2.

• Regulator - jeden z elementów składających się na obwód

regulacji. Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu

odpowiedniego sygnału sterującego, aby obiekt regulowany w jak

najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną.

• Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub

poprawy niekorzystnych cech obiektu regulowanego.

• Regulator może np. poprawić dynamikę obiektu regulowanego

(silnik będzie szybciej osiągał żądaną prędkość). Błędne użycie

może prowadzić do niestabilności obwodu regulacji.

Regulator  jest to w automatyce aparat, który wytwarza sygnał sterujący proces technologiczny w sposób zapewniający przebieg tego procesu z przebiegiem pożądanym.

         Regulatory powinny być tak zbudowane, aby umożliwiały również sterowanie ręczne członów wykonawczych i elementów nastawczych oraz ich parametrów.

W regulatorze następuje:

a) porównanie aktualnej wartości zmiennej kontrolowanej z wartością zadaną tej zmiennej,

b) wytwarzanie sygnału wyjściowego o wartości zależnej od uchybu regulacji, czasu występowania uchybu i szybkości jego zmian.

Regulatory można podzielić na:

a) regulatory bezpośredniego działania,

b) regulatory pośredniego działania.

Regulatory bezpośredniego działania są regulatorami, pobierającymi energię potrzebną do swojego działania za pomocą urządzenia pomiarowego z procesu regulowanego, czyli nie korzystają z energii pomocniczej.

Zasadniczymi cechami regulatorów bezpośredniego działania ( poza brakiem oddzielnego źródła zasilania) są zazwyczaj zwartość budowy i prostota konstrukcji.

Cechy te zapewniają dużą niezawodność pracy i dość niski koszt produkcji, jednak małą dokładność regulacji, często wystarczającą w większości zastosowań.

Przykłady zastosowań regulatorów bezpośredniego działania:

- regulator temperatury żelazka, bojlera,

- regulator temperatury w układzie chłodzenia silnika samochodu,

- reduktor ciśnienia gazu.

3.

Typy regulatorów

Regulatory o działaniu ciągłym (analogowym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób ciągły, tzn. wielkość ta może przyjmować wszystkie wartości z założonego zakresu  zmienności. Regulatory ciągłe budowane są przeważnie z elektronicznych wzmacniaczy operacyjnych.

Regulatory o działaniu nieciągłym (przekaźnikowym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób przełączny, czyli wielkość ta może  przyjmować tylko 2 lub kilka wybranych wartości. Regulatory nieciągłe zbudowane są przeważnie z układów stykowych, stykowo - przekaźnikowych lub układów elektronicznych z przerzutnikami.

Regulatory o działaniu ciągłym i przerywanym.

 

         Ze względu na ciągłość sygnałów wyjściowych regulatory możemy podzielić

na regulatory o działaniu ciągłym i przerywanym.

Regulatory o działaniu ciągłym dostarczają do obiektu materiału lub energii

w sposób ciągły, zależnie od uchybu regulacji.

Regulatory o działaniu przerywanym dzielimy na regulatory wielopołożeniowe, impulsowe i krokowe.

W regulatorach wielopołożeniowych przestawianie elementów nastawczych następuje skokowo.

5.

Regulator P (proporcjonalny).

Regulator P (Proportional Controller)  składa się z jednego członu typu P (proporcjonalnego), którego transmitancję określa wzmocnienie:

W regulatorze tym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do wejściowego.

Na podstawie sygnału podawanego na wejście regulatora, wytwarza on proporcjonalny sygnał sterujący, przy czym celem jest utrzymanie wartości wyjściowej układu na pewnym z góry zadanym poziomie, który jest zwany wartością zadaną (dążenie do eliminacji uchybu regulacji).

Układy regulacji z regulatorem typu P charakteryzują się niezerowym uchybem ustalonym w przypadku, gdy transmitancja zastępcza układu posiada jedynie bieguny niezerowe - tym większym im większe jest wzmocnienie regulatora. Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem:

gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub zakłócenia (wówczas B = A*Ko), Kp - wzmocnienie regulatora

Regulatory proporcjonalne są najprostszymi w działaniu regulatorami. Sygnał wyjściowy z regulatora jest wzmocnioną wartością odchyłki regulacji.

