SYNTEZA UKŁADU AUTOMATYCZNEJ REGULACJI TEMPERATURY

Ćwiczenie
SYNTEZA UKŁADU AUTOMATYCZNEJ
REGULACJI TEMPERATURY
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z pracą układu automatycznej regulacji
temperatury
2. WPROWADZENIE
Układy automatycznej regulacji (UAR) są to układy sterowania posiadające sprzężenie zwrotne, których zadaniem jest sterowanie procesem (sygnałami wyjściowymi) w
zależności od doprowadzonych sygnałów wejściowych.
Obiekt regulacji jest to zespół aparatury technologicznej wraz z urządzeniami pomiarowymi i nastawczymi. Urządzenia nastawcze to różnego rodzaju zawory, przepustownice i dozowniki wraz z ich napędami, ale również przykładowo falowniki umożliwiające zmianę wydajności wielu urządzeń, takich jak pompy czy wentylatory. Urządzenia nastawcze pozwalają oddziaływać na wielkość strumieni materiałów lub energii
zasilających aparaturę techniczną. Urządzenia pomiarowe to aparatura pomiarowa,
w skład której wchodzą czujniki pomiarowe wraz z przetwornikami potrafiącymi generować najczęściej sygnały elektryczne (prądowe) lub cyfrowe, proporcjonalne do wielkości mierzonej. Urządzenia pomiarowe dostarczają informacji o wartościach różnych,
zmiennych w czasie, wielkości fizycznych i chemicznych, od których zależy stan przetwarzanych w procesie technologicznych obiektów. Wielkości te, to zmienne procesowe, które powinny mieć określone wartości, konieczne dla zapewnienia właściwej jakości produktów otrzymywanych w procesie technologicznym.
Zmienne procesowe mogą ulegać zmianom na skutek celowej interwencji dla osiągnięcia i utrzymania wymaganych warunków fizyko-chemicznych określonych potrzebami
technologicznymi, jak również w wyniku oddziaływania rozmaitych czynników zakłócających, takich jak zużycie materiałów, zmiana temperatury otoczenia, zmiana napięcia zasilającego, itp. Czynniki zakłócające mogą oddziaływać bezpośrednio na aparaturę technologiczną, jak również na urządzenia pomiarowe i nastawcze oraz instalację
łączącą te urządzenia.
Zespół czynności mających na celu zapewnienie właściwego przebiegu technologicznego nazywa się sterowaniem tego procesu. Szczególnym rodzajem sterowania jest regulacja, która polega na wykorzystaniu do celów sterowania różnicy między wartością
wielkości pożądanej (zadanej) i mierzonej, czyli tak zwanego uchybu regulacji. Istota
regulacji będzie więc polegała na kompensacji wpływu wielkości zakłócających na regulowane, poprzez zmiany wielkości nastawiających tak, aby wartości wielkości regulowanych dostatecznie mało różniły się od pożądanych (zadanych). Zazwyczaj
w obiekcie regulacji wydzielana jest jedna wielkość nastawiająca, której zmiany mogłyby być łatwo wywoływane przez regulator w wystarczającym zakresie oraz wpływie
na wybraną wartość regulowaną. Wówczas wielkość nastawiającą nazywamy wielkością wejściową, a wielkość regulowaną wielkością wyjściową.
1
Jako kryteria klasyfikacji obiektów regulacji zwykle przyjmuje się ich charakterystyki.
Rozróżnia się charakterystyki statyczne i dynamiczne.
Regulator jest to urządzenie, którego zadaniem jest:
 porównywanie wielkości regulowanej ym (zmierzonej przez element pomiarowy)
z wielkością zadaną y0,
 na podstawie otrzymanej wielkości uchybu (błędu) regulacji e = y0  ym wytworzenie wielkości sterującej u, oddziaływującej na obiekt sterowania w taki sposób, aby
błąd regulacji e miał dostatecznie małą wartość.
Ponadto, zadaniem regulatora jest takie ukształtowanie własności dynamicznych układu
regulacji, aby układ ten spełniał postawione przed nim wymagania. Wymaga się mianowicie, aby układ był stabilny oraz zapewniał odpowiednią jakość regulacji w stanie
ustalonym i przejściowym, przy ograniczeniach nałożonych na przebieg sygnału sterującego. Własności dynamiczne układu regulacji kształtuje się m.in. poprzez zastosowanie regulatora o odpowiednio dobranych przez projektanta układu własnościach dynamicznych.
Właściwości dynamiczne idealnych regulatorów PID mogą być opisane za pomocą
transmitancji operatorowej, będącej stosunkiem transformaty Laplace’a sygnału wyjściowego regulatora U’(s) i transformaty Laplace’a uchybu regulacji (sygnału wejściowego) E(s):
G s  


