PODSTAWY AUTOMATYKI - laboratorium

(1)

PODSTAWY AUTOMATYKI - laboratorium

Ćwiczenie PA8b

„

Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg”

Instrukcja laboratoryjna Opracowanie : dr inż. Danuta Holejko

dr inż. Jakub Możaryn mgr inż.Michał Bezler

Warszawa 2019

(2)

„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg”

PODSTAWY AUTOMATYKI

2

Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg

Celem ćwiczenia jest uruchomienie, badanie właściwości statycznych i dynamicznych, a następnie ocena jakości regulacji jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg. Jakość regulacji oceniana będzie na podstawie wartości wskaźników przebiegów przejściowych układu regulacji wywołanych skokową zmianą wartości zadanej oraz zakłóceń działających na obiekt regulacji. Celem badań będzie określenie wpływu algorytmu i parametrów (nastaw) regulatora na wskaźniki przebiegu przejściowego układu . Identyfikacja obiektu regulacji przeprowadzona w ćwiczeniu PA7bumożliwi dobór parametrów (nastaw) regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku SIMATIC S7-1200 zastosowanego w układzie. Analiza otrzymanych wskaźników pozwoli na ocenę dokładności kompensacji wpływu działających na obiekt zakłóceń oraz dokładności nadążania wielkości regulowanej PVza zmianą wartości zadanejSP.

1. WPROWADZENIE

Układ regulacji jest szczególnym przypadkiem układu sterowania charakteryzującym się występującym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Układ taki przedstawia sobą zespół wzajemnie powiązanych elementów uporządkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania sygnałów. Podstawowymi elementami tego układu to automatyzowany proces zwany obiektem regulacji i regulator / sterownik PLC sterujący tym obiektem wg algorytmu zapewniającego pożądany przebieg procesu.

Przebieg procesu scharakteryzowany jest przez zmiany wielości regulowanej PV a jej pożądane zmiany określone są w zadaniu regulacji wielkością zadaną SP. Schemat struktury przyrządowej układu regulacji przedstawia rys. 1. Cienkie linie ze strzałkami reprezentują sygnały przekazywane między elementami układu, natomiast gruba linia reprezentuje przepływ strumieni materiałów lub energii dostarczanych do procesu.

Przedstawiony schemat struktury przyrządowej pokazuje usytuowanie i wzajemne oddziaływanie obiektu i regulatora tworzącego układ regulacji a także dostarcza informacji o cechach funkcjonalnych tych urządzeń. Przemysłowy układ regulacji ma strukturę tzw. rozproszoną. Obiekt regulacji jako instalacja technologiczna wraz z przetwornikiem pomiarowym i zespołem wykonawczym przekazuje sygnały do regulatora zainstalowanego wraz z osprzętem w zdalnej sterowni. Budowa regulatora musi zapewniać realizację regulacji ręcznej (na pulpicie regulatora przycisk oznaczony Manual) oraz automatycznej (na pulpicie regulatora przycisk oznaczony Auto). Zmiana trybu pracy dokonywana jest przez operatora za pośrednictwem pulpitu operatorskiego lub przez nadrzędny układ sterujący. W trybie regulacji ręcznej przeprowadzany jest rozruch instalacji tzn. pierwsze jego uruchomienie oraz praca układu w przypadkach awarii. W trybie tym, operator za pomocą sygnału sterowania ręcznego z regulatora nastawia wartości sygnału sterującego CV steruje procesem tak aby doprowadzić do równości wielkości regulowanej i zadanej tzn. PV=SP. Wartość zadana SP w układach regulacji

(3)

PODSTAWY AUTOMATYKI

3

stałowartościowej ma wartość stałą i jest także z pulpitu operatorskiego za pomocą nastawnika SPnastawiana przez operatora jak również i nastawy regulatora.

Rys. 1. Schemat struktury przyrządowej układu automatycznej regulacji : x, y ,–

wielkości wejściowa i regulowana procesu,SP, PV– sygnały wielkości zadanej i zmiennej procesowej, e – sygnał odchyłki regulacji, CV– sygnał sterujący (sygnał wyjściowy regulatora), Manual – regulacja ręczna, Auto- regulacja automatyczna, ZW – zespół wykonawczy, PP – przetwornik pomiarowy

Dla celów analizy matematycznej układu regulacji, schemat struktury przyrządowej przekształca się do postaci uproszczonej, zredukowanej do jednego zakłócenia i jednej wielkości regulowanej i przedstawionej w postaci schematu blokowego jak na rys. 2.

