Automatyka w Automatyka w inżynieriiinżynieriiśrodowiskaśrodowiska

Automatyka w

Automatyka w inżynierii inżynierii środowiska

środowiska

Wykład 2

Zakres tematyczny przedmiotu Zakres tematyczny przedmiotu

• Standardowe algorytmy regulacji i sterowania

• Regulatory w inżynierii środowiska

• Charakterystyka i zasady doboru regulatorów cyfrowych

• Programowanie sterowników swobodnie programowalnych

• Rozdzielnice zasilająco-sterujące w systemach automatyki

• Komputerowe systemy telemetrii i nadrzędnego sterowania

• Komputerowe systemy zarządzania infrastrukturą techniczną w budynkach

• Komputerowe systemy zarządzania energią

• Kolokwium

Standardowe algorytmy Standardowe algorytmy

regulacji i sterowania

regulacji i sterowania

LITERATURA LITERATURA

1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2006

2. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.

Funkcje realizowane przez automatykę w Funkcje realizowane przez automatykę w

inżynierii

inżynierii środowiska: środowiska:

- regulacja, - sterowanie,

- zabezpieczenie,

- optymalizacja.

Regulacja

Regulacja -- definicja definicja

• Regulacja jest definiowana jako proces, w trakcie

którego mierzy się jakąś wielkość fizyczną,

nazywaną wielkością regulowaną y, porównuje z

wartością innej wielkości nazywanej wielkością

zadaną w i wpływa na jego przebieg w celu

minimalizacji różnicy tych wielkości e .

Regulacja

Regulacja -- schemat blokowy układu schemat blokowy układu regulacji

regulacji

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon pomiarowy

e

y

• W procesie regulacji przebieg sygnałów odbywa się w

obwodzie zamkniętym – proces ze sprzężeniem zwrotnym

Przykładowy układ regulacji

Przykładowy układ regulacji -- urządzenia urządzenia

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon pomiarowy

e

y

Przykładowy układ regulacji

Przykładowy układ regulacji -- urządzenia urządzenia

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon pomiarowy

e

y

Przykładowy układ regulacji

Przykładowy układ regulacji -- -- urządzenia urządzenia

Regulator Człon

wykonawczy

Obiekt regulacji zakłócenia Z

w u

y

Człon pomiarowy

e

y

Sterowanie

Sterowanie -- definicja definicja

• Sterowanie jest to proces w układzie, w którym

jedna wielkość lub ich większa ilość, jako wielkości

wejściowe, wpływają na wielkości wyjściowe

według prawidłowości właściwej układowi.

Sterowanie Sterowanie

Sterownik Człon

wykonawczy

Obiekt sterowania zakłócenia Z

w u

M

M w

u₁

u₂

y₁

y₂ Zegar sterujący

P₁

P₂

Rodzaje regulacji automatycznej Rodzaje regulacji automatycznej

AUTOMATYCZNA REGULACJA

STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNA

PROGRAMOWA

Rodzaje regulacji Rodzaje regulacji

• Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałej wartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostaje na stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających na układ (jest zdeterminowana w = const). Działanie układu regulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływu zakłóceń na wielkość regulowaną.

Regulacja stałowartościowa Regulacja stałowartościowa

• Regulacja temp. w pomieszczeniu

w y

T

1 2

u ³

z₁ z₂ z₃

z₅

z₄

Regulacja stałowartościowa Regulacja stałowartościowa

• Regulacja temperatury powietrza nawiewanego.

+

T

w y_m u

y

1

2

3 4

5 z₁

z₂

Przykład regulacji stałowartościowej Przykład regulacji stałowartościowej

• Regulacja poziomu wody w zasobniku

z₁ P₁

u

2

1

w y

4

3

z₂ V₂

h

Przykład regulacji stałowartościowej Przykład regulacji stałowartościowej

• Regulacja temperatury wody w zasobniku

(podgrzewaczu pojemnościowym).

Regulacja programowa Regulacja programowa

• Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasie wartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanym programem zmiany wartości zadanej (w = w(t)).

• Typowym przykładem regulacji programowej w systemach ogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanie temperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej w godzinach nocnych lub w dni wolne od pracy.

