AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie
stabilno ci układu
Cel wiczenia:
Celem ćwiczenia jest poznanie struktury układów regulacji automatycznej oraz metod
doboru nastaw regulatorów. Ćwiczenie przewiduje badanie własności statycznych
i dynamicznych układu regulacji.
Wst p
Powszechne zastosowanie regulacji automatycznej w przemyśle przyczyniło się do powstania
systemów blokowych. Pozwalają one na tworzenie dowolnych prostych i złożonych 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:
" urzÄ…dzenia pomiarowe- czujniki oraz przetworniki pomiarowe[3];
" urządzenia przetwarzania i utrwalenia sygnałów pomiarowych- urządzenia liczące:
sumatory, bloki mnożące, pierwiastkujące, dzielące itp. [1]. Do tej grupy należą
również wskaz
niki, rejestratory sygnałów i przetworniki międzysystemowe;
" urządzenia kształtowania sygnałów- różnego 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];
" urzÄ…dzenia pomocnicze  zasilacze, stabilizatory, filtry, zawory odcinajÄ…ce 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
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
połączony układ zbiorników (rys.2), natomiast urządzenie wykonawcze to siłownik
pneumatyczny z ustawnikiem pozycyjnym współpracujący z zaworem proporcjonalnym.
Woda dostarczana jest z hydroforu pod stałym ciśnieniem.
Przebiegi regulacji i jako dynamiczna.
Przebiegi wielkości regulowanej zależą od działających zakłóceń, zmian sygnału
zadającego jak również 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 wej ciu obiektu, zmianę wartości zadaj cej

nazywa siÄ™ wymuszeniem na wej ciu 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 przyłożenia wymuszenia do
chwili, w której odchylenie regulacji jest stale mniejsze od ą"e (rys. 2.2);
" przeregulowanie º - im silniej sÄ… tÅ‚umione przebiegi oscylacyjne tym mniejsza
wartość º (rys. 2.2);
e2
º = Å"100%
em
" wskaz
niki całkowe - określają jakość dynamiczną na podstawie wartości całek
oznaczonych z funkcji uchybu e. Przebiegi uważa się za optymalne, dla których
przedstawione całki osiągają wartości minimalne. Wskaz
niki te wyznacza siÄ™ 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( jÉ) okreÅ›lany na podstawie charakterystyk
częstotliwościowych.
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
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. Należy uwzględnić również 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.
Regulator
dwupołożeniowy o działaniu ciągłym impulsowy
Tm Tm Tm
< 0,2 <1 > 1
Tz Tz Tz
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Identyfikację należy 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
rozróżnieniem miejsca wprowadzenia zakłóceń dobiera się na podstawie tab. 2.2 (dla układów
z obiektami statycznymi).
Tab. 2.2.Optymalbne nastawy regulatorów ciągłych
Przebieg wiczenia
Dobór typu i nastaw regulatora
Wykonanie charakterystyki skokowej
Należy połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 2.3. Ustawić dz
wigniÄ™ stacyjki
operacyjnej w położenie  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 należy odczytać i zanotować poziom h. Następnie
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
uruchomić rejestrator i skokowo zmienić zadajnikiem stacyjki operacyjnej ciśnienie na
pu=20%.
Rys. 2.3. Schemat układu regulacji automatycznej poziomu cieczy w zbiorniku
Na taśmie rejestratora należy dokładnie zaznaczyć chwilę skokowej zmiany ciśnienia. Po
ustaleniu się poziomu wyłączyć ciśnienie hydroforu i zapis na rejestratorze.
Dobór nastaw regulatorów
Dokonać aproksymacji otrzymanej charakterystyki skokowej i wykreślić
charakterystykę statyczną układu [1]. Następnie korzystając z tab.2.2 wyznaczyć nastawy
regulatorów P, PI, PID wedÅ‚ug kryterium º=0% i º=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 położenie  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.
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Włączyć zapis rejestrator i zmienić skokowo wartość zadaną ph na inna wskazaną
przez prowadzącego. rejestrować przebieg regulacji do osiągnięcia stanu ustalonego.
Ćwiczenie należy wykonać dla nastaw odpowiadajÄ…cych º=0% i º=20%.
Badanie stabilno ci układu regulacji automatycznej
Należy połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 2.3. Ustawić dz
wigniÄ™ stacyjki
operacyjnej w położenie  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 siÄ™ poziomu cieczy w
zbiorniku należy skokowo zmienić wartość zadaną na pwz=20%. Zarejestrować przebieg
ciśnienia py. Następnie układ przez stopniowe zwiększanie wzmocnienia doprowadzić do
granicy stabilności. Należy 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 należy zamieścić:
" krótko opisać sposób identyfikacji obiektu i przedstawić wyniki,
" przedstawić sposób doboru nastaw regulatora i przedstawić wyniki obliczeń,
" 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 spostrzeżenia.
Literatura
[1]. Maczyński K., Kłosiński J., Pikoń S., Suwaj S.: Podstawy automatyki w przykładach i ćwiczeniach
laboratoryjnych. Skrypty dla szkół wyższych. 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.
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu
 AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA
W BIELSKU-BIAA
EJ
KATEDRA PODSTAW BUDOWY MASZYN
Instrukcje laboratoryjne

Układ regulacji automatycznej  dobór typu i nastaw regulatora, badanie stabilno ci układu