Wprowadzenie do projektowania systemów sterowania

Wprowadzenie do projektowania systemów sterowania - laboratorium
(wersja robocza 17.03.2014 )
Badania symulacyjne obiektów liniowych – przykład............................................................................................... 4
1.1.
Konstrukcja i badanie własności modelu w postaci równań stanu ..................................................................... 4
1.2.
Konstrukcja i badanie własności modelu w postaci transmitancji...................................................................... 5
2. Pomieszczenie z grzejnikiem olejowym (obiekt liniowy) ......................................................................................... 6
2.1.
Konstrukcja i badanie własności modelu w postaci równań różniczkowych ..................................................... 6
2.2.
Konstrukcja i badanie własności modelu w postaci transmitancji...................................................................... 7
2.3.
Identyfikacja eksperymentalna modelu .............................................................................................................. 7
3. Podstawowe układy regulacji w pomieszczeniu z grzejnikiem olejowym................................................................. 9
3.1.
Badanie własności układu regulacji z termostatem ............................................................................................ 9
3.2.
Badanie własności układu regulacji ciągłej P i PI .............................................................................................. 9
3.3.
Podstawowe metody dobory nastaw regulatora PID ........................................................................................ 10
3.4.
Pomiar jakości regulacji ................................................................................................................................... 11
4. Optymalizacja wskaźników jakości układu regulacji .............................................................................................. 12
4.1.
Optymalizacja nastaw za pomocą przyborników Matlaba ............................................................................... 12
4.2.
Zastosowanie bloku PID w Simulinku ............................................................................................................. 12
4.3.
Poradniki inżynierskie ...................................................................................................................................... 12
5. Rzeczywiste warunki pracy układu regulacji........................................................................................................... 13
5.1.
Porównanie wyników regulacji w warunkach teoretycznych i rzeczywistych ................................................. 13
5.2.
Elementy pomiarowe i wykonawcze ................................................................................................................ 13
5.3.
Elementy nieliniowe ......................................................................................................................................... 13
6. Przegląd metod projektowania................................................................................................................................. 14
6.1.
Projektowanie na podstawie położenia biegunów ............................................................................................ 14
6.2.
Projektowanie na podstawie charakterystyk częstotliwościowych układu otwartego ...................................... 14
6.3.
Projektowanie na podstawie charakterystyk częstotliwościowych układu zamkniętego.................................. 15
7. Pomieszczenie z grzejnikiem c.o. (obiekt nieliniowy)............................................................................................. 16
7.1.
Model pomieszczenia z grzejnikiem wodnym.................................................................................................. 16
7.2.
Identyfikacja eksperymentalna modelu ............................................................................................................ 17
7.3.
Układy regulacji ciągłej PI ............................................................................................................................... 18
7.4.
Inżynierskie metody doboru nastaw ................................................................................................................. 19
7.5.
Opracowanie badań .......................................................................................................................................... 20
8. Prosty model instalacji c.o. ...................................................................................................................................... 21
8.1.
Model kotła....................................................................................................................................................... 21
8.2.
Pomieszczenie z grzejnikiem i kotłownia......................................................................................................... 21
8.3.
Regulacja bezpośrednia .................................................................................................................................... 22
8.4.
Sterowanie w układzie otwartym (pogodowe) ................................................................................................. 23
8.5.
Regulacja pogodowa (jakościowa, pośrednia).................................................................................................. 23
8.6.
Optymalizacja nastaw....................................................................................................................................... 24
8.7.
Działanie bloków nieliniowych ........................................................................................................................ 24
8.8.
Opracowanie badań .......................................................................................................................................... 24
9. Budynek z centralnym ogrzewaniem (c.o.) i regulacją ............................................................................................ 26
9.1.
Model termokinetyczny budynku z kotłownią ................................................................................................ 26
9.2.
Model termokinetyczny budynku z kotłownią w postaci równań stanu .......................................................... 27
9.3.
Analiza liniowa obiektu.................................................................................................................................... 27
9.4.
Regulacja centralna........................................................................................................................................... 27
9.5.
Opracowanie badań .......................................................................................................................................... 28
10. Centralna i lokalna regulacja w budynku z centralnym ogrzewaniem..................................................................... 29
10.1.
Budynek z kotłownią – model termokinetyczny i hydrauliczny................................................................... 29
10.2.
Współdziałanie układów regulacji................................................................................................................ 29
10.3.
Ogrzewanie grupy budynków....................................................................................................................... 30
10.4.
Opracowanie badań ...................................................................................................................................... 30
10.5.
Zbiorcze opracowanie badań na temat regulacji w budynku ........................................................................ 31
11. Regulatory z modelem ............................................................................................................................................. 32
11.1.
Regulacja układów z opóźnieniem ............................................................................................................... 32
12. Regulatory dwuobwodowe ...................................................................................................................................... 32
12.1.
Regulacja kaskadowa ................................................................................................................................... 32
13. Zaawansowanie metody projektowania ................................................................................................................... 32
13.1.
