Ćwiczenie PA7a

(1)

PODSTAWY AUTOMATYKI - laboratorium

Ćwiczenie PA7a

„ Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym ”

Instrukcja laboratoryjna

Opracowanie : dr inż. Danuta Holejko dr inż. Jakub Możaryn mgr inż. Michał Bezler

Warszawa 2019

(2)

PODSTAWY AUTOMATYKI

2

Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym

Celem ćwiczenia jest określenie na podstawie wyznaczonych doświadczalnie charakterystyk statycznych i dynamicznych rzeczywistego obiektu regulacji, którym jest proces. zmiany poziomu cieczy w zbiorniku otwartym, modelu matematycznego tego procesu. Proces pozyskiwania modelu matematycznego nazywany jest identyfikacją obiektu.

1.WPROWADZENIE

Obiektem regulacji nazywamy zachodzący w urządzeniu proces technologiczny podlegający oddziaływaniu zakłóceń, którego pożądany przebieg uzyskuje się przez zewnętrzne oddziaływanie sterujące (sterowanie).

Przebiegi zautomatyzowanych procesów technologicznych są oceniane (kontrolowane) na podstawie pomiarów wielkości charakteryzujących dany proces, a których pożądany przebieg jest określony w zadaniu regulacji. Są to najczęściej wielkości fizyczne takie jak np. temperatura, ciśnienie, lepkość, zawartość składników. Mówi się, że wielkości te są wielkościami wyjściowymi obiektu regulacji (procesu) – wielkościami regulowanymi oznaczanymi umownie symbolami – y1 , y2 , .... yn .

Aby dany proces technologiczny mógł być realizowany, muszą być do niego doprowadzone odpowiednie strumienie materiałów (np. odpowiednie ilości reagujących ze sobą składników) lub strumienie energii (np. paliwa, energii elektrycznej). Od wielkości tych strumieni i od ich parametrów zależeć będzie pożądany przebieg wielkości regulowanych.

Zatem ilości dostarczanej energii lub materii są wielkościami wejściowymix1, x2,...xm obiektu regulacji (procesu). Innymi wielkościami wejściowymi są wielkości wpływające niekorzystnie na przebieg wielkości regulowanych. Są to różnego rodzaju zakłócenia(umownie oznaczane symbolami z1, z2,... zk ). Zakłócenia te mogą bezpośrednio oddziaływać na proces, np. w układzie regulacji temperatury takimi zakłóceniami są zmiany temperatury otoczenia, lub zniekształcać doprowadzone do obiektu strumienie energii lub materii, np. w układzie regulacji temperatury takimi zakłóceniami są zmiany wartości opałowej paliwa. Związek między wielkościami regulowanymi a wejściowymi tworzy opis obiektu w sensie procesowym (rys. 1a).

Urządzenia, w których realizowane są procesy technologiczne wyposażone są w zespoły wykonawcze (ZW), którymi są np. zawory regulacyjne, pompy o zmiennej wydajności, silniki, styczniki itp., umożliwiające dostarczanie strumieni energii lub materiałów do procesu oraz w przetworniki pomiarowe (PP), dostarczające informacje o przebiegu zmian wielkości regulowanych. Zespoły wykonawcze, w wyniku oddziaływania na nie sygnałów sterujących oznaczanych stosując terminologię techniczną symbolami CV1,CV2, ... CVm, i wytwarzanych przez regulatory (sterowniki), kształtują natężenie strumieni materiałów lub energii. Sygnały te są wielkościami wejściowymi obiektu regulacji w sensie aparaturowym jako elementu składowego układu regulacji. Wielkościami wyjściowymi tak rozumianego obiektu regulacji są sygnały wyjściowe przetworników pomiarowych PV1, PV2, ... PVn,

(3)

PODSTAWY AUTOMATYKI

3

nazywane zmiennymi procesowymi. Zależność zachodząca pomiędzy sygnałami wyjściowymi obiektu (zmiennymi procesowymi) a jego sygnałami wejściowymi (sygnały sterujące i zakłócenia) stanowi opis obiektu w sensie aparaturowym (rys.1b).

a) b)

Rys. 1. Schemat ideowy obiektu regulacji o jednej wielkości regulowanej : a) - obiekt regulacji w sensie procesowym, b) – obiekt regulacji w sensie aparaturowym;

oznaczenia: x, y - wielkość wejściowa, wyjściowa obiektu w sensie procesowym, CV - sygnał sterujący, PV - sygnał wyjściowy przetwornika pomiarowego (zmienna procesowa), z1 , z2 ,….. zk– zakłócenia

