Ćwiczenie PA8b „Badanie jednoobwodowego układu regulacji

INSTYTUT AUTOMATYKI i ROBOTYKI
WYDZIAŁ MECHATRONIKI
PODSTAWY AUTOMATYKI
- laboratorium
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji
temperatury powietrza przepływającego przez
rurociąg
Instrukcja laboratoryjna
Opracowanie : dr inż. Danuta Holejko
dr inż. Jakub Możaryn
Warszawa 2011
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg
Celem ćwiczenia jest uruchomienie, badanie właściwości statycznych i dynamicznych, a
następnie ocena jakości regulacji jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza
przepływającego przez rurociąg. Jakość regulacji oceniana będzie na podstawie wartości
wskaźników przebiegów przejściowych układu regulacji wywołanych skokową zmianą
wartości zadanej oraz zakłóceń działających na obiekt regulacji. Celem badań będzie
określenie wpływu algorytmu i parametrów (nastaw) regulatora na wskaźniki przebiegu
przejściowego układu . Identyfikacja obiektu regulacji przeprowadzona w ćwiczeniu PA7b
umożliwi dobór parametrów (nastaw) regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku
SIMATIC S7-1200 zastosowanego w układzie. Analiza otrzymanych wskaźników pozwoli na
ocenę dokładności kompensacji wpływu działających na obiekt zakłóceń oraz dokładności
nadążania wielkości regulowanej PV za zmianą wartości zadanej SP.
1. WPROWADZENIE
Układ regulacji jest szczególnym przypadkiem układu sterowania charakteryzującym
się występującym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Układ taki przedstawia sobą zespół
wzajemnie powiązanych elementów uporządkowany zgodnie z kierunkiem przekazywania
sygnałów. Podstawowymi elementami tego układu to automatyzowany proces zwany
obiektem regulacji i regulator / sterownik PLC sterujący tym obiektem wg algorytmu
zapewniającego pożądany przebieg procesu. Przebieg procesu scharakteryzowany jest przez
zmiany wielości regulowanej PV a jej pożądane zmiany określone są w zadaniu regulacji
wielkością zadaną SP. Schemat struktury przyrządowej układu regulacji przedstawia rys. 1.
Cienkie linie ze strzałkami reprezentują sygnały przekazywane między elementami układu,
natomiast gruba linia reprezentuje przepływ strumieni materiałów lub energii dostarczanych
do procesu.
Przedstawiony schemat struktury przyrządowej pokazuje usytuowanie i wzajemne
oddziaływanie obiektu i regulatora tworzącego układ regulacji a także dostarcza informacji o
cechach funkcjonalnych tych urządzeń. Przemysłowy układ regulacji ma strukturę tzw.
rozproszoną. Obiekt regulacji jako instalacja technologiczna wraz z przetwornikiem
pomiarowym i zespołem wykonawczym przekazuje sygnały do regulatora zainstalowanego
wraz z osprzętem w zdalnej sterowni. Budowa regulatora musi zapewniać realizację regulacji
ręcznej (na pulpicie regulatora przycisk oznaczony Manual) oraz automatycznej (na pulpicie
regulatora przycisk oznaczony Auto). Zmiana trybu pracy dokonywana jest przez operatora
za pośrednictwem pulpitu operatorskiego lub przez nadrzędny układ sterujący. W trybie
regulacji ręcznej przeprowadzany jest rozruch instalacji tzn. pierwsze jego uruchomienie oraz
praca układu w przypadkach awarii. W trybie tym, operator za pomocą sygnału sterowania
ręcznego z regulatora nastawia wartości sygnału sterującego CV steruje procesem tak aby
doprowadzić do równości wielkości regulowanej i zadanej tzn. PV=SP. Wartość zadana SP
w układach regulacji stałowartościowej ma wartość stałą i jest także z pulpitu operatorskiego
za pomocą nastawnika SP nastawiana przez operatora jak również i nastawy regulatora.
2
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
Rys. 1. Schemat struktury przyrządowej układu automatycznej regulacji : x, y ,– wielkości
wejściowa i regulowana procesu, SP, PV– sygnały wielkości zadanej i zmiennej procesowej,
e – sygnał odchyłki regulacji, CV– sygnał sterujący (sygnał wyjściowy regulatora), Manual –
regulacja ręczna, Auto- regulacja automatyczna, ZW – zespół wykonawczy, PP –
przetwornik pomiarowy
Dla celów analizy matematycznej układu regulacji, schemat struktury przyrządowej
przekształca się do postaci uproszczonej, zredukowanej do jednego zakłócenia i jednej
wielkości regulowanej i przedstawionej w postaci schematu blokowego jak na rys. 2.
