Ćwiczenie PA8a „Badanie jednoobwodowego

INSTYTUT AUTOMATYKI i ROBOTYKI
WYDZIAŁ MECHATRONIKI
PODSTAWY AUTOMATYKI
- laboratorium
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji
poziomu cieczy w zbiorniku otwartym
Instrukcja laboratoryjna
Opracowanie : dr inż. Danuta Holejko
dr inż. Jakub Możaryn
Warszawa 2011
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym
Celem ćwiczenia jest uruchomienie, badanie właściwości statycznych i dynamicznych, a
następnie ocena jakości regulacji jednoobwodowego układu regulacji poziomu wody w
zbiorniku otwartym. 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 PA7a 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 PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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 PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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.
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
4
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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.
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
5
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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.
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
6
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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 wartościami odchyłek regulacji ważne są wartości
wielkości regulowanej zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych. Szczególnie ważne
są wartości bezwzględne wielkości regulowanej zarówno wartości minimalne jak i
maksymalne , bo od tego zależy poprawna praca układu i warunki bezpieczeństwa.
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
7
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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
0
weighted Absolute Error),

c)
przebieg z minimum całki z kwadratu odchyłki regulacji tzn.
e
2 (t )dt  min ,
0
zapewnia 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.
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.
8
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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),
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 k p  0 .
3.
Przełączyć układ na sterowanie automatyczne (tryb Auto) i jeżeli układ
zachowuje stan równowagi, zadajnikiem SP wytworzyć impulsową zmianę wartości
9
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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.
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).
10
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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
11
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
4. OPIS INSTALACJI
Schemat badanego jednoobwodowego układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku otwartym
przedstawiono na rys.8
Rys. 8. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy
W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:
1.
zespół zbiorników połączonych szeregowo
a)
sterownik PLC S7-1200 firmy Siemens wraz z modułem wejść/wyjść
analogowych i zasilacz 24V
b)
panel HMI
c)
komputer stacjonarny
12
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
Podczas wykonywania ćwiczenia student korzysta z dwóch wizualizacji. Pierwsza z
nich (rys. 9.) umieszczona jest na panelu HMI, gdzie możliwe jest m.in. zmiana nastaw
regulatora (1),odczytywanie wartości SP, PV (2) zmiana trybu pracy regulatora
AUTO/MAN, odczytywanie oraz ręczne zadawanie wartości sterującej CV – CV_man (3),
zmiana działania regulatora: NORMAL/REWERS (4).
Rys. 9. Wizualizacja na panelu HMI
Dzięki symulacji na monitorze (rys. 10) , panelu o przekątnej 15'', możliwe jest
śledzenie trendów wyświetlanych z dużą dokładnością (1), co umożliwia późniejszą ich
obróbkę. Możliwa jest zmiana obserwowanych wartości: albo SP i PV + VE1 i VE2 albo CV
+ VE1 i VE2 (2). Na ekranie ukazane są bieżące wartości SP, PV i CV, obecność zakłóceń
VE1 i VE2, tryb pracy: Auto/Man oraz Normal/Rewers. Za pomocą przycisku Start/Pauza
możliwe jest pauzowanie wykresów, a ich przesuwanie zrealizowano za pomocą strzałek >>>
i <<< (4).
Aby dostosować wykres do swoich potrzeb można zmieniać skalę osi czasu (maksymalnie 16
min.) (5).
13
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
Rys. 10. Wizualizacja komputerowa
14
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
5. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W badanym w ćwiczeniu układzie regulacji, wielkością regulowaną jest wysokość H1 słupa
wody w zbiorniku Z1 (wielkość reprezentowana przez sygnał PV), sterowaniem jest sygnał
CV generowany przez sterownik SIMATIC S7-1200 firmy Siemens, zakłóceniami są :
 skokowa zmiana dopływu wody do zbiornika realizowana otwarciem zaworu VE2,
(przełącznik P1),
 skokowa zmiana odpływu wody ze zbiornika realizowana otwarciem zaworu
VE1,(przełącznik P2).
Właściwości obiektu regulacji zostały określone w ćwiczeniu PA7a. 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 PA7a 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
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 poziom H1 ≈ 25 cm (PV ≈ 60%), co odpowiada
sygnałowi sterującemu CV ≈ 50%.