W najprostszych przypadkach, obiekt regulacji może mieć jeden sygnał wyjściowy (jedną wielkość regulowaną) , jeden sygnał sterujący i wiele wielkości zakłócających (rys. 1a). Jego matematycznym opisem jest zależność sygnału wyjściowego od sygnałów wejściowych

𝑃𝑉 = 𝑓(𝐶𝑉, 𝑧 ,𝑧 ,….𝑧 ) (1)

która, w zależności od właściwości obiektu, może być równaniem algebraicznym albo liniowym lub nieliniowym równaniem różniczkowym o stałych lub zmiennych współczynnikach.

Poprawna ocena właściwości obiektów regulacji jest podstawowym warunkiem umożliwiającym projektowanie układów regulacji. Na ogół analiza właściwości obiektu przebiega dwuetapowo. Pierwszy etap jest analizą procesową, której efektem jest ustalenie związków procesowych między wielkościami regulowanymi jako zmiennymi fizycznymi a wielkościami wejściowymi procesu, którymi są najczęściej parametry strumieni energii lub materiałów dostarczanych do procesu. Wyniki tej analizy są podstawą do właściwego doboru przetwornika pomiarowego oraz zespołu wykonawczego, czyli do poprawnego zaprojektowania obiektu regulacji w sensie aparaturowym. Ogólne związki procesowe powinny zostać określone przez technologa, który najlepiej rozumie fizyczną stronę procesu. Często jednak konieczna jest przy tym pomoc automatyka, aby opis właściwości obiektu podany był w formie użytecznej dla celów regulacji.

Drugim etapem analizy jest określenie modelu matematycznego zaprojektowanego w sensie aparaturowym obiektu jako związku między sygnałami (zmiennymi procesowymi) PVa sygnałami sterowania CV i zakłóceniami. Tworzone modele ze względu na ich cechy aplikacyjne mogą być modelami: globalnymi lub lokalnymi (parametrycznymi).

(4)

PODSTAWY AUTOMATYKI

4

Modele globalne ( bilansowe) tworzone dla celów analizy procesu technologicznego, jego optymalizacji i prowadzenia rozruchu określane są na podstawie zależności między zmiennymi procesowymi wiążącymi np. energię, masę, położenie i stan poszczególnych elementów tworzących proces w pełnym zakresie ich zmienności oraz na podstawie bilansów tych wielkości dla całego obiektu. Model taki ma najczęściej postać nieliniowych zależności różniczkowo-całkowych. Można go wykorzystać zarówno przy projektowaniu układu regulacji jak i optymalizacji punktu pracy.

Modele lokalne (parametryczne) opisują właściwości obiektu w otoczeniu danego punktu pracy co na ogół jest wystarczające do doboru parametrów zainstalowanych w układzie regulacji elementów, do analizy stabilności układu z regulatorem oraz doboru algorytmu sterowania i struktury układu regulacji. Model taki ma zazwyczaj postać założonego z góry opisu matematycznego np. w postaci transmitancji operatorowych : obiektu oraz transmitancji zakłóceniowych. których nieznane parametry określane są w procesie identyfikacji. Model matematyczny obiektu może być także przedstawiony w postaci schematu blokowego , który dostarcza informacji o strukturze obiektu, co jest pomocne przy projektowaniu struktury układu regulacji.Przykładowy schemat blokowy obiektu o jednej wielkości regulowanej i dwu działających zakłóceniach z1, z2opracowany dla zmiennych przyrostowych przedstawia rys.2.

a) b)

Rys. 2. Schemat blokowy obiektu regulacji : a) schemat szczegółowy, b) schemat zastępczy

