Pojęcia podstawowe

Sterowanie procesami – świadome oddziaływanie na przebieg procesu technologicznego w celu zlikwidowania lub zmniejszenia niekorzystnego wpływu czynników zakłócających przebieg tego procesu.

W procesach technicznych rozróżniamy sterowanie:

- ręczne – realizowane przez człowieka,

- automatyczne – realizowane przez urządzenia mechaniczne

Automatyzacja – stosowanie w procesach technologicznych urządzeń mechanicznych do samoczynnego sterowania przebiegów tych procesów.

Automatyzacja regulacji – jest to sterowanie automatyczne realizowane w układzie zamkniętym ze sprężeniem zwrotnym ujemnym.

Funkcje spełniane przez automatyzację:

1. Kontrola – polega na zbieraniu, przetwarzaniu i przesyłaniu informacji o podstawowych parametrach, charakteryzujących przebieg procesu technologicznego, do osób nadzorujących ten proces,

2. Sygnalizacja – polega na informowaniu osób nadzorujących przebieg procesu tech. o zbliżaniu się określonych parametrów do wartości granicznych, po przekroczeniu których proces będzie przebiegał nieprawidłowo. Sygnalizacja może być realizowana w postaci:

- wizualnej (lampki),

- akustycznej (brzęczki, dzwonki).

1. Zabezpieczenie – stosowane samoczynnie działających urządzeń mechanicznych, których zadaniem jest zabezpieczenie procesu tech. przed jego zniszczeniem w momencie przekroczenia maksymalnych wartości parametrów kontrolowanych.

2. Blokada – stosowane samoczynnie działających urządzeń mechanicznych uniemożliwiających uruchomienie procesu tech. jeżeli nie się spełnione wymagane parametry dla rozpoczęcia danego procesu.

3. Sterowanie – stosowane samoczynnie działających urządzeń mechanicznych mające na celu ciągłe utrzymywanie optymalnych wartości podstawowych parametrów gwarantujących prawidłowy przebieg procesu tech.

Sterowanie automatyczne może być realizowane w dwóch podstawowych układach:

a) Otwarte układy sterowania – bez sprężenia zwrotnego, stosowane są gdy możliwe są pomiary wysokości zakłóceń oddziałujących na dany proces technologiczny

Schemat budowy strukturalnej otwartego układu sterowania:

X – wielkość sterująca

Y – wielkość kontrolowana

Zasada sterowania w układzie otwartym, polega na kompensowaniu (likwidowaniu) przez wielkość sterującą X wpływu mierzonej wartości zakłócenia (Z) oddziaływującego na obieg regulacji. Sygnał sterujący X musi mieć taką wartość, by powstałe pod jego wpływem odchylanie wartości wielkości kontrolowanej ΔY(X) likwidowało odchylenie ΔY(Z) spowodowane działaniem zakłócenia:

ΔY(X) + ΔY(Z) = 0

b) Zamknięte układy sterowania – ze sprzężeniem zwrotnym, stosowane gdy wielkości zakłóceń oddziaływujących na dany proces technologiczny są niemierzalne lub ich pomiar byłby bardzo skomplikowany.

Schemat budowy strukturalnej zamkniętego układu sterowania:

X – wielkość sterująca

Y- wielkość kontrolowana

Yz – wartość wielkości zadanej (oczekiwana)

Ym – zmierzona wartość wielkości kontrolowanej

e – odchyłka regulacji/uchybienie

W układzie zamkniętym, do wytworzenia odpowiedniej wartości wielkości sterującej (X) wykorzystywana jest informacja o odchyłce regulacji (e) występującej w danej chwili czasowej: e = Yz – Ym = 0

gdzie: Ym = ΔY(X) + ΔY(Z)

Istotą tych układów jest występowanie toru sygnałowego, po którym wielkość wyjściowa (Y) z obiektu po przetworzeniu w urządzeniu pomiarowym i sterującym jest przesyłana na wejście do obiektu jako sygnał sterujący (X).