Regulatory P wzmacniają odchyłkę regulacji ze współczynnikiem proporcjonalności Kpr. Im większa zostanie wybrana wartość współczynnika Kpr, tym dokładniej pracuje układ regulacji, ale tym bardziej skłonny jest do pracy niestabilnej.

Regulator P jest najczęsciej używany w prostych układach regulacji z obiektami o średniej wartości inercji, niedużym opóźnieniu i stałym obciążeniu (stałej wartości sygnału zakłócenia).

Odpowiedź na skok jednostkowy	Charakterystyka amplitudowo - fazowa

6.

Regulator I (całkujący).

Regulator I umożliwia realizację regulacji astatycznej. Z obiektami astatycznymi może tworzyć niestabilne układy regulacji. Może być stosowany głównie w obiektach statycznych charakteryzujących się powolnymi zmianami obciążenia.

Odpowiedź na skok jednostkowy	Charakterystyka amplitudowo - fazowa

7.

Regulator PI (proporcjonalno - całkujący).

Regulator PI (Proportional-Integral Controller) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp oraz całkującego I o czasie całkowania Ti. Transmitancję regulatora PI określa się wzorem:

Regulatory typu PI pozwalają na eliminację wolnozmiennych zakłóceń, co przekłada się na zerowy uchyb ustalony, niemożliwy do osiągnięcia w regulatorach typu P lub typu PD.

Jeśli sterowanie całkujące dodawane jest do regulatora, wówczas tak długo jak długo występuje sygnał uchybu podawane jest sterowanie w celu wyeliminowania tego uchybu.

Regulator proporcjonalno - całkujący charakteryzuje się tym, że jego sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do sumy sygnału wejściowego i całki sygnału wejściowego. Jedna część odpowiedzi skokowej regulatora PI jest proporcjonalna (P) do odchyłki regulacji, zaś druga jest całką (I) z odchyłki regulacji po czasie. Innymi słowy regulatory PI wzmacniają i całkują odchyłkę regulacji.

Regulator PI stosuje się w przypadku szybkich zmian wartości wielkości zadającej (zmian wartości zadanej), a więc przy regulacji nadążnej.

Regulator PI w stanie ustalonym sprowadza uchyb regulacji do zera. Im jest większe wzmocnienie Kp oraz krótszy czas całkowania Ti, tym szybciej działa regulator, przy jednoczesnym zbliżeniu się do  granicy stabilności. Objawia się to skłonnością do oscylacji.

Odpowiedź na skok jednostkowy	Charakterystyka amplitudowo - fazowa

8.

Regulator PD (proporcjonalno - różniczkujący)

Regulator PD (Proportional-Derivative Controller) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu Kp oraz różniczkującego D (fizycznie nierealizowalnego) o czasie różniczkowania Td. Transmitancję idealnego regulatora PD określa się wzorem:

Działanie członu różniczkującego przeciwdziała szybkim zmianom sygnału błędu, co wpływa stabilizująco na działanie układu regulacji. Pozwala to w pewnej mierze na zwiększenie intensywności działania pozostałych parametrów regulatora.

Regulatory typu PD dają niezerowy uchyb ustalony - tym większy im większe jest wzmocnienie regulatora. Wartość niezerowego uchybu jest opisana wzorem:

gdzie: Ko - wzmocnienie obiektu regulacji, B - wartość skoku sygnału zadanego lub zakłócenia (wówczas B = A*Ko), Kp - wzmocnienie regulatora.

Sterowanie różniczkujące dodane do regulatora proporcjonalnego powoduje, że regulator ma większą wrażliwość. Zaletą użycia sterowania różniczkującego jest to, że reaguje ono na przyrost zmian uchybu wykonawczego i wyznacza odpowiednią poprawkę na sterowanie, która zabezpiecza przed powstaniem zbyt dużej amplitudy oscylacji sygnału wykonawczego uchybu.