Przedstawiony na schemacie blokowym (rys.2) węzeł sumacyjny 1 nie reprezentuje
żadnej fizycznie realizowanej operacji sumowania, ma on jedynie ułatwić i uprościć analizę
oddziaływania na obiekt zakłóceń z i sygnału CV sterującego obiektem tak aby
skompensować wpływ zakłóceń lub zapewnić nadążanie wielkości regulowanej za zadaną.
.W rzeczywistym układzie regulacji zakłócenia działają najczęściej w różnych miejscach
układu a nie tylko na wejściu obiektu i mają one charakter przypadkowy, są niemierzalne ,
mają określoną dynamikę ale zawsze w efekcie ich działania zmienia się wielkość regulowana
co przedstawione jest na schemacie blokowym na rys. 2. Kierunek działania zakłóceń może
być dodatni jak i ujemny (stąd znak  w węźle 1). Oddziaływanie zakłóceń i sygnału
sterującego jest zawsze zintegrowane z obiektem. Sterowanie CV oddziałuje na obiekt przez
zespół wykonawczy, który steruje przepływem strumieni materiałów lub energii do obiektu i
zależnie od konstrukcji wewnętrznej tego zespołu wzrost sygnału sterującego może zwiększać
(znak + w węźle 1, rys. 2b) lub zmniejszać (znak – w węźle 1, rys. 2a) ilość dostarczanych
materiałów/energii. To samo dotyczy węzła sumacyjnego 2. Jest on zintegrowany z
regulatorem(sterownikiem) i stanowi jego część składową. W węźle tym porównywana jest
wielkość regulowana PV z wielkością zadaną SP, a wynikiem porównania jest odchyłka
3
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
regulacji e. Aby zapewnić w układzie regulacji ujemne sprzężenie zwrotne sygnał wyjściowy
CV regulatora wyliczany jest zgodnie z realizowanym algorytmem dla odchyłki +e (rys.2b)
albo – e(rys.2a). W przypadku rys. 2b regulator musi mieć działanie normalne (Normal) a
w przypadku rys. 2a - działanie odwrotne (Rewers).
a)
b)
Rys.2. Schemat blokowy układu regulacji z regulatorem o działaniu: a) normalnym, b)
odwrotnym. Oznaczenia: z – zakłócenie, Gz, – transmitancja zakłóceniowa obiektu, Gob –
transmitancja obiektu względem sterowania, Gr – transmitancja regulatora, e – odchyłka
regulacji. Pozostałe oznaczenia jak na rys.1.
4
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
2. OCENA JAKOŚCI REGULACJI
Układ regulacji, oprócz stabilności, winien posiadać szereg innych właściwości
dotyczących zarówno stanu ustalonego jak i procesu przejściowego. Stwierdzenie, że układ
jest stabilny oznacza, że składowe przejściowe zanikają w miarę upływu czasu, ale to nie
wystarcza w zastosowaniach praktycznych. W praktyce powstaje konieczność
dokładniejszego sprecyzowania w jaki sposób przebiegi przejściowe zanikają oraz
konieczność sprecyzowania warunków stawianych przebiegom przejściowym.
Zadanie każdego układu regulacji polega na utrzymywaniu równości między
wartościami wielkości regulowanej PV, a zadanej SP. Zadanie to może być wykonane z
ograniczoną dokładnością. Jak wynika ze schematu blokowego (rys2) w pracy układu
regulacji powstaje bowiem odchyłka regulacji e, stanowiąca różnicę między wielkością
regulowaną a wartością zadaną wielkości regulowanej.
Odchyłka ta zdefiniowana jako
e(t )  PV (t )  SP(t )
(1)
niezależnie od kierunku działania regulatora czy zespołu wykonawczego (tzn. niezależnie od
kierunku działania regulatora) przyjmowana jest jako wskaźnik jakości regulacji.
Odchyłka oznaczona symbolem ez zwana odchyłką zakłóceniową wywołana jest
zakłóceniami działającymi na obiekt i wywołującymi zmianę wielkości regulowanej a
odchyłka oznaczona symbolem ew zwana odchyłką nadążania wywołana jest zmianą w
czasie wielkości zadanej i regulator winien poprzez swoje działanie zapewnić nadążanie
wielkości regulowanej za zadaną.
Ocena poprawności i jakości działania układu regulacji sprowadza się do oceny jego
dokładności statycznej i dynamicznej. Dokładność statyczną ocenia się na podstawie wartości
odchyłki regulacji tzw. odchyłki statycznej oznaczonej symbolem est w stanie ustalonym.
Odchyłka ta jest wynikiem braku możliwości regulacyjnych układu do całkowitego
skompensowania w stanie ustalonym wpływu działających na obiekt zakłóceń.
