27. Rodzaje regulatorów w instalacjach przemysłowych. I

27. Rodzaje regulatorów w instalacjach przemysłowych. I

27.
Rodzaje regulatorów w instalacjach przemysłowych.
I podział:
Regulatory
Regulatory są urządzeniami technicznymi, służącymi do wytwarzania na podstawie uchybu regulacji
sygnału sterującego, to jest różnicy pomiędzy zadaną wartością regulowanego sygnału, a aktualnie
zmierzoną wartością. Przykładowo regulator temperatury służy do wytwarzania sygnału, który zmienia
strumień energii zasilającej dany obiekt w sposób odpowiedni do różnicy napięć z niezrównoważonego
mostka, który stanowi źródło zadanej wartości temperatury oraz termopary, która mierzy temperaturę w
badanym obiekcie.
Regulatory działania bezpośredniego
Jednym z rodzajów regulatorów, które znajdują się obecnie w użyciu jest regulator bezpośredniego
działania. Stanowi on urządzenie, które zawiera układ pomiarowy, regulator właściwy oraz organ
wykonawczy. Tego typu regulatory nie wymagają dodatkowej energii zasilającej, pobierają ją natomiast
prosto z procesu regulowanego przy udziale układu pomiarowego. Regulatory tego typu wykonywane są
zarówno jako dwustawne, w których wyjściowy sygnał regulatora może przyjmować jedynie dwie
wartości, oraz regulatory o działaniu ciągłym. Jeden z przykładów regulatorów działania bezpośredniego
to bimetalowy regulator temperatury, znajdujący się w żelazku, który pod wpływem temperatury zmienia
swój kształt przerywając jednocześnie obwód grzejnika w żelazku. Kolejnym przykładem jest regulator
ciśnienia znajdujący się w butli gazowej, kolejnym jest termostat znajdujący się w obwodzie pompy
wodnej, która wchodzi w skład układu chłodzenia każdego silnika samochodowego. Regulatory działania
bezpośredniego używane są najczęściej do regulacji temperatury, natężenia przepływu, regulacji
ciśnienia, poziomu cieczy oraz jako regulatory o wielu wartościach wyjściowych.
Regulatory temperatury
Rozróżniane są dwa rodzaje rozwiązań regulatorów temperatury. W pierwszym przypadku czujnik
temperatury umieszczony jest we wnętrzu zaworu, a dzięki zmianie swoich wymiarów jednocześnie
powoduje przesuwanie grzybka w stosunku do gniazda. Przypadek drugi to czujnik, który jest wykonany
w postaci manometrycznego termometru, który dostarcza ciśnienie do sprężystego mieszka. Denko tego
mieszka wprawia w ruch trzpień regulacyjnego zaworu. Typowymi danymi omawianej właśnie grupy
regulatorów temperatury są:
•Szerokość zakresu najczęściej rzędu 10 °C,
•długość linii pomiarowych nie przekraczająca 3 metrów,
•zakres temperatury regulowanej: 30 - 130 °C.
Regulatory wykonywane są z zaworami zamykanymi lub otwieranymi przy wzroście temperatury. Pozycja
temperatury może być ukośna, pozioma lub pionowa.
Regulatory ciśnienia
Regulatory ciśnienia są przeznaczone do stabilizacji ciśnienia w zbiornikach lub w rurociągach.
Elementami pomiarowe to najczęściej membrany. Proste konstrukcje z wykorzystaniem membran
charakteryzują się tym, że membrany służą zarówno do nastawiana pomiaru, jak i jego realizacji.
Bardziej złożone układy posiadają oddzielne zadajniki ciśnienia, także bezpośredniego działania, oraz
oddzielne zawory membranowe, które nie posiadają sprężyn zwierających. Trudności w uzyskaniu
dostatecznie stabilnego układu regulacji są powodowane astatyzmem regulatorów ciśnienia, dlatego też
stosowane bywają korektory, których działanie polega zwykle na wprowadzeniu pochodnej ciśnienia
mierzonego.
Regulatory natężenia przepływu
Najczęściej stosowane elementy pomiarowe to tłoki lub membrany wraz ze zwracającą sprężyną. W
typowych regulatorach natężenia przepływu ciecz, która wytwarza spadek ciśnienia na wyciętej w ściance
tłoka kryzie pomiarowej, który dla małych wahań jest w przybliżeniu proporcjonalną wartością do
przyrostów natężenia przepływu. Wzrost natężenia przepływu jest powodem zwiększenia różnicy ciśnień,
która działa z góry ku dołowi. Powoduje to w następstwie zmniejszenie średnicy otworu dopływowego i
zarazem ograniczenie natężenia przepływu. Siła pochodząca od ciśnienia w stanie równowagi
równoważona jest sprężyną zwracającą. Cylinder ścięty ukośnie może obracać się o pewien kąt względem
tłoka, a dźwignia obrotowa służy do zmiany powierzchni przepływowej kryzy, umożliwiając tym samym
nastawianie różnych żądanych wartości natężeń przepływu.
