Akademia Techniczno-Humanistyczna

Bielsko-Biała

Kierunek: Elektrotechnika

Rok: III

Semestr: VI

Sprawozdanie z Laboratorium Podstaw Automatyki

Temat: Regulacja dwupołożeniowa

Data wykonania ćwiczenia: 06-03-2003

Data oddania sprawozdania: 13-03-2003

Grupa: Sprawozdanie wykonali:

Adam Szafron Adam Szafron

Dariusz Haręża Paweł Knapek

Dariusz Marszałek

Grzegorz Knyps

Jarosław Śledź

Krzysztof Stopczak

Michał Matusiak

Paweł Knapek

1. Cel ćwiczenia:

Poznanie idei regulacji dwupołożeniowej oraz zasady działania regulatora dwupołożeniowego RE3AH pracującego w układzie nagrzewania ścianek odpowiedniej rurki.

Podstawowym celem ćwiczenia było zaobserwowanie zmian pracy badanego układu, zarejestrowanych w czasie, na skutek różnych nastaw regulatora dwupołożeniowego.

2. Schemat stanowiska pomiarowego:

1 - silnik wraz z dmuchawą nawiewającą powietrze do rurociągu

2 - komora z grzejnikiem

3 - rurociąg

4 - czujnik termoelektryczny

5 - regulator

6 - rejestrator

3. Opis działania badanego układu:

Obiekt w układzie regulacji temperatury powietrza dostarczanego rurociągiem (3) stanowi komora z grzejnikiem (2), który służy do podgrzewania powietrza. Chłodzenie grzejnika i komory zapewnia dmuchawa (1) umieszczona na wlocie do rurociągu. Czujnik termoelektryczny (4) tj. termopara żelazo - konstantan mierzy temperaturę ścianki rurociągu, która wobec małej pojemności cieplnej rury i dużego natężenia przepływu powietrza jest równa temperaturze wewnątrz rurociągu. W układzie tym zastosowany został regulator dwustawny RE3AH.

4. Przebieg ćwiczenia:

Zadaniem naszym w tym ćwiczeniu było zdjęcie charakterystyki skokowej temperatury w zależności od różnych nastaw regulatora
oraz
. Ponadto koniecznym było zmierzenie czasów załączania regulatora (czas grzania) i czasu wyłączenia regulatora (czas stygnięcia).

5. Wyniki pomiarów:

Wartość zadana
		0		4		6		8		10
	0	7,6	19	10,3	28	12,4	33,6	16,7	45,2	27,4	71,4
		7,7	17	10,8	27,6	12,4	33,2	16,8	45,1	26,8	74,6
		7,7	22	10,4	27,7	12,2	33,1	16,8	44,6	27,5	73
	2	2,7	6	3,8	8,4	4,9	11	6,3	14,4	9,6	21
		2,8	5	3,7	8,3	4,8	10,7	6,4	14,4	9,7	20
		2,8	5,5	3,8	9	4,9	10,7	6,6	14,3	9,5	21
	4	1,4	2,4	2	3,3	2,4	4,1	3,2	5,7	5,9	10,1
		1,4	2	2	3,4	2,5	4	3,3	5,5	5,8	10
		1,5	2	1,7	3,4	2,4	4,1	3,3	5,5	5,5	10,1

gdzie:

- czas grzania

- czas stygnięcia

6. Wyznaczenie średnich temperatur
   oraz średniego błędu regulacji
   przy odpowiednich nastawach regulatora:

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

• 
  ,
  :

⇒

gdzie:
- zakres proporcjonalności

- szerokość strefy histerezy

- średni błąd regulacji

- średnie wartości temperatur przebiegów

7. Tabela zestawiająca średnie czasy grzania i stygnięcia:

Wartość zadana = 40
		0		4		6		8		10
		tgśr	tsśr	tgśr	tsśr	tgśr	tsśr	tgśr	tsśr	tgśr	tsśr
0	7,68	19,3	10,48	27,7	12,3	33,3	16,76	44,9	27,2	73
2	2,76	5,5	3,78	8,5	3,39	10,8	6,4	14,3	9,59	20
4	1,42	2,1	1,91	3,36	2,4	4,0	3,2	5,56	5,75	10

8. Tabela zestawiająca średnie temperatury przebiegów i średnie błędy regulacji:

Wartość zadana
		0		4		6		8		10
		Tśr	eśr	Tśr	eśr	Tśr	eśr	Tśr	eśr	Tśr	eśr
0	44	-4	44	-4	43,6	-3,6	43,4	-3,4	43,1	-3,1
2	48,35	-8,35	48,35	-8,45	48,03	-8,03	47,7	-7,2	47,45	-7,45
4	53	-13	53	-13	52	-12	52	-12	52,5	-12,5