Ponieważ sterowanie różniczkujące reaguje na prędkość zmian uchybu wykonawczego, a nie na sam uchyb, więc sterowanie różniczkujące nigdy nie występuje samodzielnie w układach sterowania.
Jest ono zawsze używane w kombinacji ze sterowaniem proporcjonalnym lub proporcjonalno - całkującym.

9.

Regulator PID (proporcjonalno - całkująco - różniczkujący).

Regulator PID (Proportional-Integral-Derivative Controller - regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) - w automatyce, regulator składający się z członu proporcjonalnego P o wzmocnieniu kp, całkującego I o czasie zdwojenia Ti oraz różniczkującego D o czasie wyprzedzenia Td. Jego celem jest utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie, zwanym wartością zadaną.

Regulatora PID używa się np. do sterowania temperaturą procesu, w tym wypadku działa on jak bardzo dokładny termostat. Może również sterować ciśnieniem, natężeniem przepływu, składem chemicznym, siłą, prędkością i innymi sygnałami. Regulatory znajdują zastosowanie w przemyśle samochodowym, w tym przypadku ich zadaniem jest utrzymywanie stałej prędkości samochodu bez względu na warunki jazdy (tzw. tempomat).

Regulator realizuje algorytm:

Transmitancja operatorowa idealnego regulatora PID:

Idealne różniczkowanie jest nierealizowalne fizycznie.

Transmitancja operatorowa rzeczywistego regulatora PID:

gdzie:

kp - współczynnik wzmocnienia
Ti - czas zdwojenia
Td - czas wyprzedzenia
s - zmienna zespolona w przekształceniu Laplace'a
Kd - stała różniczkowania

Aby z regulatora PID zrobić regulator:

- P (proporcjonalny), należy ustawić Ti = 
- PD (proporcjonalno-różniczkujący), należy ustawić Ti =  
- PI (proporcjonalno-całkujący), należy ustawić Td = 0

Regulator proporcjonalno - całkująco - różniczkujące są regulatorami uniwersalnymi - wzmacniają, całkują i różniczkują odchyłkę regulacji. Sygnał wyjściowy regulatora PID jest proporcjonalny do sumy sygnału wejściowego, jego całki oraz jego pochodnej. Jedna część odpowiedzi skokowej regulatora PID jest proporcjonalna (P) do odchyłki regulacji, druga (I) jest całką z odchyłki regulacji, trzecia (D) - pochodną z odchyłki regulacji względem czasu.

Regulator PID stosuje się zazwyczaj do obiektów poddawanych wpływom zakłóceń o dużych i gwałtownych zmianach. Regulator ten stosuje się w przypadku gdy mamy do czynienia ze stałą wartości wielkości zadającej - a więc w układach regulacji stałowartościowej, np. układach regulacji temperatury.

Regulator PID umożliwia stosowanie krótszych czasów zdwojenia Ti niż regulator PI, bez obawy powstania oscylacji w układzie zamkniętym, a więc prędzej likwiduje wpływy zakłóceń o wartościach ustalonych.

Odpowiedź na skok jednostkowy	Charakterystyka amplitudowo - fazowa

11.

Regulatory dwustawne (dwupołożeniowe) charakteryzują się dwoma, jednoznacznie określonymi wartościami sygnału wyjściowego. Element wykonawczy ma tylko dwa ustalone położenia, które zazwyczaj polega na załączeniu lub wyłączeniu urządzenia.

Sterowanie dwupołożeniowe jest stosunkowo proste i niedrogie i dlatego jest szeroko stosowane w przemyśle i w urządzeniach gospodarstwa domowego.