U ' s 
1
 k p  1 
 Td  s 
E s 
 Ti  s

gdzie:
kp – współczynnik wzmocnienia
Ti – czas zdwojenia
Td – czas wyprzedzenia
s – zmienna zespolona w przekształceniu Laplace’a
Wielkości kp, Ti i Td noszą nazwę nastaw regulatora. Są to parametru nastrajalne, które dobieramy tak, aby:
 uzyskać odpowiednie własności dynamiczne regulatora,
 uzyskać najlepszą jakość regulacji.
3. OPIS STANOWISKA
2
Podczas realizacji ćwiczenia wykorzystane zostanie stanowisko laboratoryjne umożliwiające obserwację pracy układu automatycznej regulacji temperatury. Ogólny schemat
stanowiska pokazano na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska do badania układu automatycznej regulacji temperatury.
W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:
 karta pomiarowa
 przetwornik
 separator
 zasilacz stabilizowany
 sterownik mocy
 komputer
 element wykonawczy (grzałka elektryczna)
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
I. W programie GenDAQBuilder stworzyć schemat układu automatycznej regulacji
temperatury postępując według poniższej instrukcji:
1. Po uruchomieniu programu GenDAQBuilder wybrać z menu File → New, następnie w polu Strategy name wpisać nazwę pod jaką zostanie zapisana utworzona
strategia (np. GRUPA1), zatwierdzić OK. Ponownie zatwierdzić OK pytanie
o utworzenie nowej ścieżki.
2. Otrzymane okna: TASK1 i DISP1 rozmieścić na ekranie obok siebie, tak aby były
w całości widoczne.
3. W oknie TASK1 stworzyć schemat układu regulacji, wykorzystując bibliotekę
elementów na pasku narzędzi (klikamy na wybrany obiekt na pasku Menu, a następnie klikamy w oknie TASK1). Do stworzenia schematu wykorzystujemy następujące elementy:

AI – wejście analogowe karty pomiarowe,
3

AO – wyjście analogowe karty pomiarowej,

PID – regulator,

LOG1 – zapis danych pomiarowych.
Na podstawie schematu układu regulacji należy określić ile danych elementów jest
potrzebnych, a także opisać ich znaczenie w badanym układzie automatycznej regulacji temperatury.
4. Połączyć obiekty za pomocą ikony
definiując sygnały:
połączenie AI1-PID: dla elementu AI1 – numer wejścia w karcie pomiarowej
Output1 (dla wielkości Y0) dla elementu PID – sygnał wielkości zadanej Y0
Setpoint
połączenie AI2-PID: dla elementu AI2 – numer wejścia w karcie pomiarowej
Output2 (dla wielkości Ym) dla elementu PID – sygnał wielkości mierzonej Ym
Feedback
połączenie PID-AO: bez konieczności definiowania sygnałów
połączenia elementów AI1 i AI2 z LOG1: definiujemy numer wejścia (Output1
i Output2), a także rodzaj zapisu Logged Data.
połączenie PID-LOG1: bez konieczności definiowania sygnałów
5. Zdeklarować wejścia (wybrać strzałkę z okna Menu → zaznaczyć obiekt → prawym klawiszem myszki otwieramy okno dialogowe obiektu:
4
AI1

Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku
laboratoryjnym, zatwierdzamy OK

W polu From chanel wybieramy – 1, zamykamy okno obiektu AI1 zatwierdzając OK.