Jak już wcześniej wspomniano, obiekt regulacji w sensie aparaturowym to nie tylko proces zachodzący w urządzeniu (transmitancja Gproc(s)) ale także zespół wykonawczy ZW (transmitancja GZW(s)) sterowany sygnałem CV oraz przetwornik pomiarowy PP (transmitancja GPP(s)) generujący sygnał PV (rys. 2a). Iloczyn tych transmitancji przedstawia sobą wyrażoną operatorowo zależność wielkości procesowej PVod sterowania CVi jest transmitancją operatorową obiektu określoną symbolem 𝐺 (𝑠) (rys.2 b). Charakter zmian wielkości regulowanej wywołany zakłóceniami określają transmitancje zakłóceniowe 𝐺 (𝑠), 𝐺 (𝑠) … 𝐺 ( 𝑠) (transmitancje zakłóceniowe ze względu na niemierzalność zakłóceń można określić w sposób przybliżony raczej jakościowo niż ilościowo).Schemat blokowy z rys. 2a jest pozyskiwany i weryfikowany w fazie projektowania i doboru poszczególnych

(5)

PODSTAWY AUTOMATYKI

5

zespołów instalacji obiektowej, natomiast schemat z rys. 2b jest pozyskiwany w uruchomionym i działającym układzie regulacji .

Działające na obiekt zakłócenia, których jest najczęściej wiele są niemierzalne i działają w sposób przypadkowy w różnych miejscach obiektu, w efekcie jednak zawsze zaburzają pożądany przebieg procesu, a ich działanie ujawnia się poprzez zmiany wielkości regulowanej a zatem i zmiennej procesowej powodując jej wzrost wartości lub jej spadek. Zależnie od konstrukcji zespołu wykonawczego , natury fizycznej i właściwości procesu oraz charakterystyki statycznej zastosowanego przetwornika pomiarowego, wzrost wartości sygnału wyjściowego CV regulatora sterującego procesem może wywoływać wzrost lub spadek wartości wielkości regulowanej. Oddziaływania te zostały na schemacie blokowym z rys. 2 przedstawione za pośrednictwem węzła sumacyjnego. Znaki w węźle sumacyjnym pokazują możliwe kierunki oddziaływań sterowania i zakłóceń.

Pozyskiwanie modelu może być realizowane analitycznie na podstawie znajomości równań opisujących zależności fizyko - chemicznych obiektu lub eksperymentalnie. Metoda eksperymentalna może być eksperymentem czynnym lub biernym.

Eksperyment czynny polega na pobudzeniu obiektu zdeterminowanym wymuszeniem. Jest to najczęściej wymuszenie skokowe, impulsowe lub sinusoidalnie zmienne. Otrzymana odpowiedź na to wymuszenie pozwala na podstawie odpowiednich konstrukcji graficznych określić parametry założonego modelu matematycznego , który ze względów praktycznych i projektowych ma postać niezbyt złożonej transmitancji tzw. transmitancji zastępczej. Transmitancja ta w sposób przybliżony oddaje właściwości rzeczywistego badanego obiektu w otoczeniu wybranego punktu pracy. Przed rozpoczęciem doświadczenia obiekt musi znajdować się w stanie ustalonym. Dokładność identyfikacji zależy od amplitudy wymuszenia, która winna być na tyle duża aby zminimalizować wpływ zakłóceń a na tyle mała aby nie wprowadzić obiektu w nasycenie. Czas trwania wymuszenia powinien być dostatecznie długi aby możliwe było ujawnienie charakteru odpowiedzi.

Obiekty podobnie jak inne elementy automatyki, klasyfikuje się ze względu na ich właściwości dynamiczne. Taką najbardziej ogólną klasyfikacją jest podział ze względu na zdolność osiągania lub nie osiągania równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuszenia skokowego. Z tego punktu widzenia obiekty dzieli się na :

 statyczne ,

 astatyczne.

Przykładowe odpowiedzi obiektów statycznych i astatycznych na wymuszenie skokowe sterowania CV wykonane we współrzędnych przyrostowych przedstawia rys.3.

Dla obiektów statycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3a,3b przyjmuje się najczęściej następujące modele matematyczne przedstawione w postaci transmitancji operatorowej:

s T z

ob

e

s T

k s

CV s s PV

G

⁰

1 )

( ) ) (

(

^

 



 

(2)

(6)

PODSTAWY AUTOMATYKI

6 gdzie:

kob –wzmocnienie obiektu (w sensie aparaturowym wielkość niemianowana), Tz – zastępcza stała czasowa [sek],

T0 – zastępczy czas opóźnienia [sek].

lub

s n ob

ob

e

Ts k s

CV s s PV

G

^^

 



 

) 1 ) (

( ) ) (

(

(3)

Rys. 3. Przykładowe ogólne odpowiedzi na wymuszenie skokowe a) obiektu statycznego pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym, b) obiektu statycznego wyższego rzędu , c) obiektu astatycznego

Parametry modelu statycznego obiektu regulacji o charakterystyce skokowej przedstawionej na rys.3a , 3b i określonej wzorem (2) można otrzymać z odpowiedzi na wymuszenie skokowe stosując metodę : stycznej (rys.3a, 3b) lub siecznej (rys.4).

