MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Adrian Mikołajczak
Dobieranie układów sterowania i regulacji
311[46].O2.05
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr in\
. Zbigniew Eliasz
mgr in\
. Roman Grobelny
Opracowanie redakcyjne:
mgr in\
. Adrian Mikołajczak
Konsultacja:
mgr in\
. Ryszard Dolata
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[46].O2.05
,,Dobieranie układów sterowania i regulacji , zawartego w modułowym programie nauczania
dla zawodu technik automatyk sterowania ruchem kolejowym.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREÅšCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 5
3. Cele kształcenia 6
4. Materiał nauczania 7
4.1. Właściwości układów regulacji automatycznej 7
4.1.1. Materiał nauczania 7
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 12
4.1.3. Ćwiczenia 13
4.1.4. Sprawdzian postępów 15
4.2. Przetworniki pomiarowe 16
4.2.1. Materiał nauczania 16
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 18
4.2.3. Ćwiczenia 19
4.2.4. Sprawdzian postępów 21
4.3. Rodzaje regulatorów 22
4.3.1. Materiał nauczania 22
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 28
4.3.3. Ćwiczenia 28
4.3.4. Sprawdzian postępów 31
4.4 Bezpieczeństwo w układach automatyki 32
4.4.1. Materiał nauczania 32
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 34
4.4.3. Ćwiczenia 34
4.4.4. Sprawdzian postępów 36
5. Sprawdzian osiągnięć 37
6. Literatura 42
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy na temat dobierania układów
sterowania i regulacji oraz ukształtowaniu umiejętności z zakresu testowania ró\
nych typów
regulatorów przemysłowych.
W poradniku zamieszczono:
- wymagania wstępne  wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć ju\
ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
- cele kształcenia  wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
- materiał nauczania  wiadomości teoretyczne niezbędne do osiągnięcia zało\
onych celów
kształcenia i ukształtowania umiejętności zawartych w jednostce modułowej,
- zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy jesteś ju\
przygotowany do wykonywania
ćwiczeń,
- ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne; w przypadku pytań i ćwiczeń, których rozwiązanie sprawia
Ci trudności, zwracaj się o pomoc do nauczyciela,
- sprawdziany postępów, czyli zestawy pytań, na które nale\
y odpowiedzieć dla
samooceny,
- test osiągnięć, przykładowy zestaw zadań: pozytywny wynik testu potwierdzi, \
e dobrze
pracowałeś podczas zajęć i ukształtowałeś umiejętności z tej jednostki modułowej,
- literaturę, do której nale\
y sięgać dla pogłębienia wiedzy i przygotowania się do zajęć.
Bezpieczeństwo i higiena pracy
W czasie realizacji zajęć w pracowni musisz przestrzegać regulaminu, stosować się do
przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji wynikających z rodzaju
wykonywanych prac.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
311[46].O2
Obwody elektryczne i układy elektroniczne
311[46].O2.01
Wykonywanie pomiarów w obwodach
prądu stałego
311[46].O2.02
Wykonywanie pomiarów w obwodach
prÄ…du przemiennego
311[46].O2.03 311[46].O2.04
Wykonywanie pomiarów Wykonywanie pomiarów
w układach analogowych w układach cyfrowych
311[46].O2.05
Dobieranie układów
sterowania i regulacji
Schemat układu jednostek modułowych
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
2. WYMAGANIA WST
PNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- korzystać z ró\
nych z
ródeł informacji,
- współpracować w grupie,
- uczestniczyć w dyskusji, prezentacji,
- przestrzegać zasad bezpieczeństwa i higieny pracy podczas zajęć w pracowni,
- stosować prawa i zale\
ności matematyczne opisujące współzale\
ności między
wielkościami fizycznymi,
- stosować ró\
ne metody i środki (symbole, rysunki, zdjęcia itp.) w posługiwaniu się
zagadnieniami technicznymi,
- wyjaśniać działanie prostych układów elektrycznych i elektronicznych na podstawie ich
schematów,
- łączyć układy elektryczne i elektroniczne zgodnie ze schematem,
- obsługiwać komputer.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
3. CELE KSZTAA
CENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- opisać schemat blokowy układu automatycznej regulacji,
- scharakteryzować układ regulacji otwarty,
- scharakteryzować układ regulacji zamknięty,
- scharakteryzować i określić właściwości podstawowych członów układu regulacji,
- określić zasady działania i stosowania przetworników pomiarowych,
- opisać pracę układów z regulatorami P, PI, PD, PID,
- zastosować regulatory dwu- i trójstawne,
- zastosować zabezpieczenia w układach automatyki.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
4. MATERIAA
NAUCZANIA
4.1. Właściwości układów regulacji automatycznej
4.1.1. Materiał nauczania
Sterowaniem nazywa się oddziaływanie na dany obiekt, w sposób zamierzony, mający
doprowadzić do spełnienia określonego celu. Sterowanie dzielimy na:
- ręczne - realizowane przez człowieka z ewentualnym pomocniczym udziałem urządzeń,
- automatyczne - realizowane przez urządzenia bez bezpośredniego udziału człowieka.
Rozró\
niamy dwa podstawowe układy sterowania:
- układ otwarty  urządzenie sterujące nie otrzymuje informacji o aktualnej wartości
wielkości sterowanej (rys. 1),
- układ zamknięty  urządzenie sterujące otrzymuje informację o aktualnej wartości
wielkości sterowanej, to znaczy obiekt oddziaływuje na urządzenie sterujące (rys. 2).
z
x
y
UrzÄ…dzenie
Obiekt
sterujÄ…ce
kierunek przepływu informacji
Rys. 1. Układ otwarty sterowania: x  wielkość sterująca,
y  wielkość sterowana, z  zakłócenie [opracowanie własne]
z
y
x
UrzÄ…dzenie
Obiekt
sterujÄ…ce
Rys. 2. Układ zamknięty sterowania  regulacja: x  wielkość sterująca,
y  wielkość regulowana, z  zakłócenie [opracowanie własne]
Obiekt, na który wywiera się oddziaływanie sterujące, nazywa się obiektem sterowanym.
Urządzeniem sterującym jest ta część układu sterowania, która przez element wykonawczy
oddziaływuje na obiekt sterowania. W skład urządzenia sterującego wchodzą urządzenia
wejścia (na przykład łączniki, przyciski, czujniki), człony realizujące funkcje logiczne
i urządzenia wyjścia (przekaz
niki, styczniki, tranzystory mocy, tyrystory, zawory).
Czynniki o charakterze przypadkowym, niezamierzonym, niekontrolowanym,
utrudniające sterowanie, nazywa się zakłóceniami.
Regulacja jest to sterowanie ze sprzÄ™\
eniem zwrotnym. SprzÄ™\
eniem zwrotnym
określamy oddziaływanie wsteczne (zwrotne) wielkości regulowanej na wielkość regulującą,
które powinno być tak dobrane, by przeciwdziałało zmianom wielkości regulowanej
(na przykład pod wpływem zwiększenia temperatury urządzenie sterujące zmniejsza dopływ
energii, co powoduje zmniejszenie temperatury). Taki sposób oddziaływania nazywamy
ujemnym sprzÄ™\
eniem zwrotnym; jest charakterystyczne dla wszelkich układów regulacji.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
Ka\
dy układ regulacji automatycznej mo\
na przedstawić za pomocą schematu
blokowego. Buduje się go po wydzieleniu poszczególnych elementów lub podzespołów
składowych układu i narysowaniu ich w postaci odrębnych bloków połączonych ze sobą
zgodnie ze spełnianymi zadaniami. Oddziaływanie jednych podzespołów lub elementów
układu na drugie jest przedstawione na schemacie blokowym przez odpowiednie połączenia
bloków i podanie za pomocą strzałek kierunku przepływu sygnałów. Bloki rysuje się
w postaci prostokątów umieszczając wewnątrz dodatkowe informacje dotyczące ich
właściwości (na przykład zale\
ności matematyczne lub charakterystyki graficzne). Nale\
y
pamiętać, \
e podział na bloki nie musi odpowiadać podziałowi na urządzenia!.
