Automatyka w inżynierii Automatyka w inżynierii
środowiska środowiska
Wykład 1
Wstępne informacje Wstępne informacje
• Podstawa zaliczenia wykładu: kolokwium – 18.05.2012
• Obecność na wykładach: zalecana.
• 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
LITERATURA LITERATURA
1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 2003
2. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.
3. Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006.
4. Syposz J., Jadwiszczak P.: Zintegrowane systemy zarządzania energią w budynkach.
PAN. 2007
5. Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.
Muller. 2002.
6. Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.
Regulacja i sterowanie Regulacja i sterowanie
wprowadzenie wprowadzenie
Regulator Człon
wykonawczy
Obiekt regulacji zakłócenia Z
w u
y
Człon pomiarowy
e
Sterownik Człon Obiekt
zakłócenia Z
w u y
Standardowe algorytmy Standardowe algorytmy
regulacji i sterowania
regulacji i sterowania
Rodzaje regulacji automatycznej Rodzaje regulacji automatycznej
AUTOMATYCZNA REGULACJA
STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNA
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.
• Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji.
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 ym 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
ti °C
czas +20
+13
DZIEŃ
normalna praca instalacji
ogrzewania
NOC
praca instalacji ogrzewania z osłabieniem
NOC
praca instalacji ogrzewania z osłabieniem
Okresowe osłabienia instalacji OWK Okresowe osłabienia instalacji OWK
Ti °C +20
+13
Qco
OSZCZĘDNOŚĆ
100%
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 uch
ug
y=ti
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 tzco (jako wielkość regulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianami temperatury powietrza zewnętrznego tzew (wartością zadaną w)
• Regulacja ta potocznie jest nazywana regulacją pogodową
Regulacja nadążna (pogodowa?) Regulacja nadążna (pogodowa?)
7
3
u 2
4
T
5
tzco ym
y w
T
1
6 y' = tw
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
• Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest do regulacji temperatury w systemach wentylacji i klimatyzacji w celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzez kompensację własności dynamicznych obiektu regulacji.
• 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.
Schemat układu kaskadowej regulacji Schemat układu kaskadowej regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniu temperatury powietrza w pomieszczeniu
wentylowanym wentylowanym
• Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość pomocnicza y1) utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przez regulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrza wywiewanego tW (główna wielkość regulowana y2).
T
T
1
y1 u1
ti tW
tN
2
y2
u2
Przykład zastosowania regulacji Przykład zastosowania regulacji
kaskadowej kaskadowej
• Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego od temperatury powietrza wywiewanego stosowany w układach
regulacji kaskadowej
tW [°C]
tN[°C]
30 tN max
ti 12
-Δt +Δt
tN min
a b
-1K ti +1K tN max
tN min tN
tW tN=f(±Δt)
Regulatory Regulatory
Regulator w układzie regulacji
obiekt regulacji
w e u y
y ym
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
r=
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
Kp
Kp t u
Kp
t u
Ti
Charakterystyki dynamiczne regulatorów Charakterystyki dynamiczne regulatorów
PD Kp(1+Tds)
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