Przedstawiony na schemacie blokowym (rys.2) węzeł sumacyjny 1 nie reprezentuje żadnej fizycznie realizowanej operacji sumowania, ma on jedynie ułatwić i uprościć analizę oddziaływania na obiekt zakłóceń z i sygnału CV sterującego obiektem tak aby skompensować wpływ zakłóceń lub zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną. .W rzeczywistym układzie regulacji zakłócenia działają najczęściej w różnych miejscach układu a nie tylko na wejściu obiektu i mają one charakter przypadkowy, są niemierzalne , mają określoną dynamikę ale zawsze w efekcie ich działania zmienia się wielkość regulowana co przedstawione jest na schemacie blokowym na rys. 2. Kierunek działania zakłóceń może być dodatni jak i ujemny (stąd znak  w węźle 1). Oddziaływanie zakłóceń i sygnału sterującego jest zawsze zintegrowane z obiektem. Sterowanie CV oddziałuje na obiekt przez zespół wykonawczy, który steruje przepływem strumieni materiałów lub energii do obiektu i

(4)

PODSTAWY AUTOMATYKI

4

zależnie od konstrukcji wewnętrznej tego zespołu wzrost sygnału sterującego może zwiększać (znak + w węźle 1, rys. 2b) lub zmniejszać (znak – w węźle 1, rys. 2a) ilość dostarczanych materiałów/energii. To samo dotyczy węzła sumacyjnego 2. Jest on zintegrowany z regulatorem(sterownikiem) i stanowi jego część składową. W węźle tym porównywana jest wielkość regulowana PV z wielkością zadaną SP, a wynikiem porównania jest odchyłka regulacji e. Aby zapewnić w układzie regulacji ujemne sprzężenie zwrotne sygnał wyjściowy CV regulatora wyliczany jest zgodnie z realizowanym algorytmem dla odchyłki +e (rys.2b) albo – e(rys.2a).W przypadku rys.

2b regulator musi mieć działanie normalne (Normal) a w przypadku rys. 2a - działanie odwrotne (Rewers).

a) b)

Rys.2. Schemat blokowy układu regulacji z regulatorem o działaniu: a) normalnym, b) odwrotnym. Oznaczenia: z– zakłócenie, Gz, – transmitancja zakłóceniowa obiektu, Gob – transmitancja obiektu względem sterowania, Gr – transmitancja regulatora, e – odchyłka regulacji. Pozostałe oznaczenia jak na rys.1.

2. OCENA JAKOŚCI REGULACJI

Układ regulacji, oprócz stabilności, winien posiadać szereg innych właściwości dotyczących zarówno stanu ustalonego jak i procesu przejściowego. Stwierdzenie, że układ jest stabilny oznacza, że składowe przejściowe zanikają w miarę upływu czasu, ale to nie wystarcza w zastosowaniach praktycznych. W praktyce powstaje konieczność dokładniejszego sprecyzowania w jaki sposób przebiegi przejściowe zanikają oraz konieczność sprecyzowania warunków stawianych przebiegom przejściowym.

Zadanie każdego układu regulacji polega na utrzymywaniu równości między wartościami wielkości regulowanej PV, a zadanej SP. Zadanie to może być wykonane z ograniczoną dokładnością. Jak wynika ze schematu blokowego (rys2) w pracy układu regulacji powstaje bowiem odchyłka regulacji e, stanowiąca różnicę między wielkością regulowaną a wartością zadaną wielkości regulowanej.

Odchyłka ta zdefiniowana jako

) ( ) ( )

(t PV t SP t

e   (1)

(5)

PODSTAWY AUTOMATYKI

5

niezależnie od kierunku działania regulatora czy zespołu wykonawczego (tzn.

niezależnie od kierunku działania regulatora) przyjmowana jest jako wskaźnik jakości regulacji.

Odchyłka oznaczona symbolem ez zwana odchyłką zakłóceniową wywołana jest zakłóceniami działającymi na obiekt i wywołującymi zmianę wielkości regulowanej a odchyłka oznaczona symbolem ew zwana odchyłką nadążania wywołana jest zmianą w czasie wielkości zadanej i regulator winien poprzez swoje działanie zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną.

Ocena poprawności i jakości działania układu regulacji sprowadza się do oceny jego dokładności statycznej i dynamicznej. Dokładność statyczną ocenia się na podstawie wartości odchyłki regulacji tzw. odchyłki statycznej oznaczonej symbolem est w stanie ustalonym. Odchyłka ta jest wynikiem braku możliwości regulacyjnych układu do całkowitego skompensowania w stanie ustalonym wpływu działających na obiekt zakłóceń.

Podstawową formą oceny właściwości dynamicznych układu regulacji jest ocena przebiegu zmian odchyłki regulacji spowodowanej skokową zmianą zakłócenia z lub skokową zmianą wartości zadanej SP. Przebiegi przejściowe w stabilnych układach regulacji mogą być zależnie od parametrów obiektu oraz regulatora aperiodyczne lub oscylacyjne.

Dla oceny tych przebiegów stosuje się najczęściej następujące wskaźniki:

em. - maksymalna odchyłka dynamiczna,

tr- czas regulacji określony jako czas od chwili wprowadzenia pobudzenia (zlub w) do chwili, gdy odchyłka regulacji e(t) osiąga wartości mieszczące się w strefie tolerancji

. Wartość określa się jako  = 0.05em,

- przeregulowanie określa w procentach stosunek amplitudy drugiego odchylenia e2do amplitudy pierwszego odchylenia e1zgodnie ze wzorem 100%

1 2 e

e

 ,

est– odchyłka statyczna , ogólnie, ez – statyczna odchyłka zakłóceniowa, ew– statyczna odchyłka nadążania.