Podstawowymi elementami układu regulacji są obiekt regulacji oraz regulator (rys. 3).
z
x0
x
Ä…µ
y
Regulator Obiekt
+
-
Rys. 3. Ogólny schemat blokowy układu regulacji [opracowanie własne]
Regulatorem nazywamy urządzenie, którego zadaniem jest porównanie wartości
rzeczywistej z wartością zadaną i wytworzenie sygnału oddziałującego na obiekt w taki
sposób, aby ró\
nicę między wartością rzeczywistą a wartością zadaną sprowadzić do zera
(w praktyce często zadajnik wartości zadanej jest częścią regulatora).
Wielkości wejściowe obiektu są to wielkości fizyczne (informacje), za pomocą których
otoczenie oddziaływuje na obiekt, natomiast wielkości wyjściowe obiektu są to wielkości, za
pomocą których obiekt oddziaływuje na otoczenie lub są to informacje o przebiegu procesów
zachodzÄ…cych w obiekcie (rys. 4).
wy
we
Obiekt
Rys. 4. Obiekt sterowany [opracowanie własne]
Gdy w układzie występuje dodawanie lub odejmowanie sygnałów trzeba na schemacie
blokowym umieszczać węzły sumujące. Zaznacza się na nich za pomocą znaków (+) i (-)
w jaki sposób otrzymuje się sygnał wyjściowy z tego węzła, będący algebraiczną sumą
sygnałów dochodzących do niego (rys. 5).
µ
x0
+
-
y
Rys. 5. WÄ™zeÅ‚ sumujÄ…cy ( µ = x0 - y ) [opracowanie wÅ‚asne]
Je\
eli dany sygnał działa na więcej bloków ni\
jeden, umieszcza siÄ™ na schemacie
blokowym węzeł informacyjny. Charakteryzuje się on tym, \
e ka\
dy sygnał wyjściowy jest
równy sygnałowi wejściowemu (rys. 6).
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
y y
y
Rys. 6. Węzeł informacyjny [opracowanie własne]
Porównując schemat z rysunku 3 oraz schemat z rysunku 7 mo\
na dodatkowo wyodrębnić:
- urządzenie pomiarowe, które mierzy wartość wielkości regulowanej. Wielkość wyjściowa
z tego urządzenia stanowi dla układu regulacji informację, jaka jest wartość rzeczywista,
czyli wartość wielkości regulowanej w danej chwili. Urządzenie pomiarowe składa się
z czujnika pomiarowego mierzącego wielkość podlegającą regulacji (np. temperaturę)
oraz z przetwornika pomiarowego przetwarzającego informację z czujnika na wielkość
fizyczną dogodną do wykorzystania w układzie regulacji. Szczegółowe informacje
dotyczące przetworników pomiarowych zawarto w rozdziale 4.2.
- urządzenie wykonawcze, za pośrednictwem którego regulator oddziaływuje na przebieg
procesu technologicznego (na przykład: zawory, silniki, zasuwy, pompy, siłowniki,
elektromagnesy).
z
y
UrzÄ…dzenie
Obiekt
wykonawcze
UrzÄ…dzenie
x
pomiarowe
-
Ä…µ
Regulator Zadajnik xo
+
Rys. 7. Szczegółowy schemat blokowy układu regulacji [opracowanie własne]
Sygnałem nazywamy przebieg dowolnej wielkości fizycznej występującej w procesie
regulacji. Podstawowe sygnały występujące w układach regulacji to: sygnał regulowany
y, sygnaÅ‚ wartoÅ›ci zadanej x0, sygnaÅ‚ uchybu (bÅ‚Ä™du) µ oraz sygnaÅ‚ sterujÄ…cy (nastawiajÄ…cy)
x, a tak\
e sygnaÅ‚ zakłócajÄ…cy z. Uchyb µ jest to ró\
nica między zadaną a rzeczywistą aktualną
wartością regulowaną. Uchyb (błąd) regulacji oznacza się tak\
e literÄ… e.
W zale\
ności od postaci sygnałów występujących w układzie regulacji mo\
na wyró\
nić
sygnały:
- analogowe, które przyjmują dowolną wartość z zakresu ograniczonego górną i dolną
wartością graniczną. Ka\
da wartość sygnału analogowego oznacza konkretną informację,
- cyfrowe, które przedstawiają stany poszczególnych elementów oraz oddziaływują na
człony realizujące określone funkcje logiczne.
W zale\
ności od sposobu przetwarzania i wykorzystania sygnałów rozró\
nia się układy
sterowania:
- sekwencyjnego, w którym poszczególne czynności sterujące odbywają się krok po kroku,
przy czym przejście do następnego uzale\
nione jest od realizacji poprzedniego
(lub upłynięcia określonego czasu),
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
- kombinacyjnego, w którym sygnał sterujący powstaje z powiązania logicznego kilku
sygnałów.
Człon jest to najmniejsza komórka, którą mo\
na opisać właściwą dla niej funkcją
przejścia (od jednego do drugiego stanu ustalonego). Z członów budujemy elementy.
Podstawowymi członami układu regulacji są odpowiedzi uzyskano podając na wejście
wymuszenie standardowe w postaci skoku jednostkowego przy zerowych warunkach
poczÄ…tkowych, rys. 8:
a) b)
x
0, t < 0
Å„Å‚
x(t) =
òÅ‚
1 ół1, t e" 0
0 t
Rys. 8. Skok jednostkowy: a) wykres, b) postać analityczna [opracowanie własne]
- Człon proporcjonalny (rys. 9). Wielkość wyjściowa przyjmuje wartość proporcjonalną do
wielkości wejściowej. Człon charakteryzuje się bezinercyjnością (stała czasowa T = 0 )
oraz brakiem opóz
nienia ( To = 0 ).
a) b)
y
x y
0 t
Rys. 9. Człon proporcjonalny: a) odpowiedz
skokowa,
b) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]
- Człon inercyjny (rys. 10). Wielkość wyjściowa narasta stopniowo od momentu zmiany
wielkości wejściowej. Ustalenie nowej wartości y następuje po czasie T dla inercji I rzędu
oraz po czasie T + To dla inercyjności II i wy\
szego rzędu (układ statyczny ma rząd
inercji równy 0). Szybkość zmian zmiennej wyjściowej charakteryzowana jest przez stałą
czasową T. Im większa jest wartość stałej czasowej, tym wolniej nadą\
a wielkość
wyjściowa za wejściową. Stała czasowa omawianego członu jest to czas, po którym
sygnał wyjściowy w odpowiedzi na wymuszenie skokowe sygnału wejściowego osiągnie
wartość 63,2% stanu ustalonego. Stałą czasową T wyznaczamy graficznie przez
wystawienie stycznej do krzywej odpowiedzi czasowej. To to czas, w którym wielkość
sterowana nie ulega zmianie.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
a) b)
y y
1 1
0,632
0 0
t t
T To T
c) d)
x y x y
Rys. 10. Człon inercyjny: odpowiedz
skokowa: a) I rzędu, b) II i wy\
szego rzędu; c) oznaczenie
symboliczne I rzędu, d) oznaczenie symboliczne II i wy\
szego rzędu [opracowanie własne]
- Człon całkujący (rys. 11). Wartość wielkości wyjściowej będzie narastać tak długo, jak
długo trwa sygnał wejściowy, a prędkość narastania wielkości y będzie tym większa im
większa będzie wartość x (nachylenie wykresu będzie zale\
eć od wartości Ti).
a) b)
y
x y
1
c)
0 t
x y
1
Ti
+"dt
Ti
Rys. 11. Człon całkujący: a) odpowiedz
skokowa,
b), c) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]
Ti - stała czasowa całkowania (czas zdwojenia, czas izodromu). Jest to czas, po którym
sygnał wyjściowy połączonych członów proporcjonalnego i całkującego lub proporcjonalnego
i całkującego oraz ró\
niczkującego osiąga podwójną wartość działania proporcjonalnego.