Regulatory poziomu cieczy
Regulatory cieczy najczęściej są wyposażone w pływak, który stanowi człon pomiarowy, głównie z powodu
jego prostej budowy. W przypadku zbiornika ciśnieniowego mogą powstać trudności, których powodem
jest potrzeba dobrego uszczelnienia i jednocześnie małe tarcie w miejscach wprowadzeń trzpienia zaworu
i dźwigni. Przykładową konstrukcją jest pływak, który dzięki pośrednictwu dźwigni potrafi przestawić
trzpień zaworu regulacyjnego. Zawory regulatorów poziomu oraz komory pomiarowe zazwyczaj są
konstruowane na ciśnienie rzędu 150 - 200 kN/m2, typowa średnica zaworu wynosi 40 mm, każda
zmiana poziomu o 80 - 100mm natychmiast powoduje pełne przestawienie zaworu.
Regulatory posiadające wiele wielkości wejściowych
Regulatory o wielu wielkościach wejściowych posiadają złożone człony pomiarowe, które dostosowane są
do sumowania rezultatów dostarczonych przez kilka pomiarów. Przykładem tego typu regulatora jest
proporcjonalny regulator zasilania kotła parowego. Zadaniem tego regulatora jest utrzymywanie stałego
poziomu cieczy w walczaku, pomimo zakłóceń powstałych na skutek oddziaływania zmian ciśnień
zasilania oraz natężenia odpływu pary. Przewidziano w regulatorze możliwość pomiaru natężenia dopływu
wody, poziomu oraz natężenia odpływu pary, który mierzony jest spadkiem ciśnienia na podgrzewaczu.
Zwiększenie ciśnienia wody zasilającej powoduje zwiększenie natężenia dopływu do kotła, oraz powoduje
przymknięcie zaworu regulacyjnego. Wzrost zapotrzebowania na parę, jest związany ze zwiększeniem
spadku ciśnienia na podgrzewaczu pary lub zmniejszeniem poziomu w walczaku, co powoduje
odemknięcie zaworu.
. Podstawową cechą regulatorów bezpośredniego działania, poza brakiem oddzielnego źródła zasilania,
jest prostota konstrukcji oraz zwartość obudowy. Z tego powodu charakteryzują się one dużą
niezawodnością oraz niskimi kosztami wytworzenia. W zasadzie nie podlegają one konserwacji, wymiana
ma miejsce jedynie w wypadku zużycia. Nie są one niestety zbytnio dokładnie, dlatego stosowane są one
głównie w sprzęcie użytku powszechnego. Wartości regulacji, które są uzyskiwane nie są duże,
wystarczają one jednak dla użytkowników obiektów, z którymi regulatory te będą współpracować.
II podział:
Regulator dwupołożeniowy
Wejściem do regulatora jest standardowo wartość uchybu regulacji, natomiast wyjście z regulatora ma
tylko dwa możliwe stany: max oraz min.
Regulacja polega najczęściej na załączeniu/wyłączeniu urządzenia w zależności od wartości sygnału
wejściowego uchybu.
Wada regulatora dwupołożeniowego: zbyt częste załączanie/wyłączanie urządzenia wykonawczego w
przypadku gdy wyjście systemu oscyluje w pobliżu wartości zadanej.
Rozwiązanie: wprowadzenie strefy nieczułości.
Cechy charakterystyczne:
stosunkowo dobra jakość regulacji stałowartościowej w przypadku obiektów o ‘dużych’ stałych czasowych,
bardzo prosta zasada działania a tym samym fizyczna realizacja (przekaźniki, termobimetale, tranzystory, tyrystory, …),
tanie i wytrzymałe,
nie niwelują uchybu w stanie ustalonym,
nie nadają się do sterowania nadążnego,
‘wprowadzają’ do systemu regulacji nieliniowość.
Regulator P
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalnego (P) jest proporcjonalny do sygnału wejściowego
(błędu regulacji e(t)).
wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji
Zalety
bardzo prosta zasada działania a tym samym fizyczna realizacja,
tanie i wytrzymałe,
Ograniczenia
nie niwelują uchybu w stanie ustalonym,
zmniejszanie uchybu w stanie ustalonym wymaga zwiększania współczynnika wzmocnienia co powoduje wzrost
oscylacji wyjścia obiektu,
nie nadają się do sterowania nadążnego.
Regulator D
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora różniczkującego (D) jest proporcjonalny do szybkości zmian sygnału
wejściowego (błędu regulacji e(t)).
wyjście regulatora = Kd x szybkość zmian błędu regulacji
Zalety
szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji),
Ograniczenia
nie niwelują uchybu w stanie ustalonym (nie reagują na taki błąd!!),
w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator generuje bardzo duży sygnał wyjściowy,
nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia technologiczne) !!