Regulacja programowa temperatury Regulacja programowa temperatury

ogrzewanych pomieszczeń ogrzewanych pomieszczeń

t_i °C

czas

0:00 7:00 17:00 24:00

+20

+13

DZIEŃ

normalna praca instalacji

ogrzewania

NOC

praca instalacji ogrzewania z osłabieniem

NOC

praca instalacji ogrzewania z osłabieniem

26

Okresowe osłabienia instalacji OWK Okresowe osłabienia instalacji OWK

Ti °C +20

+13

Qco

OSZCZĘDNOŚĆ

WYCHŁADZANIE PODTRZYMANIE ROZGRZEWANIE (+13°C)

PRACA (20°C)

PRACA (20°C) 100%

0%

83%

OGRZEWANIE DYŻURNE 7.00 PRACA PRACA 17.00

Okresowe osłabienia instalacji OWK Okresowe osłabienia instalacji OWK

Rzeczywisty przebieg procesu Rzeczywisty przebieg procesu

+20°C

Temperatura

dyżurna +13°C Temperatura

zadana

Koniec okresu zajętości

Początek okresu zajętości Najdłuższy okres

rozgrzewania

Okres braku zajętości

Linia załączenia rozgrzewania Program

optymalny

Przy niskiej temperaturze zewnętrznej

Przy umiarkowanej temp. zewnętrznej

Optymalizacja czasu włączenia i wyłączenia Optymalizacja czasu włączenia i wyłączenia

ogrzewania ogrzewania

• τ=f (?)

Obecność

Optymalny czas startu

Oszczędność energii

Noc Noc

Czas Optymalny czas stopu

Regulacja stałowartościowa sekwencyjna Regulacja stałowartościowa sekwencyjna

• Regulacja stałowartościowa sekwencyjna stosowana jest w przypadku gdy dla utrzymania stałej wartości wielkości regulowanej konieczna jest współpraca regulatora z dwoma lub więcej elementami wykonawczymi.

T

y w u_ch

u_g

y=t_i

Regulacja nadążna Regulacja nadążna (kompensacyjna) (kompensacyjna)

• Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowanie wartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnej wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w = w(?))

• W ogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnego zasilającego instalację wewnętrzną t^zco (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza zewnętrznego t^zew (wartością zadaną w)

• Regulacja ta potocznie jest nazywana regulacją pogodową

Regulacja nadążna (pogodowa?) Regulacja nadążna (pogodowa?)

7

3

u 2

4

T

5

t_zco y_m

y w

T

1

6 y' = t_w

Wykres regulacji jakościowej

Wykres regulacji jakościowej c.o c.o..

tzco[°C]

0 90

50

- 20 -10 0 10

10 20 30 40 60 70 80

tzco=f(tzew)

tzew[°C]

Regulacja nadążna kaskadowa Regulacja nadążna kaskadowa

• W procesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwu regulatorów, regulatora głównego (wiodącego) oraz regulatora pomocniczego (nadążnego).

• Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą być zaprogramowane w jednym urządzeniu.

Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej

1. Linearyzacja nieliniowości statycznej.

• Gdy w obiekcie regulacji występuje człon nieliniowy proste sterowanie wartością wyjściową przy spełnieniu wymogów jakościowych może być znacznie utrudnione. Wpływ nieliniowości może zostać zmniejszony przez objęcie jej dodatkowym sprzężeniem zwrotnym i doprowadzenie odpowiedniego sygnału do dodatkowego regulatora.

• Jako przykład może posłużyć wymiennik ciepła para-woda, w którym członem nieliniowym jest zawór sterujący przepływem pary, wielkością wyjściową jest temperatura wody, natomiast wielkością pomocniczą - przepływ.

Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej

2. Kompensacja dynamiki obiektu regulacji.

• Gdy w obiekcie regulacji występuje opóźnienie transportowe lub duża inercja, dodatkowa wielkość sterująca musi być obrana tak, aby w stanach dynamicznych reagowała na zmianę wartości wymuszenia szybciej niż wielkość wyjściowa.

• Przykładem tu jest regulacja temperatury powietrza w systemach wentylacji i klimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dynamicznych obiektu regulacji (opóźnienie transportowe).

Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej Przyczyny stosowania regulacji kaskadowej

3. Poprawianie eliminacji zakłóceń.

• Gdy na obiekt regulacji działają zakłócenia, które muszą być kompensowane przez regulator, należy doprowadzić do niego dodatkową informację o ich wartości. Może to pociągać za sobą konieczność znalezienia (gdy wartość zakłócenia nie może być zmierzona bezpośrednio) zmiennej reagującej na nie szybciej niż zmienna wyjściowa (szczególnie w przypadku obiektu o niedoskonałościach dynamicznych).

Regulacja nadążna kaskadowa w wentylacji Regulacja nadążna kaskadowa w wentylacji

-- schemat blokowy schemat blokowy

Regulator pomocniczy 1

w ^e u1 ^y

y₂

y_m1

z

Regulator główny 1

Urządzenie wykonawcze

Obiekt regulacji

Element pomiarowy

t_W

+ - e1

Element pomiarowy

t_N

y₁

y_m2

+ - e2 u2

Schemat układu kaskadowej regulacji Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniu temperatury powietrza w pomieszczeniu

wentylowanym wentylowanym

• Temperatura powietrza nawiewanego t^N (jako wielkość pomocnicza y²) utrzymywana jest przez regulator 2 na poziomie zadawanym przez regulator główny 1, nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego t^W (główna wielkość regulowana y¹).