Regulacja kaskadowa ................................................................................................................................... 32
14. Literatura.................................................................................................................................................................. 32
1.
Załączniki: Funkcje CACSD w pakiecie Matlab
A. Blok PID + PID Tuner (Simulink SO)
B. Response Optimization (Simulink DO)
C. Linear Analysis Tool (LTI Viewer)
D. SISO Design Tool dla Simulinka (Simulink CD)
E. SISO Design Tool dla LTI (Control Toolbox)
1
Program I: Wprowadzenie do symulacyjnego badania obiektów i układów regulacji dla kierunków innych niż
automatyka, np. kurs „Symulacja i projektowanie układów sterowania” dla I st. EZI (ETES723, 15 ćwiczeń)
pkt
Temat
1. 1
2. 2.1
3. 2.2
4. 2.3
5. 3.1
6. 3.2, 3.3
7. 2
8. 4.1
9. 4.1
10. 0
11. 5.3
12.
13.
14. 6.1
15. 6.2
Pomieszczenie z grzejnikiem elektrycznym (Cvw) - analiza zasad konstrukcji
Pomieszczenie z grzejnikiem elektrycznym – równania stanu
Pomieszczenie z grzejnikiem elektrycznym – transmitancje
Identyfikacja eksperymentalna – met. Küpfmüllera – spr
Regulacja dwupołożeniowa
Regulacja ciągła P i PI (własny PID). Dobór nastaw Z-N [i inne]
Ocena jakości (wskaźniki bezpośrednie i całkowe)
- spr
Optymalizacja nastaw (własny PID) – Response Optimization (Simulink Design Optimization)
Blok PID w Simulinku. PID Tuner (Simulink Control Design) – spr
Regulacja na obiektach idealnych i rzeczywistych
Elementy nieliniowe w regulatorze ciągłym - spr
Projekt i badanie układu sterowania wybranego obiektu
CACSD: Projektowanie na położenia biegunów (obiekt 2 rzędu + PI)
CACSD: Projektowanie na podst.charakterystyk Bodego (obiekt 2 rzędu + PI)- spr
Program II: Badanie i projektowanie klasycznych układów regulacji, np. kurs „Komputerowo wspomagane
projektowanie układów sterowania” dla I st. ARK (ARES401, 15 ćwiczeń)
ćw pkt
1.
7.1
Pomieszczenie z grzejnikiem wodnym (model nieliniowy)
2.
7.1
Pomieszczenie z grzejnikiem wodnym (maskowanie, uruchomienie ze skryptu)
3.
7.2
Identyfikacja eksperymentalna – met. Küpfmüllera, Strejca [momentów] – spr
4.
7.3
Regulacja PI – sterowanie temperaturą i przepływem
5.
7.4
Dobór nastaw (Z-N/inne), Zastosowanie wskaźników jakości (bezpośrednie, całkowe) - spr
6.
8.1,8.2 Model kotła. Modele złożone – pomieszczenie i kotłownia (z opóźnieniem)
7.
8.3,8.5 Regulacja PI – regulacja bezpośrednia i pogodowa (sterowanie mocą) + dobór nastaw (Z-N/inne)
8.
8.6
– optymalizacja nastaw: Response Optimization (SDO), PID Tuner (SCD)
9.
8.7
– nieliniowości: nasycenie i antiwidup (ograniczenie całkowania) – spr
10. 9.1
Złożony model budynku z kotłownią – rozbudowa modelu cieplnego
(wpływ opóźnienia transportowego, model zastępczy).
11. 9.2
Zastosowanie macierzy (dowolny punkt pracy)
12. 10.1
Model hydrauliczny
– spr (9.5 p.1 i 2; 10.4 p.1)
13. 9.4
Regulacja centralna – regulacja wg pomieszczenia reprezentatywnego, regulacja jakościowa
14. 10.2
Współdziałające układy regulacji – regulacja centralna i lokalna – spr (10.5)
15.
Program III: Badanie i projektowanie zaawansowanych układów regulacji, np. kurs „Projektowanie systemów
sterowania” dla II st. ARK (AREU401, 15 ćwiczeń)
ćw pkt
1.
Opracowanie częściowe: Materiał z przeprowadzonych badań - wykresy, tabele, wnioski (zawartość sprawozdania)
Oznaczenia (wg [5]): Własności wybranych materiałów
Q
q
T
f
P
Cv
ciepło, [J]
moc, [W]
temperatura, [C]
przepływ, [m3/s]
ciśnienie, [Pa]
pojemność cieplna
Literatura: Tablice/87,89
2
Ciepło właściwe
Szkło
Beton
Aluminium
Styropian
Drewno
Powietrze
Gliceryna
Woda (25°C)
„ściany” (średnio)
cp [J/kgK]
700
800
902
1200
1500
1008
2400
4175
1500
Gęstość
Szkło
Beton
Aluminium
Styropian
Drewno (dąb)
Powietrze
Gliceryna
Woda (25°C)
„ściany” (średnio)
ρ [kg/m3]
2400
2300
2700
16
600-900
1,185
1258
997
600