LABORATORIUM – AUTOMATYKA i ROBOTYKA
Regulacja dwustanowa na przykładzie dwupołożeniowej regulacji temperatury
1.
Wstęp
Układem regulacji dwupołożeniowej nazywa się taki układ automatycznej regulacji w którym możliwe są dokładnie dwa stany wielkości regulującej, nastawiane przez regulator. Rolę regulatora pełni w tego typu układach przekaźnik dwupołożeniowy. Ze względu na prosty algorytm działania, nieskomplikowaną budowę i niski koszt regulacja ta znajduje powszechne zastosowanie w urządzeniach przemysłowych, laboratoryjnych czy gospodarstwa domowego, mimo swoich wad. Najczęściej jest stosowana w układach regulacji temperatury i ciśnienia, czyli w układach o dużej inercji.
Charakterystyczną cechą układów regulacji dwupołożeniowej jest fakt, że wielkość regulowana wykazuje ciągłe oscylacje o określonej amplitudzie i częstotliwości, zależnej m.in. od właściwości obiektu regulacji, ale też od samego regulatora oraz od wielkości sygnału sterującego.
2.
Przebieg ćwiczenia. Cześć pierwsza.
2.1.
Uruchomić program Scilab.
2.2.
Uruchomić moduł Scicos ( Applications->Scicos).
2.3.
Stworzyć model symulujący układ automatycznej dwupołożeniowej regulacji temperatury (Rysunek 1).
Rysunek 1. Model układu dwupołożeniowej regulacji temperatury
Model układu tworzy się poprzez wybór bloków modelu z odpowiednich palet ( Palette->Palettes) i odpowiednie ich połączenie. Potrzebne w tym modelu bloki są dostępne w paletach Sources, Sinks, Linear i Others.
Bloki użyte w tym modelu symulują odpowiednio:
blok Multi display scope – służy do obserwacji sygnałów pojawiających się w układzie (trzecie wejście pojawi się po odpowiednim skonfigurowaniu tego bloku – opis niżej),
blok Step function generator – zadajnik żądanej temperatury,
blok Summation – na bieżąco oblicza różnicę temperatury (uchyb) między temperaturą zadaną a temperaturą na wyjściu układu regulowanego,
blok Hystheresis – regulator dwupołożeniowy,
blok Continous transfer function – obiekt regulacji.
2.4.
Skonfigurować bloki modelu:
Step function generator: Step time=0, Final value=50. Takie ustawienia oznaczają że od początku chcemy osiągnąć temperaturę obiektu równą 50 st. C.
Hystheresis: Output when on=50, Switch on at=1. Takie ustawienia oznaczają że regulator działa na obiekt regulowany temperaturą równą 50 st. C. i włącza się wtedy gdy uchyb (różnica miedzy temperaturą zadaną a mierzoną) przekracza 1 st. C.
Continous transfer function: Num=1, Den=1+4*s. Tutaj określamy własności obiektu regulacji, w postaci jego transmitancji. W tym przypadku stwierdzamy, że obiekt, którego temperaturę regulujemy jest obiektem inercyjnym k
rzędu I, o transmitancji: G s
, ze stałą czasową T=4.
1 T s
Multi display scope: Input port sizes=[1 1 1] (ilość wejść), Y min vector=[-5 -5 -5] (minima osi y wykresów), Y max Victor=[50 100 60] (maksima osi y wykresów),, Refresh period=[20 20 20] (określa długość osi x wykresów).
2.5.
Ustawić odpowiednie parametry symulacji ( Simulate->Setup): Final integration time=20, pozostałe bez zmian.
2.6.
Uruchomić symulację ( Simulate->Run), wyniki symulacji ukażą się automatycznie. Uzupełnić protokół ćwiczenia.
2.7.
Zmienić temperaturę zadawaną przez regulator na 60 st. C. Wykonać symulację, uzupełnić protokół ćwiczenia.
2.8.
Zmienić uchyb dopuszczany przez regulator na 4 st. C. Wykonać symulację, uzupełnić protokół ćwiczenia.
2.9.
Zmienić temperaturę zadawaną przez regulator na 90 st. C. Wykonać symulację, uzupełnić protokół ćwiczenia.
2.10.
Zmienić stałą czasową regulowanego układu na 9s. Wykonać symulację, uzupełnić protokół ćwiczenia.
2.11.
Wypisać wnioski z uzyskanych wykresów. Szczególnie uwzględnić odpowiedzi na następujące pytania:
Jak ustawienia regulatora (dopuszczalny uchyb, temperatura narzucana przez regulator) wpływają na przebieg temperatury układu i częstość przełączania regulatora?
Jaki wpływ na ten przebieg ma stała czasowa kontrolowanego układu?
Mile widziane własne wnioski i przemyślenia.
3.
Przebieg ćwiczenia. Cześć druga.
3.1.
Załóżmy teraz że sterujemy dwupołożeniowo obiektem inercyjnym drugiego rzędu. Przykładem może być tu układ: zawór-kaloryfer-powietrze. Model takiego układu pokazano na Rysunku 2.
3.2.
Zbuduj taki model układu korzystając z doświadczenia zdobytego w poprzednim punkcie ćwiczenia. Założenia są następujące:
powietrze chcemy nagrzać do temperatury 22 st. C., z dokładnością do ±1 st.C.
stała czasowa charakteryzująca kaloryfer: T=1,
kaloryfer nagrzewa się do temperatury 50 st. C.
stała czasowa charakteryzująca powietrze: T=5.
Rysunek 2. Model układu dwupołożeniowej regulacji temperatury w obiekcie inercyjnym rzędu I 3.3.
Wykonać symulację, uzupełnić protokół ćwiczenia.
4.
Literatura
1) Chocholski A., Cieślak H., Laskowski P., Mirski T., „Laboratorium automatyki”, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 1999
2) Kiczkowiak T., Ociepa Z., Tarnowski W., Wachowicz E., Wachowicz M., „Laboratorium z podstaw automatyki”, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 1999
3) Siemieniako F., Żdanuk W., „Laboratorium podstaw automatyki”, Dział Wydawnictw i Poligrafii Politechniki Białostockiej, Białystok 1999
4) zbiorowa pod red. Cupiał K., „Laboratorium automatyki”, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1999
5) zbiorowa pod red. Hejmo W., „Laboratorium podstaw automatyki”, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 1988
6) zbiorowa pod red. Zakrzewski J., „Laboratorium podstaw automatyki”, Wydawnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001
Opracowanie ćwiczenia: Seweryn Lipiński