- Człon ró\
niczkujący (rys. 12). Wielkość wyjściowa uzale\
niona jest od prędkości zmian
wielkości wejściowej.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
a) b)
y
x y
c)
0 t
x y
d
Td
Td
dt
Rys. 12. Człon ró\
niczkujÄ…cy: a) odpowiedz
skokowa,
b), c) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]
Td - stała czasowa ró\
niczkowania (czas wyprzedzenia). Jest to czas, po jakim liniowo
narastający sygnał wejściowy staje się równy sygnałowi wyjściowemu członu
ró\
niczkujÄ…cego.
- Człon oscylacyjny (rys. 13). O tym, jakie jest tłumienie odpowiedzi członu oscylacyjnego
informuje współczynnik tÅ‚umienia ¾, który wyznaczamy z zale\
ności:
A2
¾ =
A1
a) b)
y
A1
A2
x y
0 t
Rys. 13. Człon oscylacyjny: a) odpowiedz
skokowa,
b) oznaczenie symboliczne [opracowanie własne]
Wartości stałych czasowych mają podstawowe znaczenie przy projektowaniu układów
sterowania automatycznego.
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest sterowanie ręczne i sterowanie automatyczne?
2. Czym się ró\
ni układ otwarty od układu zamkniętego?
3. Co to jest sprzÄ™\
enie zwrotne?
4. Jakie znasz sygnały w układach regulacji?
5. Jakie znasz rodzaje węzłów?
6. Jakie zadanie spełnia urządzenie pomiarowe?
7. Do czego wykorzystujemy urzÄ…dzenie wykonawcze?
8. Czym charakteryzuje się sygnał analogowy?
9. W jaki sposób odbywa się sterowanie sekwencyjne?
10. Jakie parametry charakteryzują człon proporcjonalny?
11. Jakie parametry charakteryzują człon inercyjny?
12. Jakie parametry charakteryzują człon całkujący?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Podaj przykłady sterowania ręcznego i sterowania automatycznego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeprowadzić analizę proponowanych przykładów,
2) przyporządkować przykładowe typy sterowania do poszczególnych grup
(ręczne/automatyczne),
3) narysować schematy układów sterowania,
4) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek.
Ćwiczenie 2
Scharakteryzuj typy układów sterowania przedstawione na rysunkach.
2
1
1  termometr,
2  wskaz
nik temperatury,
3  zawór.
3
Rys. nr 1 do ćwiczenia 2 [2, s. 10]
1  termometr,
2  mieszek sprÄ™\
ysty,
3  dz
wignia,
4  dysza,
5  siłownik membranowy,
6  zawór,
7  śruba do nastawiania
wartości zadanej.
Rys. nr 1 do ćwiczenia 2 [2, s. 11]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować w zespole działanie układów sterowania przedstawionych na rysunkach,
2) sformułować i uzasadnić wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 arkusze papieru formatu A4,
 przybory do pisania.
Ćwiczenie 3
Zbadaj układ modelujący pracę członu: a) ró\
niczkującego i b) całkującego przy
wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego.
a) b)
R
C
R
Iwe Iwe
C
+ +
Uwe Uwy Uwe Uwy
R R
Rys. 1. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]
+ + +
Generator
Człon badany
Rys. 2. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć urządzenia według schematu z rys. 2,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) wyznaczyć dla kilku wartości pojemności z otrzymanego przebiegu stałą czasową członu
ró\
niczkującego i całkującego,
4) obserwować zmieniajÄ…c czÄ™stotliwość generatora w zakresie 1÷10 kHz (dla pojemnoÅ›ci
100 nF) na ekranie oscyloskopu zachowanie się członu ró\
niczkującego i całkującego,
5) przeprowadzić analizę otrzymanych przebiegów czasowych,
6) opracować wnioski.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko do badania członu ró\
niczkującego i całkującego,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 instrukcja do ćwiczenia.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) rozró\
nić sterowanie ręczne od sterowania automatycznego?
2) wskazać ró\
nice pomiędzy otwartym i zamkniętym układem
sterowania?
3) dokonać analizy układu regulacji?
4) wyznaczyć stałą czasową członu ró\
niczkującego i całkującego?
5) dokonać analizy otrzymanych charakterystyk?
6) dokonać analizy otrzymanych wyników?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
4.2. Przetworniki pomiarowe
4.2.1. Materiał nauczania
Sygnał wyjściowy z czujnika pomiarowego ze względu na ró\
norodność parametrów
mierzonych rzadko mo\
na wykorzystać bezpośrednio w układzie regulacji, dlatego nale\
y
zastosować układy pośredniczące przetwarzające sygnały wyjściowe czujników na sygnały
standardowe akceptowalne przez regulatory. Układy te nazywane są przetwornikami
pomiarowymi. Standaryzacja (ujednolicenie) sygnałów zapewnienia mo\
liwości łączenia
bloków za sobą tak, aby sygnały wyjściowe i wejściowe wszystkich urządzeń były identyczne
co do postaci, zakresów zmienności, mocy i innych parametrów (tab.1).
Tabela 1. Sygnały standardowe występujące w układach regulacji [6, s. 12]
Wartość lub zakres zmian
Rodzaj sygnału Wielkość fizyczna
wartości sygnału
do 3,0 kPa
pneumatyczny ciÅ›nienie powietrza 20÷100 kPa
600k Pa
1,0 MPa
6,0 MPa
hydrauliczny ciśnienie oleju
10,0 MPa
16,0 MPa
0÷5 mA
natÄ™\
enie prÄ…du
0÷20 mA
stałego
4÷20 mA
0÷5 V
elektryczny
napięcie prądu
0÷10 V
stałego
0÷Ä…10 V
napięcie prądu 230 V
przemiennego 400 V
Parametry charakteryzujÄ…ce przetworniki pomiarowe:
 klasa dokładności, którą określa się w zale\
noÅ›ci od jego uchybu wzglÄ™dnego ´ (stosunku
uchybu bezwzględnego "y do rzeczywistego wyniku pomiaru yrz. Uchybem
bezwzględnym nazywamy ró\
nicę między teoretyczną a rzeczywistą wartością sygnału
wyjściowego "y = yi - yrz ,
 zakres pomiarowy, w którym przetwarzanie odbywa się zgodnie z określoną klasą
dokładności,
 liniowość, która określa stopień odchylenia charakterystyki statycznej z linią prostą.
Wyra\
a siÄ™ jÄ… jako stosunek maksymalnego odchylenia "ymax do zakresu przetwarzania
xmax - xmin (rys. 14),
 niejednoznaczność (histereza), którą wyznacza się z ró\
nicy pomiędzy sygnałami
wyjściowymi dla tej samej wartości mierzonej, gdy wartość tę osiąga się najpierw przy
zwiększaniu, a następnie przy jej zmniejszaniu. Na rysunku 14 łatwo zauwa\
yć, \
e dla x02
otrzymano yrz02Ä™! oraz yrz02 ,
 próg pobudliwości (czułość) jest to najmniejsza zmiana wielkości mierzonej powodująca
zauwa\
alną zmianę sygnału wyjściowego (na rysunku 14 dla "yrz czułością jest "x ).
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
y
ymax
"y
yrz02
Charakterystyka:
yi02
rzeczywista yrz = f(x)
yrz02Ä™!
idealna yi = f(x)
"yÄ™!
"ymax
"yrz
ymin
"x
yminÄ™!
0 xmin x01 x02 xmax x
Rys. 14. Graficzne przedstawienie parametrów przetwornika; opracowano na podstawie [6, s. 71]
Jednym z podziałów przetworników jest rozdzielenie na dwie grupy:
 bierne (pasywne); do realizacji przetwarzania konieczne jest doprowadzenie energii
zewnętrznej (zasilania), na przykład przetwornik rezystancyjny.
 czynne (aktywne); realizacja przetwarzania nie wymaga doprowadzenie energii
zewnętrznej, na przykład przetwornik termoelektryczny.
