Instrukcja do ćwiczenia nr 5 - PB Wydział Elektryczny

Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
ĆWICZENIE Nr. 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID
na przykładzie SIPART DR22
Laboratorium z przedmiotu:
PODSTAWY AUTOMATYKI 2
Kod: TS1C520 313
BIAŁYSTOK 2014
Opracowanie: dr inż. Rafał Kociszewski
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
1. Cel ćwiczenia
•
•
Nabycie umiejętności programowania cyfrowego regulatora .
Przeprowadzenie doświadczeń wykorzystujących fizyczny regulator PID.
Przed ćwiczeniem
Należy zapoznać się, ze streszczeniem instrukcji technicznej regulatora SIPART DR22 firmy
Siemens [1]. Należy powtórzyć informacje nt. regulatorów PID (równania, charakterystyki
czasowe i częstotliwościowe, itd.).
2. Stanowisko laboratoryjne
Komputer PC z zainstalowaną kartą akwizycji danych PCI-1711 oraz oprogramowaniem
ADAQView, i MATLAB
Terminal PCLD-8710 z kablem połączeniowym
Zestaw modelu analogowego obiektu (MAO)
Regulator cyfrowy SIPART DR22.
3. Przebieg ćwiczenia
1. Należy zaprogramować strukturę regulatora SIPART DR22, pozwalającą na sterowanie
wielkością wyjściową, przy pomocy przycisków na płycie czołowej aparatu. Następnie
należy przetestować zgodność ustawienia i odczytu tej wielkości ze wskazaniami woltomierza podłączonego do odpowiednich zacisków regulatora. Wynikiem pomiarów jest
charakterystyka: Uv = f(Ureg).
2. Stosując analogiczne pomiary należy uzyskać charakterystykę Uv = f(Ureg) dla zakresu
sygnału wyjściowego regulatora 4...20 mA (Tabela 3 w [1]).
Rys. 1. Schemat połączeń do p. 1, 2.
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
2
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
3. Stosując schemat z rys.1 zdjąć w środowisku ADAQView charakterystyki skokowe regulatorów: P, PI i PID przy nastawach parametrów wskazanych przez prowadzącego.
4. Skonfigurować układ regulacji zgodnie z poniższym rysunkiem poglądowym, gdzie pokazane są kanały przesyłu sygnałów poDR 22
między: obiektem (MAO), regulatoPCLD-8710
rem Sipard DR 22 oraz
terminalem
24
A
AI
23
PCLD-8710. Linie zielone symbolizują
przepływ sygnałów z wyjść kolejnych
20
urządzeń (czerwone kółka) na wejścia
19
następnych (zielone kółka). Do zacisków (24,23) dołączony jest kanał syMA
12
gnału wymuszenia, podawanego z syswej.O wyj.
1
temu Advantech za pośrednictwem
terminala (AO) . Z zacisków (12,1) regulatora podawany jest sygnał sterowania na wejście obiektu. Linia czerwona jest kanałem sygnału wyjściowego z obiektu, który podawany jest na zaciski (20,19) regulatora.
Sygnał ten jest rejestrowany w systemie Advantech za pośrednictwem wejścia (AI) terminala PCLD-8710. Gniazda w kolorze czarnym oznaczają masę.
5. Połączyć układ regulacji, w którym model obiektu w postaci członu inercyjnego pierwszego rzędu z opóźnieniem jest sterowany regulatorem PI, i PID zaprogramowanym w regulatorze SIPART DR22. Nastawy regulatora wybieramy na podstawie dołączonych do
danej instrukcji (Dodatek C) danych tabelarycznych. Parametry obiektu podaje prowadzący zajęcia.
6. Należy zarejestrować charakterystykę skokową połączonego układu regulacji. Wyniki
rejestracji zapisujemy do pliku tekstowego, a następnie przenosimy do środowiska
MATLAB.
4. Sprawozdanie
W sprawozdanie należy zamieścić:
a) Schematy blokowe układów pomiarowych.
b) Tabele eartości pomiarowych z p. 1 i 2.
c) Zarejestrowaną charakterystykę układu regulacji z p.3.
d) Wnioski i komentarze na temat uzyskanych wyników oraz przebiegu doświadczeń.
5. Literatura
1. Ruszewski A.: Regulator SIPART DR22. Katedra Automatyki i Elektroniki PB, Białystok
2001.
2. SIMENS, SIPART DR22 Controller, Manual. Instrukcja producenta.
3. Kaczorek T.: Technika regulacji automatycznej. PWN, Warszawa,1977.
4. Luft M., Łukasik Z.: Podstawy teorii sterowania. Wyd. Polit. Radomskiej, Radom, 1999.
6. Kuźnik J.: Regulatory i układy regulacji. Wyd. Polit. Śląskiej, Gliwice, 2002.
7. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne. WNT, Warszawa, 1992.
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
3
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
Dodatek A
Równania regulatora PID
Modelowanie zadań sterowania w ramach struktury PID może różnić się (formalnie
i merytorycznie) w zależności od stosowanego środowiska programowego. W wersji idealizowanej regulatora możemy posłużyć się często spotykaną w praktyce transmitancją
G R ( s) =

