Podstawy automatyki (w 4) - regulatory

PRZYKŁADY REGULATORÓW
STOSOWANYCH
W INŻYNIERII ŚRODOWISKA
Wykład 4
REGULATORY
BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
- Regulatory bezpośredniego działania charakteryzują się tym, że energię
niezbędną do działania pobierają za pomocą czujnika z obiektu
regulacji.
- Z tego powodu nazywane są również regulatorami bez energii
pomocniczej.
- W regulatorze bezpośredniego działania
element pomiarowy, regulator, napęd i
element wykonawczy najczęściej stanowią
jedną całość.
- Zaletą tych urządzeń jest prosta budowa i niski koszt.
- Wadą ich jest mała dokładność regulacji spowodowana odchyłką
statyczną i histerezą oraz możliwość realizacji wyłącznie regulacji
stałowartościowej.
REGULATORY BEZPOŚREDNIEGO DZIAŁANIA
- Zazwyczaj regulatory te wykonywane są jako
proporcjonalne
P
bez
możliwości zmiany
współczynnika
wzmocnienia
oraz
realizacji
regulacji programowej.
- Wartość współczynnika wzmocnienia wynika z
konstrukcji regulatora oraz właściwości obiektu
regulacji.
- Wartość zadana w regulatorach tego typu
nastawiana jest mechanicznie.
Zastosowanie regulatorów bezpośredniego
działania
Regulatory bezpośredniego działania w systemach inżynierii
środowiska stosowane są do regulacji:
– temperatury (termostaty przygrzejnikowe, ograniczniki
temperatury powrotu, regulatory temperatury ciepłej
wody),
– ciśnienia (regulatory i reduktory ciśnienia),
– różnicy ciśnień ( regulatory różnicy ciśnień),
– przepływu (regulatory i ograniczniki przepływu),
– poziomu (regulatory poziomu wody).
Wykonywane są również jako wielofunkcyjne regulatory
bezpośredniego działania, na przykład w ciepłownictwie
do jednoczesnej regulacji różnicy ciśnień i przepływu
wody sieciowej w węźle.
REGULATORY TEMPERATURY
• Termostat grzejnikowy wraz z zaworem
grzejnikowym tworzy pracujący bez energii
pomocniczej regulator temperatury o bezpośrednim
działaniu ciągłym typu P.
• Urządzenie sterujące (termostat) składa się z:
• - czujnika temperatury,
• - popychacza
• - oraz zadajnika.
• Zawór grzejnikowy zawierający element nastawczy
(grzybek) stanowi zespół wykonawczy.
Termostat grzejnikowy
Termostat grzejnikowy
• W
czujnikach
termostatów
grzejnikowych
wykorzystywane są następujące zjawiska fizyczne
zachodzące pod wpływem temperatury:
- rozszerzalność cieplna cieczy,
- rozszerzalność cieplna ciał stałych,
- zmiana prężności pary nad powierzchnią cieczy,
- zmiana objętości substancji w czasie krzepnięcia i
topnienia.
Regulatory bezpośredniego
działania różnicy ciśnień
• Urządzenie regulacyjne składa się z regulatora,
zaworu regulacyjnego i siłownika.
• Sterowanie zaworem regulacyjnym odbywa się
przez wykorzystanie energii przepływającego
medium bez konieczności doprowadzania energii
zewnętrznej.
• Wzrost różnicy ciśnień zamyka lub otwiera zawór.
Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania
różnicy ciśnień
Regulatory bezpośredniego działania różnicy
ciśnień – budowa i zasada działania
REGULATORY DWUSTAWNE
REGULATORY DWUSTAWNE
•
•
•
•
•
Regulacja dwustawna jest regulacją nieciągłą, w której wielkość
sterująca przyjmuje tylko dwie wartości minimalną lub maksymalną, w
zależności od tego czy sygnał uchybu jest dodatni czy ujemny.
Minimalna wartość wielkości sterującej jest zwykle oznaczana jako
umowne 0 a maksymalna jako 1.
Wartość 0 oznacza wyłączenie sygnału wyjściowego z regulatora a
wartość 1 pełne włączenie sygnału wyjściowego.
Przełączenie sygnału sterującego następuje po przejściu sygnału
uchybu przez obszar nazywany strefą histerezy.
Histereza pełni w tym przypadku pozytywną rolę zapobiegania zbyt
częstemu działaniu mechanizmu załączającego regulatora (np. styki
elektryczne) oraz zmniejsza częstotliwość załączania urządzeń
wykonawczych.
Przykładowy przebieg wartości regulowanej w
układzie z regulatorem dwustawnym
Sygnał wyjściowy układu regulacji oscyluje pomiędzy dwoma granicami
strefy histerezy.
Jakość regulacji dwustawnej ocenia się na podstawie amplitudy,
częstotliwości oraz wartości średniej oscylacji.
