Podst. Automatyki ćwicz. 8 - Instytut Automatyki i Robotyki

Prowadzący(a)
Grupa
Zespół
Lp.
Nazwisko i imię
1.
Instytut
Automatyki i Robotyki
2.
LABORATORIUM
PODSTAW
4.
data ćwiczenia
Ocena
3.
5.
AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8
1
Badanie układu regulacji poziomu cieczy o strukturze kaskadowej z regulatorami
EFTRONIK X
Celem ćwiczenia jest przeprowadzona na podstawie badań, ocena jakości układu
regulacji poziomu cieczy o strukturze kaskadowej. Ocena ta sprowadza się do określenia w
jaki sposób zastosowana struktura układu regulacji zapewnia nadąŜanie wielkości
regulowanej za zadaną oraz jaka jest efektywność kompensacji wpływu działających zakłóceń
i porównanie jej z jakością regulacji uzyskaną w układzie o strukturze jednoobwodowej.
Schemat ideowy układu regulacji o strukturze kaskadowej przedstawia rys. 1.
Rys.1 Schemat blokowy układu o strukturze kaskadowej. Oznaczenia : y (PV)- wielkość
regulowana, w (SP)- wielkość zadana regulatora głównego RG, yp (PVp )- wielkość
pomocnicza - Q , wp (SPp) – wielkość zadana regulatora Rp, z1, z2 - wielkości zakłócające,
RG(s) - transmitancja regulatora głównego, Rp(s) - transmitancja regulatora pomocniczego,
G1(s) , G2(s) - transmitancje obiektu regulacji, u - sterowanie
W przypadku gdy w obiekcie regulacji istnieją opóźnienia oraz duŜe inercje, a w części
obiektu występują nieliniowości, wysoką dokładność dynamiczną moŜe zapewnić układ
regulacji o strukturze kaskadowej. Realizacja układu kaskadowego jest moŜliwa wówczas,
gdy w obiekcie regulacji istnieje moŜliwość pomiaru pomocniczej wielkości yp, której
1
Opracowanie instrukcji do ćwiczenia : dr inŜ. Danuta Holejko
2
opóźnienie w stosunku do głównej wielkości zakłócającej z1 jest znacznie mniejsze niŜ
opóźnienie wielkości regulowanej y. Regulator o transmitancji RG(s),zwany głównym,
wytwarza sygnał wp stanowiący wartość zadaną (wiodącą) dla regulatora o transmitancji Rp(s)
zwanego pomocniczym.
Do analizy właściwości kaskadowego układu regulacji , obiekt regulacji o
transmitancji Gob(s) rozdzielono na schemacie na dwie części G1 i G2., a schemat blokowy z
rys 1 przekształcono do postaci przedstawionej na rys. 2. Przekształcenie to jest moŜliwe przy
załoŜeniu, Ŝe regulator pomocniczy Rp (s) jest członem liniowym.
Rys.2. Przekształcony schemat blokowy układu regulacji o strukturze kaskadowej
Oznaczenia jak na rys.1.
Rys.2. pozwala wyjaśnić moŜliwość pominięcia właściwości dynamicznych
G1(s) części obiektu regulacji
.
Regulator RG (s) oddziałuje na obiekt zastępczy o transmitancji :
G zast ( s ) =
G1 ( s ) R p ( s )
y (s)
= G2 ( s )
w p (s)
1 + G1 ( s) R p ( s )
i jego nastawy jak widać zaleŜą nie tylko od właściwości dynamicznych obiektu ale takŜe od
nastaw regulatora pomocniczego.
JeŜeli w dostatecznie szerokim paśmie częstotliwości, obejmującym typowe
zakłócenia eksploatacyjne , iloczyn | G1(jω ) Rp(jω) | >> 0 otrzymamy
y ( jω )
≅G2 ( jω )
w p ( jω )
co oznacza ,Ŝe charakterystyki dynamiczne części G1(s) obiektu nie mają wówczas wpływu
na charakterystyki dynamiczne układu regulacji.
