Schemat układu regulacji
Układ regulacji otwarty:
Układ regulacji zamknięty:
Układ regulacji składa się z elementu porównującego (sumator), regulatora, elementu wykonawczego (np. zawór, siłownik), obiektu sterowania oraz układu pomiarowego (n.p. czujnik,przetwornik).
Element porównujący oblicza różnicę między wartością sygnału zadanego w(t) a wartością sygnału zwrotnego v(t) otrzymaną poprzez układ sprzężenia zwrotnego z sygnału wyjściowego y(t)otrzymaną z układu pomiarowego w sterowanym obiekcie. Otrzymany w układzie sumującym sygnał e(t), zwany uchybem, jest przekazywany do regulatora, który przekształcając go w sygnał sterowania u(t) do elementu wykonawczego, który oddziałuje na obiekt podając sygnał na jego wejście u*(t) (tzw. wymuszenie). Na regulowany obiekt działać mogą zakłócenia .
Rodzaje układów regulacji
Sterowanie może odbywać się w różnych układach. W ogólności można wyróżnić trzy rodzaje układów sterowania:
z otwartą pętlą sprzężenia czyli bez sprzężenia (tzw. układ otwarty)
ze sprzężeniem w przód
ze sprzężeniem zwrotnym czyli ze sprzężeniem w tył (tzw. układ zamknięty)
dodatnim
ujemnym;
od wyjścia obiektu sterowania (podejście częściej spotykane w klasycznej teorii sterowania, która operuje modelami wejścia-wyjścia) lub
od stanu obiektu sterowania (podejście wygodniejsze w nowoczesnej teorii sterowania, która operuje modelami stanów układu).
Sterowanie w układzie otwartym jest sensowne tylko wówczas gdy dla danych sygnałów sterujących możemy przewidzieć odpowiednio dokładnie powstające skutki sterowania. Takie sterowanie w wielu zastosowaniach jest skuteczne i wystarczające. W praktyce jednak na układ sterowania (sterowany obiekt i sterownik) oddziałują zakłócenia zewnętrzne, ponadto sam obiekt sterowany wykazuje pewną zmienność (przez co ewentualny jego opis albo model nie jest zwykle dokładny). Dlatego też aby poprawić skuteczność sterowania w takich warunkach wprowadza się do układu sprzężenie. Pewną poprawę sterowania (czasami wystarczającą) daje już sprzężenie w przód ale znacznie lepsze efekty przynosi zastosowanie sprzężenia zwrotnego (najczęściej jest to sprzężenie zwrotne ujemne).
Jednak wadą układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest konieczność pojawienia się zakłóceń na wyjściu sterowanego obiektu by zostały zauważone, następnie skompensowane przez regulator. Dlatego w przypadku mierzalnych sygnałów zakłóceń lepsze efekty daje, wraz z zamkniętą pętlą od wartości sterowanej, sterowanie w otwartej pętli od zakłóceń (sprzężenie w przód).
Stan ustalony, nieustalony
Stan nieustalony- może mieć charakter przejściowy; w teorii sterowania, stan dla którego w układzie występują zmiany sygnału wyjściowego; następuje do momentu ustalenia się wartości sygnału wyjściowego.
Stan ustalony- stan układu fizycznego, w którym opis tego układu jest niezależny od zmiennej czasu. Należy zwrócić uwagę, iż nie oznacza to braku ruchu, przepływu ciepła itp., a jedynie niezmienność tych wielkości w czasie. Stan ustalony jest stanem, dla którego w układzie nie występują już zmiany sygnału wyjściowego.
Dla układów stabilnych wartość sygnału wyjściowego w stanie ustalonym jest równa granicy z iloczynu zmiennej s, transformaty Laplace'a sygnału wejściowego i transmitancji zastępczej układu, przy s dążącym do zera. Jest to tzw. twierdzenie o wartości granicznej.
Uchyb
Uchyb ustalony − w układzie regulacji jest to różnica między wartością zadaną sygnału oraz wartością sygnału wyjściowego w stanie ustalonym.
Np. ustalając temperaturę w pomieszczeniu na wartość 15°C otrzymujemy, w stanie ustalonym, temperaturę różną od temperatury zadanej np. 14,5 °C
Uchyb regulacji - w układzie regulacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, różnica między wartością zadaną sygnału SP a wartością sygnału wyjściowego z obiektu regulacji czyli: e(t) = x(t) - y(t)
Regulacja dwupołożeniowa
Regulacja dwupołożeniowa jest jedną z najprostszych. Jest to ten typ regulacji, z którym spotykamy się np. w termostatach i lodówkach.W układach regulacji tego typu zadania regulatora spełnia przekaźnik dwupołożeniowy, za pośrednictwem którego następuje załączanie lub wyłączanie odpowiedniego obwodu w obiekcie regulowanym (np. włączenie lub wyłączenie grzejnika w termostacie). Taki sposób działania regulatora powoduje stałe periodyczne wahania wielkości regulowanej. W praktyce przemysłowej regulację dwupołożeniową stosuje się najczęściej w układach automatycznej regulacji temperatury. Nie jest to jednak bynajmniej jedynadomena zastosowania tego typu regulacji. Regulacja dwupołożeniowa znajduje np. również zastosowanie w układach automatycznej regulacji napięcia generatorów elektrycznych (przekaźniki Tirrilla) lub kąta skręcenia rakiet (spoilery).