Innym podziałem przetworników jest klasyfikacja, w której jako kryterium przyjęto wielkość
wejściową, na przykład przetworniki przemieszczenia, sił, ciśnienia. Jest to podział, według
którego buduje się obecne katalogi dotyczące przetworników.
Przetworniki współpracujące z regulatorami mogą być zasilane w układzie dwuprzewodowym
lub w układzie czteroprzewodowym (rys. 15). Przy zasilaniu w systemie dwuprzewodowym
napięcie zasilania do przetwornika doprowadzane jest tą samą parą przewodów, po której
przesyłany jest sygnał pomiarowy.
a) b)
+ + + +
Przetwornik Przetwornik
Regulator Regulator
+ + +
+ +
Zasilacz Zasilacz
Rys. 15. Połączenie regulatora z przetwornikiem: a) dwuprzewodowe,
b) czteroprzewodowe [opracowanie własne]
Większość przetworników pomiarowych jest typu SISO (jedno wejście i jedno wyjście,
ang. Single Input Single Output). W związku z upowszechnieniem się mikroprocesorów
obserwuje się rozwój przetworników, które słu\
Ä… do przeprowadzania pomiaru wielu
parametrów. Pomiary takie realizowane są przy zastosowaniu systemów o wielu wejściach
i jednym typu MISO (ang. Multi Input Single Output)lub wielu wyjściach typu MIMO (ang.
Multi Input Multi Output). Je\
eli konstrukcja takiego przetwornika będzie zawierać jeden lub
kilka mikroprocesorów to wtedy otrzymamy przetwornik inteligentny.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
Funkcje przetworników inteligentnych:
 automatyczne ustawianie zakresu pomiarowego (samoadaptacja),
 sterowanie pracą wydzielonych bloków przyrządu (np. przetwornik A/C),
 rejestracja danych oraz ich kompresja (bez utraty informacji) celem zaoszczędzenia
pamięci,
 wstępne statystyczne opracowanie danych,
 automatyczne sterowanie procesem porównania ze wzorcem (np. równowa\
enie),
 linearyzacja charakterystyk przetwornika,
 sterowanie procesami wizualizacji,
 autodiagnoza poszczególnych bloków przyrządu,
 rozpoznawanie i usuwanie błędów przejściowych,
 sterowanie pracą interfejsu zgodnie z określonym protokołem.
Podział przetworników inteligentnych:
 funkcyjne (pośrednie), tzn. pomiar jest mo\
liwy tylko w sposób pośredni, czyli poprzez
pomiar kilku wielkości fizycznych, a następnie określenie sygnału wyjściowego,
 kompensacyjne (inwariantne), czyli poprawiające ich właściwości metrologiczne.
W przetwornikach tych najczęściej wyró\
nia się jedną wielkość x1, która ma być
mierzona przez przetwornik, natomiast pozostałe wielkości x2..n są wielkościami
zakłócającymi,
 ekspertowe (doradcze), w których główną częścią składową jest system ekspertowy, który
zawiera program z wiedzÄ… eksperta gwarantujÄ…cy inteligentne doradztwo i podejmowanie
decyzje odnośnie funkcjonowania procesu,
 uczące się, w których przetwornik poprzez program wprowadza korzystne zmiany
dotyczące jego działania. Przetworniki te równie\
gromadzą informacje będące wynikiem
doświadczeń i obserwacji, a tak\
e eliminujÄ… ich nadmiar,
 nadmiarowe, w których w celu podniesienia niezawodności toru pomiarowego
rozbudowuje się system o dodatkowe kanały pomiarowe lub całe przetworniki.
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. W jakim celu stosowane są sygnały standardowe?
2. Co to jest klasa dokładności przetwornika?
3. W jakim przypadku otrzymujemy histerezÄ™?
4. Co określa czułość przetwornika?
5. Czym charakteryzuje siÄ™ przetwornik bierny?
6. W jaki sposób łączymy regulator z przetwornikiem?
7. Jakie majÄ… funkcje przetworniki inteligentne?
8. Jakie znasz rodzaje przetworników inteligentnych?
9. Jakie właściwości charakteryzuje przetwornik ekspertowy?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ mo\
liwości współpracy urządzeń w układzie regulacji.
Zasilacz
Element
T
Regulator
wykonawczy
I
Przetwornik
Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]
Tabela do ćwiczenia 1
UrzÄ…dzenie
Napięcie
zasilania
Sygnał
wejściowy
Sygnał
wyjściowy
W zale\
ności od ilości urządzeń tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować zasadę działania układu regulacji,
2) odszukać w katalogach odpowiednie urządzenia,
3) zestawić w tabeli parametry urządzeń,
4) potwierdzić mo\
liwość współpracy,
5) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 katalogi urządzeń i elementów automatyki,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek.
Ćwiczenie 2
Zbadaj układ modelujący pracę przetwornika I/U przy wykorzystaniu wzmacniacza
operacyjnego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
Iwe
+
R
UR
100&!
Uwy
0÷20mA
R2
0÷10V
R1
40k&!
10k&!
Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]
Tabela do ćwiczenia 2
Iwe [mA]
Uwy [V]
W zale\
ności od ilości pomiarów tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć urządzenia według schematu,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) zanotować zmieniajÄ…c wartość prÄ…du wejÅ›ciowego w zakresie 0÷20mA wartoÅ›ci napiÄ™cia
na wyjściu przetwornika,
4) wyznaczyć charakterystykę przetwarzania przetwornika I/U,
5) przeprowadzić analizę otrzymanego wykresu,
6) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko do badania przetwornika I/U,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 3
Zbadaj czteroprzewodowy przetwornik temperatury z czujnikiem termoelektrycznym.
mA
+ +
Przetwornik
Rejestrator
+ +
+
Zasilacz
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]
Tabela do ćwiczenia 3
o
[C] R [&!] Imierzone [mA] Iidealne [mA] " [mA] ´ [%]
W zale\
ności od ilości pomiarów tabelę poszerzamy o dalsze rubryki.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć urządzenia według schematu,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) ustawić wartość początkową sygnału wyjściowego przetwornika ( zero ),
4) ustawić wartość końcową sygnału wyjściowego przetwornika (zakres pomiarowy),
5) symulować działanie czujnika termoelektrycznego w zakresie od 0 do 100oC zmieniając
na opornicy dekadowej rezystancję zgodnie z kartami katalogowymi i odczytać wartość
prÄ…du,
6) wyznaczyć charakterystykę przetwornika,
7) przeprowadzić obliczenia błędów,
8) przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,
9) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko pomiarowe do badania przetwornika temperatury,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 wkrętak,
 karty katalogowe czujników termoelektrycznych,
 kalkulator do obliczeń,
 instrukcja do ćwiczenia.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) dobrać elementy (urządzenia) układu sterowania?
2) korzystać z katalogu elementów i urządzeń automatyki?
3) wyznaczyć charakterystykę przetwarzania przetwornika?
4) obliczyć błędy przetwornika?
5) dokonać analizy otrzymanych charakterystyk?