T

T

2

y₂

w=t_i u₂

t_i t_W

t_N

1

y₁ u₁

Przykład zastosowania regulacji Przykład zastosowania regulacji

kaskadowej kaskadowej

• Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach

regulacji kaskadowej

t_W [°C]

t_N[°C]

30 t_{N max}

t_i 12

-Δt +Δt

t_{N min}

a b

-1K t_i +1K t_{N max}

t_{N min} t_N

t_W t_N=f(±Δt)

Regulatory Regulatory

Regulator w układzie regulacji

obiekt regulacji

w e u y

y y_m

z

regulator urządzenie

wykonawcze obiekt regulacji

element pomiarowy _

Kryteria podziału regulatorów Kryteria podziału regulatorów

Biorąc pod uwagę sposób dostarczenia energii potrzebnej do napędu elementu wykonawczego wyróżnia się;

– regulatory bezpośredniego działania, które charakteryzują się tym, że energię potrzebną do napędu elementu wykonawczego pobierają z obiektu regulacji za pośrednictwem elementu pomiarowego (np. regulatory temperatury, ciśnienia, przepływu itp.),

– regulatory o działaniu pośrednim, zasilane w energię pomocniczą z obcego źródła (np. elektryczne, elektroniczne).

Kryteria podziału regulatorów Kryteria podziału regulatorów

Regulatory zasilane energią pomocniczą dzieli się na:

- elektryczne i elektroniczne, - pneumatyczne

- hydrauliczne, - mechaniczne.

Kryteria podziału regulatorów Kryteria podziału regulatorów

W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżnia się regulatory:

- o wyjściu (sygnale) ciągłym (ciągła zależność pomiędzy wielkością regulowaną y a odchyłką regulacji e w określonym zakresie nastaw wielkości regulowanej y,

- o wyjściu nieciągłym: dwustawne (załącz/wyłącz), trójstawne (otwórz/spoczynek/zamknij)

- quasi-ciągłe (kombinacja regulatora trójstawnego z określonym napędem).

Pod względem zmiany sygnału wyjściowego można podzielić regulatory na: analogowe i cyfrowe.

Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatora

W regulatorach elektrycznych sygnały wprowadzane i wyprowadzane z regulatora dzielimy na sygnały analogowe A oraz sygnały cyfrowe D.

W technice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnały analogowe wejściowe i wyjściowe stosuje się:

- napięcie o zakresie 0/2 do 10 V,

- prąd 0/4 do 20 mA,

- ciśnienie (regulatory pneumatyczne) 0,2 do 1,0 bar

Sygnały cyfrowe wejściowe i wyjściowe interpretowane są jako informacja lub polecenie załącz/wyłącz.

Własności dynamiczne regulatorów Własności dynamiczne regulatorów

Podstawowym kryterium podziału regulatorów są ich własności dynamiczne, określające związek pomiędzy sygnałem wyjściowym a odchyłką regulacji jako sygnałem wejściowym.

Ze względu na własności dynamiczne rozróżniamy regulatory:

- proporcjonalne typu P, - całkujące typu I,

- proporcjonalno-całkujące typu PI,

- proporcjonalno-różniczkujące typu PD,

- proporcjonalno-całkująco-różniczkujące typu PID.

Własności dynamiczne regulatorów Własności dynamiczne regulatorów

Charakterystyka dynamiczna regulatora jest opisywana w postaci transmitancji jako stosunek transformaty U(s) sygnału wyjściowego – wielkości sterującej u(t), do transformaty E(s) sygnału wejściowego – uchybu regulacji e(t).

) (

) ) (

( E s

s s U

G

=

Charakterystyki dynamiczne regulatorów Charakterystyki dynamiczne regulatorów (graficzne

(graficzne – – odpowiedzi na zakłócenie skokowe) odpowiedzi na zakłócenie skokowe)

P Kp

PI 



+ T s K

i p

1 1

K_p

Kp t u

Kp

t u

Ti

Charakterystyki dynamiczne regulatorów Charakterystyki dynamiczne regulatorów

PD ^Kp(1+^Td^s)

PID – idealny 



+

+ T s

s

K T _d

i p

1 1

PID - rzeczywisty 



+ +

+ 1

1 1

Ts s T s

K T ^d

i p

t u

Kp

Kp t u

Kp

t u

Charakterystyki dynamiczne regulatorów Charakterystyki dynamiczne regulatorów

Wielkości Kp, Ti, Td noszą nazwę nastaw dynamicznych regulatora.

gdzie:

Kp – współczynnik wzmocnienia,

- zakres proporcjonalności,

Ti – czas zdwojenia (całkowania),

Td – czas wyprzedzenia (różniczkowania)

T - nienastawialna stała czasowa ściśle określona dla rzeczywistego regulatora typu PID.

[ ]

1 100

⋅

=

p

p K

X

Dziękuję za uwagę!

Dziękuję za uwagę!