Upload
truongkiet
View
220
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Katedra za strojarsku automatiku
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 1
Katedra za strojarsku automatiku
1. Stabilizirati strukturno nestabilne procese (objekte regulacije, regulacijske staze).
2. Stabilnim i nestabilnim procesima (objektima regulacije, regulacijskim stazama) poboljšati dinamičko ponašanje.
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 2
Katedra za strojarsku automatiku
IZVRŠNI ČLAN
t iXi
REGULATORkomparator
vremenski t i b kW postavničlan
Xivremenskičlan pojačalo postavni
pogonobjekt
regulacijeW
mjerni mjerno
MJERNI ČLAN
pretvarač osjetilo
Sve funkcije istodobno i ne moraju postojati, a neki sklopovi mogu sadržavati jednu ili više funkcija.
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 3
j f j .
Katedra za strojarsku automatiku
GR GS
w(s) xi(s)iw(t) x (t), t i S Rx G G w
S RG G 1RS
1G
G
Pretpostavke :Pretpostavke :
N ć j Z 0 z
Tehnički neizvediv
Nema poremećaja, Z=0.
Tromost izvršnog i mjernog člana je zanemariva
GZ
z
člana je zanemariva.
Izvršni član može ostvaritisve tražene zahvate.
GR GS
w(s) xi(s)
Prijenosna funkcija objekta regulacije(regulacijske staze) idealno opisuje
GM
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 4
( g j ) p jdinamiku procesa.
Katedra za strojarsku automatiku
IZVRŠNI ČLANREGULATORkomparator
postavničlan
Xi
komparator
vremenskičlan pojačalo postavni
pogonobjekt
regulacijeW
mjernipretvarač
mjernoosjetilo
MJERNI ČLAN
KomparatorKomparator Logički član koji donosi logičnu odluku,mjeri odstupanje (oduzima)
RegulatorRegulator
vremenskopreoblikovanje
i l
prilagodbaizlaznog signalaizvršn m članu
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 5
signala izvršnom članu
Katedra za strojarsku automatiku
1 Serijski1 Serijski e(s) y(s)
GRGr - vremenski član1. Serijski1. Serijski
Gr Gp
e(s) y(s) Gr vremenski članGP - pojačalo
Postoji protudjelovanje među blokovima – potreba za razdvojnim pojačalom (skupo).
2. Povratna veza2. Povratna veza
e(s) y(s)
GR
G
Gp
e(s) y( )
PR
r P r
y(s) G 1 1G
1e(s) 1 G G GG
GrrP
GG
vr m nski čl n p sivni l m nti vr m nski p st j niji ( tp rnici k nd nz t ri )- vremenski član – pasivni elementi – vremenski postojaniji (otpornici, kondenzatori,…)
- pojačalo – aktivni elementi – vremenski promjenjivi (tranzistori, tiristori,pneumatski sustav zaslon-sapnica )
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 6
pneumatski sustav zaslon sapnica, …)
Katedra za strojarsku automatiku
d i i jmnoženje konstantom integriranje deriviranje
Proporcionalno djelovanjeP - regulator
Integralno djelovanjeI - regulator
Derivacijsko djelovanjeD - regulatorg r gu at r g
R PG K iR
1 KG
Ts s R D DG T s K s
iTs s
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 7
Katedra za strojarsku automatiku
P P -- regulatorregulator R PG K
djeluje proporcionalno prema veličine greške na ulazu
djeluje trenutno
ostavlja regulacijsku pogreškuostavlja regulacijsku pogreškuKp = 2xu
xi
Primjer xu = exi = y
1
2
t
-2
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 8
-1
Katedra za strojarsku automatiku
1 KI I -- regulatorregulator iR
i
1 KG
Ts s
djeluje integralno prema veličine greške na ulazu
unosi kašnjenje u sistem, pa djeluje destabilizirajućej j m, p j j j
otklanja regulacijsku pogrešku
xu
xxu
2
xi
2
xi
1 1
t t
xu = e
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 9
xi = y
Katedra za strojarsku automatiku
D D re ulat rre ulat r G T s K sD D -- regulatorregulator
djeluje unaprijedno u odnosu na veličinu greške na ulazu
R D DG T s K s
djeluje unaprijedno u odnosu na veličinu greške na ulazu
ubrzava sistem, pa djeluje stabilizirajuće
ne djeluje na spore, monotone promjene ulazne veličine
nikad se ne koristi sam kao regulator
xxu2u2 xxi2i2
xu
xi
xu = exi = y
xxu1u1
1
2
xxi1i1
t11
U t = 1 xu2 = 0, ali postoji gradijent ulaznog signala xu2 i D regulator na to reagira.