3
Algorytmy regulatorów stosowanych w układzie kaskadowym dobiera się wg
następujących zasad :
• Regulator pomocniczy jest najczęściej regulatorem proporcjonalnym P , gdyŜ
stosowanie akcji całkującej nie jest konieczne , przede wszystkim chodzi o jak
najszybszą kompensację zakłócenia z1 czego nie zapewnia algorytm regulatora z
akcją I. Działania róŜniczkującego nie stosuje się gdyŜ dostatecznym filtrem dla
zakłóceń z1 o wysokiej częstotliwości jest druga część obiektu G2(s) zawierająca
zwykle czas martwy.
• Regulator główny o transmitancji RG (s) naleŜy rozpatrywać jako regulator w
jednoobwodowym układzie regulacji. Dla zmniejszenia odchyłki statycznej naleŜy
zastosować regulator o algorytmie PI lub PID. Dobierając nastawy tego
regulatora naleŜy
uwzględnić
wpływ
nastaw
regulatora
pomocniczego
na
transmitancję obiektu zastępczego.
W badanym układzie regulacji poziomu cieczy o strukturze kaskadowej wielkością
regulowaną y jest wysokość H1 słupa cieczy w zbiorniku Z1, wielkością pomocniczą jest
natęŜenie przepływu wody Q , a , zakłóceniami są :
♦ skokowa zmiana dopływu wody do zbiornika realizowana otwarciem zaworu VE2,
(przełącznik P1) – zakłócenie z1,
♦ skokowa zmiana odpływu wody ze zbiornika realizowana otwarciem zaworu
VE1,(przełącznik P2).- – zakłócenie z2.
Proces zmiany poziomu cieczy charakteryzuje się znaczną inercją i opóźnieniem
wywołanym przez węŜownicę w rezultacie czego występujące zakłócenie z1 – zmiany
przepływu na dopływie – powodują zmiany poziomu cieczy obserwowane przez regulator RG
z opóźnieniem. Prosty układ regulacji (ćw. PA7a) w którym regulator działa bezpośrednio na
pompę, nie zapewnia dobrej jakości regulacji. W układzie kaskadowym wielkością
pomocniczą jest natęŜenie przepływu wody , które jest stabilizowane przez regulator
pomocniczy Rp dzięki czemu eliminuje się wpływ tego zakłócenia znacznie szybciej i
efektywniej niŜ w układzie jednoobwodowym.. Wpływ zakłócenia z2 na odpływie jest w tym
układzie eliminowany analogicznie jak w układzie jednoobwodowym.
4
Schemat blokowy badanego układu regulacji o strukturze kaskadowej przedstawia rys. 3.
Rys.3. Schemat blokowy układu regulacji poziomu cieczy o strukturze kaskadowej
Do pomiaru natęŜenia przepływu wody Q zastosowano w stanowisku przepływomierz
zwęŜkowy, który składa się z elementu deprymogenicznego którym jest zwęŜka Venturiego
oraz z przetwornika róŜnicy ciśnień z wyjściem prądowym
I (4 - 20 mA) o zakresie
pomiarowym 0 - 500 mm H2O.
Zgodnie z zasadą pomiaru metodą zwęŜkową charakterystyka statyczna przepływomierza
jest nieliniowa i opisana jest zaleŜnością
Q =k ∆p = k1 I
gdzie :
k - stała zwęŜki,
∆p - róŜnica ciśnień na zwęŜce,
k1 – stała przepływomierza
Ze względu na nieliniową charakterystykę przepływomierza zaleca się stosować linearyzację
sygnału I poprzez jego pierwiastkowanie realizowane w warstwie 1 regulatora EFTRONIK
X.
Przebieg ćwiczenia
Dokonać połączeń elementów stanowiska laboratoryjnego zgodnie ze schematem
synoptycznym przedstawionym na rys.4. Zaprogramować regulatory zgodnie ze strukturą
funkcjonalną regulatora EFTRONIK X przedstawioną na rys.5.