6) dokonać analizy otrzymanych wyników?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
4.3. Rodzaje regulatorów
4.3.1. Materiał nauczania
Regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym
Ró\
norodność obiektów, pod względem ich właściwości dynamicznych, wymaga
stosowania regulatorów o zró\
nicowanych charakterystykach. Rozró\
nia się następujące typy
regulatorów przemysłowych z sygnałem wyjściowym ciągłym:
- typu P (proporcjonalny, rys. 18). Charakteryzuje siÄ™ tym, \
e wartość sygnału wyjściowego
jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji (sygnału wejściowego).
a) b)
y
y
x0 Ä…µ
kp
+
kpµ
-
x
0 t
gdzie: kp - wzmocnienie regulatora
Rys. 18. Regulator proporcjonalny P: a) schemat blokowy, b) odpowiedz
skokowa [opracowanie własne]
- typu PI (proporcjonalno-całkujący, rys. 19). Charakteryzuje się tym, \
e sygnał wyjściowy
jest sumą działania proporcjonalnego i całkującego.
a) b)
y
+
x0 Ä…µ
y
kp
+
2kpµ
kpµ
+
-
x
1
0 t
+"dt
Ti
Ti
Rys. 19. Regulator proporcjonalno-całkujący PI: a) schemat blokowy, b) odpowiedz
skokowa [2, s. 168]
- typu PD (proporcjonalny-ró\
niczkujÄ…cy, rys. 20). Charakteryzuje siÄ™ tym, \
e wartość
sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do prędkości zmian uchybu regulacji.
a) b)
d
Td
dt
y
+
x0 Ä…µ
y
kp
+
kpµ
+
- Td
x
0 t
Rys. 20. Regulator proporcjonalno-ró\
niczkujÄ…cy PD: a) schemat blokowy,
b) odpowiedz
skokowa [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
- typu PID (proporcjonalno-całkująco-ró\
niczkujący, rys. 21). Jest to regulator zło\
ony
z trzech podstawowych członów: proporcjonalnego, ró\
niczkującego i całkującego.
a) b)
d
Td
dt
y
+
x0
Ä…µ y
+
kp
kpµ
+
kpµ
+
-
x
1
0 t
+"dt
Ti
Ti
Rys. 21. Regulator proporcjonalno-ró\
niczkująco-całkujący PID:
a) schemat blokowy, b) odpowiedz
skokowa [2, s. 171]
Wymienione typy regulatorów są wykonywane jako elektryczne, pneumatyczne
i hydrauliczne.
Na rys. 22 przedstawiono zale\
ność sygnału wyjściowego od sygnału wejściowego
członów wchodzących w skład regulatorów; człon proporcjonalny działa jak wzmacniacz
(rys. 22b), człon całkujący generuje sygnał narastający, kiedy sygnał wejściowy uchybu jest
dodatni lub malejący, gdy sygnał wejściowy jest ujemny (rys. 22c). Człon ró\
niczkujÄ…cy
wytwarza sygnał dodatni, gdy sygnał wejściowy narasta, lub ujemny, jeśli sygnał wejściowy
maleje (rys. 22d).
a)
µ
max
+
t1 t2 t3 t5 t6
+
t4
0
t
min
b)
xp
+
t1 t3 t5
+
0
t
c)
xi
d) 0 t1 t3 t5 t
xd
t4 t6
t2
+
0
t
Rys. 22. Działanie członów formujących sygnał sterujący regulatora:
a) przykładowy przebieg sygnału wejściowego i odpowiadające mu przebiegi sygnałów wyjściowych członów,
b) proporcjonalnego, c) całkującego, d) ró\
niczkujÄ…cego [5, s. 78]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Na schematach przedstawionych rysunkach 18÷21 mo\
na zauwa\
yć zale\
ności
matematyczne (wiÄ…\
ące ze sobą przebiegi wejściowe i wyjściowe) określające właściwości
dynamiczne członów, które nazywamy transmitancjami operatorowymi, będącymi funkcjami
zmiennej zespolonej s (sÄ… one odpowiednikiem impedancji w elektronice). TransmitancjÄ™
oznacza się literą  G . Korzyści płynące ze stosowania transmitancji to łatwość
przedstawiania zło\
onych zale\
ności dynamicznych w postaci odpowiednio połączonych
układów realizujących proste zale\
ności, takie jak całkowanie i ró\
niczkowanie. Wyznaczenie
równań wymaga znajomości matematyki wy\
szej, dlatego w niniejszym poradniku
ograniczono się do zdefiniowania i przedstawienia graficznego właściwości członów
dynamicznych. Zale\
ności matematyczne regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym
zestawiono w tablicy 2.
Tabela 2. Zale\
ności matematyczne regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym
Zale\
ności matematyczne
Typ regulatora
Równanie regulatora Transmitancja operatorowa
y(t) = kpµ(t) G(s) = kp
P
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
1 1
ìÅ‚ ìÅ‚ ÷Å‚
y(t)= kp ìÅ‚µ(t)+ G(s) = kp ìÅ‚1+ ÷Å‚
PI
+"µ(t)dt ÷Å‚
÷Å‚
Ti Tis
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
dµ(t)÷Å‚
y(t)= kp ëÅ‚µ(t)+ Td öÅ‚ G(s) = k (1+ Tds)
PD ìÅ‚
p
dt
íÅ‚ Å‚Å‚
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
1 dµ(t)÷Å‚ 1
ìÅ‚ ÷Å‚
y(t) = kp ìÅ‚µ(t)+
PID
+"µ(t)dt + Td dt Å‚Å‚ G(s) = kp ìÅ‚ Tis + Tds÷Å‚
÷Å‚ ìÅ‚1+
Ti
íÅ‚ íÅ‚ Å‚Å‚
W rozdziale tym poznałeś ju\
właściwości typowych regulatorów przemysłowych. Dobór
nastaw regulatora stanowi jeden z etapów kształtowania właściwości dynamicznych układów
regulacji automatycznej. Do wyznaczenia nastaw potrzebna będzie jeszcze krótka informacja
na temat budowy regulatora. W regulatorach wartość poszczególnych parametrów nastawiamy
za pomocą pokręteł zaopatrzonych w podziałki lub przyciski. Nale\
y pamiętać, \
e nie
wszystkie regulatory majÄ… mo\
liwości nastaw, bowiem rodzaj nastaw przypisany jest
właściwościom poszczególnych regulatorów (tab. 3):
- xp  zakres proporcjonalności regulatora. Jest to odwrotność wzmocnienia kp wyra\
ona
w procentach,
1
xp = 100%
kp
- Ti  czas zdwojenia. Określa właściwości członu całkującego regulatora,
- Td  czas wyprzedzenia. Określa właściwości członu ró\
niczkujÄ…cego regulatora.
Tabela 3. Mo\
liwości nastaw regulatorów przemysłowych
nastawa
xp Ti Td
regulator
P + - -
PI + + -
PD + - +
PID + + +
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Regulatory mają ograniczony zakres nastaw. Typowe wartości nastaw w regulatorach
przemysłowych zebrano w tablicy 4.
Tabela 4. Typowe wartości nastaw w regulatorach przemysłowych
xp Ti Td
500÷1%
0,1÷30 min 0,05÷20 min
(kp = 0,2÷100)
Regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym
Regulatory dwupoło\
eniowe (dwustawne) umo\
liwiają załączenie i wyłączenie energii
lub czynnika do obiektu w zale\
ności od wartości uchybu. Na wyjściu regulatora
otrzymujemy sygnał, który mo\
e przyjmować tylko dwa stany 0 (wyłączanie) i 1 (załączanie).
Z rysunku 23 Å‚atwo zauwa\
yć, \
e dla wartości uchybu mniejszych od  h/2 sygnał wyjściowy
regulatora jest równy zeru, natomiast dla wartości uchybu większych od h/2 sygnał wyjściowy
regulatora przyjmuje wartość maksymalną. Przykładem obiektu sterowanego regulatorem
dwustawnym mo\
e być piec technologiczny ogrzewany energią elektryczną, a wielkością
regulowanÄ… temperatura.
z
y
Obiekt
x
x
Regulator
1
-
Ä…µ
Zadajnik xo
+
h h
µ
- 0
2 2
h
Rys. 23. Układ regulacji dwustawnej [opracowanie własne]
Parametry opisujące przebieg wielkości regulowanej w układzie regulacji dwupoło\
eniowej
(rys. 24):
 xo  wartość zadana,
 x1  wartość, przy której następuje wyłączenie wielkości regulowanej y,
 x2  wartość, przy której następuje załączenie wielkości regulowanej y,
 T  stała czasowa obiektu regulowanego,
 To  czas opóz
nienia,
 h  szerokość pętli histerezy; h = x1 - x2 ,
o
 ´  bÅ‚Ä…d regulacji; ´ = h + 2(xmax - xo )T
T
 xmax  maksymalna wartość wielkości regulowanej x w przypadku gdyby nie działał
regulator,
xmax
 Äc  okres cyklu pracy regulatora; Äc = T Å" h + 4To lub Äc H" 4To
xo(xmax - xo )
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
 Äc  czas stanu zaÅ‚Ä…czenia wielkoÅ›ci regulujÄ…cej. PrawidÅ‚owo nastawiony regulator
1
powinien speÅ‚niać: Äc '= Äc oraz xmax E" 1.25xo . Przy speÅ‚nieniu tych warunków
2
uzyskujemy minimalnÄ… wartość bÅ‚Ä™du ´.