Regulator PD
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno różniczkującego (PD) jest proporcjonalny do szybkości
zmian sygnału wejściowego (de(t)/dt) oraz do wartości tego błędu (e(t)).
wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Kd x szybkość zmian błędu regulacji
Zalety
szybka reakcja na zmiany wartości zadanej (błędu regulacji),
zmniejsza uchyb w stanie ustalonym
Ograniczenia
nie niweluje uchybu w stanie ustalonym,
w przypadku bardzo szybkich zmian błędu regulacji regulator generuje bardzo duży sygnał wyjściowy,
nie ma idealnych regulatorów różniczkujących (ograniczenia technologiczne) !!
Regulator I
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora całkującego (I) jest proporcjonalny do całki (sumy w przypadku
dyskretnym) sygnału wejściowego (błędu regulacji e(t)).
wyjście regulatora = Ki x całka z błędu regulacji w czasie
Zalety
likwidacja stałego lub wolno zmiennego uchybu regulacji,
Ograniczenia
wydłużenie czasu regulacji,
‘nasycanie się’ regulatora !!
Pogorszenie stabilności układu.
Regulator PI
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno całkującego (PI) jest proporcjonalny do całki (sumy w przypadku
dyskretnym) sygnału wejściowego oraz do wartości tego błędu (e(t)).
wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Ki x całka z błędu regulacji w czasie
Regulator PID
Wykorzystuje zalety poszczególnych składowych regulatora oraz stara się niwelować ich wady (poprzez odpowiedni
dobór nastaw regulatora).
Sygnał wyjściowy u(t)z regulatora proporcjonalno całkująco różniczkującego (PID) jest proporcjonalny do szybkości
zmian sygnału wejściowego, całki (sumy w przypadku dyskretnym) sygnału wejściowego oraz do wartości tego błędu.
wyjście regulatora = Kp x błąd regulacji + Ki x całka z błędu regulacji w czasie + Kd x szybkość zmian błędu regulacji
Regulator adaptacyjny
Regulator adaptacyjny jest regulatorem z nastawialnymi parametrami i mechanizmem do nastawy
parametrów.
Regulatory adaptacyjne są nieliniowe ze względu na mechanizm adaptacji parametrów.
Układ sterowania adaptacyjnego to taki, którym zachodzi automatyczne dopasowanie parametrów
regulatora do zmieniających się właściwości obiektu sterowania i jego otoczenia.
Zbiór technik umożliwiających strojenie regulatora w czasie rzeczywistym podczas działania regulatora.
Cechy regulatorów adaptacyjnych
•Dostosowanie się do nieznanych warunków pracy
•Występowanie dodatkowego sprzężenia zwrotnego (od jakości działania)
•Zmienność w czasie współczynników sprzężeń zwrotnych
•Dokonywanie identyfikacji obiektu w trakcie działania układu
•Zmniejszanie niepewności co do sterowanego obiektu w trakcie działania adaptacji
Regulator rozmyty
Sterowanie rozmyte jest „sterowaniem za pomocą reguł”
Sterowanie rozmyte można sklasyfikować jako:
–
nieadaptacyjne sterowanie rozmyte
–
adaptacyjne sterowanie rozmyte
Nieadaptacyjne sterowanie rozmyte – struktura i parametry sterownika rozmytego ustalone w procesie
projektowania pozostają niezmienione podczas jego działania (w czasie rzeczywistym)
Adaptacyjne sterowanie rozmyte – struktura i/lub parametry podlegają zmianom podczas działania
sterownika w czasie rzeczywistym
Sterowanie nieadaptacyjne jest prostsze niż sterowania adaptacyjne, ale wymaga większej wiedzy o
sterowanym obiekcie (o jego modelu) i może dawać gorsze wskaźniki działania
Określenie wartości sterowania opiera się na użyciu bazy reguł rozmytych, mechanizmu
wnioskowania i aktualnego wejścia sterownika
Regulator predykcyjny (MPC)
Sterowanie nadążne (realizowanie trajektorii zadanej) i/lub sterowanie optymalizacyjne (minimalizacja
kosztów). Dane wejściowe: dynamiczny model obiektu wraz z modelem zakłóceń, pomierzone (lub
estymowane) wartości wyjścia z obiektu y w chwili bieżącej i chwilach poprzednich, wartości sterowań u
w chwilach poprzednich, wartość (trajektorii) zadanej yzad w chwili bieżącej i następnych (wyznaczonych
wcześniej). Na podstawie tych danych i obranym celu, generowane są wartości sterowań w bieżącej chwili
i chwilach kolejnych, aż do ustalenia sterowań dla całego horyzontu sterowania. Obiekt otrzymuje tylko
pierwszą wyznaczoną wartość sterowania. W następnym kroku następuje przesunięcie horyzontu
sterowania.