Sygnał wyjściowy z regulatora oznaczany jest zazwyczaj jako U(t), natomiast wejściem do regulatora jest wykonawczy sygnał uchybu E. W sterowaniu dwupołożeniowym sygnał wyjściowy U(t) przyjmuje jedną z dwóch wartości: maksymalną i minimalną: w zależności od tego czy sygnał wykonawczy uchybu jest dodatni lub ujemny.

Gdzie U1 i U2 są stałymi.

Przykładem zastosowania regulatora dwupołożeniowego jest układ regulacji temperatury. Bimetaliczny sensor, element porównujący wartość zadaną z wartością rzeczywistą oraz przełącznik wykonawczy stanowią jedną, konstrukcyjną całość. Jeżeli temperatura wzrasta ponad wartość zadaną, to ogrzewana płytka bimetaliczna wygina się (pomiar wartości rzeczywistej temperatury) i rozłącza obwód grzejny (działanie wykonawcze). Jeżeli temperatura jest mniejsza od wartości zadanej, to bimetal załącza obwód grzejny.

Istotną zaletą regulatorów dwustanowych w podstawowej wersji jest duża dynamika.

Zasada działania regulatorów dwupołożeniowych.

Najprostszymi regulatorami wielopołożeniowymi są regulatory dwustawne (dwupołożeniowe), które przyjmują dwa stany np. włączone i wyłączone czyli 1 i 0. Budowa tych regulatorów oparta jest na elementach przełączających, a stosuje się je wtedy, gdy wartości wielkości regulowanej mogą ulegać pewnym odchyleniom od wartości zadanej.

Regulatory o działaniu przerywanym znalazły szerokie zastosowanie w:

a)     urządzeniach gospodarstwa domowego – podgrzewacze wody, chłodziarki,

pralki automatyczne, hydrofory, żelazka,

b)    urządzeniach ogólnego użytku, np. windy

c)     urządzeniach laboratoryjnych – suszarki, piece

d)    urządzeniach sygnalizacyjnych np. sygnalizatory w ruchu drogowym.

12.

Regulatory trójstawne charakteryzują się trzema stanami sygnału wyjściowego. Wykorzystywane są także w układach regulacji temperatury. Podczas regulowania pracy urządzenia klimatyzacyjnego te trzy stany mogą uaktywniać trzy różne działania klimatyzacji: włączenie ogrzewania, wyłączenie ogrzewania i chłodzenia oraz włączenie chłodzenia.

T: Działanie i zastosowanie regulatorów trójpołożeniowych.

         Regulatory trójpołożeniowe (trójstawne) charakteryzują się sygnałem wyjściowym mogącym przyjmować trzy wartości 1, 0, -1 tzn. osiągać wartości maksymalne dodatnie, maksymalne ujemne i równe zeru.

         Regulatory trójpołożeniowe stosuje się np. w układach:

a)     klimatyzacyjnych, gdzie występuje grzanie, chłodzenie i układ jest wyłączony gdyż utrzymuje się zadana temperatura.

b)    sterujących silniki obracające się w lewo, prawo i będących w spoczynku.

Regulatory te można stosować w celu polepszenia dokładności pracy zastępując regulatory dwupołożeniowe.

Charakterystyki dynamiczne regulatorów.

         Charakterystyka dynamiczna regulatora określa zachowanie się jego elementów w stanach nieustalonych (przejściowych) przy czym wielkości wejściowe „x” i wyjściowe „y” powiązane są ze sobą funkcją czasu.

         Ze względu na własności dynamiczne i rodzaj algorytmu działania regulatory można podzielić na:

a)     regulatory proporcjonalne  - P

b)    regulatory całkowe            - I

c)     regulatory różniczkujące   - D

d)    regulatory proporcjonalno – całkowe  - PI

e)     regulatory proporcjonalno – różniczkowe  PD

f)      regulatory proporcjonalno- całkowo-różniczkowe – PID

Regulator proporcjonalny to taki regulator, w którym przyrost wielkości wyjściowej jest proporcjonalny do przyrostu wielkości wejściowej, pod warunkiem, że prędkość zmian wielkości wyjściowej jest dostatecznie mała.