Podstawową formą oceny właściwości dynamicznych układu regulacji jest ocena
przebiegu zmian odchyłki regulacji spowodowanej skokową zmianą zakłócenia z lub
skokową zmianą wartości zadanej SP. Przebiegi przejściowe w stabilnych układach regulacji
mogą być zależnie od parametrów obiektu oraz regulatora aperiodyczne lub oscylacyjne.
Dla oceny tych przebiegów stosuje się najczęściej następujące wskaźniki:
em. - maksymalna odchyłka dynamiczna,
tr - czas regulacji określony jako czas od chwili wprowadzenia pobudzenia (z lub w) do
chwili, gdy odchyłka regulacji e(t) osiąga wartości mieszczące się w strefie tolerancji .
Wartość  określa się jako  = 0.05em,
 - przeregulowanie określa w procentach stosunek amplitudy drugiego odchylenia e2 do
e
amplitudy pierwszego odchylenia e1 zgodnie ze wzorem   2 100% ,
e1
est – odchyłka statyczna , ogólnie,
ez – statyczna odchyłka zakłóceniowa,
ew – statyczna odchyłka nadążania.
5
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
a)
b)
Rys. 3. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu
regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną
est 0, b) z odchyłką statyczną est =0
Sposób określania wymienionych wskaźników na podstawie odpowiedzi skokowej
odchyłki regulacji dla wymuszenia skokowego wartości zadanej SP lub zakłócenia z
działającego na obiekt pokazują rys. 3,.4., 5, 6.
6
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
a)
b)
Rys. 4. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu
regulacji dla zakłócenia skokowego z(t) = 1(t): a) przebiegi układu z odchyłką statyczną
est 0, b) z odchyłką statyczną est =0
a)
b)
Rys.5. Sposób określania wskaźników oscylacyjnego przebiegu przejściowego układu
regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = SP1(t) : a) przebiegi układu z
odchyłką statyczną est 0, b) z odchyłką statyczną est =0
7
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
a)
b)
Rys. 6. Sposób określania wskaźników aperiodycznego przebiegu przejściowego układu
regulacji dla skokowej zmiany wartości zadanej SP(t) = SP1(t) : a) przebiegi układu z
odchyłką statyczną est 0, b) z odchyłką statyczną est =0
Z punktu widzenia użytkownika poza
wartości wielkości regulowanej zarówno w
Szczególnie ważne są wartości bezwzględne
minimalne jak i maksymalne , bo od tego
bezpieczeństwa.
wartościami odchyłek regulacji ważne są
stanach ustalonych jak i przejściowych.
wielkości regulowanej zarówno wartości
zależy poprawna praca układu i warunki
8
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
3. DOBÓR NASTAW REGULATORÓW
Stosowane w praktyce przemysłowej regulatory ciągłe są urządzeniami
uniwersalnymi. Ich parametry (nastawy) można zmieniać (nastawiać) w szerokich granicach,
dzięki czemu mogą one współpracować poprawnie z obiektami o zróżnicowanej dynamice.
Zależnie od postawionych wymagań dotyczących jakości regulacji należy dokonać
odpowiednich nastaw regulatora którymi są wartości:
kp – wzmocnienie,[wielkość niemianowana]
Ti – czas zdwojenia,[sek]
Td – czas wyprzedzenia,[sek]
dobierane zależnie od stawianych układowi wymagań jakości regulacji wg procedur
nazywanych doborem nastaw.
Na podstawie rozważań teoretycznych, badań modelowych i doświadczeń
eksploatacyjnych opracowano wiele reguł nastawiania regulatorów PID zależnych od
określonego modelu obiektu regulacji, rodzaju i miejsca oddziaływania zakłóceń, przyjętego
kryterium jakości regulacji a także algorytmu regulacji. Najbardziej rozpowszechnionym
przyjętym kryterium jakości regulacji są cechy przebiegu przejściowego układu regulacji.
Wyróżnia się przy tym najczęściej następujące rodzaje przebiegów:
a) przebieg aperiodyczny z przeregulowaniem   0  5% i minimum czasu regulacji tr,

zapewnia minimum całki  e(t )dt , jest to kryterium oznaczane IAE (ang. Integral of the
0
Absolute value of Error)
b) przebieg oscylacyjny z przeregulowaniem około   20% i minimum tr, zapewnia minimum

całki  t e(t )dt ; jest to kryterium oznaczane ITAE (ang. Integral of the Time weighted
0
Absolute Error),

c) przebieg z minimum całki z kwadratu odchyłki regulacji tzn.
e
2 (t )dt  min , zapewnia
0
przeregulowanie   45% ; jest to kryterium oznaczane ISE (Integral of Square of the Error).
