Wstęp
Pojęciem obiektu sterowania obejmujemy obiekty o charakterze technicznym, biologicznym, społecznym itp., w których realizuje się pewien proces. Należy tutaj zaznaczyć, że na przebieg (bieg) tego procesu można wpływać z zewnątrz za pośrednictwem określonych sygnałów, nazywanych sygnałami wejściowymi. Informację o samym przebiegu procesu niosą zupełnie inne sygnały zwane sygnałami wyjściowymi. Sygnały te wyznaczamy drogą obserwacji.
Zadanie sterowania polega na uzyskaniu sygnału sterowanego „y” zgodnego z sygnałem zadanym „y0”. Wszelkie oddziaływania na obiekt, nie będące sterowaniami i wywołujące utrudnienie realizacji zadania sterowania, nazywane są zakłóceniami. Miejsca oddziaływania sterowań „u” i zakłóceń „z” na obiekt nazywamy wejściami obiektu. Sygnały sterujące obiektu wytwarzane są w urządzeniu sterującym. Gdy źródłem tych sygnałów jest człowiek - operator - to mówimy o sterowaniu ręcznym. Zespół urządzenie sterujące - obiekt sterowany nazywamy układem sterowania. Jeśli sygnały sterowane - tj. sygnały z wyjścia obiektu - nie oddziałują na zwrotnie na wejście urządzenia sterującego, to mamy do czynienia z układem otwartym sterowania, jeśli zaś występuje sprzężenie zwrotne, to mamy do czynienia z układem zamkniętym. Sterowanie w układzie zamkniętym nazywamy regulacją. W takim przypadku obiekt nazywa się obiektem regulowanym, sygnał „y” - sygnałem regulowanym, a urządzenie sterujące - regulatorem.
Rozpatrzmy obiekt z jednym sygnałem sterującym „u” i jednym sygnałem wyjściowym „y”. Schemat powyższego układu przedstawiony jest na poniższym rysunku:
Sygnał zadany „y0(t)” porównany jest na wejściu regulatora z sygnałem regulowanym „y(t)”. Różnica tych sygnałów „ε(t)”, nazywana uchybem regulacji jest przetwarzana w regulatorze na sygnał nastawiający - sterujący - „u(t)”. Rolą regulatora jest wytworzenie takiego sygnału sterującego „u”, aby w każdej chwili czasu dążyć do zrównania wartości sygnału „y” z aktualną wartością zadaną „y0”, czyli wyzerowania uchybu regulacji.
Dla celów porównawczych wprowadza się wiele grup wskaźników jakości regulacji. Istnieją pośrednie lub bezpośrednie związki między poszczególnymi wskaźnikami z różnych grup. O przydatności poszczególnych wskaźników w praktyce decydują przesłanki fizyczne, łatwość obliczeń oraz łatwość włączenia do procedury projektowej.
Do podstawowych wymagań dla układów regulacji jest żądanie stabilności. Zakłócenia w przemysłowych układach regulacji mają najczęściej postać wymuszeń skokowych lub szumów o pewnej gęstości widmowej. Układy, w których uchyb ustalony przy zakłóceniu skokowym jest równy zeru niezależnie od amplitudy wymuszeń, nazywamy układami astatycznymi. Natomiast układy, w których uchyb ten jest różny od zera i jego wartość zależy od amplitudy wymuszenia, nazywamy układami statycznymi.
Najkorzystniejsze wartości jakiegokolwiek wskaźnika jakości osiąga się przez odpowiedni dobór właściwości statycznych i dynamicznych układu regulacji. Na właściwości dynamiczne obiektu regulacji przeważnie nie mamy wpływu. Rozmaite właściwości układu regulacji zapewnia regulator - jego strukturę i parametry - aby zapewnić określoną jakość regulacji. Zadanie to jest zwane zadaniem korekcji.