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 10
u2 p j g j g g u2 g g
Katedra za strojarsku automatiku
PD PD -- regulatorregulator
R P dG K (1 T s) R P DG K K s
( ) y(s)
GR
e(s) y(s)
GR
K s
KP
e(s) y(s)
T s
1e(s) y(s)
KP
KdsTds
prediktivnim D djelovanjem poboljšati regulaciju
p bl m k d si n l s šum im u diti d d tni nisk p pusni filt
kada želimo stabilizirati sustav (objekti u gibanju-zrakoplovi, brodovi)
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 11
problem kod signala sa šumovima – ugraditi dodatni niskopropusni filtar
Katedra za strojarsku automatiku
PIPI -- regulatorregulator
1G K (1 ) iK
PI PI regulatorregulator
R Pi
G K (1 )Ts
iR P
KG K
s
e(s) y(s)
GR
K e(s) y(s)
GR
1e(s) y( )
KP
1
KP
e(s) y( )
iKiTs
iK
s
najčešće korišteni regulator u industriji
tamo gdje nema oštrog zahtjeva za brzinom odzivatamo gdje nema oštrog zahtjeva za brzinom odziva
za eliminaciju pogreške u stacionarnom stanju
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 12
Katedra za strojarsku automatiku
PID PID –– regulator (osnovna paralelna forma)regulator (osnovna paralelna forma)
1G K (1 T s ) iK
G K K s
g ( p )g ( p )
R P di
G K (1 T s )Ts
iR P DG K K s
s
( )
KP
( ) y(s)
1
Kdse(s) y(s)
Tdse(s) y(s)
KP
1
GR
iK
sGRi
1
Ts
neinteraktivna izvedba - P, I i D djelovanja djeluju potpuno paralelno
Čovjek reagira “proporcionalno” prema zahtjevima trenutka,
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 13
p p p j“integralno” uzimajući u obzir prošlo iskustvo i“derivacijski” sagledavajući tendenciju budućih promjena
Katedra za strojarsku automatiku
1. Paralelna (neinteraktivna) topologija
PI-D forma regulatoraPID osnovna paralelna forma regulatora
I-PD forma regulatoraISA forma regulatoraISA forma regulatora
Opća forma regulatora
2. Serijska (interaktivna) topologija
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 14
Katedra za strojarsku automatiku
PID regulatorPID regulator (osnovna paralelna forma regulatora)gg
diskontinuirane (skokovite) referentne veličine prenose se na
( p g )
( ) pregulacijsko odstupanje, što posebno zbog direktnog D djelovanjarezultira impulsima koji povećavaju upravljačke signale
e y
P
x x
D
e yI Izvršni član Objekt
xu xi
D
GR
Mjerni član
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 15
Katedra za strojarsku automatiku
PIPI D regulatorD regulator (struktura s derivacijom izlaza)PIPI--D regulatorD regulator (struktura s derivacijom izlaza)
P
e y
P
I Izvršni član Objektxu xi
D
Izvršni član Objekt
GR
Mjerni član
povoljna topologija za diskontinuirane (skokovite) referentneveličine, jer smanjuje zahtjeve prema izvršnom članu
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 16
j j j j p
Katedra za strojarsku automatiku
II PD regulatorPD regulator (struktura sa isključivim I djelovanjem na pogrešci)II--PD regulatorPD regulator (struktura sa isključivim I djelovanjem na pogrešci)
topologija s najblažim upravljačkim signalima
e yI Izvršni član Objekt
xu xi
D P
GR
Mjerni članMjerni član
potpuno se izbjegava prijenos diskontinuirane (skokovite) referentneveličine na upravljačku veličinu, čime se maksimalno smanjuju zahtjevi
