Sprawozdanie z Laboratorium Automatyki

Temat: Identyfikacja własności obiektow regulacji (stanowisko regulacji poziomu

cieczy w zespole zbiornikow). Badanie jednoobwodowego układu

regulacji poziomu cieczy.

Data wykonania Ćwiczenia: 23.04.2012

Zespół I wykonujący Ćwiczenie w składzie:

1. Mariusz Wójcik,

2. Maciej Wnukowski,

3. Szymon Piotrowski,

4. Tomasz Kozioł.

1.Schemat Instalacji.

Obiektem regulacji jest proces zmiany poziomu cieczy w odpowiednio połączonych zbiornikach Z1, Z2.

Oznaczenia :

Z1, Z2 – zbiorniki,

V1, V3- ręczne zawory odpływowe,

V2- ręczny zawór łączący zbiorniki Z1 i Z2,

V4 - zawór trójdrożny ,

W- wężownica, T0 - opóźnienie transportowe wprowadzane przez wężownicę,

VE1- zawór elektromagnetyczny odcinający odpływ ze zbiornika Z1,

VE2 - zawór elektromagnetyczny odcinający zrzut wody na tłoczeniu z pompy,

H1 , H2 - wysokość słupa cieczy w zbiorniku Z1, Z2,

PV – sygnał wyjściowy z przetwornika poziomu cieczy

LT1, LT2 – przetworniki poziomu cieczy w zbiorniku Z1, Z2,

Q -sygnał wyjściowy z przetwornika QT przepływu (przepływomierz zwężkowy),

P- pompa o zmiennej wydajności,

CV- sygnał sterujący pompą (wyjściowy ze sterownika PLC),

P1, P2 - przełączniki ręczne zaworów elektromagnetycznych do wprowadzania zakłóceń.

2.Schemat blokowy układu regulacji.

Schemat blokowy układu regulacji z regulatorem o działaniu: a) normalnym, b) odwrotnym. Oznaczenia: z – zakłócenie; Gz – transmitancja zakłóceniowa obiektu; Gob – transmitancja obiektu względem sterowania; Gr – transmitancja regulatora, e – odchyłka regulacji; SP, PV– sygnały wielkości zadanej i zmiennej procesowej; CV– sygnał sterujący (sygnał wyjściowy regulatora).

3. Transmitancje obiektu i regulatora.

Transmitancja obiektu dla wyznaczonych z wykresu:

To=5,1[s];

Tz=80[s];

kp=2,15

Podstawiamy do wzoru:

$$\text{Gob}\left( s \right) = kob*\frac{e^{- Tos}}{Tzs + 1}$$

$$\text{Gob}\left( s \right) = 2,15*\frac{e^{- 5,1s}}{80s + 1}$$

Wyznaczamy transmitancje regulatorów typu P i PI dla przeregulowania 0%.

-regulator typu P:

kob*kp*To/Tz=0,3 => kp=2,19

$$\text{Gr}\left( s \right) = \frac{Cv(s)}{e(s)} = kp = 2,19$$

-regulator typu PI:

Ti/To=1,17*Tz/To

Ti=1,17*Tz

Ti=93,6

kp=3

$$\text{Gr}\left( s \right) = \frac{\text{Cv}\left( s \right)}{e\left( s \right)} = kp*\left( 1 + \frac{1}{\text{Tis}} \right) = 3*\left( 1 + \frac{1}{93,6s} \right)$$

4. Metoda tabelarycznego doboru nastaw.

Metoda ta wymaga znajomości parametrów obiektu. Dla obiektu statycznego są to

kob, T0, Tz. Jeżeli nie dysponujemy teoretycznym zapisem modelu obiektu, korzystanie z tablic czy nomogramów wymaga wcześniejszej identyfikacji obiektu np. metodą odpowiedzi skokowej na podstawie której można wyznaczyć wymagane parametry modelu. Znając te parametry określa się nastawy regulatora zapewniające wymaganą jakość regulacji np. wymaganie oscylacyjnego lub aperiodycznego charakteru przebiegów przejściowych układu regulacji.

W tablicy zestawiono wzory określające nastawy regulatorów dla obiektów statycznych. Wzory te uwzględniają miejsce wprowadzenia zakłócenia. Inne muszą być nastawy regulatora w przypadku regulacji stałowartościowej zapewniając możliwie szybkie kompensowanie zakłóceń z, a inne gdy ten sam układ ma pracować jako układ nadążny zapewniając wierne odtwarzanie zmian wartości zadanej SP.

W naszym przypadku chcemy uzyskac przeregulowanie 0% i minimum czasu regulacji tr dla zmiany wartości zadanej SP.