Przy doborze nastaw dla obiektów statycznych ważnym parametrem jest stosunek czasu
opóźnienia do zastępczej stałej czasowej T0/Tz charakteryzujący podatność obiektu na
regulację. Gdy stosunek ten przekracza wartość 0.3 jakość sterowania z nawet najlepiej
dobranymi nastawami regulatora PID znacznie się pogarsza.
W ćwiczeniu zastosowane zostaną następujące metody doboru nastaw :
a) metoda tabelarycznego doboru nastaw po doświadczalnej identyfikacji obiektu,
b) metoda doświadczalna Zieglera – Nicholsa.
3.1. Metoda tabelarycznego doboru nastaw
Metoda ta wymaga znajomości parametrów obiektu. Dla obiektu statycznego są to
kob, T0, Tz. Jeżeli nie dysponujemy teoretycznym zapisem modelu obiektu, korzystanie z
tablic czy nomogramów wymaga wcześniejszej identyfikacji obiektu np. metodą odpowiedzi
skokowej na podstawie której można wyznaczyć wymagane parametry modelu. Znając te
parametry określa się nastawy regulatora zapewniające wymaganą jakość regulacji np.
9
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
wymaganie oscylacyjnego lub aperiodycznego charakteru przebiegów przejściowych układu
regulacji.
W tablicy 1 zestawiono wzory określające nastawy regulatorów dla obiektów
statycznych. Wzory te uwzględniają miejsce wprowadzenia zakłócenia. Inne muszą być
nastawy regulatora w przypadku regulacji stałowartościowej zapewniając możliwie szybkie
kompensowanie zakłóceń z, a inne gdy ten sam układ ma pracować jako układ nadążny
zapewniając wierne odtwarzanie zmian wartości zadanej SP.
Zmiana
wartości zadanej SP
Z(t)=1(t)
Tablica 1. Zestawienie wzorów dla nastaw regulatorów do obiektu Gob (s )  kob
e  sT0
Tz s  1
Rodzaj
przebiegu
Typ
regulatora
kob kp T0 /Tz
Ti / T0
Td / T0
=0%
min tr
P
PI
PID
P
PI
PID
P
PI
PID
P
PI
PID
0.3
0.6
0.95
0.7
0.7
1.2
0.3
0.35
0.6
0.7
0.6
0.95
0.8 + 0.5 Tz /T0
2.4
1 + 0.3 Tz /T0
2.0
1.17 Tz /T0
Tz /T0
Tz /T0
1.36 Tz /T0
0.4
0.4
0.5
0.64
 = 20 %
min tr
=0%
min tr
 = 20 %
min tr
3.2. Metoda doświadczalna Zieglera-Nicholsa
Metoda doboru nastaw regulatorów opracowana w 1942 r przez Zieglera i
Nicholsa jest jedną z najczęściej stosowanych i rozpowszechnionych metod doświadczalnych
doboru nastaw regulatorów o algorytmach PID. Metoda ta stosowana jest wówczas gdy
regulator i inne elementy rzeczywistego układu regulacji są już zainstalowane, ich
funkcjonowanie jest sprawdzone (w trybie regulacji ręcznej) i należy tylko dobrać nastawy
regulatora. Metoda Zieglera – Nicholsa (skrótowo Z-N) spotykana jest w dwóch wariantach:
1) nastawy regulatora dobierane są na podstawie parametrów zamkniętego układu regulacji
doprowadzonego do granicy stabilności (metoda wzbudzenia układu),
10
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
2) nastawy regulatora dobierane są na podstawie parametrów określonych z charakterystyki
skokowej obiektu regulacji (tylko statycznego).
W badanym w ćwiczeniu układzie zostanie zastosowana metoda Z-N wzbudzania układu.
Stosując ta metodę: dobór nastaw przeprowadza się wykonując następujące czynności:
1. W trybie sterowania ręcznego (tryb Manual), zmieniając CV, doprowadzić wielkość
regulowaną PV do stanu, w którym sygnał wyjściowy obiektu PV zrówna się z
wymaganą wartością zadaną SP.
2. Ustawić regulator zainstalowany na obiekcie na działanie proporcjonalne, tzn., że
jeżeli zainstalowany regulator ma działanie PID, to należy wyłączyć akcję całkującą i
różniczkującą, ustawić punkt pracy u p regulatora równy nastawionej w ramach
czynności 1 wartości CV oraz nastawić początkową wartość wzmocnienia regulatora
kp  0.