T To
x
xmax
x1
x0 ´
h
x2
To Äc
Äc
0
t
To
y
1
0
t
Rys. 24. Przebiegi wielkości regulowanej w układzie regulacji dwupoło\
eniowej [opracowanie własne]
Regulator trzypoło\
eniowy (trójstawny) charakteryzuje się sygnałem wyjściowym
mogącym przyjmować trzy wartości: +1, 0, -1 (rys. 25). Regulator ten powstaje najczęściej
z połączenia dwóch regulatorów dwustawnych z charakterystykami przesuniętymi w taki
sposób, aby po zsumowaniu mo\
na było otrzymać charakterystykę elementu trójstanowego.
Przykładem obiektu sterowanego regulatorem trójstawnym mo\
e być układ stabilizacji
temperatury w wannie technologicznej, w której podgrzewanie odbywa się elektrycznie,
a chłodzenie wodą.
z
y
Obiekt
x
Regulator
x
1
-
Ä…µ
Zadajnik xo
µ
0
+
-1
Rys. 25. Układ regulacji trójstawnej [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26
Regulatory cyfrowe
Rozwój techniki mikroprocesorowej i układów scalonych spowodował znaczną poprawę
jakości regulatorów oraz mo\
liwości współpracy z systemami komputerowymi. Regulator
cyfrowy jest urzÄ…dzeniem, w którym µP na podstawie programu zapisanego w pamiÄ™ci steruje
procesem technologicznym. W pierwszej kolejnoÅ›ci µP odczytuje sygnaÅ‚y wejÅ›ciowe, które
pochodzą z czujników i przetworników pomiarowych. Następnie wykonuje obliczenia
zgodnie z programem, aby na podstawie wyników tych obliczeń generować sygnały
wyjściowe sterując urządzeniami wykonawczymi (rys. 26).
Pamięć
(program)
Sygnały Sygnały
µP
wejściowe wyjściowe
Rys. 26. Ogólny schemat funkcjonalny regulatora cyfrowego [opracowanie własne]
Konstrukcje i odmiany regulatorów cyfrowych mają budowę aparatową z umieszczoną
w przedniej części obudowy płytą czołową spełniającą funkcje zadajnika, wskaz
nika (cyfrowe
DIx, diodowe LDx i LNx) oraz przycisków (KE1÷8), którymi parametryzuje siÄ™ regulator
(rys. 27). W tylnej części obudowy jest listwa zaciskowa, do której podłączone są sygnały
wejściowe i wyjściowe regulatora oraz zasilanie.
Rys. 27. Elementy panelu operatorskiego regulatora cyfrowego [7, s. 122]
Tryby pracy regulatora cyfrowego:
 konfiguracja, podczas której wybiera się algorytm sterowania, strukturę alarmów,
ograniczeń sygnałów, zakresy wskaz
ników, parametry transmisji oraz ustalane są dane
liczbowe. Regulator mo\
na konfigurować ręcznie korzystając z adresów zawartych
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
w jego Dokumentacji Techniczno-Ruchowej lub poprzez komputer wykorzystujÄ…c
odpowiednie oprogramowanie narzędziowe,
 tryb ręczny jest wymagany podczas uruchamiania układu regulacji. Wywołując ręcznie
zmiany sygnału sterującego przyciskami zwiększającymi/zmniejszającymi wartości
i obserwując reakcję obiektu operator poznaje cechy nieznanego w pełni obiektu,
 tryb automatyczny sterowanie elementem wykonawczym odbywa siÄ™ automatycznie
(reguluje regulator) według ustalonego w trakcie konfigurowania algorytmu i parametrów
regulacji.
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz typy regulatorów z sygnałem wyjściowym ciągłym?
2. Jakie zale\
ności matematyczne opisuje transmitancja?
3. Jakie nastawy mo\
na ustawić w regulatorach ciągłych?
4. W jaki sposób obliczamy zakres proporcjonalności xp?
5. Jakie występują kombinacje nastaw w ró\
nych typach regulatorów?
6. Jakie typowe wartości nastaw występują w regulatorach przemysłowych?
7. Od czego zale\
y szerokość pętli histerezy w regulatorach z sygnałem wyjściowym
nieciągłym?
8. Na podstawie czego regulator cyfrowy generuje sygnały wyjściowe?
9. Jakie sÄ… tryby pracy regulatora cyfrowego?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Sprawdz
działanie regulatora elektronicznego PID.
y
ródło prądowe
regulowane 0÷20 mA
Wielkość
regulowana y
-
Regulator
Zadajnik xo Rejestrator
PID
+
y
ródło prądowe
regulowane 0÷20 mA
Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć urządzenia według schematu,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) ustawić wartość zadaną na połowie zakresu,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
4) zasymulować konkretną wartość y,
5) wyłączyć działanie I oraz D (nastawić Ti " oraz Td = 0 ),
6) nastawić wartość zakresu proporcjonalności podaną przez prowadzącego i zarejestrować
odpowiedz
,
7) zarejestrować odpowiedzi regulatora PD, PI, PID dla ró\
nych wartości nastaw podanych
przez prowadzÄ…cego,
8) przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,
9) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko pomiarowe do badania regulatora PID,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora,
 instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 2
Zbadaj układ regulacji z regulatorem dwustawnym, w którym piec technologiczny
ogrzewany jest energią elektryczną, a wielkością regulowaną jest temperatura.
Ä…µ
Zadajnik xo
+
Regulator -
Przetwornik
Zakłócenia
Obiekt
Obiekt
Czujnik
pomiarowy
<"
Nagrzewnica
Zakłócenia
Obiekt
Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć urządzenia według schematu,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) ustawić wartość zadaną,
4) ustawić wartość histerezy,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
5) zarejestrować odpowiedz
czasową układu regulacji,
6) zakłócić pracę układu poprzez otwarcie drzwiczek pieca,
7) zarejestrować odpowiedz
czasową układu regulacji przy zakłóceniach,
8) przeprowadzić analizę otrzymanych wyników,
9) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko pomiarowe do badania układu regulacji z regulatorem dwustawnym,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 stoper,
 instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 3
Sprawdz
działanie regulatora cyfrowego realizującego funkcję start-stop poprzez
symulacyjne uruchamianie silnika napędowego urządzenia technologicznego.
Rys. do ćwiczenia 3 [7, s. 153]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować działanie układu przedstawionego na rysunku,
2) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
3) dokonać parametryzacji i konfiguracji regulatora,
4) sprawdzić działanie układu,
5) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko pomiarowe do badania regulatora cyfrowego,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek,
 dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora,
 komputer klasy PC z oprogramowaniem narzędziowym do konfiguracji graficznej
regulatora,
 instrukcja do ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) scharakteryzować parametry określające środowisko pracy
regulatora?
2) sprawdzić i skontrolować prawidłowość pracy podstawowych
elementów regulatora?
3) ustawić nastawy regulatora?
4) włączyć regulator dwustawny do układu regulacji?
5) zdefiniować podstawowe parametry regulatorów cyfrowych?
6) przeprowadzić konfigurację regulatora cyfrowego?
