budynkach
" Komputerowe systemy zarządzania energią
LITERATURA
LITERATURA
1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2003
2. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.
3. Ross H.: Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego. Warszawa
1997.
4. Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006.
5. Kostyrko K., A
obzowski A.: Klimat pomiary regulacja. Warszawa 2002.
6. Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.
Muller. 2002.
7. Horan T.:Control systems and applications for HVAC/R. New Jersey 1997.
8. Underwood C.P.: HVAC control systems. New York, London 1999.
9. Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.
10. Syposz J., Jadwiszczak P.: Zintegrowane systemy zarządzania energia w budynkach.
PAN. 2007
Wprowadzenie do układów
Wprowadzenie do układów
automatycznej regulacji i
automatycznej regulacji i
sterowania
sterowania
Układ regulacji
Układ regulacji
Funkcje realizowane przez automatykę w inżynierii środowiska:
- regulacja,
- sterowanie,
- zabezpieczenie,
- optymalizacja.
Układ regulacji jest połączeniem elementów automatyki, które
współdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie.
Schemat blokowy układu regulacji z
+_
e u y
w
obiekt regulacji
urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Element automatyki
Element automatyki
" Element automatyki jest to urządzenie posiadające sygnał
wejściowy i wyjściowy
y
x
element automatyki
sygnał sygnał
wejściowy wyjściowy
Obiekt regulacji
Obiekt regulacji
" Obiektemregulacji może być urządzenie, zespół urządzeń lub proces
technologiczny, wktórymwwyniku zewnętrznych oddziaływań realizuje
się pożądany algorytmdziałania.
z
+_
e u
w
obiekt regulacji
y
urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Urządzenie wykonawcze
Urządzenie wykonawcze
" Urządzenie wykonawcze składa się z elementu napędowego oraz
elementuwykonawczego.
" Wsystemach grzewczych i wodociągowych elementem wykonawczym
jest najczęściej pompa i zawór regulacyjny. W systemach
wentylacyjnych wentylator i przepustnica. W urządzeniach
transportowych  podajnik, przenośnik.
" Element napędowy służy jako napęd (silnik, siłownik) elementu
wykonawczego.
z
u
+_
e y
w
obiekt regulacji
urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Element pomiarowy
Element pomiarowy
" Element pomiarowy jest to część układu regulacji, której
zadaniem jest pomiar wielkości regulowanej y oraz
wytworzenie sygnału ym dogodnego do wprowadzenia do
regulatora.
z
+_
e u y
w
obiekt regulacji
urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
element
ym
y
pomiarowy
Regulator
Regulator
" Regulator jest to element układu regulacji, którego zadaniem jest
wytworzenie sygnału sterującego wpływającego na przebieg wielkości
regulowanej. Sygnałemwejściowymregulatora jest uchyb regulacji e,
asygnałemwyjściowym wielkość sterująca u.
" Uchyb regulacji e otrzymuje się w regulatorze w wyniku porównania
wartości zadanej w oraz wartości wielkości regulowanej y.
e = w  y
Regulator zależnie od uchybu regulacji odpowiednio zmienia sygnał
sterujący u tak aby spełnić warunek równości wielkości regulowanej i
wartości zadanej y=w.
z
y
+/- obiekt regulacji
e u
w urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Regulacja - definicja
Regulacja - definicja
" Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie którego mierzy się
jakąś wielkość fizyczną, nazywaną wielkością regulowaną y, porównuje
z wartością innej wielkości nazywanej wielkością zadaną w i wpływa na
jegoprzebieg wcelu minimalizacji różnicy tych wielkości e [DIN19226].