(6)

PODSTAWY AUTOMATYKI

6

a) b)

Rys. 3. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est0, b) z odchyłką statyczną est=0

Do oceny tych przebiegów stosuje się najczęściej następujące wskaźniki:

em. - maksymalna odchyłka dynamiczna,

tr - czas regulacji określony jako czas od chwili wprowadzenia pobudzenia (zlub w) do chwili, gdy odchyłka regulacji e(t) osiąga wartości mieszczące się w strefie tolerancji . Wartość określa się jako  = 0.05em,

 - przeregulowanie określa w procentach stosunek amplitudy drugiego odchylenia e2do amplitudy pierwszego odchylenia e1zgodnie ze wzorem 100%

1 2 e

e

 ,

est– odchyłka statyczna , ogólnie, ez – statyczna odchyłka zakłóceniowa, ew – statyczna odchyłka nadążania.

Sposób określania wymienionych wskaźników na podstawie odpowiedzi skokowej odchyłki regulacji dla wymuszenia skokowego wartości zadanej SP lub zakłócenia z działającego na obiekt pokazują rys. 3,.4., 5, 6.

(7)

PODSTAWY AUTOMATYKI

7

a) b)

Rys. 4. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est0, b) z odchyłką statyczną est=0

a) b)

Rys.5. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = SP1(t) : a) przebiegi układu z odchyłką statyczną est0, b) z odchyłką statyczną est=0

(8)

a)

Rys. 6. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej

układu z odchyłką statyczną

Z punktu widzenia użytkownika poza wartościami odchyłek regulacji ważne są wartości wielkości regulowanej zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych.

Szczególnie ważne są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i warunki bezpieczeństwa.

3. DOBÓR NASTAW REGULATORÓW

Stosowane w praktyce przemysłowej regulatory ciągłe są

uniwersalnymi. Ich parametry (nastawy) można zmieniać (nastawiać) w szerokich granicach, dzięki czemu mogą one współpracować poprawnie z obiektami o zróżnicowanej dynamice. Zależnie od postawionych wymagań dotyczących jakości regulacji należy dokonać odpowiednich nastaw regulatora, którymi są wartości:

kp– wzmocnienie,[wielkość niemianowana]

Ti – czas zdwojenia,[sek]

Td– czas wyprzedzenia,[sek]

dobierane zależnie od stawianych układowi wymagań jakości regulacji wg procedur nazywanych doborem na

Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg”

PODSTAWY AUTOMATYKI

8

b)

Rys. 6. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = SP

układu z odchyłką statyczną est0, b) z odchyłką statyczną est=0

ważne są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i warunki bezpieczeństwa.

3. DOBÓR NASTAW REGULATORÓW

Stosowane w praktyce przemysłowej regulatory ciągłe są

uniwersalnymi. Ich parametry (nastawy) można zmieniać (nastawiać) w szerokich granicach, dzięki czemu mogą one współpracować poprawnie z obiektami o zróżnicowanej dynamice. Zależnie od postawionych wymagań dotyczących jakości

dokonać odpowiednich nastaw regulatora, którymi są wartości:

wzmocnienie,[wielkość niemianowana]

czas zdwojenia,[sek]

czas wyprzedzenia,[sek]

dobierane zależnie od stawianych układowi wymagań jakości regulacji wg procedur nazywanych doborem nastaw.

b)

Rys. 6. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego SP1(t) : a) przebiegi

ważne są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i

Stosowane w praktyce przemysłowej regulatory ciągłe są urządzeniami uniwersalnymi. Ich parametry (nastawy) można zmieniać (nastawiać) w szerokich granicach, dzięki czemu mogą one współpracować poprawnie z obiektami o zróżnicowanej dynamice. Zależnie od postawionych wymagań dotyczących jakości

dokonać odpowiednich nastaw regulatora, którymi są wartości:

dobierane zależnie od stawianych układowi wymagań jakości regulacji wg procedur

(9)

PODSTAWY AUTOMATYKI

9

Na podstawie rozważań teoretycznych, badań modelowych i doświadczeń eksploatacyjnych opracowano wiele reguł nastawiania regulatorów PID zależnych od określonego modelu obiektu regulacji, rodzaju i miejsca oddziaływania zakłóceń, przyjętego kryterium jakości regulacji a także algorytmu regulacji. Najbardziej rozpowszechnionym przyjętym kryterium jakości regulacji są cechy przebiegu przejściowego układu regulacji. Wyróżnia się przy tym najczęściej następujące rodzaje przebiegów:

a) przebieg aperiodyczny z przeregulowaniem 05% i minimum czasu regulacji tr, zapewnia minimum całki ^



e t dt

0 )

( , jest to kryterium oznaczane IAE (ang.

Integral of the Absolutevalue of Error)

b) przebieg oscylacyjny z przeregulowaniem około  20% i minimum tr, zapewnia minimum całki ^



te t dt

0 )

( ; jest to kryterium oznaczane ITAE (ang. Integral of the Time weightedAbsolute Error),

c) przebieg z minimum całki z kwadratu odchyłki regulacji tzn. ^



^

0

2( dtt) min

e ,

zapewnia przeregulowanie  45%; jest to kryterium oznaczane ISE (Integral of Square of the Error).

Przy doborze nastaw dla obiektów statycznych ważnym parametrem jest stosunek czasu opóźnienia do zastępczej stałej czasowej T0/Tz charakteryzujący podatność obiektu na regulację. Gdy stosunek ten przekracza wartość 0.3 jakość sterowania z nawet najlepiej dobranymi nastawami regulatora PID znacznie się pogarsza.