Klasyfikacja układów automatycznej regulacji

1. Rodzaje układów pod względem budowy strukturalnej

a) Układy o budowie zamkniętej ze sprężeniem zwrotnym ujemnym

b) Układy o budowie mieszanej (tj. połączenie układu zamkniętego z układem otwartym)

c) Układy o budowie kaskadowej (tj. szeregowe połączenie kilku składów o budowie zamkniętej)

2. Rodzaje układów pod względem źródła energii niezbędnej do ich funkcjonowania

a) układy bez energii pomocniczej – do działania układu wykorzystywane są zjawiska fizyczne zachodzące w tym układzie (ukł. bezpośredni) np. regulowanie natężenia przepływu

b) układy zasilane energią zewnętrzną (pośrednie) – np. układy elektroniczne do funkcjonowania których niezbędne jest zasilanie elektryczne

3. Rodzaje układów pod względem nośnika informacji

a) układy pneumatyczne – nośnikiem informacji są gazy (np. sprężone powietrze)

b) układy hydrauliczne – nośnikiem informacji są płyny (np. woda)

c) układy elektryczne – nośnikiem informacji jest prąd elektryczny

d) układy mieszane – np. pneumatyczno – elektryczne, pneumatyczno – hydrauliczne itp.

4. Rodzaje układów pod względem zmiany wielkości zadanej (Yz)

a) układy stałowartościowe (stabilizujące) – wartość zadana jest stała przez cały czas funkcjonowania układu automatycznej regulacji (przykładem jest ciepła woda użytkowa).

b) układy programowe (programowalne) – wartość zadana jest stała w określonych przedziałach czasu funkcjonowania układu automatycznej regulacji (przykładem ogrzewanie pomieszczeń)

c) układy nadążne – wartość nadana ulega zmianie wraz ze zmianą parametru pomocniczego, od którego zależna jest wartość wielkości zadanej. Zależność taka musi być znana i opisana odpowiednią funkcją matematyczną.

Własności dynamiczne obiektów regulacji:

Pod względem własności dynamicznych obiekty regulacji dzielimy na:

a)statyczne – takie obiekty, które po wprowadzeniu zakłócenia skokowego powracają do stanu równowagi trwałej.

Właściwości dynamiczne obiektów opisywane są za pomocą transmitancji operatorowych wyznaczonych na drodze analitycznej (opis obiektu za pomocą równań różniczkowych) lub doświadczalnie (za pomocą charakterystyk skokowych lub częstotliwościowych).

Transmitancje operatorowe obiektów statycznych mogą posiadać następujące postaci:

-obiekty inercyjne I rzędu

G(s) = $\frac{k}{Ts + 1}$

-Obiekty inercyjne n- tego rzędu

G(s) =$\frac{k}{T_{i}s + 1\ }*\ldots.\ *\ \frac{k_{n}}{T_{n}s + 1} = \ \frac{\text{Γki}}{\Gamma(Tis + 1)}$

-obiekty inercyjne n- tego rzędu z opóźnieniem

G(s)=exp (-STt)$\ \frac{\text{Γki}}{\Gamma(Tis + 1)}$

b)astatyczne – obiekty które po wprowadzeniu zakłócenia skokowego nie osiągają stanu równowagi trwałej.

Transmitancje operatorowe obiektów astatycznych mogą posiadać następujące postaci:

-obiekty całkujące

G(s) = $\frac{k}{Ts + 1}$

-Obiekty całkujące z inercyjnością

G(s) =$G1(s)\ \frac{\text{Γki}}{\Gamma(Tis + 1)}$

-obiekty całkujące z inercyjnością i opóźnieniem

G(s)=G1(s)exp (-STt)$\ \frac{\text{Γki}}{\Gamma(Tis + 1)}$

k- współczynnik wzmocnienia obiektu

Ti- stała czasowa obiektu

Tt- opóźnienie transportowe obiektu

Wyznaczanie transmitancji operatorowych obiektów statycznych na podstawie odpowiedzi skokowych .