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 17
p j j j jprema izvršnom članu
Katedra za strojarsku automatiku
ISA forma PID regulatoraISA forma PID regulatoragg
G
y
GR
Kxu
xi
αp
yIzvršni član Objekt
xi
γd
FiltariK
s
d
d
sK
1 sT /N
Mjerni član
težinski koeficijenti ograničavaju prijenos diskontinuitetana postavnu veličinu kroz P i D djelovanje
umjesto idealnog derivatora koristi se realni derivator
filtar na izlazu čisti upravljački signal od visokofrekvencijskih
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 18
filtar na izlazu čisti upravljački signal od visokofrekvencijskihkomponenti čime se štedi izvršni član
Katedra za strojarsku automatiku
Opća forma PID regulatoraOpća forma PID regulatorap gp g
objedinjuje sve do sada pokazane izvedbe PID regulatora
GR
Px
αp
yI Izvršni član Objekt
xuxiβi
Filtar
D
Mj i čl
γd
Mjerni član
podešavanje parametara se odvija u dvije faze :
1. prvo se podešavaju parametri povratne veze (K, Ti, Td) s kojima tiž d b k ij ć j ( ži t bili ij )se postiže dobra kompenzacija poremećaja (režim stabilizacije)
2. potom se podešavaju težinski koeficijenti (αp, βi, γd) dok se neti d b di ik d i d ć liči ( ži lij đ j )
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 19
postigne dobra dinamika odziva na vodeću veličinu (režim slijeđenja)
Katedra za strojarsku automatiku
PID regulator (serijska topologija)PID regulator (serijska topologija)PID regulator (serijska topologija)PID regulator (serijska topologija)
interaktivna izvedba - P, I i D djelovanja ne djeluju potpuno paralelno
realizirana serijskim spojem PD i PI regulatorarealizirana serijskim spojem PD i PI regulatora
e yI Izvršni član Objekt
xu xi
D
GR
P
R
Mjerni član
najčešće se koristi u procesnoj tehnici
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 20
j p j
Katedra za strojarsku automatiku
Digitalni PID regulator (standardna paralelna topologija)Digitalni PID regulator (standardna paralelna topologija)Digitalni PID regulator (standardna paralelna topologija)Digitalni PID regulator (standardna paralelna topologija)
le y
Digitalni regulator
x xAlgoritamupravljanja
e yA/D D/A Izvršni član Objekt
xu xi
Mjerni član
t1 de(t) P d
i 0
1 de(t)y(t) K e(t) e(t)dt T
T dt
ij l di k t i blik
standardna paralelna topologija
0t kT
prijelaz na diskretni oblik
T0 – period uzorkovanja
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 21
Katedra za strojarsku automatiku
t k 1t k 1
0i 00
e(t)dt T e(t)
0
de(t) e(k) e(k 1)
dt T
0
k
0 di
T Ty(k) K e(k) e(t ) e(k) e(k 1)
p i
i 0i 0
y(k) K e(k) e(t ) e(k) e(k 1)T T
prijelaz na kauzalni oblik
k 1
0 dp i
i 0i 0
T Ty(k 1) K e(k 1) e(t ) e(k 1) e(k 2)
T T
i 0i 0
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 22
Katedra za strojarsku automatiku
zakon upravljanjazakon upravljanja
y(k) y(k 1) k k 1
d 0 d dp i i
0 i 0 0i 0 i 0
T T T TK 1 e(k) e(t ) e(t ) 2 1 e(k 1) e(k 2)
T T T T
0 i 0 0i 0 i 0
e(k)e(k)
d 0 d dp p p
0 i 0 0
T T T Ty(k) y(k 1) K 1 e(k) K 2 1 e(k 1) K e(k 2)
T T T T
0 i 0 0
K K K1K 2K 3K
1 2 3y(k) y(k 1) K e(k) K e(k 1) K e(k 2)
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 23
Katedra za strojarsku automatiku