6. Jakość i dokładność regulacji.
Jakość układu regulacji ocenia się za pomocą wskaźników jakości przebiegu wielkości regulowanej.
Wskaźniki dokładności statycznej układów
Wskaźniki zapasu stabilności (odległość od granicy stabilności układu)
Wskaźniki szybkości działania (szybkość reagowania układu na wymuszenia)
Wskaźniki całkowe (są oceną jednoczesną wartości uchybu regulacji w stanie ustalonym i szybkości działania układu)
Dokładność statyczna jest tym lepsza, im większe wzmocnienie statyczne transmitancji układu otwartego G(s) i im większa jest liczba integratorów obejmowanych przez tę transmitancję.
7. Prawa logiki
Układy przełączające mogą być budowane z wykorzystaniem elementów logicznych, tj. elementarnych układów realizujących podstawowe funkcje logiczne:
-
negacja (zaprzeczenie, NOT): y =x
suma (lub, OR): y = x1 ˅ x2
iloczyn (i, AND): y = x1 ˄ x2
8. Układy sekwencyjne i kombinacyjne
Są to układy przełączające.
układy kombinacyjne – to układy przełączające, w których wartości wyjść są funkcją wyłącznie sygnałów wejściowych, tzn. nie zależą od czasu (stanów przeszłych);
układy sekwencyjne – to układy przełączające, w których wartości wyjść zależą także od stanów przeszłych układu (stanów wyjść).
9. Schemat drabinkowy
Podstawowe elementy diagramu drabinkowego
Diagram drabinkowy jest w istocie wirtualnym układem elektrycznym (stycznikowym) złożonym z elementów przedstawionych w tab. II.1. Elementy łączy się wirtualnymi przewodami elektrycznymi na wyświetlaczu sterownika lub na ekranie komputera pełniącego rolę programatora. Dwie pionowe linie diagramu drabinkowego (rys.II.3) symbolizują przewody elektryczne z napięciem sterowniczym (np. linia lewa – 24V, linia prawa – 0V).
Przekaźniki wejściowe sterowników PLC (w skrócie wejścia) przeznaczone do podłączania sygnałów dyskretnych oznaczane są typowo dużą literą I (z ang. Input – wejście), po której widnieje numer kolejny wejścia, np. I0, I1, I2, ... I9, Ia, Ib, ... If. Oznaczenia a, b, c ... f są notacją liczb 10, 11, 12 ... 15 w systemie szesnastkowym. Niektórzy producenci urządzeń stosują konwencję oznaczeń ze znakiem „%”: %I0, %I1, %I2, ...
Na rys.II.1. przedstawiono układy wejściowe wewnątrz sterownika w postaci przekaźników elektrycznych (In). W rzeczywistości stosuję się tam układy półprzewodnikowe (transoptory) jednak takie ich przedstawienie ułatwia zrozumienie działa wejść sterownika.
10. Funkcje przełączające
11. Budowa sterownika PLC
Jednostka centralna – CPU wraz z pamięcią – podejmuje decyzje i wykonuje funkcje sterowania bazując na instrukcjach programowych zawartych w pamięci.
Moduł wejść– wejścia występują w wielu typach sygnałów – cyfrowych lub analogowych pochodzących z urządzeń wejściowych; są przetwarzane do postaci sygnałów logicznych zrozumiałych dla CPU.
Moduł wyjść– wyjścia przetwarzają funkcje sterowania z CPU do takiej postaci sygnałów (cyfrowych lub analogowych), które mogą być użyte do sterowania rozmaitych urządzeń
(elementów wykonawczych).
Programator – urządzenie do zaprogramowania sterownika – wpisania instrukcji programowych, które określają
co powinien wykonać PLC przy określonym stanie wejść
Interfejs operatorski – umożliwia wyświetlanie informacji procesowych i wprowadzanie nowych parametrów kontrolnych (panele przyciskowe, dotykowe, semigraficzne, mulitpanele).
12. Zasada działania sterownika PLC
Praca PLC polega na monitorowaniu stanu wejść, podejmowaniu decyzji w oparciu o program użytkownika oraz sterowaniu wyjściami podczas automatycznej realizacji procesów technologicznych.
Sterownik PLC wyposażony jest w zestaw wejść, do których przyłączane są dyskretne (dwustanowe) sygnały elektryczne. Analogicznie jak w przypadku przełączających układów stycznikowych źródłem tych sygnałów mogą być: styki przycisków sterowniczych, wyłączniki drogowe ruchomych części maszyn, sygnalizatory graniczne (poziomu, termiczne, ciśnienia) itp. Sterownik przetwarza te sygnały zgodnie z wirtualnym algorytmem (układem przełączającym) zapisanym w jego pamięci i udostępnia rezultaty poprzez swoje wyjścia, którymi na ogół są styki przekaźników elektrycznych wewnątrz sterownika. Do zacisków styków wyjściowych sterownika podłączane są z reguły urządzenia wykonawcze, np. silniki, elektrozawory, grzejniki, klimatyzatory, oświetlenie itp.