3. Przełączyć układ na sterowanie automatyczne (tryb Auto) i jeżeli układ zachowuje
stan równowagi, zadajnikiem SP wytworzyć impulsową zmianę wartości zadanej o
amplitudzie i czasie trwania impulsu zależnym od spodziewanej dynamiki procesu;
obserwować lub rejestrować zmiany PV. Praktycy zalecają amplitudę impulsu o
wartości 10% zakresu zmian sygnału PV i czas trwania impulsu timp równy około
10 % szacowanej wartości zastępczej stałej czasowej obiektu.
4. Jeżeli zmiany PV są wystarczająco rozróżnialne, uznajemy próbę jako poprawną i
oceniamy charakter przebiegu. Jeżeli zmiany są gasnące (rys. 7a), to znaczy że
k p  k pkryt . Należy ponawiać czynności 1 ÷ 4, ustawiając coraz to większe wartości
k p aż do wystąpienia w układzie stałych niegasnących oscylacji, jak to przedstawia
rys. 7c.
5. Jeżeli zmiany PV są oscylacyjne o narastającej amplitudzie (rys. 7b), to znaczy że
k p  k pkryt i w kolejnych próbach należy zmniejszać wartość k p .
6. Z zarejestrowanego przebiegu o niegasnącej amplitudzie, odpowiadającego krytycznej
wartości wzmocnienia k pkryt , należy odczytać okres oscylacji Tosc .
W trakcie eksperymentów należy kontrolować czy sygnał sterujący CV nie osiąga
wartości granicznych. Jeżeli wystąpią takie objawy, należy zmniejszyć parametry impulsu
SP.
Poszukiwane nastawy regulatora oblicza się na podstawie k pkryt i Tosc , stosując
wzory podane w tablicy 2.
11
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
a)
b)
c)
Rys. 7. Przebiegi zmian wielkości regulowanej PV uzyskiwane w trakcie eksperymentu
Zieglera – Nicholsa
Idea tej metody jest zaimplementowana w nowoczesnych regulatorach
mikroprocesorowych lub sterownikach PLC jako tzw. procedura samostrojenia
(ang.autotuning).
Tablica 2. Nastawy regulatorów PID wg metody Zieglera – Nicholsa
Algorytm
regulatora
P
PI
PID
Metoda Z- N stałych oscylacji
układu (układ zamknięty)
kp
Ti
Td
0.5 kpkryt
0,45 kpkryt
0.85Tosc
0.6 kpkryt
0.5 Tosc
0.12 Tosc
12
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
4. OPIS INSTALACJI
Schemat badanego jednoobwodowego układu regulacji temperatury powietrza
przepływającego przez rurociąg przedstawiono na rys.8
Rys. 8. Schemat połączeń elementów układu regulacji temperatury powietrza
Stanowisko do badania jednoobwodowego układu regulacji (Rys.3.1) składa się
ze sterownika PLC (1), panelu HMI (2), komputera PC (3) - połączonych w sieć
ethernetową (4), rurociągu (5) i zasilacza (6). Wyjścia analogowe sterownika połączone jest
z wejściem sterującym obrotami wentylatora S (AO1) i mocą grzałki G (AO2)
zainstalowanych w rurociągu. Do wejść cyfrowych sterownika, poprzez zasilacz,
doprowadzone są sygnały informujące o położeniu przesłony (DI1) i o zmianie rezystancji
grzałki (DI2). W sterowniku zaimplementowano regulator PID. Jego zadaniem jest
utrzymanie zadanej temperatury powietrza przepływającego przez rurociąg, poprzez
sterowanie mocą grzałki. Panel HMI umożliwia konfigurowanie i monitorowanie parametrów
regulatora, natomiast symulacja na monitorze komputera umożliwia rejestrowanie przebiegów
wymuszeń, odpowiedzi obiektu i sterowania regulatora. Z jej poziomu możliwe jest także
sterowanie obrotami wentylatora.
Podczas wykonywania ćwiczenia student korzysta z dwóch wizualizacji. Pierwsza,
zrealizowana na panelu SIMATIC KPT600, umożliwia konfigurację i monitorowanie
parametrów i sygnałów regulatora (rys.9). Wartości procentowe wielkości sterującej CV i
13
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
procesowej PV są przedstawione na wykresach słupkowych (1) oraz w podświetlonych na
zielono polach (2). Wizualizacja umożliwia zmianę wielkości zadanej SP (3), okresu
impulsowania regulatora (4) oraz nastaw regulatora (5).
Na panelu znajdują się przyciski umożliwiające zmianę trybu pracy regulatora AUTO/MANUAL (6) oraz przyciski umożliwiające zmianę działania regulatora Normal/Rewers (7). Nad przyciskiem MANUAL znajduje się pole umożliwiające zmianę
wielkości sterującej CV w trybie MANUAL.