5. Ocena jakości regulacji.

Układ regulacji, oprócz stabilności, winien posiadać szereg innych właściwości dotyczących zarówno stanu ustalonego jak i procesu przejściowego. Stwierdzenie, że układ jest stabiln y oznacza, że składowe przejściowe zanikają w miarę upływu czasu, ale to nie wystarcza w zastosowaniach praktycznych. W praktyce powstaje konieczność dokładniejszego sprecyzowania w jaki sposób przebiegi przejściowe zanikają oraz konieczność sprecyzowania warunków stawianych przebiegom przejściowym.

Zadanie każdego układu regulacji polega na utrzymywaniu równości między wartościami wielkości regulowanej PV, a zadanej SP. Zadanie to może być wykonane z ograniczoną dokładnością. Jak wynika ze schematu blokowego (rys2) w pracy układu regulacji powstaje bowiem odchyłka regulacji e, stanowiąca różnicę między wielkością regulowaną a wartością zadaną wielkości regulowanej.

Odchyłka ta zdefiniowana jako: e(t)=Pv(t)-Sp(t)

niezależnie od kierunku działania regulatora czy zespołu wykonawczego (tzn. niezależnie od kierunku działania regulatora) przyjmowana jest jako wskaźnik jakości regulacji.

Odchyłka oznaczona symbolem ez zwana odchyłką zakłóceniową wywołana jest zakłóceniami działającymi na obiekt i wywołującymi zmianę wielkości regulowanej a odchyłka oznaczona symbolem ew zwana odchyłką nadążania wywołana jest zmianą w czasie wielkości zadanej i regulator winien poprzez swoje działanie zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną.

Ocena poprawności i jakości działania układu regulacji sprowadza się do oceny jego dokładności statycznej i dynamicznej. Dokładność statyczną ocenia się na podstawie wartości odchyłki regulacji tzw. odchyłki statycznej oznaczonej symbolem est w stanie ustalonym. Odchyłka ta jest wynikiem braku możliwości regulacyjnych układu do całkowitego skompensowania w stanie ustalonym wpływu działających na obiekt zakłóceń.

Podstawową formą oceny właściwości dynamicznych układu regulacji jest ocena przebiegu zmian odchyłki regulacji spowodowanej skokową zmianą zakłócenia z lub skokową zmianą wartości zadanej SP. Przebiegi przejściowe w stabilnych układach regulacji mogą być zależnie od parametrów obiektu oraz regulatora aperiodyczne lub oscylacyjne.

Dla oceny tych przebiegów stosuje się najczęściej następujące wskaźniki:

em. - maksymalna odchyłka dynamiczna,

tr - czas regulacji określony jako czas od chwili wprowadzenia pobudzenia (z lub w) do chwili, gdy odchyłka regulacji e(t) osiąga wartości mieszczące się w strefie tolerancji +-D. Wartość D określa się jako D = 0.05em,

k- przeregulowanie określa w procentach stosunek amplitudy drugiego odchylenia e2 do amplitudy pierwszego odchylenia e1 zgodnie ze wzorem , k=e2/e1*100%

est – odchyłka statyczna , ogólnie,

ez – statyczna odchyłka zakłóceniowa,

ew – statyczna odchyłka nadążania.

Z punktu widzenia użytkownika poza wartościami odchyłek regulacji ważne są wartości wielkości regulowanej zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych. Szczególnie ważne są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i warunki bezpieczeństwa.

6. Wnioski.

Podczas doboru nastaw regulatora metodą tabelaryczną kierowaliśmy sie tym, żeby uzyskac minimalny czas regulacji i przeregulowanie na poziomie 0%. Badaliśmy wpływ na działąnie układu przy regulatorach typu P i PI. Przy użyciu regulatora P uzyskaliśmy przebieg aperiodyczny charakterystyki, czyli przeregulowanie mieliśmy na poziomie 0% tak jak zakładaliśmy, niedługi czas regulacji ale otrzymaliśmy też odchyłke statyczną na poziomie 4% co wpływa na pogorszenie jakości regulacji. Natomiast przy użyciu regulatora PI rówież uzyskaliśmy przebieg aperiodyczny charakterystyki z przeregulowaniem 0%, czas regulacji porównywalny z czasem regulacji przy użyciu regulatora P. Używając regulatora PI uzyskaliśmy odchyłke statyczną na poziomie prawie zerowym czyli uzyskaliśmy lepszą jakośc regulacji niż w przypadku regulatora P. Aby jeszcze poprawic jakośc regulacji moglibyśmy zastosowac regulator PID, który skróciłby czas regulacji i zachował przeregulowanie i odchyłke statyczną na poziomie zerowym.