T_t – opóźnienie transportowe

T₀ – opóźnienie całkowite

T_b – opóźnienie bezwładnościowe

Transmitancja operatorowa opisująca własności dynamiczne obiektu o podwyższonej odpowiedzi na wymuszenia skokowe będzie miała postać

G(s)=(k/(Tzs+1))exp(-Tos)

Stałą czasową obiektu Tz- wyznacza się jako długość podstycznej przy stycznej poprowadzonej przez pkt. przegięcia charakterystyki

Opóźnienie obiektu To- jest odległością pkt. przegięcia stycznej z osią odciętych od początku układu. Na wielkość tą składają się

Tt- opóźnienie transportowe

Tb- opóźnienie bezwładnościowe

Współczynnik wzmocnienia obiektu k wyznacza się jako stosunek odpowiedzi obiektu (ΔY) do wielkości wymuszenia skokowego (ΔX)

k = (ΔY)/(ΔX)

Wyznaczenie transmutacji operatywnych obiektów astatycznych na podstawie odpowiedzi skokowych:

Transmitancja operatorowa opisująca własności dynamiczne obiektu o powyższej odpowiedzi na wymuszenie skokowe będzie miała postać:

G(s)=(k/s) exp(-Tos)

Współczynnik wzmocnienia obiektu k- wyznacza się jako odwrotność stałej czasowej obiektu : K=1/Tz

Stała czasowa obiektu Tz- jest to odległość pkt. przecięcia asymptoty z osią odciętych i z linią obrazującą wartości wymuszenia skokowego.

Opóźnienie obiektu To- jest odległością pkt. przecięcia asymptoty z osią odciętych od początku układu współrzędnych.

Tt- opóźnienie transportowe

Tb- opóźnienie bezwładnościowe

Współczynnik wzmocnienia obiektu k – wyznacza się jako odwrotność stałej czasowej obiektu

$$k = \frac{1}{T_{z}}$$

Własności statyczne i dynamiczne układów automatycznej regulacji

(3 układy,Jaki wykres dla statycznych?, odchyłka statyczna na czym polega?, kryteria, jakie wskaźniki SA stosowne przy kryteriach)

Pod względem własności statycznych i dynamicznych układy automatycznej regulacji dzielimy na:

-układy stabilne – są to takie układy które po wprowadzeniu zakłócenia skokowego powracają do stanu równowagi trwałej.

-układy niestabilne – są to takie układy które po wprowadzeniu zakłócenia skokowego nie osiągają stanu równowagi trwałej.

Własności statyczne układów automatycznej regulacji:

-opisywane są za pomocą odchyłki regulacji (uchybu regulacji) jaka występuje w układzie po ustaleniu się przebiegu przejściowego wywołanego dowolnym zakłóceniem.

Odchyłka statyczna (e_st) określa różnice pomiędzy wartością zadaną (Yz) i wartością rzeczywistą wielkości regulowanej, jaka zostanie przez działanie układu automatycznej regulacji wygenerowana.

est=|Yz-Y| =0

Własności dynamiczne układów automatycznej regulacji:

- opisywane są za pomocą różnych kryteriów, które bada się w początkowej fazie działania układu automatycznej regulacji.

Najczęściej stosowanymi kryteriami określającymi własności dynamiczne układów regulacji są:

-kryterium szybkości działania UAR

-kryterium stabilności działania UAR

-kryterium dokładności działania UAR

Kryterium szybkości działania UAR opisywane jest dwoma wskaźnikami jakości regulacji:

czas narastania- (tn)- określony jako czas potrzebny na to, aby odpowiedź układu na zakłócenie wzrosła od 10% na 90% ustalonej wartości regulowanej

czas regulacji – ( tr) – określonym jako czas potrzebny na to, aby uchyb regulacji był mniejszy od dopuszczalnego (delta e)

e(t) ≤e

Kryterium stabilności działania UAR

Opisywany jest za pomocą wskaźnika przeregulowania.

$$\chi = \frac{e_{1}}{e_{p}}*100\%\ \leq 40\%$$

Kryterium dokładności działania UAR

Opisywane jest za pomocą kryteriów całkowych

-kryterium całki z odchyłki regulacji w czasie

J₁ = ∫₀^∞e(t)dt

- kryterium całki z kwadratu odchyłki regulacji w czasie

J₂ = ∫₀^∞e²(t)dt

-kryterium całki z wartości bezwzględnej odchyłki regulacji w czasie

J₃ = ∫₀^∞|e|(t)dt

Budowa układów automatycznej regulacji

Budowa i zasada działania elementów składowych układów automatycznej regulacji:

Każdy układ składa się z 3 członów:

-człon pomiarowy (służy do pomiaru, przetwarzania i przesyłania do członu regulacyjnego informacji o aktualnej wartości wielkości kontrolowanej (Ym). Każdy człon pomiarowy zawiera czujnik pomiarowy i ewentualnie przetwornik pomiarowy).