" W procesie regulacji przebieg sygnałów odbywa się w obwodzie
zamkniętym, nazywanymukłademautomatycznej regulacji.
z
+_
e u y
w
obiekt regulacji
urządzenie
regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Przykład układu regulacji  schemat
Przykład układu regulacji  schemat
funkcjonalny
funkcjonalny
" Schemat funkcjonalny układu regulacji temperatury
powietrza wogrzewanympomieszczeniu
z1 z2 z3
z5
T
2
y
3
u
1
w
4 z4
1 - regulator, 2  czujnik temperatury powietrza w pomieszczeniu, 3 - człon wykonawczy, 4 -
obiekt regulacji (pomieszczenie z grzejnikiem), u - wielkość nastawna, w - wartość zadana, y -
wielkość regulowana, z1, z2, z3, z4, z5 - wielkości zakłócające
Schemat funkcjonalny  schemat blokowy
Schemat funkcjonalny  schemat blokowy
układu regulacji
układu regulacji
Zakłócenia zewnętrzne
z
u
e
w
y
1
1
3
3
4
4
ym
T
z = wielkości zakłócające
1 = REGULATOR
y = wielkość regulowana
2
2
2 = CZUJNIK TEMPERATURY
w = wartość zadana
3 = SIA
OWNIK Z ZAWOREM
u = wielkość nastawna
4 = POMIESZCZENIE Z GRZEJNIKIEM
e = odchyłka regulacji
Sterowanie - definicja
Sterowanie - definicja
" Sterowanie jest to proces w układzie, w którymjedna wielkość lub ich
większa ilość, jako wielkości wejściowe, wpływają na wielkości
wyjściowe według prawidłowości właściwej układowi [DIN19226].
" Sterowanie jest procesemotwartym.
" Otwarte układy sterowania stosowane są wówczas, gdy związek
pomiędzy sygnałemwejściowymi wyjściowymjest znany.
z
w u człon obiekt
y
urządzenie
wykonawczy sterowania
sterujące
Regulacja i sterowanie. Różnice!
Regulacja i sterowanie. Różnice!
zakłócenia Z
u
e
w
Człon Obiekt
Regulator
wykonawczy regulacji
y
Człon
pomiarowy
zakłócenia Z
y
w u
Człon Obiekt
Sterownik
wykonawczy sterowania
Przykład sterowania
Przykład sterowania
Sterowanie czasowe (programowe) przełączaniem równolegle
połączonych pomp
w Zegar sterujący
u1 M
P1
y1
P2
y2
u2
M
Rodzaje regulacji automatycznej
Rodzaje regulacji automatycznej
AUTOMATYCZNA
REGULACJA
STAA
OWARTOŚCIOWA NAD
ŻNA
PROGRAMOWA
Regulacja stałowartościowa
Regulacja stałowartościowa
" Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej
wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje
na stałympoziomie niezależnie od zakłóceń działających na
układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu
regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu
zakłóceń nawielkość regulowaną.
" Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji: np. regulacja
temp. wpomieszczeniu
z1 z2 z3
z5
T
2
y
3
u
1
w
z4
Regulacja stałowartościowa
Regulacja stałowartościowa
" Regulacja temperatury powietrza nawiewanego.
z1
+
y
5
T
4 2
ym
3 u
1 w
z2
Regulacja stałowartościowa temperatury powietrza w
Regulacja stałowartościowa temperatury powietrza w
pomieszczeniu  kocioł jako człon wykonawczy.
pomieszczeniu  kocioł jako człon wykonawczy.
T
w
Człon Obiekt
w
wykonawczy regulacji
regulator kocioł pomieszczenie
y
Człon
pomiarowy
czujnik temperatury
Przykład regulacji stałowartościowej
Przykład regulacji stałowartościowej
" Regulacja poziomu wody w zasobniku
u w
1 y
2
P1
z1
4
h 3
z2 V2
Przykład regulacji stałowartościowej
Przykład regulacji stałowartościowej
" Regulacja temperatury wody w zasobniku
(podgrzewaczu pojemnościowym).