(7)

PODSTAWY AUTOMATYKI

7

Rys.4. Ilustracja metody siecznej wyznaczania stałych czasowych obiektu statycznego (rys.3a,3b) modelu (2) obiektu regulacji

Stosując metodę siecznej (rys.4) przechodzącej przez punkty P1, P2, wartości stałych czasowych T0, Tzdla obiektu statycznego określa się z zależności

0 2

2 1

0

1 ln 2

2 ln T t T

t T t

z

 



 

⁽⁴⁾

Parametry modelu określonego wzorem (3) zwanego modelem Strejca określa się z wykresu i z tablic podanych w literaturze.

Dla obiektów astatycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3c przyjmuje się najczęściej model matematyczny przedstawiony w postaci transmitancji operatorowej

s T z

ob

e

s T s

CV s s PV

G 1

⁰

) (

) ) (

( 

^



 

₍₅₎

Parametry modelu określonego wzorem (5) odczytuje się wprost z wykresu na rys.3c.

W eksperymencie biernym parametry modelu określa się na podstawie pomiaru dostępnych sygnałów podczas normalnej pracy układu regulacji bez konieczności przerywania jego pracy i naruszania warunków eksploatacji. W metodzie tej nie mamy wpływu na sygnały podawane na obiekt i identyfikacja obiektu jest w tej metodzie trudna ze względu na często niską zdolność pobudzającą sygnałów. Analiza sygnałów pozwala określić model tzw. stochastyczny, który ze względu na dokładność opisu właściwości obiektu może być wykorzystywany w systemach diagnostycznych lub do optymalizacji procesu regulacji lub też opracowania innego od standardowego algorytmu regulacji.

(8)

PODSTAWY AUTOMATYKI

8 2. OPIS INSTALACJI OBIEKTOWEJ

Obiektem regulacji jest proces zmiany poziomu cieczy w odpowiednio połączonych zbiornikach Z1, Z2. Schemat instalacji obiektowej przedstawia rys.5.

W zależności od konfiguracji stanów zaworów V2 i V4 oraz zastosowaniu na dopływie specjalnie skonstruowanej wężownicy W można realizować różne właściwości obiektu regulacji podane w tablicy 1.

Tablica1. Właściwości obiektu w zależności od konfiguracji zaworów l.p. Typ właściwości

obiektu

Zawór Ustawienie zaworu Wielkość

regulowana

1. Inercyjny I rzędu bez opóźnienia

V2 Zamknięty

poziom H1 V4 Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

2. Inercyjny I rzędu z opóźnieniem

V2 Zamknięty

poziom H1 V4 Ciecz wpływa do zbiornika Z1

przez wężownicę W

3. Inercyjny II rzędu bez opóźnienia

V2 Otwarty

poziom H2 V4 Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

4. Inercyjny II rzędu z opóźnieniem

V2 Otwarty

poziom H2 V4 Ciecz wpływa do zbiornika Z1

przez wężownicę W

(9)

PODSTAWY AUTOMATYKI

9

Rys.5. Schemat części obiektowej stanowiska układu regulacji poziomu cieczy Oznaczenia :

Z1, Z2 – zbiorniki,

V1, V3- ręczne zawory odpływowe,

V2- ręczny zawór łączący zbiorniki Z1 i Z2, V4 - zawór trójdrożny ,

W- wężownica, T0 - opóźnienie transportowe wprowadzane przez wężownicę, VE1- zawór elektromagnetyczny odcinający odpływ ze zbiornika Z1,

VE2 - zawór elektromagnetyczny odcinający zrzut wody na tłoczeniu z pompy, H1 , H2 - wysokość słupa cieczy w zbiorniku Z1, Z2,

PV – sygnał wyjściowy z przetwornika poziomu cieczy LT1, LT2 – przetworniki poziomu cieczy w zbiorniku Z1, Z2,

Q -sygnał wyjściowy z przetwornika QT przepływu (przepływomierz zwężkowy), P- pompa o zmiennej wydajności,

CV- sygnał sterujący pompą (wyjściowy ze sterownika PLC),

P1, P2 - przełączniki ręczne zaworów elektromagnetycznych do wprowadzania zakłóceń.