-człon regulacyjny (służy do porównywania wielkości mierzonej (Ym) z wielkością zadaną (Yz) (w węźle sumacyjnym) oraz wygenerowania sygnału nastawczego (regulator) wysyłanego do członu wykonawczego. Każdy człon regulacyjny składa się z węzła sumacyjnego i urządzenia sterującego (regulatora).

-człon wykonawczy(służy do określonego oddziaływania na sygnał sterujący (X) w celu zlikwidowania wpływu zakłóceń na wielkość kontrolowaną (Y); każdy człon wykonawczy składa się z urządzenia wykonawczego (zaworu regulacyjnego) i nastawnika (siłownika)

Elementy składowe członów pomiarowych

Każdy człon pomiarowy zawiera:

-czujnik pomiarowy

-przetwornik pomiarowy(alternatywnie)

Najczęściej kontrolowanymi i mierzonymi wielkościami fizycznymi w układach automatycznej regulacji stosowanych w IS są:

- temperatura

-ciśnienie

-wilgotność powietrza

-natężenie przepływu

- poziom cieczy w zbiornikach

Rodzaje czujników temperatury:

Ze względu na zasadę działania i zjawiska fizyczne wykorzystywane przy budowie czujnikow temperatury dzielą się na:

-stykowe przyrządy do pomiaru temperatury(muszą mieć bezpośredni kontakt z ośrodkiem, którego temperature mają zmierzyć-termometry)

-bezstykowe przyrządy do pomiaru temperatury ( dokonują pomiaru temperatury bez kontaktu bezpośredniego-pirometry)

Do stykowych przyrządów pomiarowych zaliczamy termometry:

- rozszerzalnościowe: cieczowe(słupkowe), metalowe(dylatacyjne, bimetaliczne)manometryczne: mieszkowe, nurkowe(cieczowe, parowe, gazowe)

-elektryczne: termoelektryczne, oporowe

Rodzaje czujników wilgotności powietrza:

Do pomiaru wilgotności powietrza stosowane są następujące metody i czujniki pomiarowe( w zalezności od zasady działania i wykorzystującego zjawiska fizycznego):

- Metoda wagowa(grawimetryczna)- baterie suszek pomiarowych ( pomiar masy wody zawartej w badanym powietrzu- urządzeniem pomiarowym jest bateria suszarek)

- Metoda punktu rosy- higrometr punktu rosy(schładzanie powietrza w suchych chłodnicach z powierzchnią lustrzana lub z czujnikami fotooptycznymi- urządzeniem pomiarowym jest higrometr punkturosy)

- Metody higroskopowe- polega na pomiarze zmian długości włosów pod wpływem wilgotności zawartej w powietrzu urządzeniem pomiarowym jest higrometr punktu rosy)

- Metody psychometryczne- polega na określaniu wilgoci powietrza w oparciu o pomiar temperatur 2 termometrami (suchym i mokrego)(np. psychrometr Augusta)

psychometr Augusta(pomiar temperatury powietrza za pomocą termometru suchego i mokrego),Psychometr Assmana(pomiar temperatury powietrza za pomocą termometru suchego i mokrego- przy wymuszonym przepływie)

-Metody higrometryczne- – polegające na pomiarze zmian parametrów elektrycznych elementów pomiarowych pod wpływem wilgotności zawartej w powietrzu. Urządzeniami pomiarowymi są:

- higrometry pojemnościowe (np. kondensator Jasona)

- higrometry oporowe (np. z podgrzewanym czujnikiem temperatury)

Rodzaje czujników ciśnienia:

Ze względu na zasadę działania i zjawiska fizyczne wykorzystywane przy budowie czujnikow ciśnieniowych dzielą się na:

-manometry cieczowe(higrostatyczne)np.: jedno- i dwuramienne, z pochyla rurką, barometry, manometry pierścieniowe

- manometry tłokowe

- manometry sprężynowe

np. rurkowe, membranowe i mieszkowe

- manometry elektryczne np.: oporowe, tensometryczne, piezoelektryczne

Higrometr włosowy
1 - napięte włosy

2 - układ dźwigniowy

3 - wskazówka

4 - skala wilgotności

Psychrometr Assmanna

1 - termometr suchy

2 - termometr wilgotny

3 - tkanina zwilżająca

4 - kanał przepływu powietrza

5 - wentylator promieniowy

6 - urządzenie napędowe wentylatora (sprężyna lub silniczek elektryczny)