algoritam upravljanja digitalnog PID regulatora
1 2 3y(k) y(k 1) K e(k) K e(k 1) K e(k 2)
0 d1 p
i 0
T TK K 1
T T
d
1 p 0 i0
KK K T K
T
i 0
d2 p
0
TK K 1 2
T
0
d2 p
0
KK K 2
T
0
d3 p
0
T
TK K
T
0
d3
0
T
KK
T
0T 0T
t
P d1 de(t)
y(t) K e(t) e(t)dt TT dt
t
P i dde(t)
y(t) K e(t) K e(t)dt Kdt
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 24
P di 0
y( ) ( ) ( )T dt
P i d0
dt
Katedra za strojarsku automatiku
af(k a) z f(k) operator pomaka
1 2 3y(k) y(k 1) K e(k) K e(k 1) K e(k 2) 1 2 3y(k) y(k 1) K e(k) K e(k 1) K e(k 2)
1 1 2y(z) z y(z) K e(z) K z e(z) K z e(z) 1 2 3y(z) z y(z) K e(z) K z e(z) K z e(z)
1 1 2y(z)(1 z ) K K z K z e(z) 1 2 3y(z)(1 z ) K K z K z e(z)
1 21 2 3
RK K z K zy(z)
G (z)
R 1G (z)
e(z) 1 z
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 25
Katedra za strojarsku automatiku
Osnovne prednosti digitalnog regulatora:
regulator u obliku programa
nema ograničenja u kompleksnosti regulatora
nema protudjelovanja među elementima regulacijskog kruganema protudjelovanja među elementima regulacijskog kruga
moguća funkcionalna ovisnost parametara sustava te strukture
i parametara regulatora
Osnovni nedostatak : sekvencijalni rad, mrtvo vrijeme, razlučivanje
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 26
Katedra za strojarsku automatiku
Postavni pogon(motor)
Postavni član(ventil)Izvršni član
l kt ični
istosmjerni
izmjenični mehaničkielektrični izmjenični
koračni
klipni
mehaničkiTok materije(ulje, voda,zrak )
pneumatski
(F<30kN, P<1MPa)
klipni
membranski električnizrak, …)
hidraulični(F>30kN, P>1MPa)
klipni Tok energije(tranzistori,tiristori,
t k kombinirani
elektropneumatski
elektrohidraulični
magnetska pojačala, …)
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 27
pneumohidraulični
Katedra za strojarsku automatiku
PP
p
pp1
p2
xx
p2
x
membranski klipnijednoradni
klipnidvoradni
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 28
jednoradni dvoradni
Katedra za strojarsku automatiku
x x
xxm xm
izdubljeni klip klip u formi polukugleq q
izdubljeni klip klip u formi polukugle
100
Karakteristika ventila
12
3
%Q/Q m 1 - linearna karakteristika
2 - logaritamska karakteristika 3
0
3 - logaritamska karakteristika s pomakom nul-točke
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 29
10000
%x/x m
Katedra za strojarsku automatiku
Geometrijske značajke ventila sažimamo u tzv. konstantu ventila KV :
Tekućine Plinovi, pare, promjenjivi uvjeti strujanja
V 3600 2 A qKp
NV
N
2
q5140 P
Kp
d l f k 3 1q m h - protok tekućine
vrijedi uz normalne atmosferske uvjete (P=1.013bar, T=273.15K)
3 1 3kgm
M
- gustoća tekućine
pad tlaka na ventilu
3 1Nq m h - volumni protok plina ili pare
3N kgm - gustoća plina ili pare p Mpa - pad tlaka na ventilu N g g p p
p Mpa - pad tlaka na ventilu
P M l t i tl k l til 1P Mpa - apsolutni tlak na ulazu ventila
2P Mpa
K - temperatura na ulazu ventila
1Pp P
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 30
12p P
2
Katedra za strojarsku automatiku
Inteligentni izvršni članintegracija postavnog pogona postavnog člana upravljačkog integracija postavnog pogona, postavnog člana, upravljačkog člana,komunikacije, ...