Jak wynika z rys. amplituda drgań wielkości regulowanej może być
zmniejszona przez ograniczenie szerokości obszaru histerezy. Spowoduje to
jednak zwiększenie częstotliwości przełączeń regulatora oraz liczby
zadziałań elementów wykonawczych, co może niekorzystnie wpłynąć na
trwałość tych urządzeń.
H = 2K
załącz
c.o.
y(τ)
14°C
Histereza H = 2K
12°C
wyłącz
c.o.
12°C 14°C Te
0
τ
Regulatory dwustawne
• Regulatory dwustawne są proste w budowie i
działaniu oraz niedrogie.
• Najczęściej wykonywane są jako regulatory
elektryczne sterujące napędami silnikowymi lub
elektromagnetycznymi.
• W klimatyzacji i ciepłownictwie znalazły szerokie
zastosowanie jako urządzenia zabezpieczające
przed niedopuszczalnym spadkiem lub wzrostem
temperatury
(termostaty)
oraz
ciśnienia
(presostaty).
• Służą także jako regulatory wilgotności (higrostaty)
oraz regulatory poziomu cieczy.
TERMOSTATY
• Termostatem nazywamy urządzenie składające się
z czujnika temperatury i regulatora.
• W termostatach najczęściej stosowane są czujniki
rozszerzalnościowe:
• bimetalowe,
• prętowe
• lub membranowe.
TERMOSTATY
• Różne termostaty elektryczne: a - bimetalowy,
b - prętowy, c – membranowy.
TERMOSTATY
• Sprężyna bimetalowa to zwinięte razem dwa
metalowe paski o różnej rozszerzalności cieplnej.
• Czujnik prętowy stanowią dwa powiązane ze sobą
pręty. Jeden z materiału o dużej rozszerzalności
cieplnej,
drugi
wykonany
z
inwaru,
charakteryzujący się znikomą rozszerzalnością
cieplną.
• Czujniki
membranowe
(ew.
z
kapilarą)
wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieczy
(nafta) i gazów (butan, fluorowęglowodór np.freon)
oraz zjawisko adsorbcji.
Presostaty - presostat różnicy ciśnień
Presostat różnicy ciśnień znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie
muszą być sygnalizowane zmiany normalnych różnic ciśnienia (również
nadciśnienia i podciśnienia), monitorowanie i sterowanie ciśnieniem
różnicowym, monitorowanie przepływu, automatyczna kontrola stacji
filtrów i awarii wentylatorów.
Presostat z wyświetlaczem wartości zadanej
Przykłady zastosowania presostatów
• Zabezpieczenie kotłów
• Zabezpieczenie agregatów chłodniczych
• Zabezpieczenie wymienników płytowych przed
oszronieniem
• Kontrola sprężu wentylatorów
• Kontrola stanu filtrów
Presostat różnicy ciśnień - konstrukcje
Inne konstrukcje są stosowane dla powietrza i gazów oraz
inne dla cieczy.
Element pomiarowy:
• Mieszki sprężyste lub membrana z gumy lub silikonu (w
zależności od parametrów). Odkształcenie membrany
powoduje zwarcie lub rozwarcie styku elektrycznego.
• Półprzewodnikowe oporniki na membranie wykrywają
mechaniczne odkształcenie i generują wyjściowy sygnał
elektryczny. Ułożenie kilku oporników na powierzchni
membrany kompensuje wpływ temperatury.
• Ciśnienie przełączające jest nastawiane w zadanym
zakresie (np. 100...600mbar) poprzez pokrętło regulujące
napięcie sprężyny.
Regulatory cyfrowe
Regulacja DDC
Do istotnych zalet układów DDC należy możliwość:
- realizacji dowolnie złożonych algorytmów sterowania,
włącznie ze sterowaniem optymalnym i adaptacyjnym,
- ciągłego pomiaru i rejestracji wartości dowolnych parametrów
procesu,
- przetwarzania danych pomiarowych,
- wykrywania i sygnalizacji stanów awaryjnych,
- zwiększenia
dokładności
sterowania
na
skutek
dokładniejszej identyfikacji obiektu regulacji.
Cyfrowe układy scalają regulację, sterowanie i optymalizację.
Regulacja DDC przy zastosowaniu mikrokomputera
•
Podstawowa różnica pomiędzy regulatorami analogowymi i cyfrowymi
polega na tym, że w regulatorach analogowych sygnały analogowe
ulegają ciągłej obróbce a w regulatorach cyfrowych następuje zamiana
sygnału analogowego na cyfrowy (binarny) następnie obróbka sygnału i
ponowna zamiana na sygnał analogowy (rys.).
Regulator cyfrowy
ym
•
•
A/D
Mikrokomputer
D/A
w
Ponadto sygnały w regulatorach cyfrowych są próbkowane co ustalony
odstęp czasu (cykliczny charakter pracy).
Obliczenia cyfrowe wykonywane są tylko dla dyskretnego czasu zamiast
w sposób ciągły, potrzebny jest więc impulsator po stronie wejściowej i
ekstrapolator po stronie wyjściowej.
Dziękuję za uwagę !