9. Określenie nastaw regulatora aby wartość temperatury obiektu regulacji nie przekroczyła więcej niż 5
   ponad wartość zadaną tj. 40
   :

Z tematu wynika jasno, że temperatura obiektu regulacji nie może przekroczyć temperatury 45
dla określonych nastaw regulatora. Nastawy te można w łatwy sposób wyznaczyć na podstawie wykresu z rejestratora temperatury. Biorąc pod uwagę wartości średnie temperatur dla danych przebiegów, nastawy te wynoszą odpowiednio:

• 
  i
  

• 
  i
  

• 
  i
  

• 
  i
  

• 
  i
  

10. Wnioski:

Z charakterystyki skokowej temperatury widać jasno, że nastawy regulatora mają niebanalny wpływ na zachowanie się samego regulatora jak i całego układu regulacji. Pod pojęciem nastaw regulatora, w naszym przypadku dwustawnego RE3AH, mam na myśli szerokość strefy histerezy
oraz zakres proporcjonalności
. Po włączeniu układu regulacji obserwowaliśmy znaczny wzrost temperatury ponad wartość zadaną, a związane to było z dosyć dużą bezwładnością cieplna całego układu. Po ustaleniu się charakterystyki skokowej temperatury zmienialiśmy nastawy regulatora obserwując jednocześnie jak reaguje na te zmiany obiekt regulacji. Pierwsze pomiary rozpoczęliśmy od stałej wartości zakresu proporcjonalności
natomiast regulowaliśmy szerokością strefy pętli histerezy
. Dla takich warunków nietrudno zauważyć z charakterystyki skokowej, że wraz ze wzrostem szerokości strefy histerezy
przy
, zmniejsza się częstość przełączeń przekaźnika a tym samym zwiększają się czasy grzania i stygnięcia obiektu regulacji w wyniku czego zwiększają się amplitudy przebiegu temperatury.

Kolejnym krokiem było zwiększenie zakresu proporcjonalności do wartości
, zaś parametr
zmienialiśmy w identyczny sposób jak poprzednio. Przed pierwszym pomiarem dla tych nastaw należało znowu odczekać kilka chwil aż układ się ustabilizuje, a tym samym charakterystyka skokowa ustali się. Dla małych wartości parametru
częstotliwość przełączeń była na tyle duża a amplituda była na tyle mała, że trudno było wyznaczyć wartość maksymalną, minimalną czy też średnią temperatury. Natomiast wraz ze wzrostem strefy szerokości histerezy przy stałym współczynniku proporcjonalności charakterystyka skokowa temperatury stawała się coraz bardziej czytelna, tzn. częstotliwość przełączeń przekaźnika stopniowo zmniejszała się przez co wzrastały czasy grzania i stygnięcia obiektu regulacji i amplitudy przebiegu były większe. Nasuwa się również wniosek patrząc na wyniki oraz charakterystykę skokową, że wraz ze wzrostem parametru
wzrasta wartość średnia temperatury OR dużo ponad wartość zadaną a tym samym rośnie wartość średniego błędu regulacji
, który jest określony jako różnica wartości zadanej
i średniej temperatury
. Ogólnie można również powiedzieć, że im mniejsza szerokość pętli histerezy tym większa jest częstotliwość przełączeń przekaźnika, co zresztą jasno wynika z charakterystyki przekaźnika dwupołożeniowego.

Przy parametrze
widać, że średni błąd regulacji osiągną już znaczna wartość rzędu kilkunastu stopni. Ponieważ, średnia wartość temperatury dla wszystkich nastaw regulatora jest większa od wartości zadanej dlatego też średni błąd regulacji otrzymujemy ze znakiem ujemnym np.
.

Na papierze milimetrowy zamieszczono następujące charakterystyki:

• 
  

• 
  

• 
  

• 
  

Z charakterystyki
widać, że jest to zależność liniowa stała wraz ze wzrostem szerokości strefy histerezy, tym większa im większy jest parametr
czyli współczynnik proporcjonalności.

jest zależnością liniowo narastającą wraz ze wzrostem współczynnika proporcjonalności, przy czym nie ma tu większego znaczenia szerokość strefy histerezy.

Nietrudno zauważyć, że czas grzania jest zdecydowanie krótszy od czasu stygnięcia OR dlatego też iloraz odpowiednio czasu grzania do czasu stygnięcia będzie mniejszy od jedności. Zależność tego ilorazu w funkcji nastaw regulatora, przy czym jeden parametr regulujemy zaś drugi jest stały, jest liniowo narastająca lub malejąca i zawiera się w granicach od 0,3 do 0,7.

---