Regulacja programowa
Regulacja programowa
" Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie
wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym
programem zmiany wartości zadanej (w = w(t)). Typowym
przykłademregulacji programowej wsystemach ogrzewania
pomieszczeń jest okresowe obniżanie temperatury
powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w godzinach
nocnychlubwdni wolne odpracy.
Regulacja programowa
Regulacja programowa
NOC DZIEC
NOC
praca instalacji normalna praca praca instalacji
ogrzewania instalacji ogrzewania
z osłabieniem ogrzewania z osłabieniem
ti �C
+20
+15
czas
0:00 7:00 17:00 24:00
Regulacja stałowartościowa sekwencyjna
Regulacja stałowartościowa sekwencyjna
" Regulacja stałowartościowa sekwencyjna
stosowana jest w przypadku gdy dla utrzymania
stałej wartości wielkości regulowanej konieczna jest
współpraca regulatora z dwoma lub więcej
elementami wykonawczymi.
Przykład regulacji stałowartościowej
Przykład regulacji stałowartościowej
sekwencyjnej
sekwencyjnej
" Układ regulacji temperatury powietrza w wentylowanym pomieszczeniu.
" Regulator w zależności od wartości temperatury powietrza w
pomieszczeniu wysyła sygnał nastawiający do siłownika nagrzewnicy
lubdo siłownika chłodnicy.
" Załączanie tych sygnałówodbywa się sekwencyjnie
y=ti
T
uch y
w
ug
Sekwencyjna regulacja temperatury
Sekwencyjna regulacja temperatury
powietrza
powietrza
" Wykres przebiegu sygnału sterującego
100%
u
ug
uch
0
+ -
Strefa martwa
ti
Regulacja nadążna
Regulacja nadążna
" Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie
wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej
wartości zadanej, która zmienia się w sposób
niezdeterminowany, tzn. trudny doprzewidzenia (w=w(?))
" Wogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego
zasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkość
regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami
temperatury powietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną
w)
" Regulacja ta uwzględnia wpływ parametrów klimatu
zewnętrznego potocznie jest nazywana regulacją
pogodową lubkompensacyjną.
Regulacja nadążna (pogodowa?)
Regulacja nadążna (pogodowa?)
y' = tw
6
T
w
1 tzco
u 2 ym T
3 5
y
7 4
Wykres regulacji jakościowej c.o.
Wykres regulacji jakościowej c.o.
tzco[�C]
90
80
70
60
tzco=f(tzew)
50
40
30
20
10
0
- 20 -10 0 10 tzew[�C]
Regulacja nadążna kaskadowa
Regulacja nadążna kaskadowa
" Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do
regulacji temperatury w systemach wentylacji i klimatyzacji
w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez
kompensację własności dynamicznych obiekturegulacji.
" Wprocesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu
regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz
regulatorapomocniczego(nadążnego).
" Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą być
zaprogramowane wjednymurządzeniu.
Schemat układu kaskadowej regulacji
Schemat układu kaskadowej regulacji
temperatury powietrza w pomieszczeniu
temperatury powietrza w pomieszczeniu
wentylowanym
wentylowanym
" Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość pomocnicza y1)
utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez
regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza
wywiewanego tW (główna wielkość regulowana y2).
tW T
ti
T
tN
y2
y1
u1
1 u2
2
w=ti
Przykład zastosowania regulacji
Przykład zastosowania regulacji
kaskadowej
kaskadowej
" Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od
temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach
regulacji kaskadowej
a
b
tN [�C]
tN max tN=f(ą"t) tN tN max
30
tN min tN min
12
-"t ti +"t tW [�C] -1K ti +1K tW
Regulacja kaskadowa
Regulacja kaskadowa
" Regulacja kaskadowa korzystna jest szczególnie
wówczas gdy własności dynamiczne obu obwodów
regulacji różnią się znacznie między sobą. Dzięki
małej inercyjności pierwszego obiektu regulacji
(nagrzewnica powietrza) mimo dużej bezwładności
cieplnej głównego obiektu regulacji
(pomieszczenie wraz z instalacją wentylacyjną)
stosując regulację kaskadową można znacznie
poprawić własności dynamiczne układu regulacji i
uzyskać wysoką jakość regulacji.