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie zaczęliśmy od zbadania wpływu stałej czasowej inercji T oraz stałej czasowej opóźnienia To. Nastawy były podane przez prowadzącego i zapisane w tabeli. Wykresy zostały dołączone do sprawozdania i znajdują się na rysunku pierwszym.
Wnioski i obserwacje
Po zbadaniu regulatora stwierdziliśmy, że
Stała czasowa T odpowiada za czas po jakim układ dochodzi do wartości ustalonej. Dobrze ilustruje to wykres nr 3 w porównaniu do wykresu pierwszego. Zaobserwowaliśmy znacznie większe nachylenie krzywej nr 3. Ponadto dojście do zadanej wartości następuje dużo łagodniej. Przy niektórych zastosowaniach może mieć to istotne znaczenie.
Stała opóźnienia To odpowiada za czas, po którym układ przyjmuje wymuszenie i zaczyna pracować. Obserwujemy to porównując wykresy nr 1 i 2. Początkowo widzimy przesunięcie wykresu o pewną wartość odpowiadającą wartości stałej opóźnienia.
Druga część ćwiczenia polegała na badaniu układu regulacji dwupołożeniowej. Podobnie jak i przy poprzedniej części należało wykreślić charakterystyki dla zadanych parametrów przez prowadzącego. Zostały zadane następujące parametry dla których należało wykonać charakterystyki:
Ustawienie mocy „grzałki” na 3 zadane pozycje: 0,5; 0,75; 1. Rys.2
Różne ustawienia obiektu sterowanego. Rys.3 i Rys.4
Wpływ stałej opóźnienia To na pętlę histerezy. Rys.5
Obserwacje i wnioski do części drugiej
Dzięki charakterystykom na rysunku drugim mogliśmy zaobserwować jak należy dobierać wartość wymuszenia, tak aby osiągnąć średnią odpowiedź najbardziej zbliżoną do nam pasującej. Spowodowane to było tym, że odpowiedź oscylowała wokół pewnej wartości. Mogliśmy ją sprawdzić rysując oś wokół której przebiegały oscylacje. Wnioskujemy stąd, że jeśli zależy nam na utrzymaniu, np. średniej temperatury tak jak to miało miejsce podczas ćwiczenia, należy ustawić odpowiednio większe wymuszenie.
Porównując charakterystyki na rysunkach nr 3 oraz 4 możemy zaobserwować wpływ pętli histerezy na przebieg odpowiedzi przy różnych nastawach obiektu sterowanego oraz przy włączonej stałej opóźnienia To.
Z przebiegu charakterystyk na rysunku nr 3 i 4 możemy zaobserwować dokładnie na czym polega zjawisko pętli histerezy w układzie regulacji dwupołożeniowej. Oscylacje tych krzywych związane są z włączaniem i wyłączaniem elementu dwustawnego (gdy charakterystyka przekracza strefę histerezy od góry - element wyłączany, natomiast, gdy krzywa przekracza strefę od dołu - element zostaje włączony). Jak możemy zauważyć, włączenia i wyłączenia nie następują bezpośrednio po przekroczeniu strefy histerezy. Jest to związane z wprowadzonym opóźnieniem czasowym strefy histerezy. Jest to związane z wprowadzonym opóźnieniem czasowym. Pewien wpływ ma także bezwładność plotera(urządzenia kreślącego).
Jeśli wyłączymy opóźnienie czasowe, to pętla histerezy jest dużo węższa. Ilustruje to nam rysunek nr 5. Obserwujemy tu tylko niewielkie oscylacje spowodowane jedynie zjawiskiem pętli histerezy.
Podsumowując projektując dany układ regulacji, który jest dwustanowy, chcąc osiągnąć zamierzoną jakość regulacji musimy brać pod uwagę ustawienia członu korekcyjnego, gdyż zachodzące zjawiska np. pętla histerezy mogą wpłynąć negatywnie na w/w cechy.
1
4