(10)

PODSTAWY AUTOMATYKI

10

Połączenie zbiorników realizowane jest za pomocą zaworu odcinającego V2.

Wielkością regulowaną jest wysokość słupa cieczy H1 w zbiorniku Z1 lub H2 w zbiorniku Z2. Wymaganiem stawianym badanemu układowi regulacji jest utrzymanie na zadanym stałym poziomie wysokości słupa wody mimo działających na obiekt zakłóceń.

Wielkościami zakłócającymi są zmiany przepływu cieczy na dopływie lub odpływie zbiorników. Zakłócenia te realizowane są przez zdalnie sterowane odcinające zawory elektromagnetyczne VE1, VE2. Zamykanie/otwieranie zaworów realizowane jest za pomocą przycisków P1 i P2 znajdujących się na pulpicie instalacji obiektowej stanowiska. Zawór VE1 wywołuje skokową zmianę przepływu na odpływie ze zbiornika Z1. Jest to zakłócenie VE1. Zawór VE2 wywołuje skokową zmianę przepływu na dopływie cieczy do zbiornika Z1 (tzw. zrzut z pompy). Jest to zakłócenie VE2.

Wielkością sterującą obiektem jest sygnał standardowy 4 - 20 mA pochodzący ze sterownika PLC Simatic S7-1200 firmy Siemens. Sygnał ten zostaje przekształcony przez odpowiedni układ elektroniczny na sygnał napięciowy 0 – 10 V i steruje pompą, której wydajność zmienia się w granicach: 0 – 6.5 l/min na dopływie do zbiornika Z1. Pompa ta pełni rolę elementu wykonawczego w układzie regulacji.

Dodatkowo dokonywany jest pomiar przepływu za pomocą przepływomierza zwężkowego. Zmiana przepływu w zakresie 0 -6.5 l/min wywołuje różnicę ciśnień na zastosowanej zwężce Venturiego w zakresie 0 -500 mm H2O Zastosowany przetwornik różnicy ciśnień przetwarza różnicę ciśnienia na zwężce w sygnał standardowy o zakresie 4 – 20 mA.

Informację o bieżącej wartości wielkości regulowanej wysokości H1 lub H2 słupa cieczy dostarczają elektryczne przetworniki pomiarowe o zakresie 0 - 500 mm H2O i sygnale wyjściowym 4 - 20 mA (pomiar wysokości słupa cieczy odbywa się metodą pośrednią poprzez pomiar ciśnienia hydrostatycznego).

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Identyfikację opisanego obiektu regulacji przeprowadzimy w układzie regulacji o schemacie przedstawionym na rys.6.

Identyfikacja obiektu przeprowadzona będzie na podstawie pomiaru charakterystyki statycznej obiektu w pełnym możliwym zakresie zmian wielkości regulowanej oraz odpowiedzi badanego obiektu na celowo wprowadzone wymuszenie skokowe w wybranym z charakterystyki statycznej punkcie pracy.

Będzie to zatem eksperyment czynny, w którym celowe oddziaływanie na obiekt odbywać się będzie poprzez sygnał sterowania zadawany przez operatora.

Pomiary właściwości statycznych i dynamicznych obiektu przeprowadzone zostaną w układzie regulacji stałowartościowej poziomu cieczy pracującego w trybie sterowania ręcznego „Manual”. Właściwości statyczne i dynamiczne będą reprezentowane poprzez związki między wielkością regulowaną, którą jest wysokość H1 słupa cieczy w zbiorniku Z1 przetworzoną na sygnał mierzony PV, a sygnałem sterującym CVoraz między wielkością regulowaną a wielkościami zakłócającymi proces zmiany poziomu cieczy w zbiorniku. Związki te reprezentować będą:

(11)

PODSTAWY AUTOMATYKI

11

transmitancja operatorowa obiektu Gob(s) oraz transmitancje zakłóceniowe Gz1(s),Gz2(s). Transmitancje te reprezentować będą właściwości dynamiczne w otoczeniu wybranego z charakterystyki statycznej punktu pracy procesu.