W ćwiczeniu zastosowane zostaną następujące metody doboru nastaw :

a) metoda tabelarycznego doboru nastaw po doświadczalnej identyfikacji obiektu, b) metoda doświadczalna Zieglera – Nicholsa.

3.1. Metoda tabelarycznego doboru nastaw

Metoda ta wymaga znajomości parametrów obiektu. Dla obiektu statycznego są to kob, T0, Tz.Jeżeli nie dysponujemy teoretycznym zapisem modelu obiektu, korzystanie z tablic czy nomogramów wymaga wcześniejszej identyfikacji obiektu np. metodą odpowiedzi skokowej na podstawie której można wyznaczyć wymagane parametry modelu. Znając te parametry określa się nastawy regulatora zapewniające wymaganą jakość regulacji np. wymaganie oscylacyjnego lub aperiodycznego charakteru przebiegów przejściowych układu regulacji.

W tablicy 1 zestawiono wzory określające nastawy regulatorów dla obiektów statycznych. Wzory te uwzględniają miejsce wprowadzenia zakłócenia. Inne muszą być nastawy regulatora w przypadku regulacji stałowartościowej zapewniając możliwie szybkie kompensowanie zakłóceń z, a inne gdy ten sam układ ma pracować jako układ nadążny zapewniając wierne odtwarzanie zmian wartości zadanej SP.

(10)

PODSTAWY AUTOMATYKI

10

Tablica 1. Zestawienie wzorów dla nastaw regulatorów do obiektu 1

0



 

zs T e sT kob ob s

G ( )

Rodzaj przebiegu

Typ

regulatora kob kp T0 /Tz Ti / T0 Td / T0

Z(t)=1(t)

 = 0 % min tr

P 0.3 - -

PI 0.6 0.8 + 0.5 Tz

/T0

-

PID 0.95 2.4 0.4

 = 20 % min tr

P 0.7 - -

PI 0.7 1 + 0.3 Tz /T0 -

PID 1.2 2.0 0.4

Zmiana wartości zadanej SP

 = 0 % min tr

P 0.3 - -

PI 0.35 1.17 Tz /T0 -

PID 0.6 Tz /T0 0.5

 = 20 % min tr

P 0.7 - -

PI 0.6 Tz /T0 -

PID 0.95 1.36 Tz /T0 0.64

3.2. Metoda doświadczalna Zieglera-Nicholsa

Metoda doboru nastaw regulatorów opracowana w 1942 r przez Zieglera i Nicholsa jest jedną z najczęściej stosowanych i rozpowszechnionych metod doświadczalnych doboru nastaw regulatorów o algorytmach PID. Metoda ta stosowana jest wówczas gdy regulator i inne elementy rzeczywistego układu regulacji są już zainstalowane, ich funkcjonowanie jest sprawdzone (w trybie regulacji ręcznej) i należy tylko dobrać nastawy regulatora. Metoda Zieglera – Nicholsa (skrótowo Z-N) spotykana jest w dwóch wariantach:

1) nastawy regulatora dobierane są na podstawie parametrów zamkniętego układu regulacji doprowadzonego do granicy stabilności (metoda wzbudzenia układu),

2) nastawy regulatora dobierane są na podstawie parametrów określonych z charakterystyki

3) skokowej obiektu regulacji (tylko statycznego).

Stosując ta metodę: dobór nastaw przeprowadza się wykonując następujące czynności:

1. W trybie sterowania ręcznego (tryb Manual), zmieniając CV, doprowadzić wielkość regulowaną PV do stanu, w którym sygnał wyjściowy obiektu PV zrówna się z wymaganą wartością zadaną SP.

2. Ustawić regulator zainstalowany na obiekcie na działanie proporcjonalne, tzn., że jeżeli zainstalowany regulator ma działanie PID, to należy wyłączyć akcję całkującą nastawiając Ti = 99999.9i

(11)

PODSTAWY AUTOMATYKI

11

różniczkującąnastawiając Td = 0 , następnie należy ustawić punkt pracy u _p regulatora równy nastawionej w ramach czynności 1 wartości CV oraz nastawić początkową wartość wzmocnienia regulatora k_p 0 np. kp=6.

3. Przełączyć układ na sterowanie automatyczne (tryb AUTO) i jeżeli układ zachowuje stan równowagi, zadajnikiem SP wytworzyć impulsową zmianę wartości zadanej o amplitudzie i czasie trwania impulsu zależnym od spodziewanej dynamiki procesu; obserwować lub rejestrować zmiany PV.

Praktycy zalecają amplitudę impulsu o wartości 10% zakresu zmian sygnału PVi czas trwania impulsu t_imprówny około 10 % szacowanej wartości zastępczej stałej czasowej obiektu.

4. Jeżeli zmiany PV są wystarczająco rozróżnialne, uznajemy próbę jako poprawną i oceniamy charakter przebiegu.

5. Jeżeli zmiany są gasnące (rys. 7a), to znaczy że kp kpkryt. Należy zatem przełączyć układ na „MANUAL”, w trybie sterowania ręcznego ustawić nową większą wartość kp , zmieniając CV, doprowadzić wielkość regulowaną PV do stanu, w którym sygnał wyjściowy obiektu PV zrówna się z wymaganą wartością zadaną SP.