Rys. 9. Wizualizacja na panelu HMI
Drugą wizualizację, zrealizowano na komputerze PC, w którym korzystając z
funkcji oprogramowania TIA Portal zasymulowano panel SIMATIC TP1500 (rys.10). Na
wizualizacji monitorowane są wartości i przebiegi wielkości procesowej PV, zadanej SP,
sterującej CV oraz zakłóceń Δw, ΔP i ΔS (1). Przycisk PV i SP (2) służy do włączenia
przebiegu wielkości procesowej PV i zadanej SP. Wciśnięcie przycisku CV (3) powoduję
włączenie przebiegu wielkości sterującej CV. Na obu trendach zaznaczany jest moment
wystąpienia zakłócenia (pionowa zielona linia). Przyciski Zwiększ przedział czasu, Zmniejsz
przedział czasu (4) służą do zmiany przedziału czasu (15s÷16min), w którym przedstawiany
jest przebieg. Za pomocą przycisku < (>) (5) możliwe jest przesuwanie przebiegu w lewo
(prawo), natomiast wciśnięcie przycisku Aktualny (6) realizuje powrót do aktualnego
przebiegu. Przycisk START/STOP (7) zatrzymuje oba przebiegi, ponowne wciśnięcie włącza
monitorowanie. Przycisk ZWIĘKSZ SP(ZMNIEJSZ SP) (8) zwiększa (zmniejsza)
jednokrotnie wielkość SP o wartość wpisaną w polu pomiędzy przyciskami (8). Funkcja jest
przydatna do generacji odchyłki e. Pole Obroty wentylatora służy do sterowania obrotami
wentylatora (0÷100%). W polach SP, PV i CV (10) monitorowane są wielkości zadana SP,
procesowa PV i sterująca CV.
14
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
Rys. 10. Wizualizacja komputerowa
15
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
5. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W badanym w ćwiczeniu układzie regulacji, wielkością regulowaną jest temperatura T
powietrza przepływającego przez rurociąg (wielkość reprezentowana przez sygnał PV),
sterowaniem jest sygnał prądowy CV z zakresu [4-20]mA generowany przez sterownik
SIMATIC S7-1200 firmy Siemens podawany na grzałkę G, zakłóceniami są :
 skokowa zmiana przekroju wlotowego powietrza (przez przestawienie pozycji przesłony P
z zamknięte /otwarte co oznacza zmianę przekroju z 389 na 1661 mm2 ),
 skokowa zmiana mocy grzejnej grzałki G przez dołączenie lub odłączenie dodatkowej
rezystancji ( pozycja przełącznika „0” lub „1” );powoduje to zmianę oporności grzałki z
100  na 75  .
 skokowa zmiana prędkości obrotowej silnika wentylatora realizowana przez skokową
zmianę sygnału YW podawanego do układu sterowania silnikiem S wentylatora dla
przypadku sterowania obiektu mocą grzejną YG.
Właściwości obiektu regulacji zostały określone w ćwiczeniu PA7b. Aby poprawnie
działał układ regulacji należy dobrać w zależności od wymagań jakości regulacji, parametry
regulatora PID zaimplementowanego w sterowniku zgodnie z procedurą doboru nastaw.
5.1. Dobór nastaw regulatora metodą tabelaryczną
Bazując na wynikach identyfikacji obiektu przeprowadzonej w ćwiczeniu PA7b
podać parametry obiektu określone z metody stycznej lub siecznej (wg. polecenia
prowadzącego):
kob = ..............., T0 = ...............,
Tz = ...............
Korzystając z tablicy 1 obliczyć nastawy regulatorów P/PI/PID dla przebiegów z
przeregulowaniem 0 % lub 20 % ( zgodnie z poleceniem prowadzącego) i wstawić je do
tablicy 3.
Tablica 3
Typ
=0%
 = 20 %
regulatora
kp
Ti [s]
Td [s]
kp
Ti [s]
Td [s]
P
PI
PID
5.2. Rozruch instalacji
Rozruch rzeczywistych instalacji układów regulacji przeprowadza się zwykle w sposób
ręczny. Zainstalowany regulator przełączany jest przez operatora na tryb sterowania ręcznego
MANUAL. Operator ustawia w regulatorze projektowy algorytm działania, wstępne nastawy
oraz projektowaną dla danej instalacji wartość zadaną SP, następnie zmieniając sygnał
sterowania ręcznego regulatora, steruje procesem tak długo aż wielkość regulowana PV
osiągnie trwały stan ustalony na poziomie odpowiadającym żądanej wartości zadanej SP.