5
PVp
T0
PV
Rys.4. Schemat połączeń przyrządów w układzie regulacji poziomu cieczy o strukturze
kaskadowej
6
Rp
y=
Q/I
x
PVp
A
y=x
AI1
11
PID
y=x
SP p y = 1 - x
CAS
M
A,M
51
AO1
YS
M
SP
Sterowanie
pompą w
układzie
kaskadowym
41
Y
H1/I
AI2
12
A
PV
y=x
y=x
PID
SP
CAS
A,M
y=1- x
M
52
AO2
Sterowanie pompą
w
układzie
jednoobwodowym
M
SP
42
RG
REGULATOR EFTRONIK X
Rys.5. Struktura funkcjonalna regulatora EFTRONIK X - struktura kaskadowa
1.Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu
1.1. Pomiar odpowiedzi skokowej pomocniczego obiektu regulacji na zmianę sterowania
Ys (zmniejszenie wydajności pompy ) w układzie otwartym
Otworzyć zawór V1 natomiast zawory VE1 , VE2 i V2 są zamknięte. Regulatory
:pomocniczy i główny ustawić na tryb M. Ustawić sygnał wyjściowy regulatora
pomocniczego Ys = 50 % i odczekać do stanu ustalonego. Dokonać zmiany połączeń z rys. 4.
tak aby zapewnić moŜliwość rejestracji sygnału wyjściowego przepływomierza PVp Włączyć
rejestrator, zmienić skokowo wartość sygnału Ys z wartości 50% na wartość 40 % i
zarejestrować zmiany wielkości pomocniczej PVp . Posuw taśmy 3600 mm / godz.
Z zarejestrowanego przebiegu wyznaczyć parametry załoŜonej transmitancji operatorowej:
G 1( s ) =
gdzie : k =
∆PV p [%]
=
∆Ys [%]
∆ PV p ( s) k
=
∆Ys ( s ) Ts+1
,T=
[sek]
7
1.2. Pomiar odpowiedzi skokowej zastępczego obiektu regulacji na zmianę sterowania
Ys (zmniejszenie wydajności pompy ) w układzie otwartym
Zawory V1 - otwarty; V2, V3, VE1, VE2 - zamknięte. Wyjście regulatora głównego
połączyć z kanałem rejestratora i .wykonać następujące czynności :
1.Zaprogramować strukturę kaskadową regulatora wg rys.5. wprowadzając następujące
ustawienia :
♦ w warstwie 1 kanał 1 ( blok 11 ) nastawić stałą czasową Tf = 2 sek oraz wskazaną na
rys. 5 odpowiednią funkcję przetwarzania ( y=x lub y = x ),
♦ ustawić nastawy regulatora pomocniczego : kp = 2, Ti = 0 , Td = 0,
♦ ustawić działanie „R” dla regulatora głównego i pomocniczego,
2.Regulatory główny o algorytmie PI oraz pomocniczy o algorytmie P ustawić na tryb „M”
3.Ustawić sygnał sterujący Ys = 50 % i odczekać do stanu ustalonego H1 (PV-
kanał 2)
oraz Q (PVp - wielkość mierzona pomocnicza- kanał 1 ).
4. Ustawić wartość zadaną SPp regulatora pomocniczego SPp = PVp.
5. Ustawić sygnał wyjściowy regulatora głównego na wartość równą SPp
i włączyć
rejestrator.
6. Przełączyć regulator pomocniczy na tryb „CAS”. 7.Wprowadzić skokową zmianę sygnału
wyjściowego regulatora głównego ∆Y = 10 %
8.Zarejestrować zmianę wielkości regulowanej
H1 - wyjściowej obiektu
zastępczego.
Posuw taśmy 600 mm/godz.
9.Wyznaczyć parametry transmitancji operatorowej zastępczego obiektu regulacji o postaci :
G ob ( s ) =
'
∆H 1( s) kob
=
e −T s
'
∆Y ( s) Tz s +1
'
0
Tz' =
[ sek ], T0' =
'
[ sek ], kob
=
10. Wprowadzić skokową zmianę sygnału wyjściowego regulatora głównego
∆Y = -10
% i odczekać do stanu ustalonego PV.
11. Wyłączyć rejestrator, przełączyć regulator pomocniczy na tryb M i wykonać czynności
określone w ust.3,4 5.
1.3. Pomiar odpowiedzi skokowej obiektu zastępczego dla zakłócenia wywołanego
zwiększeniem odpływu cieczy ( skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1) –
zakłócenie z2
Wykonać następujące czynności:
8
1. Dla stanu ustalonego PV= const , PVp =const, włączyć rejestrator i przełączyć regulator
pomocniczy na tryb A.