1
1
1 +
+ sTd ,
V  sTi

gdzie: V - zakres proporcjonalności (wielkość 1/V jest równoważna współczynnikowi
wzmocnienia regulatora k p ), Ti - czas zdwojenia, Td - czas wyprzedzenia. Za ich pośrednictwem określa się współczynniki wzmocnienia dla wyników trzech działań na sygnale
uchybu regulacji (wzmocnienie proporcjonalne, całkowanie i różniczkowanie).
W środowiskach programowych stosowanych w trakcie Laboratorium Techniki Regulacji 2
wymaga się wprowadzenia tych wartości w sposób następujący:
⇒
w środowisku MATLAB/SIMULINK wymaga się wprowadzenia nastaw według zapisu
transmitancji w postaci
GR ( s) = P + I / s + Ds,
przy czym P = 1 / V = k p , I = k p / Ti , D = k p ⋅ Td .
c)
a)
PID
PID Controller
b)
P
Proportional
I
s
Integral
D
+
+
+
Sum
du/dt
Derivative
Rys.3. Model blokowy idealnego regulatora PID w środowisku MATLAB/SIMULINK,
a) ikona regulatora, b) schemat blokowy torów P, I, D, c) okno dialogowe do wpisywania parametrów (nastaw)
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
4
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
⇒
w ramach systemu oprogramowania GENIE, programując regulator posługujemy się
równaniem
U ( n) = Pe( n) + P ⋅ I ⋅ Ts ⋅ Se( k ) + (( P ⋅ D) /(6Ts ) ⋅ (e( n) + 3(e(n − 1) − e(n − 2)) − e( n − 3))
w którym: U (n) stanowi wyjście PID w n-tym takcie próbkowania, P jest współczynnikiem
wzmocnienia części proporcjonalnej regulatora, I = 60 / Ti stanowi wskaźnik wzmocnienia w
części całkującej regulatora, natomiast D = Td / 60 to równoważnik czasu wyprzedzenia, Ts
jest przyjętym czasem
a)
Rys. 4.
⇒
b)
Model blokowy regulatora PID w środowisku GENIE a) ikona regulatora, b) okno
dialogowe do wpisywania parametrów (nastaw)
przy programowaniu regulatora SIPART DR22 stosowane są natomiast następujące równania i oznaczenia:
w strukturze P:
ya = ± Kp ⋅ xd + xo
w strukturze PI:
t