Regulatory  podstawy teoretyczne
Regulatory  podstawy teoretyczne
Regulator w układzie regulacji
z
e u y
w
obiekt regulacji
urządzenie
_ regulator obiekt
wykonawcze
regulacji
ym
y
element
pomiarowy
Regulator w układzie regulacji
Regulator w układzie regulacji
Regulator jest urządzeniem, któregozadaniemjest:
 porównanie zmierzonej wielkości regulowanej ym z
wielkością zadaną w i określenie wielkości uchybu
(błędu) regulacji e=w- ym,
 wzależności od odchyłki regulacji, czasu jej trwania oraz
szybkości zmian wytworzenie sygnału wyjściowego
zwanego sygnałem sterującym u o takiej wartości aby
błądregulacji miał dostateczniemałą wartość,
 takie kształtowanie własności dynamicznych układu
regulacji aby układ był stabilny oraz zapewniał
wymaganą jakość regulacji.
Kryteria podziału regulatorów
Kryteria podziału regulatorów
Biorąc pod uwagę sposób dostarczenia energii potrzebnej
donapęduelementuwykonawczego wyróżnia się;
 regulatory bezpośredniego działania, które
charakteryzują się tym, że energię potrzebną do napędu
elementu wykonawczego pobierają z obiektu regulacji za
pośrednictwem elementu pomiarowego (np. regulatory
temperatury, ciśnienia, przepływu itp.),
 regulatory o działaniu pośrednim, zasilane w energię
pomocniczą z obcego z
ródła (np. elektryczne,
elektroniczne).
Kryteria podziału regulatorów
Kryteria podziału regulatorów
Regulatory zasilane energią pomocniczą dzieli się na:
- elektryczne i elektroniczne,
- pneumatyczne
- hydrauliczne,
- mechaniczne.
Kryteria podziału regulatorów
Kryteria podziału regulatorów
W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżnia się
regulatory:
- o wyjściu (sygnale) ciągłym (ciągła zależność pomiędzy
wielkością regulowaną y a odchyłka regulacji e w
określonymzakresie nastawwielkości regulowanej Yh,
- o wyjściu nieciągłym: dwustawne (załącz/wyłącz), trójstawne
(otwórz/spoczynek/zamknij)
- quasi-ciągłe (kombinacja regulatora trójstawnego z
określonymnapędem).
Pod względem zmiany sygnału wyjściowego można podzielić
regulatory na: analogowe i cyfrowe.
Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora
Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora
W regulatorach elektrycznych sygnały wprowadzane i
wyprowadzane z regulatora dzielimy na sygnały
analogowe Aoraz sygnały cyfrowe D.
Wtechnice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnały
analogowe wejściowe i wyjściowe stosujesię:
- napięcieozakresie 0/2do 10V,
- prąd 0/4do 20mA,
- ciśnienie (regulatory pneumatyczne) 0,2do1,0bar
W niektórych wykonaniach regulatorów stosuje się jako
wielkość analogową wejściową rezystancję mierzoną w �.
Sygnały cyfrowe wejściowe i wyjściowe interpretowane są jako
informacjalubpoleceniezałącz/wyłącz.
Własności dynamiczne regulatorów
Własności dynamiczne regulatorów
Podstawowymkryteriumpodziału regulatorówsąich własności
dynamiczne, określające związek pomiędzy sygnałem
wyjściowym a odchyłką regulacji jako sygnałem
wejściowym.
Zewzględu nawłasności dynamiczne rozróżniamy regulatory:
- proporcjonalnetypuP,
- całkującetypu I,
- proporcjonalno-całkującetypuPI,
- proporcjonalno-różniczkujące typuPD,
- proporcjonalno-całkująco-różniczkujące typuPID.