2. Przełącznikiem P1 wywołać zakłócenie z2 i zarejestrować zmiany wielkości regulowanej
PV.
3.Wycofać zakłócenie , wyłączyć rejestrator i odczekać do stanu ustalonego.
4. Przełączyć regulator pomocniczy na tryb M i wykonać czynności określone w ust.3,4 5.
1.4. Pomiar odpowiedzi skokowej obiekt zastępczego wywołanej skokową zmianą
otwarcia zaworu VE2 („zrzut” z pompy)
Wykonać czynności jak opisano w p. 1.3.
2. Dobór nastaw regulatora głównego
Dobrać nastawy regulatora głównego bazując na parametrach obiektu zastępczego
określonych w p.. 1. :
Tz' =
[ sek ], T0' =
'
[ sek ], kob
=
zgodnie z tabelą nastaw podaną w ćwiczeniu PA7.
3. Uruchomienie kaskadowego układu regulacji
1. Regulatory główny o algorytmie PI oraz pomocniczy o algorytmie P ustawić na tryb „M”
2. Programowo wprowadzić nastawy regulatora głównego
3.Ustawić sygnał sterujący Ys = 50 % i odczekać do stanu ustalonego H1 (PV- kanał 2) oraz
Q
(PVp - wielkość mierzona pomocnicza- kanał 1 ).
4.Sprawdzić czy wartość zadana SPp regulatora pomocniczego spełnia warunek SPp = PVp.
5. Sprawdzić czy sygnał wyjściowy regulatora głównego jest równy SPp, jeśli nie to ustawić
go na wartość równą SPp.
6.Przełączyć regulator pomocniczy na tryb „CAS” , a regulator główny na tryb „A”.
7.Zaobserwować zachowanie się układu regulacji.
4. Badanie przebiegów przejściowych układu regulacji poziomu o strukturze
kaskadowej wywołanych zakłóceniami z1, z2
a).Zarejestrować przebieg zmian wielkości regulowanej H1 na otwarcie a następnie po
uzyskaniu stanu ustalonego na zamknięcie zaworu
VE1. Posuw taśmy 600 mm/godz.
b). Zarejestrować przebieg zmian wielkości regulowanej H1 na otwarcie a następnie po
uzyskaniu stanu ustalonego na zamknięcie zaworu
VE2. Posuw taśmy 600 mm/godz.
5. Badanie przebiegów przejściowych układu regulacji o strukturze jednoobwodowej
Wykonać następujące czynności:
9
a). Sygnał wyjściowy z zacisku AO2 podać na pompę.
b). Regulator pomocniczy ustawić na „CAS”, regulator główny na M.
c). Ustawić sterowanie ręczne regulatora głównego na wartość Ys = 50 % i odczekać do stanu
ustalonego.
d).Ustawić wartość zadaną SP regulatora głównego równą PV, włączyć rejestrator i
przełączyć regulator na tryb A.
e). Zarejestrować przebieg zmian wielkości regulowanej PV na otwarcie a następnie po
uzyskaniu stanu ustalonego na zamknięcie zaworu
VE1 ( zakłócenie z2).
f). Zarejestrować przebieg zmian wielkości regulowanej PV na otwarcie a następnie po
uzyskaniu stanu ustalonego na zamknięcie zaworu
VE2 ( zakłócenie z1).
6. Dobór nastaw regulatora głównego metodą Zieglera - Nicholsa
Przeprowadzić eksperyment stosując procedurę opisaną w ćwiczeniu PA7.
Zarejestrować przebiegi przejściowe układu regulacji o strukturze kaskadowej stosując
nastawy regulatora głównego otrzymane z eksperyment Zieglera- Nicholsa.
7. Wnioski
•
Określić z otrzymanych wyników badań wskaźniki jakości regulacji
•
Narysować szczegółowy schemat blokowy układu regulacji poziomu cieczy o
strukturze kaskadowej.
•
Opisać zasady doboru nastaw regulatora głównego i pomocniczego.
•
Porównać wskaźniki przebiegów przejściowych układu o strukturze jednoobwodowej
i kaskadowej.
•
Ocenić skuteczność struktury kaskadowej dla zakłóceń z1 i z2..