Aby doprowadzić układ do punktu pracy należy:
15
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
a) Połączyć układ według schematu (rys. 8).
b) Skontrolować pozycję przełączników P1 (zakłócenie VE1) i P2 (zakłócenie VE2), powinny
wskazywać brak zakłóceń => na wizualizacji komputerowej (rys. 9) brak zapalonych
czerwonych lampek.
c) Ustawić na panelu HMI tryb regulatora: MAN
d) Ustawić na panelu wartość CV (CV_man) = 50%.
e) Odczekać na ustalenie się poziomu w zbiorniku.
f) Ustawić wartość zadaną SP=PV
g) Wprowadzić nastawy regulatora P, wyliczone wg. metody tablicowej w punkcie 5.1.
h) Ustawić na panelu HMI tryb regulatora: 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 MAN. Następnie ustawić bezpieczną wartość sterowania CV 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 VE1
Procedura badawcza jest następująca:
a) Na wizualizacji komputerowej wybrać obserwację PV i SP.
b) W trybie MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
c) Po ustaleniu się poziomu wody, wprowadzić SP=PV i ustawić tryb AUTO
d) Przełącznikiem P1 otworzyć zawór VE1 (wprowadzić zakłócenie VE1)
e) Odczekać, aż ustali się wartość mierzona PV
f) Na wizualizacji komputerowej przyciskiem Pauza zatrzymać trendy
g) Zapisać na komputerze przebiegi PV i SP z zaznaczonym momentem wystąpienia
zakłócenia.
h) Przełączyć się na wyświetlanie wartości sterującej CV i zapisać przebieg.
i) Przełącznikiem P1 zamknąć zawór VE1 (wyłączyć zakłócenie VE1)
j) Przełączyć na tryb MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
5.3.2. Badanie skuteczności kompensacji wpływu zakłócenia VE2
Procedura badawcza jest następująca:
a) Na wizualizacji komputerowej wybrać obserwację PV i SP.
b) W trybie MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
c) Po ustaleniu się poziomu wody, wprowadzić SP=PV i ustawić tryb AUTO
d) Przełącznikiem P2 otworzyć zawór VE2 (wprowadzić zakłócenie VE2)
e) Odczekać, aż ustali się wartość mierzona PV
f) Na wizualizacji komputerowej przyciskiem Pauza zatrzymać trendy
g) Zapisać na komputerze przebiegi PV i SP z zaznaczonym momentem wystąpienia
zakłócenia.
h) Przełączyć się na wyświetlanie wartości sterującej CV i zapisać przebieg.
i) Przełącznikiem P2 zamknąć zawór VE2 (wyłączyć zakłócenie VE2)
j) Przełączyć na tryb MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
16
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
5.3.3. Badanie skuteczności nadążania wielkości regulowanej PV za zmianami
wielkości zadanej SP
Procedura badawcza jest następująca:
a) Na wizualizacji komputerowej wybrać obserwację PV i SP.
b) W trybie MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
c) Po ustaleniu się poziomu wody, wprowadzić SP=PV i ustawić tryb AUTO
d) Zmienić wartość zadaną SP, np. SP=SP-5%
e) Odczekać, aż ustali się wartość mierzona PV.
f) Na wizualizacji komputerowej przyciskiem Pauza zatrzymać wizualizację przebiegów.
g) Zapisać na komputerze przebiegi PV i SP.
h) Przełączyć się na wyświetlanie wartości sterującej CV i zapisać przebieg.
j) Przełączyć na tryb MAN ustawić wartość CV_man = 50%.
5.4. Badanie układu regulacji z regulatorem o algorytmie PI i nastawach wg
metody tablicowej
Wykorzystując procedurę opisaną w punkcie 5.3. wprowadzić nastawy regulatora PI z
tablicy3, a następnie powtórzyć badania z podpunktów 5.3.1, 5.3.2, 5.3.3.
Do badania można przystąpić po sprawdzeniu czy:
a) Układ znajduje się w punkcie pracy (CV = 50%, PV≈60%) (prawidłowo przeprowadzony
rozruch)
b) Wprowadzono za pomocą wizualizacji na panelu HMI nastawy, odpowiednie dla
regulatora o działaniu PI
5.5. Badanie układu regulacji z regulatorem o PID, nastawy wg metody
tablicowej
Wykorzystując procedurę opisaną w punkcie 5.3. wprowadzić nastawy regulatora PID z
tablicy 3, a następnie powtórzyć badania z podpunktów 5.3.1, 5.3.2, 5.3.3.
Do badania można przystąpić po sprawdzeniu czy:
c) układ znajduje się w punkcie pracy (PV≈60%) (prawidłowo przeprowadzony rozruch),
d) wprowadzono za pomocą wizualizacji na panelu HMI nastawy, odpowiednie dla regulatora
o działaniu PID
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 MAN) (wg.5.2),
ustawić CV=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
17
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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 „MAN”,
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
Td
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.
18
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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 schematy blokowe badanego układu regulacji
2)
Narysować spodziewany przebieg zmian wielkości regulowanej PV i
sterowania CV wywołany zakłóceniem VE1 po zastosowaniu regulatora o algorytmie
P z działaniem normalnym 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.
19
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA8a
„Badanie jednoobwodowego układu regulacji poziomu
cieczy w zbiorniku otwartym”
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
20
PODSTAWY AUTOMATYKI