6. Ponawiać czynności 3.- 5. ustawiając coraz to większe wartości pk aż do uzyskania w układzie stałych niegasnących oscylacji, jak to przedstawia rys. 7c.

7. Jeżeli zmiany PVsą oscylacyjne o narastającej amplitudzie (rys. 7b), to znaczy że kp kpkryt i w kolejnych próbach należy zmniejszać wartość pk . 8. Z zarejestrowanego przebiegu o niegasnącej amplitudzie, odpowiadającego krytycznej wartości wzmocnienia pkrytk , należy odczytać okres oscylacji oscT .i zanotować wartość pkrytk

W trakcie eksperymentów należy kontrolować czy sygnał sterujący CV nie osiąga wartości granicznych. Jeżeli wystąpią takie objawy, należy zmniejszyć parametry impulsu SPa przeprowadzona próba jest niepoprawna..

Poszukiwane nastawy regulatora oblicza się na podstawie pkrytk i oscT ,stosując wzory podane w tablicy 2.

Tablica 2. Nastawy regulatorów PID wg metody Zieglera – Nicholsa Algorytm

regulatora

Metoda Z- N stałych oscylacji układu (układ zamknięty)

kp Ti Td

P 0.5 kpkryt - -

PI 0,45 kpkryt 0.85Tosc - PID 0.6 kpkryt 0.5 Tosc 0.12 Tosc

(12)

PODSTAWY AUTOMATYKI

12

a) b) c)

Rys. 7. Przebiegi zmian wielkości regulowanej PV uzyskiwane w trakcie eksperymentu Zieglera – Nicholsa

Idea tej metody jest zaimplementowana w nowoczesnych regulatorach mikroprocesorowych lub sterownikach PLC jako tzw. procedura samostrojenia (ang.autotuning).

4. OPIS INSTALACJI

Schemat badanego jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg przedstawiono na rys.8.

(13)

PODSTAWY AUTOMATYKI

13

Rys. 8. Schemat połączeń elementów układu regulacji temperatury powietrza Stanowisko do badania jednoobwodowego układu regulacji (Rys.3.1) składa się ze : sterownika PLC (1), panelu HMI (2), komputera PC (3) - połączonych w sieć ethernetową (4), rurociągu (5) i zasilacza (6).

Wyjścia analogowe sterownika połączone są z wejściem sterującym obrotami wentylatora S (AO1) i mocą grzałki G (AO2) zainstalowanych w rurociągu. Do wejść cyfrowych sterownika, poprzez zasilacz, doprowadzone są sygnały informujące o położeniu przesłony (DI1) i o zmianie rezystancji grzałki (DI2). W sterowniku zaimplementowano regulator PID. Jego zadaniem jest utrzymanie zadanej temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg, poprzez sterowanie mocą grzałki. Panel HMI umożliwia konfigurowanie i monitorowanie parametrów regulatora, natomiast symulacja na monitorze komputera umożliwia rejestrowanie przebiegów wymuszeń, odpowiedzi obiektu i sterowania regulatora. Z jej poziomu możliwe jest także sterowanie obrotami wentylatora.

Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy wprowadzić do programu konfigurację stanowiska (badany obiekt - RUROCIĄG oraz strukturę JEDNOOBWODOWA) na ekranie startowym panelu HMI (rys. 9).

(14)

Rys. 9. Ekran startowy

Po zatwierdzeniu konfiguracji przyciskiem Start przechodzimy do ekranu przedstawiającego ogólną strukturę badanego układu (Rys. 10)

Rys. 10. Struktura

Ikony pod symbolem regulatora oznaczają aktualny tryb pracy (Auto/Manual, Normal/Rewers, sygnał błędu). Po naciśnięciu przycisku można przejść do ekranu sterującego regulatorem (Rys. 11).

PODSTAWY AUTOMATYKI

14 Rys. 9. Ekran startowy

zatwierdzeniu konfiguracji przyciskiem Start przechodzimy do ekranu przedstawiającego ogólną strukturę badanego układu (Rys. 10).

Rys. 10. Struktura układu

Ikony pod symbolem regulatora oznaczają aktualny tryb pracy (Auto/Manual, Normal/Rewers, sygnał błędu). Po naciśnięciu przycisku można przejść do ekranu sterującego regulatorem (Rys. 11).

zatwierdzeniu konfiguracji przyciskiem Start przechodzimy do ekranu

Ikony pod symbolem regulatora oznaczają aktualny tryb pracy (Auto/Manual, Normal/Rewers, sygnał błędu). Po naciśnięciu przycisku można przejść do ekranu

(15)

Rys. 11. Ekran sterujący Monitor ten pozwala na zmianę:

- Algorytmu regulatora poprzez wpisanie odpowiednich nastaw lub wybranie odpowiedniego trybu w polu „

- Przełączanie trybów

-Sterowanie kierunkiem działania regulatora -Rozpoczęcie procedury

-Zresetowanie regulatora

W prawej części ekranu wyświetlane są kontrolki informujące o stanie regulatora.