Psychrometr Augusta

1 - termometr suchy

2 - termometr mokry

3 - tkanina zwilżająca

4 - naczynie z wodą destylowaną

Rodzaje czujników natężenia przepływu:

Ze względu na zasadę działania i zjawiska fizyczne wykorzystywane przy budowie czujników natężenia przepływu dzielą się na:

-przepływanie silnikowe np.: komorowe, wirnikowe

-przepływanie spiętrzające np.: rurki Pitota i Prandtla, zwężki i kryzy pomiarowe

-przeplywomierze elektryczne np.: magnetoindukcyjne, ultradźwiękowe

Rodzaje czujników poziomu cieczy:

Ze względu na zasade dzialania i zjawiska fizyczne wykorzystywane przy bydowie czujnikow poziomu cieczy dzielą się na:

- poziomowskazy rurkowe

-poziomowskazy hydrostatyczne

- poziomowskazy pływakowe

- poziomowskazy elektryczne np.: izotropowe, ultradźwiękowe

Przetworniki pomiarowe:

Przetworniki pomiarowe mają za zadanie zmieniać sygnał wyjściowy z czujnika pomiarowego na standardowy sygnał analogowy bądź cyfrowy. Stosuje się je wtedy gdy sygnał wyjściowy z czujnika pod względem fizycznym jest niedogodny do przesyłania na dalsze odległości lub wymaga przetworzenia na inną wielkość.

Standardowymi sygnałami analogowymi są:

- dla przetworników ciśnienia 20- 100 kN/m²

- dla przetworników prądowych 0-20 mA

Elementy składowe członów regulacyjnych:

Każdy człon regulacyjny składa się z:

- sumatora

- regulatora

Zadaniem sumatora jest ciągłe porównywanie wartości wielkości mierzonej(Ym) z wartością wielkości zadanej(Yz) i określenie bieżącej wartości odchyłki regulacji (e).

Zadaniem regulatora jest generowanie odpowiedniego sygnału nastawnego( w funkcji odchyłki regulacji, określonej przez sumator) i wysyłanie go do członu wykonawczego.

Klasyfikacja regulatorów:

1.Rodzaje regulatorów w zależności od wymaganej energii do działania:

a)regulatory pośrednie- do działania, których konieczne jest dostarczenie energii zewnętrznej spoza regulowanego układu technologicznego, np.: regulatory elektroniczne do funkcjonowania, których niezbedne jest zasilanie elektryczne

b)regulatory bezpośrednie- działają bez energii pomocniczej, do działania których wykorzystywane są zjawiska fizyczne zachodzące w regulowanym układzie technologicznym

2. Rodzaje regulatorów w zależności od nośnika informacji:

a)regulatory pneumatyczne- nośnikiem informacji są gazy(np.: sprężone powietrze)

b)regulatory hydrauliczne- nośnikiem informacji są płyny(np.: woda)

c)regulatory elektryczne-nośnikiem informacji jest prąd elektryczny.

3. Rodzaje regulatorów w zależności od zmiany wartości zadanej(Yz):

a)regulatory stałowartościowe(stabilizujące)- wartość zadana jest stała przez cały czas funkcjonowania układu automatycznej regulacji.

b)regulatory programowe(programowalne)- wartość zadana jest stała w określonych

przedziałach czasu funkcjonowania układu automatycznej regulacji.

c)regulatory nadążne- wartość zadana ulega zmianie wraz ze zmianą parametru pomocniczego od którego zależna jest wielkość wartości zadanej.

Zależność taka musi być znana i opisywana odpowiednią funkcją matematyczną.

4.Rodzaje regulatorów w zależności od sposobu generowania sygnału wyjściowego

a)regulatory o wyjściu ciągłym- sygnał sterujący wysyłany jest ciągle(np.: w regulatorach bezpośredniego działania).

b)regulatory o wyjściu impulsowym- sygnał sterujący wysyłany jest w określonych odstępach czasu(np.: w regulatory nadążne)

c)regulatory o wyjściu dwu- lub trójwarstwowym- wysyłany sygnał sterujący całkowicie zamyka lub otwiera zawór regulacyjny bądź zamyka, częściowo otwiera i całkowicie otwiera zawór regulacyjny( np.: przy współpracy z siłownikami elektromagnetycznymi).