AI2

Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku
laboratoryjnym, zatwierdzamy OK

W polu From chanel wybieramy – 2, zamykamy okno obiektu AI2 zatwierdzając OK.
PID
5

W polu Default (initial) setting deklarujemy
wartość współczynnika wzmocnienia (P value): 1.5
czas całkowanie (I value): 0
czas różniczkowania (D value): 0

Zakres sygnału wejściowego Output clamp: od 0 do 5,

Wartość stałej Filter constant ustawiamy na 0.5

Zatwierdzamy OK
LOG1: sprawdzamy, czy wszystkie 3 wyjścia są zadeklarowane
AO1

Klikamy Select i wybieramy kartę pomiarową zainstalowaną na stanowisku
laboratoryjnym, zatwierdzamy OK

I/O settings → Channel ustawiamy na – 1, zamykamy okno obiektu AO1 zatwierdzając OK
II. Przechodzimy do okna DISP1, które służy nam do graficznej prezentacji uzyskanych wartości, na oscyloskopie.
6
1. Wybieramy z paska Menu ikonę
(Real Tme Trend Graf) i powiększamy do
wielkości okna. Następnie definiujemy sygnały, które chcemy zobrazować (klikamy prawym klawiszem myszki, aby otworzyć ustawienia), wykonując następujące czynności:
a) ADD → w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy–
AI1-AI1, w polu Channel wybieramy – Output 1, zatwierdzamy OK
b) ADD → w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy–
AI2-AI2, w polu Channel wybieramy – Output 2, zatwierdzamy OK
c) ADD → w polu Task wybieramy - TASK1, w polu Tag name wybieramy–
PID1-PID1, w polu Channel wybieramy – Channel 0, zatwierdzamy OK
d) Kolor tła Background ustawiamy - White
e) Y-axis range: From 0 - To +5, zatwierdzamy OK
III. Uruchamianie aplikacji.
1. Wystartować strategię z menu głównego, za pomocą ikony
, zatwierdzić mo-
dyfikację strategii OK.
2. W katalogu Projektygeni zapisujemy nazwę strategii (np. GRUPA1)
3. W oknie Enter Log File wpisać nazwę pliku, do którego będą zapisywane dane
np. grupa1, zatwierdzić OK.
4. Po ustabilizowaniu się sygnałów zatrzymujemy aplikację ikoną
5. Uruchamiamy program Matlab, i drukujemy otrzymany wykres
7
load c:\projektygeni\’nazwa pliku z danymi’
plot (‘nazwa pliku z danymi’)
IV. Zmiana nastaw regulatora.
1. Przechodzimy do okna TASK i dla obiektu PID zmieniamy wartości nastaw
regulatora
W polu Default (initial) setting deklarujemy
wartość współczynnika wzmocnienia (P value): 1.5
czas całkowanie (I value): 0.1
czas różniczkowania (D value): 0
pozostałe wartości bez zmian, zatwierdzamy OK
2. Ponownie uruchamiamy aplikację, postępując według punktu III instrukcji.
W sprawozdaniu należy zamieścić:



schemat układu automatycznej regulacji temperatury uwzględniający elementy
stanowiska laboratoryjnego,
uzyskane podczas pomiarów przebiegi sygnałów: wielkości zadanej, wielkości
mierzonej i sterującego (wydrukowane wykresy wraz z opisami),
sformułować wnioski odnośnie wpływu nastaw regulatora na sygnał sterujący
(wyjściowy) z regulatora.
5. PROBLEMY KONTROLNE
1. Zadania regulatora w układzie automatycznej regulacji.
2. Schemat funkcjonalny układu automatycznej regulacji
3. Układ automatycznej regulacji, układ regulacji ciągłej i dwupołożeniowej.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
Findeisen W.: Technika regulacji automatycznej, PWN, Warszawa 1969.
8