1
ya = ± Kp xd + ∫ xd dt  + yo
tn 0


przy opisie składnika różniczkującego D, wygodniejsza jest forma transmitancji widmowej
xa
= ±Kp
xd
Kod: TS1C520 313
jω tv
1 + jω
tv
vv
TECHNIKA REGULACJI 2
5
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
Oznaczenia i zakresy nastaw aparatu są następujące:
cP – wzmocnienie proporcjonalne:
tn – czas całkowania (zdwojenia) :
tv – stała czasowa różniczkowania:
0,100...100,0;
1,00 ... 9984 s;
OFF, 1,00...2,992 s;
vv – współczynnik członu różniczkującego:
1,00...10;
xd – uchyb regulacji;
ya – wyjście regulatora, którego wartość początkowa yo jest uwzględniana
w równaniach regulatorów P, PI.
Dodatek B
Programowanie regulatora SIPART DR22
Cechą charakterystyczną regulatorów cyfrowych z serii SIPART DR20 - DR22 jest ankietowy sposób programowania. Technika tego typu polega na tym, że użytkownik ustala strukturę regulatora, zasady wstępnego, cyfrowego przetwarzania mierzonych sygnałów, zasady
komunikacji itp., odpowiadając (za pośrednictwem wyboru numeru odpowiedniej wersji odpowiedzi) na pytania przedstawione w instrukcji obsługi regulatora. Istotnym problemem dla
użytkownika może być znaczna liczba pytań ankietowych o charakterze instalacyjnym, tzn.
takich, na które należy sformułować odpowiedź jednorazowo, przed montażem regulatora w
systemie automatyki związanym np. ze sterowaną linią technologiczną. Konieczność jednoznaczności programu regulatora w każdej sytuacji powoduje, iż jedna, według oceny producenta najbardziej prawdopodobna z wersji każdej odpowiedzi, jest z góry opcjonalnie
ustalona. W praktyce, w typowych sytuacjach, jedynie nieznaczna część pytań, bezwzględnie
wymaga zmiany ustawień tego rodzaju przed instalacją regulatora.
Poniżej został przedstawiony ciąg działań przy programowaniu regulatora SIPART DR22 do
pracy w układzie stabilizacji wielkości regulowanej:
Etap 1.
Etap 2.
Etap 3.
Etap 4.
Etap 5.
Etap 6.
Naciskając przez 5 sekund przycisk (12) na panelu sterowania przechodzimy z
poziomu obsługi na poziom wyboru (rys.4, rys.5).
Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania struktury regulatora –
na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis „StrS”.
Naciskając przez 3 s. przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu
wyboru do poziomu konfiguracji (ustawiania przełączników struktur regulatora).
Nastawiamy wymagane przełączniki struktur. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne są dane ostatnio wybranego przełącznika struktury: jego numer na wyświetlaczu (14) a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić
położenie przełącznika struktur. Do przeglądania przełączników konfiguracyjnych
służą przyciski (13.1, 13.2).
Podczas nastawiania przełączników konfiguracyjnych regulator może być
w dowolnej chwili przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie
przycisku (2) lub poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).
Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania
parametrów off line regulatora – na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis
„oFPA”.
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
6
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
Etap 7.
Etap 8.
Etap 9.
Etap 10.
Etap 11.
Etap 12.
Etap 13.
Naciskając przez 3s przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu
wyboru do poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów off line regulatora).
Nastawiamy wymagane parametry off line.. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne
są dane ostatnio wybranego parametru off line:: jego nazwa na wyświetlaczu (14)
a stan na (19). Za pomocą przycisków
przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość parameparam
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).
Podczas nastawiania parametrów off line regulator może być w dowolnej chwili
przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku
pr
(2) lub
poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).
Na poziomie wyboru za pomocą przycisków (6.1, 6.2) wybieramy tryb ustalania
parametrów on line regulatora – na górnym wskaźniku cyfrowym pojawi się napis
„onPA”.
Naciskając przycisk
przycisk (9) na panelu sterowania przechodzimy z poziomu wyboru do
poziomu konfiguracji (ustawiania parametrów on line regulatora).
Nastawiamy wymagane parametry on line.. Na wskaźnikach cyfrowych widoczne
są dane ostatnio wybranego parametru on line: jego nazwa naa wyświetlaczu (14)
a stan na (19). Za pomocą przycisków (6.1, 6.2) możemy zmienić wartość parameparam
tru. Do przeglądania listy parametrów służą przyciski (13.1, 13.2).
Podczas nastawiania parametrów on line regulator może być w dowolnej chwili
przestawiony na poziom obsługi przez dwukrotne naciśnięcie przycisku (2) lub
poziom wyboru przez jednokrotne naciśnięcie przycisku (2).
Rys. 5. Płyta czołowa regulatora SIPART DR22
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
7
Ćwiczenie 5
Konfiguracja i parametryzacja regulatora PID na przykładzie SIPART DR22
Rys. 6. Konfiguracja i parametryzacja regulatora SIPART DR22
Kod: TS1C520 313
TECHNIKA REGULACJI 2
8
Ćwiczenie 5
DODATEK C. Nastawy regulatorów i wskaźniki jakości regulacji dla obiektów
o transmitancji: Go(s)= Kob exp (-s To) / (sT +1).
Przeregulowanie ≈ 0%
Minimum czasu regulacji tr
Typ
Regulatora
tr
To
P
4,5
εu
Kob A z
ε1
Kob A z
To
T
To
T
0,3 +
To
T
Nastawy
kp =
0,3 +
To
T
kp =
PI
8
0
0,1+
0,3
T
Kob o
T
0,6
T
K ob o
T
To
T
Przeregulowanie ≈ 20%
Minimum czasu regulacji tr
tr
To
6,5
εu
Kob A z
ε1
Kob A z
To
T
To
T
T
0,7 + o
T
0,7 +
12
Nastawy
1,2
To
T
0
0,05 + 0,95
Ti = 0,8 To +
PID
5,5
0
0,06 + 0,84
To
T
0,95
T
K ob o
T
0,7
T
Kob o
T
kp =
0,7
T
K ob o
T
To
T
Ti = To + 0,3T
+ 0,5T
kp =
kp =
kp =
7
0
Ti = 2,4To
Td = 0,4To
Opracowanie: dr inż. Rafał Kociszewski
0,05 + 0, 78
To
T
1,2
T
Kob o
T
Ti = 2,0To
Td = 0,4To