Jeśli kontrolka „Error” jest zapalona, regulator jest w stanie nieaktywnym.

Najczęstszą przyczyną błędu jest chw

takim przypadku wystarczy zresetować regulator przyciskiem „Reset”.

Wizualizację przebiegów zmian wielkości wejściowych i wyjściowych zrealizowano na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu startowego przedstawia rys.

PODSTAWY AUTOMATYKI

15 Rys. 11. Ekran sterujący regulatorem Monitor ten pozwala na zmianę:

Algorytmu regulatora poprzez wpisanie odpowiednich nastaw lub wybranie odpowiedniego trybu w polu „Typ regulatora”

Przełączanie trybów Auto/Manual

Sterowanie kierunkiem działania regulatora Normal/Rewers Rozpoczęcie proceduryAutoTuningu

Zresetowanie regulatora

Najczęstszą przyczyną błędu jest chwilowe rozwarcie w torze pomiarowym. W takim przypadku wystarczy zresetować regulator przyciskiem „Reset”.

Wizualizację przebiegów zmian wielkości wejściowych i wyjściowych zrealizowano na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA

ygląd ekranu startowego przedstawia rys. 12.

Algorytmu regulatora poprzez wpisanie odpowiednich nastaw lub wybranie

Normal/Rewers

ilowe rozwarcie w torze pomiarowym. W takim przypadku wystarczy zresetować regulator przyciskiem „Reset”.

Wizualizację przebiegów zmian wielkości wejściowych i wyjściowych zrealizowano na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA

(16)

Rys. 12. Ekran startowy

Ekran zawiera informację o wprowadzonej strukturze. Po naciśnięciu przycisku ,,Regulator główny” przechodzimy do monitora z

wejściowych i wyjściowych (Rys. 1

Rys. 13. Ekran z przebiegami wartości wyjściowych i wejściowych

PODSTAWY AUTOMATYKI

16

. Ekran startowy monitora komputera stacjonarnego

Ekran zawiera informację o wprowadzonej strukturze. Po naciśnięciu przycisku ,,Regulator główny” przechodzimy do monitora z przebiegami wielkości wejściowych i wyjściowych (Rys. 13).

. Ekran z przebiegami wartości wyjściowych i wejściowych monitora komputera stacjonarnego

Ekran zawiera informację o wprowadzonej strukturze. Po naciśnięciu przebiegami wielkości

. Ekran z przebiegami wartości wyjściowych i wejściowych

(17)

PODSTAWY AUTOMATYKI

17

Ponad przebiegami jest wykres obrazujący aktywne zakłócenia w postaci wykresu słupkowego:

- Kolor czerwony – przesłona

- Kolor pomarańczowy – zmiana rezystancji - Kolor zielony - „Skok SP”

- Kolor niebieski – skok obrotów wentylatora wywołany przyciskiem „Zmiana obrotów”

Przycisk Start/Stop pozwala na zatrzymanie lub wznowienie monitorowania przebiegów

Przyciski „Zwiększ przedział czasu” i „Zmniejsz przedział czasu” pozwalają na modyfikowanie aktualnie wyświetlanego przedziału czasu w zakresie od 15sek do 16min

Pola pod polem tekstowym „Oś” pozwalają na wyskalowanie osi Y wykresu.

Zwiększanie zakresu wykonuje się od razu. W przypadku zmniejszania skala zmieni się dopiero po pewnym czasie.

Przycisk „Skok SP” pozwala na wygenerowanie zakłócenia w postaci skoku wartości zadanej wraz z monitorowaniem go na górnym wykresie

Przycisk „Zmiana obrotów” pozwala na wygenerowania zakłócenia w postaci skoku sterowania na wyjściu analogowym sterującym wentylatorem

Przycisk „Cofnij” resetuje zakłócenie wywołane przyciskiem „Skok SP” i „Zmiana obrotów”.

Przycisk „CV” pozwala na włączanie/wyłączanie monitorowania CV

Przycisk „Log” pozwala na zapis wyników badań w formacie „*.csv”. Dokładna instrukcja obsługi tej opcji podana jest w dołączonym do ćwiczenia załączniku

W celu „obróbki” wykresu można stosować następujące opcje:

 zatrzymać przebieg przyciskiem START/STOP, wcisnąć na klawiaturze komputera przycisk prtsc, wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i wybrać opcję obróbki zapisanych wyników,

 wygenerować i przesłać zapisany plik z rozszerzeniem „*.csv” do np.

programu EXEL lub MATLAB.

5. PRZEBIEG ĆWICZENIA

W badanym w ćwiczeniu układzie regulacji, wielkością regulowaną jest temperatura T powietrza przepływającego przez rurociąg (wielkość reprezentowana przez sygnał PV), sterowaniem jest sygnał prądowy CVz zakresu [4- 20]mAgenerowany przez sterownik SIMATIC S7-1200 firmy Siemens podawany na grzałkę G, zakłóceniami są :

(18)

PODSTAWY AUTOMATYKI

18



skokowa zmiana przekroju wlotowego powietrza (przez przestawienie pozycji przesłony P z zamknięte /otwarte co oznacza zmianę przekroju z 389 na 1661 mm² ),



skokowa zmiana mocy grzejnej grzałki G przez dołączenie lub odłączenie dodatkowej rezystancji ( pozycja przełącznika „0” lub „1” );powoduje to zmianę oporności grzałki z 100  na 75  .



skokowa zmiana prędkości obrotowej silnika wentylatora realizowana przez skokową zmianę sygnału YWpodawanego do układu sterowania silnikiem S wentylatora dla przypadku sterowania obiektu mocą grzejną YG.