upravljački član
m t p st ni p nmotor – postavni pogon
ventil – postavni član
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 31
ventil postavni član
Katedra za strojarsku automatiku
MjMjernipretvarač
MjernoosjetiloMjerni član
senzorPretvorba jedne fizikalne l č d f k lveličine u drugu fizikalnu
veličinu.
xi Karakteristika
Pretvorba jedne fizikalne veličine u istu fizikalnu
liči
xi Karakteristika
veličinu.
xu
Pretvorba analognihu digitalne signale.
xulinearna i proporcionalnanelinearna i proporcionalnalinearna i recipročna
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 32
linearna i recipročnanelinearna i recipročna
Katedra za strojarsku automatiku
Mjerenje položaja i kutnog zakretaMjerenje položaja i kutnog zakreta
U0
x
pP0
xL
ui
uiU0
Zaslon - sapnica
Linearni potenciometar Kružni potenciometar
i0
Lx u
U i
0
300u
U
p
0
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 33
Katedra za strojarsku automatiku
F FMjerenje sile
RR1
L
F
p
P
Magnetoelastičnost
P0
Sapnica - zaslon
R2
Otp rn tr k t nz m trij
g
U0
R1 R3u
Otporne trake - tenzometrija
U0
R2 R41 4 2 3R R R R
F K
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 34
F K u
Katedra za strojarsku automatiku
Mjerenje brzineMjerenje brzine
vK u
tah
tah
Ku(s)(s) s 1
u
Tahogenerator
Mjerenje temperature
x
Bi l
T
u
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 35
Bimetal Termopar
Katedra za strojarsku automatiku
Mjerenje tlaka
x
p x
p
Elastična membranaElastični mjeh
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 36
Katedra za strojarsku automatiku
Inteligentni mjerni člang j
integracija osjetila, pretvornika, komunikacije, ...
Mjerenje temperature senzorom Dallas 1821Mjerenje temperature senzorom Dallas 1821
DS1821 naredbeEEh – pokreće pretvorbu temperatureAAh – čita temperaturuACh – čita STATUS registar
DS1821 g
0Ch – upisuje u STATUS registarA0h – čita COUNTER registar41h – puni COUNTER registar
+5VGND41h puni COUNTER registar
podaciP
Opseg mjerenja : -55 ..+125CRazlučivanje : 0.5 CMrtvo vrijeme : 0.5 s
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 37
Mrtvo vrijeme 0.5 s
Katedra za strojarsku automatiku
prijenos i obrada signala unutar regulacijskog kruga
SVOJSTVO Električni sistemi Pneumatski sistemi Hidraulični sistemi
Brzina prijenosasignala (m/s)
Vrijeme reakcije
83 10 300 500 1000
1 3Vrijeme reakcije(s)
Ek pl i n štit
6 310 10 110 10 310
UVIJEK NE NEEksplozivna zaštita
Ostvarive silek d
UVIJEK NE NE
srednje( k p ) velike velikekod pogona
Trošak obziromna izvor energije
(skupo) velike
jeftino jeftino skupljena izvor energije
Održavanjestručnost osoblja
visoka stručnost nešto jednostavnije
Mehatronika i robotika Upravljanje i regulacija Regulacijski uređaji - 38