Własności dynamiczne regulatorów
Własności dynamiczne regulatorów
Charakterystyka dynamiczna regulatora jest opisywana w
postaci transmitancji jako stosunek transformaty U(s)
sygnału wyjściowego  wielkości sterującej u(t), do
transformaty E(s) sygnału wejściowego  uchybu regulacji
e(t).
U (s)
Gr (s) =
E(s)
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
W klasycznych sformułowaniach podstawowych własności
regulatorów rozróżnia się następujące charakterystyki
dynamiczne:
U (s)
Gr (s) = = K
- proporcjonalną (P)
p
E(s)
K
U (s) 1
p
- całkową (I)
Gr (s) = = =
E(s) Tis s
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
�ł �ł
U (s) 1
�ł
Gr (s) = = K
- proporcjonalno-całkową (PI)
p
�ł1+ Tis �ł
�ł
E(s)
�ł łł
U (s)
- proporcjonalno-różniczkową
Gr (s) = = K (1+ Td s)
p
E(s)
(PD)
- proporcjonalno-całkująco-różniczkującą
(PID)
�ł �ł
U (s) 1
�ł �ł
Gr (s) = = K
p
�ł1+ Tis + Td s�ł
E(s)
�ł łł
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
(graficzne  odpowiedzi na zakłócenie skokowe)
(graficzne  odpowiedzi na zakłócenie skokowe)
u
P Kp
Kp
t
u
�ł �ł
1
�ł
K
PI p
�ł1+ Ti s �ł
�ł
Kp
�ł łł
Kp
t
Ti
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
u
PD
K (1+ Td s)
p
Kp
t
u
�ł �ł
1
�ł �ł
K
PID  idealny p
�ł1+ Tis + Td s�ł
�ł łł
Kp
t
u
�ł �ł
1 Td s
�ł �ł
K
PID - rzeczywisty p
�ł1+ Ti s + Ts +1�ł
�ł łł
Kp t
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
gdzie:
Kp  współczynnik wzmocnienia,
1
X = �"100[%] - zakres proporcjonalności,
p
K
p
Ti  czas zdwojenia (całkowania),
Td  czas wyprzedzenia (różniczkowania)
T - nienastawialna stała czasowa ściśle określona dla
rzeczywistego regulatora typu PID.
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
Charakterystyki dynamiczne regulatorów
" Wielkości Kp, Ti, Td noszą nazwę nastaw dynamicznych
regulatora.
" Wregulatorach z energią pomocniczą można je nastawiać
w pewnych granicach tak aby uzyskać najlepszy efekt
regulacji.
" Współczynnik wzmocnienia Kp zwykle jest zastępowany
zakresemproporcjonalności Xp.
Nastawy dynamiczne regulatora
Nastawy dynamiczne regulatora
Zakres proporcjonalności Xp jest to procentowa część
pełnego zakresu zmian wielkości uchybu e, potrzebna do
wywołania pełnej zmiany wielkości sterującej u regulatora.
Zakres proporcjonalności jest często podawany w
jednostkach wielkości regulowanej. Na przykład w
przypadku regulatorów temperatury zakres
proporcjonalności podawany jest wkelwinach [K].
Wielkość ta oznacza o ile stopni ma się zmienić wielkość
regulowana, aby nastąpiła pełna zmiana wielkości sterującej
(np. pełneotwarcie/zamknięcie zaworu regulacyjnego).
Nastawy dynamiczne regulatora
Nastawy dynamiczne regulatora
Czas zdwojenia (całkowania) Ti dotyczy regulatorów typu
PI, których wielkość wyjściowa (sterująca) ma dwie
składowe: proporcjonalną up oraz całkującą ui.
Czas zdwojenia jest to czas potrzebny na to aby sygnał
składowej całkowej będący wynikiemdziałania całkującego
stał się równy sygnałowi będącemu wynikiem działania
proporcjonalnego.