7) posługiwać się oprogramowaniem narzędziowym do konfiguracji
graficznej regulatora?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
4.4. Bezpieczeństwo w układach automatyki
4.4.1. Materiał nauczania
Urządzenia i układy automatyki, tak jak wszystkie urządzenia stosowane w technice nie
są niezawodne. Istnieje zawsze mniejsze lub większe prawdopodobieństwo wystąpienia awarii
czy uszkodzenia w układach sterowania, dlatego rozwiązania techniczne powinny je
przewidywać i w razie ich wystąpienia chronić w pierwszej kolejności zdrowie i \
ycie
ludzkie, a następnie sprzęt. W praktyce du\
ą grupę urządzeń automatyki przemysłowej tworzą
układy sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń. Pełnione przez nie funkcje są ró\
ne, lecz istniejÄ…
między nimi silne związki. Układy te częściowo korzystają z tych samych sygnałów, razem
tworzą zestaw urządzeń uzupełniających część sterującą tak, \
e dopiero o całości mo\
na
mówić jako o pełnym systemie automatyki procesu przemysłowego.
Sygnalizacja
Zadaniem układów sygnalizacji jest zwrócenie uwagi operatora procesu na fakt
zaistnienia zdarzeń, które są wa\
ne dla bezpieczeństwa ludzi, trwałości instalacji, jakości
produktu itp. Sygnalizacja musi być tak zaprojektowana, aby informacja o aktualnym stanie
procesu niezwłocznie trafiła do odbiorcy (operatora) w postaci sygnału świetlnego,
akustycznego ze wskazaniem miejsca lub czasu wystąpienia. Rozró\
niamy następujące typy
sygnalizacji:
 kontrolno wskaz
nikowa (informacyjna), która dostarcza informację o stanie pracy
poszczególnych urządzeń i podzespołów, poło\
enia elementów nastawczych, wartości
ró\
nych parametrów w procesie technologicznym. Sygnalizacja ta realizowana jest
przewa\
nie jako optyczna; podczas swej normalnej pracy nie powinna rozpraszać uwagi
obsługi.
 ostrzegawcza, która informuje o odchyłkach mogących doprowadzić do awarii lub
o mającym nastąpić uruchomieniu określonych maszyn, urządzeń lub procesów
technologicznych. Sygnalizacja ta realizowana jest jako optyczna i/lub akustyczna.
 awaryjna, która informuje o wystąpieniu stanów awaryjnych. Najczęściej przyjmowaną
barwÄ… awaryjnÄ… w tym rodzaju sygnalizacji jest barwa czerwona, zaÅ› syrena ma dz
więk
modulowany i zsynchronizowany z błyskami światła.
Spotyka się ponadto sygnalizację wywoławczą umo\
liwiajÄ…cÄ… skontaktowanie siÄ™
z określoną osobą, sygnalizację porozumiewawczą, która słu\
y do przekazywania sygnałów
nakazu, zakazu, zezwolenia  zazwyczaj wymagajÄ…cych potwierdzenia ich odbioru oraz
sygnalizacjÄ™ ochronnÄ… (przeciwpo\
arową, przeciwwłamaniową, kontroli wartowników).
Blokady
Układy blokad stosujemy w celu uniemo\
liwienia środkami technicznymi u\
ycia
urzÄ…dzenia w warunkach niezgodnych z jego przeznaczeniem lub w sytuacji zagra\
ajÄ…cej
samemu urządzeniu lub otoczeniu. Układy blokad mogą być konstruowane z elementów
logicznych stykowych (przekaz
niki) i półprzewodnikowych, mogą te\
być realizowane za
pomocą programów, gdy nadrzędnym urządzeniem sterującym jest komputer lub sterownik
programowalny.
Zabezpieczenia
Zadaniem układów zabezpieczeń jest zapobie\
enie szkodliwym dla instalacji lub
otoczenia warunkom eksploatacji urzÄ…dzenia zabezpieczanego. Zazwyczaj odbywa siÄ™ to
metodÄ… wymuszenia stanu uznanego jako niebezpieczny bez mo\
liwości samoczynnego
wyjścia z tego stanu po zniknięciu zagro\
enia. Zabezpieczenia stosowane są szczególnie tam,
gdzie występują du\
e nakłady finansowe na układy regulacji.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
Podział zabezpieczeń procesów technologicznych:
 zabezpieczenia w warunkach rozruchowych,
 zabezpieczenia indywidualne elementów i urządzeń w poszczególnych obiektach,
 zabezpieczenia prowadzące do zatrzymania wszystkich urządzeń.
Urządzenia zabezpieczające reagują na zmiany ró\
nych wielkości fizycznych, na przykład
napięcie, częstotliwość prądu, temperatura ło\
yska silnika, poziom oleju w transformatorze.
Najpowszechniejszymi zabezpieczeniami urządzeń elektrycznych stosowanych
w układach regulacji są zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne. Na rysunku 28
przedstawiono schemat budowy bezpiecznika termicznego. Dz
wignia 1, na której końcu
znajduje się popychacz styku zamykającego obwód zasilania silnika, jest dociskana do
gniazda w punkcie A za pomocÄ… sprÄ™\
yny 2 rozpiętej między punktami B i C. Przecią\
enie
silnika wywołuje wzrost temperatury uzwojeń i części metalowych stanowiących obwód
magnetyczny. Umieszczony na nich bimetal 3 odkształca się pod wpływem nagrzewania,
przesuwając w dół punkt A. Gdy punkt A znajdzie się poni\
ej prostej przechodzÄ…cej przez
punkty B i C, układ przejdzie pod wpływem siły sprę\
yny do nowego stanu równowagi 
punk B przesunie się do punktu B , a styki w obwodzie zasilania zostaną rozłączone i nastąpi
wyłączenie silnika. Układ jest tak zbudowany, \
e powrót bimetalu do pierwotnego kształtu
(po ostudzeniu urządzenia) nie wywołuje samoczynnego powrotu do stanu zwarcia styków
w obwodzie zasilania. Ponowne załączenie silnika mo\
liwe jest przy pomocy przycisku
powtórnego załączenia 4 wymuszającego przestawienie końca sprę\
yny z punktu B do B.
Rys. 28. Układ zabezpieczenia termicznego silnika [1, s. 242]
Często w systemach sterowania cyfrowego stosuje się specjalne oprogramowanie, które
sprawdza poprawność działania urządzeń na podstawie wysyłanego przez nie sygnału
testowego. Je\
eli oprogramowanie wykryje, \
e sygnał testowy odbiega od przyjętego jako
bezpieczny, to uruchamia siÄ™ alarm sygnalizujÄ…cy miejsce i rodzaj awarii.
W celu podniesienia niezawodności du\
ych, skomplikowanych, drogich, zagra\
ajÄ…cych
\
yciu lub środowisku procesów technologicznych stosuje się układy redundancyjne
(nadmiarowe). Pojawienie się sygnału alarmowego mo\
e spowodować w przypadku awarii
wyłączenie urządzeń uszkodzonych i włączenie urządzeń rezerwowych dublujących pracę
części lub całości układu regulacji.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaki znasz podział układów gwarantujących poprawną pracę urządzeń i układów
automatyki?
2. Czym charakteryzują się układy sygnalizacji?
3. W jakim celu stosujemy układy blokad?
4. Jakie zadania spełniają układy zabezpieczeń?
5. Jaką funkcję spełnia wyłącznik termiczny?
6. W jakim celu stosujemy układy redundancyjne?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Podaj przykłady sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń w układach automatyki.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeprowadzić analizę proponowanych przykładów,
2) przyporządkować poszczególne przykłady układom sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń,
3) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 arkusze papieru formatu A4,
 przybory do pisania.
Ćwiczenie 2
Sprawdz
działanie blokady.
pomocniczy obwód główny obwód
prÄ…dowy prÄ…dowy
+ L1
Zał. Zał.
K2
K1 K2
K1
M
K1 K2
N
Rys. 1 do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
A B C D
Zał. K1
1
0
t
Zał. K2
1
0
t
K1
1
0
t
K2
1
0
t
Rys. 2 do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zaproponować procedurę sprawdzenia sprawności blokady,
2) połączyć urządzenia według schematu elektrycznego,
3) poprosić po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego o załączenie
zasilania,
4) poprzez odpowiednią kombinację wciśniętych przycisków (pola A, B, C, D na przebiegu
czasowym) uruchamiać blokadę,
5) uzupełnić przebieg czasowy blokady,
6) przeprowadzić analizę otrzymanych przebiegów czasowych,
7) opracować wnioski.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
 stanowisko do badania blokady,
 arkusze papieru formatu A4,
 linijka, ołówek.