Właściwości obiektu regulacji zostały określone w ćwiczeniu PA7b. Aby poprawnie działał układ regulacji należy dobrać w zależności od wymagań jakości regulacji, parametry regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku zgodnie z procedurą doboru nastaw.

5.1. Dobór nastaw regulatora metodą tabelaryczną

Bazując na wynikach identyfikacji obiektu przeprowadzonej w ćwiczeniuPA7b podać parametry obiektu określone z metody stycznej lub siecznej (wg. polecenia prowadzącego):

kob = ..., T0 = ..., Tz = ...

Korzystając z tablicy 1 obliczyć nastawy regulatorów P/PI/PID dla przebiegów z przeregulowaniem 0 % lub 20 % ( zgodnie z poleceniem prowadzącego) i wstawić je do tablicy 3.

Tablica 3

Typ  = 0 %  = 20 %

regulatora kp Ti[s] Td[s] kp Ti[s] Td[s]

P PI PID

5.2. Rozruch instalacji

Rozruch rzeczywistych instalacji układów regulacji przeprowadza się zwykle w sposób ręczny. Zainstalowany regulator przełączany jest przez operatora na tryb sterowania ręcznego MANUAL. Operator ustawia w regulatorze projektowy algorytm działania, wstępne nastawy oraz projektowaną dla danej instalacji wartość zadaną SP, następnie zmieniając sygnał sterowania ręcznego regulatora, steruje procesem tak długo aż wielkość regulowana PV osiągnie trwały stan ustalony na poziomie odpowiadającym żądanej wartości zadanej SP. Jeżeli wszystkie urządzenia wchodzące w skład układu pracują poprawnie i osiągnięty jest stan ustalony równowagi trwałej odpowiadający zerowej odchyłce regulacji, operator przełącza układ ze sterowania ręcznego na sterowanie automatyczne AUTO. Jeżeli po przełączeniu nie obserwuje się znaczących i wykraczających poza dopuszczalne wartości zmian odchyłki regulacji to uznaje się , że zostały wprowadzone bezpieczne nastawy regulatora i rozruch taki uznaje się za zakończony.

(19)

PODSTAWY AUTOMATYKI

19

W badanym stanowisku punktem pracy jest temperatura 45± 2⁰C (PV ≈ 40± 4%), co odpowiada sygnałowi sterującemu CV ≈ 50% przy obrotach wentylatora YG= 50%.

Aby doprowadzić instalację do punktu pracy należy:

 połączyć układ według schematu (rys. 8),

 włączyć tryb ręczny regulatora MANUAL,

 ustawić na PC obroty wentylatora YW = 50%,

 ustawić na panelu HMI sygnał podawany na grzałkę Man = 50%

 ustawić wyliczone nastawy dla regulatora o algorytmie P,

 odczekać na ustalenie temperatury,

 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV,

 przełączyć regulator w tryb AUTO.

Jeśli po zmianie trybu regulatora na AUTOwystępują dość znaczne zmiany sygnału sterującego CVi wynikające z tego zmiany wielkości regulowanej PV należy przełączyć regulator w tryb MANUAL. Następnie ustawić bezpieczną wartość sterowania CV = 50%i powtórzyć procedurę rozruchu po znalezieniuprzyczyny niewłaściwego działania układu, np. złe nastawy regulatora czy błędne połączenia, czy niepoprawny kierunek działania regulatora..

5.3. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie P i nastawach wg metody tablicowej

5.3.1. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego zmianą obrotów wentylatora

Badania przeprowadzić po poprawnie przeprowadzonym rozruchu. wg.

następującej procedury:

 włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości CV,PV i SP ,

 będąc w trybie AUTO zmienić obroty wentylatoraz 50% na 70%,

 obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość temperatury ,

 po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu,

 zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV w edytorze graficznym,

 przełączyć w tryb MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%),

5.3.2. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego zmianą oporności grzałki

(20)

PODSTAWY AUTOMATYKI

20

Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:

 włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości PV i SP

 przełączyć na AUTO i zmienić pozycję przełącznika P1 (rys.8) z 0 na 1,

 obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość temperatury,

 po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu ,

 zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV,

 zmienić pozycję przełącznika P1 z 1 na 0,

 w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%),

5.3.3. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego zmianą przekroju wlotu powietrza (przysłona P)

Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:

 przełączyć na AUTO i zamknąć (pozycja pionowa) przysłonę P (rys.8),

 po ustaleniu temperatury zatrzymać i zarejestrować przebieg ,

 otworzyć(pozycja pozioma) przysłonę P,

 w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%),

5.3.4. Badanie skuteczności nadążania wielkości regulowanej PV za zmianamiwielkości zadanej SP

 Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:

 w trybie AUTO ustawić ΔSP. Wartość amplitudy ustalić z prowadzącym ćwiczenie,

 po ustaleniu temperatury zatrzymać i zarejestrować przebieg ,

 w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%)

 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV

(21)

PODSTAWY AUTOMATYKI

21

5.4. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie PI

Badając układ regulacji z regulatorem PI należy powtórzyć procedury opisane w 5.3.