Sygnał wyjściowy z regulatora PI (wypadkowy dla obu
oddziaływań) po czasie Ti zwiększa dwukrotnie swoją
wartość, stądpochodzi jego nazwa  czaszdwojenia.
Czas zdwojenia (całkowania) Ti
e
"e
t
I.
u
ui=up
up
t
Ti
I.
Charakterystyka skokowa regulatora typu PI
Nastawy dynamiczne regulatora - czas
Nastawy dynamiczne regulatora - czas
wyprzedzenia
wyprzedzenia
Dzięki działaniu różniczkującemu regulator może bardzo silnie
reagować już na małe zmiany uchybu regulacji e(t), uprzedza więc
dalszy spodziewany wzrost uchybu przez odpowiednie oddziaływanie
naobiekt regulacji.
Czas wyprzedzenia Td dotyczy regulatorów PD oraz PID i określa
działanie różniczkujące regulatora. Sygnał wyjściowy regulatorów tego
typu mazarówno składową proporcjonalną up, jak i różniczkującą ud.
Czas wyprzedzenia jest to czas, po którym sygnał wyjściowy z
regulatora, związany z działaniem proporcjonalnym zrówna się z
sygnałem pochodzącym od działania różniczkującego. Czas
wyprzedzenia Td wyznaczany jest jako odpowiedz
na zmienny wczasie
uchyb regulacji e(t).
Czas wyprzedzenia Td
e
t
I.
u
up=ud
ud
t
Td
I.
Charakterystyka liniowa PD
Jakość regulacji
Jakość regulacji
" Ocena jakości regulacji polega na analizie dwóch stanów
układuregulacji:
- stanuprzejściowego (dokładność dynamiczna)
- stanuustalonego(dokładność statyczna).
" Dokładność dynamiczna określa zdolność układu do
wiernego i szybkiego śledzenia wartości zadanej.
" Dokładność statyczna określa zdolność układu do
utrzymywania wartości regulowanej jak najbliżej wartości
zadanej w stanie ustalonym tj. po zakończeniu stanu
przejściowego.
Jakość regulacji
Jakość regulacji
Uzyskanie wysokiej jakości regulacji uwarunkowane jest
między innymi optymalnymdoboremnastawregulatora.
Użytkownik ocenia zaprojektowany i zoptymalizowany układ
regulacji analizując:
- stabilność układu,
- statyczny uchyb regulacji,
- przeregulowanie,
- czas regulacji (ustalania).
Jakość regulacji
Jakość regulacji
Na rysunku pokazano przykładowy przebieg odchyłki
regulacji spowodowany zakłóceniem działającym na układ,
na którym zaznaczono ważniejsze wskaz
niki jakości
regulacji: e - odchyłka regulacji, emax - odchyłka
maksymalna, e1 - odchyłka oprzeciwnymznaku do emax,
tr - czas regulacji
e
"e = 2 % lub 5%
e(t)
+"e
t
-"e
tr
max
e
1
e
Jakość regulacji
Jakość regulacji
" Układ jest stabilny, gdy wymuszenie lub zakłócenie
powoduje tylko chwilowe wytrącenie układu ze stanu
równowagi.
" Statyczny uchyb regulacji e jest to największa różnica
pomiędzy wartością sygnału zadanego w i aktualną
wartością sygnału regulowanego y zmierzona w stanie
ustalonym.
e = w  y
" Przeregulowanie � to procentowa wartość maksymalnego
uchybu e1 o znaku przeciwnym do uchybu początkowego,
odniesiona do maksymalnego uchybu początkowego emax
(rys.).
e1
= �"100%
emax
Jakość regulacji
Jakość regulacji
" Czasemregulacji tr nazywa się czas, po upływie którego
wartość uchybu e(t) nie przekracza wartości dopuszczalnej
"e.
" Najczęściej przyjmuje się "e w wysokości 2% wartości
zadanej w (ustalonej  y(")).
