Symulator układu regulacji automatycznej z samonastrajającym

Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Symulator układu regulacji automatycznej z samonastrajającym
regulatorem PID
Założenia.
Należy napisać program komputerowy symulujący układ regulacji automatycznej, który:
-
ma pracować w trybie sterowania ręcznego i automatycznego z bezuderzeniowym
przełączaniem między trybami
-
ma zawierać samonastrajający regulator PID
-
ma pracować krokowo (wykonanie jednego kroku obliczeń dla celów diagnostyki)
i ciągle
-
ma być napisany w języku C
Rys. 1. Typowy cyfrowy układ regulacji automatycznej z ujemnym sprzężeniem zwrotnym
Symulator musi mieć nastawiane, obok parametrów obiektu i regulatora, również:
-
krok czasowy symulacji
-
krok (okres) regulacji
-
krok (okres) rysowania wybranych sygnałów w układzie z Rys. 1
-
wybór sygnałów wizualizowanych i zapisywanych do zewnętrznego pliku
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Struktura programu powinna realizować następujący algorytm
Rys. 2. Algorytm działania programu symulacyjnego
Obiekt regulacji należy zamodelować w następujący sposób
Rys. 3. Struktura obiektu regulacji z uwzględnieniem bloku generatora zakłóceń
(B__ – blok o nastawianej dynamice i statyce)
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Należy zamodelować zakłócenia wejściowe z1, z2, z3, jak na Rys. 3:
-
wejściowe
-
wewnętrzne
-
wyjściowe
jako:
-
szum biały, szum kolorowy
-
deterministyczne (sinusoida o zadanych parametrach, skok jednostkowy, impuls
prostokątny, trapez, piła)
Poniższy rysunek pokazuje strukturę każdego z bloków B__ na Rys. 3
Rys. 4. Struktura obiektu bloków B__ z Rys. 3
Poszczególne elementy Rys. 4 oznaczają, jak poniżej:
-
N1, N2 – nieliniowości statyczne
-
D1 – inercja 3 rzędu o wzmocnieniu równym 1
D1:
1
3
∏ (1 + sT )
i
i =1
-
(1)
D2 – opóźnienie transportowe wraz ze wzmocnieniem k
D2 :
k ⋅ e − sτ
(2)
Regulator w trybie pracy automatycznej powinien realizować wybrany algorytm PID:


1
a) R ( s ) = K p  1 +
+ sTd 
 sTi

b) R ( s ) = K p +
1
+ sTd
sTi

sTd 
1
c) R ( s ) = K p 1 +
+

 sTi 1 + αTd s 
d) R ( s ) = K p +
sTd
1
+
sTi 1 + αsTd
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania

1
e) u ( t ) = K p αx 0 ( t ) − x ( t ) +
Ti


1
u ( t ) = K p e ( t ) +
Ti
f)

Tdz , Tds = f ( e ( t ) )
∫ ( x ( τ ) − x ( τ ) ) dτ + T
t
0
0
d
∫ ( x ( τ ) − x ( τ ) ) dτ + T
t
0
0
dz
d ( x0 ( t ) − x ( t )) 

dt

dx 0 ( t )
dx ( t ) 
− Tds

dt
dt 
Regulatory PID w rozwiązaniach przemysłowych charakteryzują się członami nieczułości na
wejściu oraz różnymi wariantami algorytmu różniczkowania. Możliwe opcje pokazano
poniżej.
a)
b)
c)
Rys. 5. Sposoby różniczkowania oraz elementy wejściowej strefy nieczułości
w cyfrowych regulatorach PID
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Do wyboru są następujące struktury cyfrowych realizacji algorytmu PID
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Rys. 6. Struktury regulatorów PID: a) z ograniczeniem sygnału sterującego,
b) z zatrzymaniem całkowania od sygnału wyjściowego, c) układ z desaturacją całkowania,
d) desaturacja błędu regulacji, e) struktura INTELEKTRAN-S, h) zatrzymanie całkowania od
sygnału błędu, i) dynamiczne ograniczenie wartości akcji całkującej
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Regulator PID powinien realizować jedną z procedur samonastrajania:
-
według właściwości procesu rozruchowego
-
metodą przekaźnikową
-
poprzez strojenie z wykorzystaniem metod rozmytych
Poniższy algorytm pokazuje, jak powinna zostać zrealizowana procedura samonastrajania
w programie symulatora.
Rys. 7. Procedura samonastrajania
Projekt Informatyka 4 – Języki programowania
Literatura
1. Daca W., Broel-Plater B., Domek S.: Ocena procedur samonastrajania regulatorów PID.
Pomiary Automatyka Kontrola, Nr 1, 1993, str. 8-11
2. Kużnik J.: Sposoby realizacji ograniczenia sygnału wyjściowego w regulatorach PID.
Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Automatyka, Zeszyt 103, 1991, str. 135-153
3. Kernighan B.W., Ritchie D.M.: Język ANSI C. Wyd. 2, WNT, 1997
4. Mazgaj A., Grega W.: Sterowanie procesem o zmiennym opóźnieniu z wykorzystaniem
samostrojącego się regulatora PID. AUTOMATYKA 2002 – Tom 6 – Zeszyt 2,
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo – Dydaktyczne, Kraków, str. 151-175
5. Skoczowski S.: Technika regulacji temperatury. Wydawnictwo PAK, 2000
6. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, 1992
7. Czasopisma: Automatica, Control Engineering Practice, Pomiary Automatyka Kontrola