Jeżeli wszystkie urządzenia wchodzące w skład układu pracują poprawnie i osiągnięty jest
stan ustalony równowagi trwałej odpowiadający zerowej odchyłce regulacji, operator
16
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
przełącza układ ze sterowania ręcznego na sterowanie automatyczne AUTO. Jeżeli po
przełączeniu nie obserwuje się znaczących i wykraczających poza dopuszczalne wartości
zmian odchyłki regulacji to uznaje się , że zostały wprowadzone bezpieczne nastawy
regulatora i rozruch taki uznaje się za zakończony.
W badanym stanowisku punktem pracy jest temperatura 45± 20C (PV ≈ 40± 4%), co
odpowiada sygnałowi sterującemu CV ≈ 50% przy obrotach wentylatora YG.
Aby doprowadzić instalację do punktu pracy należy:
 połączyć układ według schematu (rys. 8),
 włączyć tryb ręczny regulatora MANUAL,
 ustawić na PC obroty wentylatora YW = 50%,
 ustawić na panelu sygnał podawany na grzałkę CV = 50%
 ustawić wyliczone nastawy dla regulatora o algorytmie P,
 odczekać na ustalenie temperatury,
 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV,
 przełączyć regulator w tryb AUTO.
Jeśli po zmianie trybu regulatora na AUTO występują dość znaczne zmiany sygnału
sterującego CV i wynikające z tego zmiany wielkości regulowanej PV należy przełączyć
regulator w tryb MANUAL. Następnie ustawić bezpieczną wartość sterowania CV = 50% i
powtórzyć procedurę rozruchu po znalezieniu przyczyny niewłaściwego działania układu,
np. złe nastawy regulatora.
5.3. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie P i nastawach wg
metody tablicowej
5.3.1. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego
zmianą obrotów wentylatora
Badania przeprowadzić po poprawnie przeprowadzonym rozruchu. wg. następującej
procedury:
 włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości CV,PV i SP ,
 będąc w trybie AUTO zmienić obroty wentylatora z 50% na 70%,
 obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość
temperatury ,
 po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu,
 zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV w edytorze
graficznym,
 przełączyć w tryb MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW =
50%),
 odczekać na ustalenie temperatury,
 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV,
 przełączyć regulator w tryb AUTO.
17
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
5.3.2. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego
zmianą oporności grzałki
Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:
 włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości PV i SP
 w trybie AUTO zmienić pozycję przełącznika P1 (rys.8) z 0 na 1,
 obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość
temperatury,
 po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu ,
 zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV,
 zmienić pozycję przełącznika P1 z 1 na 0,
 w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%),
 odczekać na ustalenie temperatury,
 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV,
 przełączyć regulator w tryb AUTO.
5.3.3. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia wywołanego
zmianą przekroju wlotu powietrza (przysłona P)
Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:
 włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości PV i SP
 w trybie AUTO zamknąć (pozycja pionowa) przysłonę P (rys.8),
 obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość
temperatury,
 po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu ,
 zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV,
 otworzyć(pozycja pozioma) przysłonę P,
 w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%),
 odczekać na ustalenie temperatury,
 po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV,
 przełączyć regulator w tryb AUTO.
5.3.4. Badanie skuteczności nadążania wielkości regulowanej PV za zmianami
wielkości zadanej SP








Badanie przeprowadzić wg. następującej procedury:
włączyć na wizualizacji komputerowej monitorowanie wartości PV i SP
w trybie AUTO ustawić ΔSP = +10%
obserwować przebieg, zapamiętać minimalną, maksymalną i ustaloną wartość
temperatury,
po ustaleniu temperatury zatrzymać rejestrowanie przebiegu ,
zapisać przebiegi wielkości mierzonej PV i wielkości sterującej CV,
w trybie MANUAL doprowadzić układ do punktu pracy (CV = 50%, YW = 50%)
po ustaleniu temperatury ustawić SP = PV
18
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
5.4. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie PI
Badając układ regulacji z regulatorem PI należy powtórzyć procedury opisane w 5.3.
5.5. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie PID
Badając układ regulacji z regulatorem PID należy powtórzyć procedury opisane w 5.3.
5.6. Dobór nastaw regulatorów metodą Zieglera – Nicholsa
Dobór nastaw metodą Zieglera – Nicholsa przeprowadza się wg następującej
procedury:
1. Przeprowadzić rozruch instalacji w trybie sterowania ręcznego (tryb MANUAL) (wg.5.2),
ustawić CV=50 % ,Yw=50% i odczekać do stanu ustalonego PV ,
2. Regulator zainstalowany na obiekcie należy ustawić na działanie P, nastawić określoną
początkową wartość wzmocnienia regulatora np.kp = 6, wyłączyć pozostałe działania
regulatora nastawiając Ti  99999,9, Td  0.