Rys.6. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:

 zespół zbiorników połączonych szeregowo,

 sterownik PLC SIMATIC S7-1200 firmy Siemens wraz z modułem wejść/wyjść analogowych wraz z zasilaczem 24V,

 panel HMI

 komputer stacjonarny

(12)

3.1.Wizualizacja

Komunikacja operatora ze sterownikiem realizowana jest za pośrednictwem panelu operatorskiego HMI

SIMATIC KPT600 z dotykowym, kolorowym ekranem, wyposażonym w 6 w pełni programowanych przycisków znajdujących się na frontowej stronie. Wygląd ekranu startowego panelu przedstawia rys.

parametrów i danych konfiguracyjnych możliwa jest dzięki interfejsowi PROFINET.

Panel umożliwia wyświetlanie trendów, tekstów oraz map bitowych.

Rys. 7. Ekran startowy

Rys. 8. Ekran startowy

PODSTAWY AUTOMATYKI

12

Komunikacja operatora ze sterownikiem realizowana jest za pośrednictwem panelu operatorskiego HMI (ang. Human Machine Interface

SIMATIC KPT600 z dotykowym, kolorowym ekranem, wyposażonym w 6 w pełni programowanych przycisków znajdujących się na frontowej stronie. Wygląd ekranu startowego panelu przedstawia rys.7. Komunikacja ze sterownikiem oraz

parametrów i danych konfiguracyjnych możliwa jest dzięki interfejsowi PROFINET.

Rys. 7. Ekran startowy pulpitu HMI

. Ekran startowy komputera stacjonarnego

Komunikacja operatora ze sterownikiem realizowana jest za Human Machine Interface) typu SIMATIC KPT600 z dotykowym, kolorowym ekranem, wyposażonym w 6 w pełni programowanych przycisków znajdujących się na frontowej stronie. Wygląd ekranu . Komunikacja ze sterownikiem oraz transmisja parametrów i danych konfiguracyjnych możliwa jest dzięki interfejsowi PROFINET.

(13)

PODSTAWY AUTOMATYKI

13

Ekran HMI zawiera informację o wprowadzanej strukturze. W polu ”Obiekt”

należy wpisać „Zbiornik”, a w polu „Struktura” wpisać „Jednoobwodowa” . Po wprowadzeniu struktury układu i naciśnięciu przycisku „start”pokazuje się na monitorze komputera stacjonarnego oraz pulpicie sterownika wybrana struktura układu tak jak to pokazują rys.8 i 9

Rys.9. Ekran kolejnego pulpitu HMI

Ikony pod symbolem regulatora oznaczają aktualny tryb pracy (Auto/Manual, Normal/Rewers, sygnał błędu). Po naciśnięciu przycisku "REGULATOR" można przejść do ekranu sterującego regulatorem ( rys.10).

Rys.10. Ekran pulpitu HMI umożliwiający obsługę regulatora

(14)

Po naciśnięciu przycisku

obiektu (rys.11) i identyfikacji obiektu (rys.

Rys.11. Wizualizacja obiektu

Rys. 12. Ekran identyfikacji obiektu

Z poziomu tego ekranu możemy zadawać w procentach sterowanie na obu wyjściach analogowych (w tym obiekcie nie używamy wyjścia analogowego AO1).

Po wybraniuikony stacjonarnego, na jego wyjściowych. Wizualizację

wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu przedstawia rys. 1

PODSTAWY AUTOMATYKI

14

Po naciśnięciu przycisku na pulpicie HMI „Zbiornik” przechodzimy do wizualizacji ) i identyfikacji obiektu (rys.12).

Wizualizacja obiektu

Ekran identyfikacji obiektu

wybraniuikony ,,Regulator główny” z ekranu z rys.8. komputera jego ekranie pokazują się przebiegi wielkości wejściowych i wyjściowych. Wizualizację tą zrealizowano na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu przedstawia rys. 1

” przechodzimy do wizualizacji

z ekranu z rys.8. komputera wielkości wejściowych i zrealizowano na komputerze stacjonarnym wykorzystując oprogramowanie TIA PORTAL. Wygląd ekranu przedstawia rys. 13.