Ćwiczenie 3
Narysuj schemat rozruchowy silnika elektrycznego w układzie gwiazda-trójkąt
uwzględniający stycznik zasilający główny, stycznik trójkąta, stycznik gwiazdy, przekaz
nik
czasowy do nastawiania czasu rozruchu silnika. PrzyjmujÄ…c, \
e w silniku znajduje siÄ™
wyłącznik termiczny chroniący silnik przed przecią\
eniem podać jego miejsce na schemacie
zasilania zapewniające skuteczne zabezpieczenie przed uszkodzeniem silnika. Układ
uruchamiać przyciskiem Start (styk zwierny), wyłączać przyciskiem Stop (styk rozwierny).
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat połączeń,
2) uzasadnić sposób rozwiązania,
3) opracować wnioski.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- arkusze papieru formatu A4,
- linijka, ołówek.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wskazać ró\
nicę pomiędzy funkcją i działaniem układów
sygnalizacji, blokad i zabezpieczeń w układach automatyki?
2) dokonać analizy działania blokady?
3) narysować przebiegi czasowe blokady?
4) prawidłowo umiejscowić na schemacie elektrycznym
zabezpieczenie?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
36
5. SPRAWDZIAN OSI
GNI
Ć
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwa\
nie instrukcjÄ™.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do ka\
dego zadania dołączone są 4 mo\
liwości odpowiedzi. Tylko
jedna jest prawdziwa.
5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi, wstawiając w odpowiedniej
rubryce znak X. W przypadku pomyłki nale\
y błędną odpowiedz
zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zaznaczyć odpowiedz
prawidłową.
6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłó\
rozwiÄ…zanie tego
zadania na póz
niej i wróć do niego, kiedy zostanie Ci wolny czas.
8. Na rozwiÄ…zanie testu masz 60 minut.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAC
TESTOWYCH
1. Sterowanie automatyczne realizowane jest
a) bezpośrednio przez człowieka.
b) bezpośrednio przez urządzenia bez udziału człowieka.
c) bezpośrednio przez urządzenia i człowieka.
d) krok po kroku.
2. Uchyb µ wyznaczamy z ró\
nicy
a) sygnału sterującego i zakłóceń.
b) sygnału wartości zadanej i sygnał uchybu.
c) zadanej i rzeczywistej wartości wielkości regulowanej.
d) sygnału zakłócającego i wartości zadanej.
3. Stałą czasową ró\
niczkowania oznaczamy symbolem
a) Ti.
b) Td.
c) xp.
d) kp.
4. Na rysunku przedstawiono
z
x
UrzÄ…dzenie
y
Obiekt
sterujÄ…ce
a) układ otwarty sterowania.
b) strukturÄ™ regulatora.
c) układ zamknięty sterowania.
d) strukturÄ™ urzÄ…dzenia pomiarowego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37
5. Węzeł sumujący
a) mno\
y i dzieli sygnały.
b) dodaje i odejmuje sygnały.
c) porównuje sygnały.
d) przetwarza sygnał na inną wielkość fizyczną.
6. W sterowaniu sekwencyjnym
a) sygnał sterujący powstaje z powiązania logicznego sygnałów.
b) następuje linearyzacja charakterystyki.
c) nie występuje opóz
nienie.
d) czynności odbywają się krok po kroku.
7. Standardowy sygnał prądowy to
a) 0÷5 A.
b) 4÷20 mA.
c) 0÷15 mA.
d) 4÷10 mA.
8. Na schemacie blokowym w pustym miejscu nale\
y wpisać
czujnik regulator
a) obiekt sterowania.
b) przetwornik.
c) zadajnik xo.
d) generator.
[
9. Przetwornik pomiarowy typu SISO ma
a) wiele wejść i jedno wyjście.
b) wiele wejść i wiele wyjść.
c) jedno wejście i wiele wyjść.
d) jedno wejście i jedno wyjście.
10. Zakres proporcjonalności regulatora wyznacza się z zale\
ności
1
a) xp = 100% .
Ti
b) xp = "y - "x .
1
c) xp = 100% .
kp
"x
d) xp = .
"y
11. Transmitancje opisujÄ…
a) charakterystykÄ™ regulatora dwustanowego.
b) przetworniki w stanie nieustalonym.
c) własności dynamiczne regulatorów.
d) algorytmy sterowania blokadami.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
38
12. Właściwości metrologiczne poprawiają inteligentne przetworniki
a) kompensacyjne.
b) czynne.
c) nadmiarowe.
d) bierne.
13. W trybie pracy automatyczny regulatora cyfrowego
a) wybieramy algorytm sterowania.
b) mo\
emy przyciskami zmniejszać/zwiększać wartości.
c) konfigurujemy parametry.
d) następuje regulacja według ustalonego algorytmu i parametrów.
14. Do realizacji przetwarzania niewymagane jest doprowadzenie energii zewnętrznej
zasilającej do przetworników
a) jedno wejście i jedno wyjście.
b) aktywnych.
c) trójstanowych.
d) pasywnych.
15. Układ blokady przedstawiony na rysunku
pomocniczy obwód główny obwód
prÄ…dowy prÄ…dowy
+ L1
Zał. Zał.
K2
K1 K2
K1
M
K1 K2
N
a) wyklucza mo\
liwość załączenia silnika je\
eli przycisk Zał. K1 jest wciśnięty.
b) powoduje automatyczne załączenie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K1.
c) nie zezwala na uruchomienie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K2.
d) powoduje uruchomienie silnika po wciśnięciu przycisku Zał. K1 i Zał. K2.
16. UrzÄ…dzenie sterujÄ…ce
a) oddziaływuje na obiekt sterowania.
b) wytwarza sygnał błędu regulacji.
c) mierzy wartość wielkości regulowanej.
d) porównuje wartość rzeczywistą z wartością zadaną.
17. Nastawami regulatora typu PI sÄ…
a) xp , Ti .
b) xp , Td .
c) xp , Ti , Td .
d) Ti , Td .
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
39
18. Element składowy charakteryzujący regulator cyfrowy to
a) zdejmowany panel przedni.
b) wyświetlacz dotykowy.
c) mikroprocesor.
d) pokrętła.
19. Przedstawiona odpowiedz
skokowa jest odpowiedziÄ… regulatora typu
y
kpµ
0 t
a) PI.
b) P.
c) PD.
d) PID.
20. W celu uniemo\
liwienia środkami technicznymi u\
ycia urzÄ…dzenia w warunkach
niezgodnych z jego przeznaczeniem stosujemy
a) zabezpieczenie w warunkach rozruchu.
b) blokady.
c) sygnalizacjÄ™ awaryjnÄ….
d) tabliczkÄ™ ostrzegawczÄ….
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
40
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko..........................................................................................
Dobieranie układów sterowania i regulacji.
Zakreśl poprawną odpowiedz
.
Nr
Odpowiedz
Punkty
zadania
1. a b c d
2. a b c d
3. a b c d
4. a b c d
5. a b c d
6. a b c d
7. a b c d
8. a b c d
9. a b c d
10. a b c d
11. a b c d
12. a b c d
13. a b c d
14. a b c d
15. a b c d
16. a b c d
17. a b c d
18. a b c d
19. a b c d
20. a b c d
Razem:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
41
6. LITERATURA
1. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, W-wa 1996
2. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, W-wa 1997
3. Kwaśniewski J.: Wprowadzenie do inteligentnych przetworników pomiarowych. WNT,
W-wa 1993
4. Markowski A., Kostro J., Lewandowski A.: Automatyka w pytaniach i odpowiedziach.
WNT, W-wa 1979
5. PÅ‚oszajski G.: Automatyka. WSiP, W-wa 1995
6. Siemieniako F., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, W-wa 1996
7. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, W-wa 1992
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
42