Dobór nastaw regulatora PID
Dobór nastaw regulatora PID
" Wymaganą jakość regulacji można uzyskać dzięki
odpowiedniemu doborowi nastrajanych wielkości
nazywanych nastawami regulatora.
" W przypadku regulatorów PID są to: zakres
proporcjonalności Xp, czas zdwojenia (całkowania) Ti oraz
czas wyprzedzenia (różniczkowania) Td.
" Opracowanowiele metoddoborunastawregulatorów.
" Najprostsza do stosowania jest metoda opublikowana w
1941 roku przez amerykańskich inżynierów J.G. Zieglera i
N.B. Nicholsa .
" Jest to metoda oparta na minimalizacji całki z modułu
uchyburegulacji (kryteriumcałkowe)
Dobór nastaw regulatora PID
Dobór nastaw regulatora PID
" Korzystanie z metody Zieglera - Nicholsa wymaga
wprowadzenia dwóch pojęć: wzmocnienia
krytycznego Kpkr oraz okresu drgań krytycznych
Tosc.
" Wzmocnienie krytyczne Kpkr jest to wzmocnienie
regulatora proporcjonalnego, który połączony
szeregowo z obiektem spowoduje znalezienie się
układu regulacji na granicy stabilności, a więc
pojawienie się niegasnących drgań okresowych.
Okres tych drgań nazywany jest okresem drgań
krytycznych Tosc.
Dobór nastaw regulatora PID
Dobór nastaw regulatora PID
Podczas realizacji doboru nastawnależy:
" Regulator PID ustawić na działanie P nastawiając:
Ti= Timax, Td=Tdmin.
" Zwiększać powoli wartość współczynnika
wzmocnienia Kp regulatora aż do momentu
pojawienia się niegasnących oscylacji na wyjściu z
układu, co jest równoznaczne z osiągnięciem
granicy stabilności.
" Zanotować wartość współczynnika wzmocnienia
Kp= Kpkr przy którym wystąpiły niegasnące
oscylacjei zmierzyć okres tychoscylacji Tosc.
Dobór nastaw regulatora PID
Dobór nastaw regulatora PID
Zależnie od typu regulatora oblicza się wartości nastaw
korzystając ze wzorów:
regulator P: Kp=0,5 Kpkr;
regulator PI: Kp=0,45 Kpkr, Ti=0,85 Tosc;
regulator PID:Kp=0,6 Kpkr, Ti=0,5 Tosc, Td=0,125Tosc.
Dobór nastaw regulatorów cyfrowych
" Zasadnicza różnica pomiędzy metodami doboru nastaw
regulatorów analogowych i cyfrowych polega na tym, że w
obliczeniach nastaw regulatorów cyfrowych należy
uwzględnić częstotliwość próbkowania (ze względu na
próbkowanie sygnałów w regulatorach cyfrowych co
ustalony odstępczasu - cykliczny charakter pracy),
Dobór nastaw regulatora PID- samostrojenie
Dobór nastaw regulatora PID- samostrojenie
" Nowoczesne regulatory cyfrowe posiadają funkcję
samoadaptacji (samostrojenia), umożliwiającą każdemu
obwodowi regulacji automatyczne strojenie wartości zakresu
proporcjonalności, czasu zdwojenia (stała czasowa
całkowania) i czasu wyprzedzenia (stałaróżniczkowania).
" Funkcja samostrojenia powinna być uruchamiana przy
ustalonymstanie obiektu. Jej włączenie spowoduje zmiany
typu zwłocznego w obwodzie regulacji i systemrozpocznie
oscylację. Regulator będzie monitorował oscylacje i po
około5 oscylacjach zostaną obliczone parametry strojenia.
" Czas potrzebny do zakończenia samostrojenia zależy od
szybkości zmian danego systemu. Minimalny czas dla
szybkiego systemu to około 10 minut, ale dla wolniejszego
systemumożeprzekroczyć 40minut.
KONIEC
KONIEC