3. Ręcznie z pulpitu HMI regulatora ustawić SP = PV.
4. Na wizualizacji komputerowej wybrać obserwację PV i SP,
5. Przełączyć regulator na tryb AUTO,
6. Wprowadzić impulsową zmianę wartości zadanej np. SP = 2-3 % o czasie trwania impulsu
timp (rys. 8) wystarczającym do wywołania zauważalnych zmian PV. Sygnał CV w czasie
próby nie może osiągać wartości granicznych w przeciwnym przypadku , próbę należy
powtórzyć.
7. Ocenić przebieg zmian PV i porównać go z przebiegiem z rys7.
8. Jeżeli przebieg PV odpowiada rys. 7c, zapisać przebieg PV w komputerze i przejść do p.11.
9. Jeżeli przebieg PV odpowiada rys. 7a, to należy przełączyć regulator na tryb „MANUAL”,
ustawić CV = 50 % , zwiększyć wzmocnienie kp regulatora, odczekać do stanu ustalonego
PV, skorygować wartość SP tak aby SP = PV i powtórzyć czynności od p. 5 - 7.
10. Jeżeli przebieg PV odpowiada rys.7b, to należy przełączyć regulator na tryb „MAN”, ustawić
CV = 50% , zmniejszyć kp regulatora, odczekać do stanu ustalonego, skorygować wartość SP
tak aby SP = PV i powtórzyć czynności od p. 5 - 7.
11. Przełączyć regulator na tryb „MAN”, ustawić CV = 50 %.
12. Zanotować bieżącą wartość kp=kkryt, która wywołała oscylacje, następnie odczytać z
zarejestrowanego przebiegu okres oscylacji Tosc i obliczyć nastawy regulatora P/PI/PID.
Uwaga: Każdą zmianę nastaw regulatora można wprowadzać jedynie w trybie
„MAN”.
Tablica 4. Wyniki doświadczenia i nastawy regulatora wg metody Z-N
Wyniki eksperymentu Z-N
Nastawy regulatora
kp
Ti
P
kkkryt
Tosc
PI
PID
19
PODSTAWY AUTOMATYKI
Td
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
20
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
5.7. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie P, PI, PID nastawy wg
Zieglera-Nicholsa
Wprowadzając nastawy regulatora z tablicy 4 powtórzyć badania opisane w punktach 5.3,
5.4, 5.5 .
Do badania można przystąpić po sprawdzeniu czy:
a) Układ znajduje się w punkcie pracy (CV= 50%)
b) Wprowadzono za pomocą wizualizacji na panelu HMI nastawy, odpowiednie dla
regulatora P, PI, PID.
21
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
6. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia , schematy,
zarejestrowane przebiegi z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane na podstawie
pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:
1) Narysować schemat blokowy badanego układu regulacji
2) Narysować spodziewany przebieg zmian wielkości regulowanej PV i sterowania CV
wywołany zakłóceniem Yw po zastosowaniu regulatora o algorytmie P z działaniem
Normal.
3) Załączyć i opisać wyniki eksperymentu Zieglera – Nicholsa.
4) Porównać przebiegi przejściowe układu regulacji i ocenić jego jakość statyczną i
dynamiczną. Jakość statyczną i dynamiczną ocenić na podstawie odczytanych z
wykresów wartości następujących wskaźników : e1 , e2 , est , em , tr ,  (
przeregulowanie). Wyniki podać w zaproponowanej tabeli.
5) Porównać wyniki badań otrzymane dla nastaw regulatora wg tablic i wg metody
Zieglera – Nicholsa.
6) Obliczyć wartości odchyłek statycznych na podstawie transmitancji obiektu i
transmitancji regulatora i porównać je z wartościami otrzymanymi z badań.
7) Obliczyć na podstawie transmitancji obiektu i transmitancji regulatora wartości kpkryt i
Tosc i porównać je z wartościami otrzymanymi z eksperymentu Z-N.
8) Jak z przebiegu przejściowego układu wywołanego zmianą skokową wartości zadanej
SP odczytać nastawioną wartość wzmocnienia kp regulatora.
22
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8b
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji temperatury
powietrza przepływającego przez rurociąg”
7. LITERATURA
1.Kościelny W.J.: Materiały pomocnicze do nauczania podstaw automatyki dla
studiów wieczorowych, WPW, 1997, 2001.
2. Węgrzyn S.: Podstawy automatyki. PWN 1980
3. Żelazny M.: Podstawy automatyki . PWN, 1976
23
PODSTAWY AUTOMATYKI