5.5. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie PID

Badając układ regulacji z regulatorem PID należy powtórzyć procedury opisane w 5.3.

5.6. Dobór nastaw regulatorów metodą Zieglera – Nicholsa

Dobór nastaw metodą Zieglera – Nicholsaprzeprowadza się wg następującej procedury:

1. Przeprowadzić rozruch instalacji w trybie sterowania ręcznego (tryb MANUAL) (wg.5.2), ustawić CV=50 % ,Yw=50% i odczekać do stanu ustalonego PV ,

2. Regulator zainstalowany na obiekcie należy ustawić na działanie P, nastawić określoną początkową wartość wzmocnienia regulatora np.kp = 6, wyłączyć pozostałe działania regulatora nastawiając Ti 99999,9,Td 0.

3. Ręcznie z pulpitu HMI regulatora ustawić SP = PV.

4. Na wizualizacji komputerowej wybrać obserwację PVi SP, 5. Przełączyć regulator na tryb AUTO,

6. Wprowadzić impulsową zmianę wartości zadanej np. SP = 2-3 % o czasie trwania impulsu timp (rys. 8) wystarczającym do wywołania zauważalnych zmian PV. Sygnał CVw czasie próby nie może osiągać wartości granicznych w przeciwnym przypadku , próbę należy powtórzyć.

7. Ocenić przebieg zmian PVi porównać go z przebiegiem z rys7.

8. Jeżeli przebieg PVodpowiada rys. 7c, zapisać przebieg PVw komputerze i przejść do p.11.

9. Jeżeli przebieg PVodpowiada rys. 7a, to należy przełączyć regulator na tryb

„MANUAL”, ustawić CV = 50 % , zwiększyć wzmocnienie kp regulatora, odczekać do stanu ustalonegoPV, skorygować wartość SPtak abySP = PV i powtórzyć czynności od p. 5 - 7.

10. Jeżeli przebieg PV odpowiada rys.7b, to należy przełączyć regulator na tryb

„MANUAL”, ustawić CV = 50% , zmniejszyć kp regulatora, odczekać do stanu ustalonego, skorygować wartość SPtak abySP = PV i powtórzyć czynności od p. 5 - 7.

11. Przełączyć regulator na tryb „MANUAL”, ustawić CV = 50 %.

12. Zanotować bieżącą wartość kp=kkryt, która wywołała oscylacje, następnie odczytać z zarejestrowanego przebiegu okres oscylacji Tosci obliczyć nastawy regulatora P/PI/PID i wstawić je do tablicy 4.

Uwaga: Każdą zmianę nastaw regulatora można wprowadzać jedynie w trybie

„MANUAL”.

(22)

PODSTAWY AUTOMATYKI

22

Tablica 4. Wyniki doświadczenia i nastawy regulatora wg metody Z-N

Wyniki eksperymentu Z-N Nastawy regulatora

kp Ti Td

kkkryt Tosc P

PI PID

5.7. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie P, PI, PID nastawywg Zieglera-Nicholsa

Wprowadzając nastawy regulatora z tablicy 4 powtórzyć badania opisane w punktach 5.3, 5.4, 5.5 .

Do badania można przystąpić po sprawdzeniu czy:

a) Układ znajduje się w punkcie pracy (CV= 50%)

b) Wprowadzono za pomocą wizualizacji na panelu HMI nastawy, odpowiednie dla regulatoraP, PI, PID..

6. SPRAWOZDANIEZ ĆWICZENIA

Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia , schematy, zarejestrowane przebiegi z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:

1) Narysować schemat blokowy badanego układu regulacji

2) Narysować spodziewany przebieg zmian wielkości regulowanej PV i sterowania CVwywołany zakłóceniem Yw po zastosowaniu regulatora o algorytmie Pz działaniem Normal.

3) Załączyć i opisać wyniki eksperymentu Zieglera – Nicholsa.

4) Porównać przebiegi przejściowe układu regulacji i ocenić jego jakość statyczną i dynamiczną. Jakość statyczną i dynamiczną ocenić na podstawie odczytanych z wykresów wartości następujących wskaźników : e1, e2 , est , em

, tr , ( przeregulowanie). Wyniki podać w zaproponowanej tabeli.

5) Porównać wyniki badań otrzymane dla nastaw regulatora wg tablic i wg metody Zieglera – Nicholsa.

6) Obliczyć wartości odchyłek statycznych na podstawie transmitancji obiektu i transmitancji regulatora i porównać je z wartościami otrzymanymi z badań.

7) Obliczyć na podstawie transmitancji obiektu i transmitancji regulatora wartości kpkryti Tosc i porównać je z wartościami otrzymanymi z eksperymentu Z-N.

8) Jak z przebiegu przejściowego układu wywołanego zmianą skokową wartości zadanej SP odczytać nastawioną wartość wzmocnienia kp regulatora.

7. LITERATURA

1.1. Holejko D, Kościelny W.J.: Automatyka procesów ciągłych. WPW 2013