5.Rodzaje regulatorów w zależności od własności dynamicznych:

a)regulatory o właściwościach proporcjonalnych- typu P

b)regulatory o właściwościach całkujących- typu I

c)regulatory o właściwościach proporcjonalno- całkujących- typu PI

d)regulatory o właściwościach proporcjonalno- różniczkujących – typu PD

e)regulatory o właściwościach proporcjonalno- całkująco- różniczkujących PID

Elementy składowe członów wykonawczych:

Każdy człon wykonawczy składa się z:

- elementu wykonawczego(zawór regulacyjny, przepustnica)

- siłownika (nastawnika)

Zadaniem elementu wykonawczego jest takie oddziaływanie na przebieg procesu technologicznego aby skompensować zmiany przebiegu procesu wywołane zakłóceniami.

Zadaniem siłownika jest spowodowanie zmiany ustawienia elementu wykonawczego pod wpływem sygnału nastawczego, otrzymanego z członu regulacyjnego.

Klasyfikacja zaworów regulacyjnych:

1.W zależności od materiału z którego wykonany jest korpus:

-mosiężne

-żeliwne

-staliwne

2.W zależności od parametrów pracy:

-wykonanie standardowe(PN6-40barów, temp=150^oC)

-wykonanie specjalne

3.W zależności od ilości grzybków (gniazd):

-jedno grzybkowe (nieszczelność 0,01 kvs)

-dwu grzybkowe (nieszczelność 0,1 kvs)

4.W zależności od ilości dróg przepływu:

-dwudrogowe(przelotowe, kątowe) 1 dopływ 1 odpływ

-trójdrogowe(mieszające, rozdzielające) 1dopływ, 2odpływy

-czterodrogowe(rozdzielająco- mieszające) 1dopływ 3odpływy

5.Ze względu na sposób mocowania:

-gwintowane

-kołnierzowe

6.W zależności od charakterystyki hydraulicznej wewnętrznej:

-o charakterystyce liniowej

-o charakterystyce logarytmicznej

-o charakterystyce szybko otwierającej

-o charakterystyce szybko zamykającej

Zawory regulacyjne dobierane są na podstawie wyznaczonego współczynnika przepływu zaworu (kv).

Spadek ciśnienia na zaworach regulacyjnych w instalacjach średniociśnieniowych, powinien wynosić co najmniej 30% ciśnienia dyspozycyjnego dla analizowanego układu hydraulicznego.

Klasyfikacja siłowników

1. W zależności od wymaganej energii do działania:

- bezpośredniego działania – do działania których, wykorzystywane są zjawiska fizyczne i czynniki występujące w regulowanym układzie technologicznym

- pośredniego działania – do działania których, konieczne jest dostarczanie energii zewnętrznej.

1. W zależności od nośnika sygnału sterującego:

- siłowniki pneumatyczne – nośnikiem sygnałów sterujących SA gazy (np. sprężone powietrze)

- siłowniki hydrauliczne – nośnikiem sterującym są ciecze

- siłowniki elektryczne – nośnikiem sygnałów sterujących jest prąd elektryczny

1. w zależności od rozwiązań konstrukcyjnych:

- siłowniki tłokowe, membranowe, mieszkowe – bezpośredniego działania,

- siłowniki z silnikiem nawrotnym (może obracać się z lewo albo prawo), z cewkami elektromagnetycznymi – pośredniego działania.

1. w zależności od wykonywanych ruchów:

- siłowniki posuwisto – zwrotne,

- siłowniki obrotowe.

Siłowniki o napięciu 230 są wykorzystywane w instalacjach ciepłowniczych. A o 24 volt są stosowane w instalacjach wentylacyjnych.

Wybór siłownika szybkiego zależy od dynamiki zjawisk, np. przy skokowym wzroście zużycia c.w.u.

Siłownik tłokowy, siłownik tłokowo – korbowy, siłownik membranowy, siłownik mieszkowy, siłownik z silnikiem nawrotnym, siłownik z cewką elektromagnetyczną