(15)

Rys. 13. Ekran z przebiegami wielkości wyjściowych i wejściowych Ponad przebiegami jest wykres słupkowy obrazujący

 Kolor czerwony –

 Kolor pomarańczowy

 Kolor zielony - „Skok SP”

Na wizualizacji znajdują się następujące przyciski:

 Przycisk Start/Stop przebiegów

 Przyciski „Zwięks

na modyfikowanie aktualnie wyświetlanego przedziału czasu w zakresie od 15sek do 16min

 Pola pod polem tekstowym „

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

 Przycisk „Skok SP

wartości zadanej wraz z monitorowaniem go na górnym wykresie

 Przycisk „Cofnij” resetuje zakłócenie wywołane

 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 pr komputera przycisk

wybrać opcję obróbki zapisanych wyników,

 wygenerować i przesłać zapisany plik z rozszerzeniem programu EXEL lub

PODSTAWY AUTOMATYKI

15

. Ekran z przebiegami wielkości wyjściowych i wejściowych Ponad przebiegami jest wykres słupkowy obrazujący aktywne zakłócenia:

zawór VE1 Kolor pomarańczowy – zawór VE2

„Skok SP”

Na wizualizacji znajdują się następujące przyciski:

Start/Stop pozwala na zatrzymanie lub wznowienie monitorowania Zwiększ przedział czasu” i „Zmniejsz przedział czasu

na modyfikowanie aktualnie wyświetlanego przedziału czasu w zakresie od 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.

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

” resetuje zakłócenie wywołane przyciskiem „

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

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 lub MATLAB.

. Ekran z przebiegami wielkości wyjściowych i wejściowych aktywne zakłócenia:

pozwala na zatrzymanie lub wznowienie monitorowania Zmniejsz przedział czasu” pozwalają na modyfikowanie aktualnie wyświetlanego przedziału czasu w zakresie od

” pozwalają na wyskalowanie osi Y wykresu.

. W przypadku zmniejszania

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

przyciskiem „Skok SP”

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

, wcisnąć na klawiaturze , wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i

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

(16)

PODSTAWY AUTOMATYKI

16

3.2. Identyfikacja eksperymentalna właściwości statycznych obiektu regulacji Identyfikacja właściwości statycznych obiektu sprowadzać się będzie do pomiaru charakterystyk statycznych obiektu jako związku w stanie ustalonym wielkości regulowanej od sterowania w pełnym zakresie działających zakłóceń.

Charakterystyki te są istotne do określenia możliwych punktów pracy obiektu i dopuszczalnych sterowań. Charakterystyki statyczne wykonywane będą dla trzech oddzielnych przypadków:

1. Zawory VE1 i VE2 zamknięte => brak zakłóceń

2. Zawór VE1 – otwarty, VE2 – zamknięty => zakłócenie VE1 3. Zawór VE1 – zamknięty , VE2 – otwarty => zakłócenie VE2.

Wyniki pomiarów należy zamieścić w odpowiednich komórkach tablicy 2.

Każdy z tych przypadków wymaga przeprowadzenia takiej samej procedury, którą przedstawiono poniżej:

a) Sprawdzić położenie zaworów VE1 i VE2 poprzez skontrolowanie stanu

przełączników P1i P2, bądź lampek kontrolnych na wizualizacji komputerowej.

b) Ustawić na panelu HMI tryb pracy „MANUAL”oraz sygnał sterujący pompą CVw tym trybie na wartość 5% (przycisk na wyświetlaczu”Man”)

c) Odczytać i zapisać bieżącą wartość PVpoziomu wody.

d) Odczytać poziom wody H1 wykorzystując skalę umieszczoną na ściance zbiornika.

e) Wykonać punkty od c) do e) zmieniając wartość sygnału sterującego pompą CV zgodnie z tablicą2.

f) Procedurę powtórzyć dla kolejnych dwóch przypadków Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji

CV[%] 0 20 30 40 50 60 70 80 100

1.

H1[cm]

PV[%]

2.

H1[cm]

PV[%]

3.

H1[cm]

PV[%]

3.3. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji

Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych:

obiektu i zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego w którym wykorzystano metodę odpowiedzi skokowej generując skokowe zmiany sygnału sterującego CV i wielkości zakłócających.

Metoda ta pozwala na wyznaczenie parametrów założonej transmitancji obiektu na

(17)

PODSTAWY AUTOMATYKI

17

podstawie prostych konstrukcji graficznych. Z otrzymanych z badań odpowiedzi obiektu na wymuszenia i zakłócenia skokowe określać się będzie transmitancje operatorową obiektu względem sterowania Gob.(s) , oraz transmitancje operatorowe obiektu G z1.(s), G z2.(s)względem zakłóceń .

3.3.1.Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu regulacji na zmianę sterowania CV (zwiększenie wydajności pompy) w układzie otwartym. Określenie parametrów transmitancji Gob(s)

Badania przeprowadzić stosując w trybie „MANUAL”poniższą procedurę:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte b) Na panelu HMI ustawić CV=50% (przycisk „Man”) c) Odczekać aż PVosiągnie ustaloną wartość

d) Zmienić wartość CV z 50% na 60%

e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV≈const

f) Zapisać cały przebieg przejściowy na komputerze dobierając odpowiedni przedział czasu.

g) Po zatrzymaniu przebiegu na monitorze przyciskiem STOP, wcisnąć na klawiaturze komputera przycisk prtsc ,wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego (np. PAINT) i dokonać „obróbki” wykresu stosując metodę stycznej (rys.14) isiecznej( rys.4).

Rys.14. Przykład konstrukcji graficznej do określania parametrów transmitancji operatorowej badanego obiektu wyznaczonych metodą stycznej

Otrzymany przebieg powinien mieć postać jak na rys.14 (komentarz ?).

Zgodnie z rys.14dla badanego obiektu można przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (6) :

s T z

ob

e

s T

k s

CV s s PV

G

⁰

1 )

( ) ) (

(

^

 



 

₍₆₎

(18)

PODSTAWY AUTOMATYKI

18

Z zarejestrowanego przebiegu należy odczytać wartości parametrów zastępczej transmitancji operatorowej obiektu :Tz ,T0,kob.Parametry te należy określić stosując metodę stycznej (rys14) oraz metodę siecznej (rys.4).

Przedstawione transmitancje zostaną zastosowane do doboru nastaw regulatora w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.

3.3.2. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu dla zakłócenia wywołanego zwiększeniem odpływu cieczy (skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1).

Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej G z1(s) Wykonać następujące czynności:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte b) Na panelu HMI ustawić CV=50% (przycisk „Man”) c) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV≈ const.

d) Przełącznikiem P1 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE1 e) Poczekać na ustalenie się poziomu

f) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia parametrów założonej transmitancji:

∆ ( )

∆ ( ) ⁽⁷⁾

f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych f = 30.4 %

Na zarejestrowanym wykresie odczytać PV i obliczyć w ten sposób wartość f

k PV



  1

Przełącznikiem P1 zamknąć zawór VE1.

3.3.3. Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu wywołanej zmianą otwarcia zaworu VE2 („zrzut” z pompy). Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej Gz2(s)

Należy wykonać następujące czynności:

a) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte b) Na panelu HMI ustawić CV=50% (przycisk „Man”) c) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV≈const d) Przełącznikiem P2 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE2 e) Poczekać na ustalenie się poziomu

f) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia transmitancji:

(19)

PODSTAWY AUTOMATYKI

19

𝐺 (𝑠) = ∆𝑃𝑉(𝑠)

∆𝑓(𝑠) = 𝑘

𝑇 𝑠 + 1 𝑒 (8)

f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1, wg danych katalogowych f = 30.4 %.

Z zarejestrowanego wykresu odczytać PV i obliczyć podobnie jak w p.3.3.2 wartość współczynnika k2.

Przełącznikiem P2 zamknąć zawór VE2.

4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

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

1) Określić parametry transmitancji obiektu stosującmetodę siecznej oraz stycznej. Na podstawie rozważań teoretycznych uzasadnić poprawność zarejestrowanej odpowiedzi skokowej badanego obiektu regulacji.

2) Określić przebieg odpowiedzi skokowej obiektu obliczony na podstawie przyjętych transmitancji i dokonać porównania z przebiegiem rzeczywistym.

3) Narysować schemat blokowy badanego obiektu regulacji oraz przeprowadzić jego analizę.

4) Narysować charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadzić analizę właściwości statycznych obiektu,

5) Określić na podstawie charakterystyki statycznej obiektu możliwe punkty pracy układu regulacji

6) Porównać wartość wzmocnienia obiektu kobotrzymaną z charakterystyki statycznej obiektu oraz z charakterystyki skokowej. Skomentować otrzymane wyniki.

7) Określić na podstawie schematu blokowego obiektu jaki winien być kierunek działania regulatora w układzie zamkniętym.

5. LITERATURA

1.Holejko D, Kościelny W.J.: Automatyka procesów ciągłych, WPW, 2013 2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980

3.Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976