Automatyka podstawy dla studenta SI 2011iko.pwr.wroc.pl/PracowDrct/Piotr_Jadwiszczak/Automatyka... · 2011-05-24 · AUTOMATYKA wykład MATERIAŁY DLA STUDENTA Prowadzący: dr inŜ

AUTOMATYKAwykład

MATERIAŁY DLA STUDENTA

Prowadzący:

dr inŜ. Piotr JADWISZCZAK

p.302 bud. C-6 www.iko.pwr.wroc.pl

Literatura

1. Brzózka J. „Regulatory i układy automatyki”, Mikom, Warszawa 2004

2. Kowal J. „Podstawy Automatyki”, Uczelniane Wydawnictwa naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2004

3. Urbaniak A. „Podstawy Automatyki”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004

4. Buczek B. „Automatyka i robotyka w Excelu”, Mikom, Warszawa 2002

5. Greblicki W. „Teoretyczne podstawy automatyki”, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2001

6. Bolek W., Ślifirska E. „Ćwiczenia laboratoryjne z podstaw automatyki”, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2001

7. Kostro J. „Elementy, urządzenia i układy automatyki”, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1983

8. Wurstlin D. „Regulacja urządzeń grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych”, Arkady, Warszawa 1978

1. Podstawowe definicje

1.1. Automatyzacja

Zastępowanie człowieka w czynnościach sterowniczych przez odpowiednie urządzenia sterujące, np. automatyzacja kotłowni, węzła ciepłowniczego i inne.

Przykłady. Wady. Zalety.

1.2. Automatyka

Dziedzina nauki obejmująca teorię i praktykę budowy urządzeń sterujących i regulacyjnych, np. automatyka budynkowa, przemysłowa.

2. Technika regulacji i sterowania

2.1. Regulacja

Jest to czynność, w trakcie której jakąś wielkość fizyczną (np. temperaturę czy ciśnienie powietrza) mierzy się na bieŜąco, porównuje z inną wielkością wzorcową i pomimo zakłócających wpływów zewnętrznych utrzymuje na stałym poziomie lub w określonych granicach (z dopuszczalną odchyłką).

2.2. UAR

Układ Automatycznej Regulacji – zespół urządzeń automatyzujących dany proces czy instalację.

°C24

22

20

18

16

2.3. Regulacja temp. w pomieszczeniu

Z1 Z2 Z3

22

33

11

44

2.4. UAR temp. w pomieszczeniu

2.5. Elementy i sygnały w UAR

KaŜdy typowy UAR składa się z następujących elementów składowych:

1 = REGULATOR

2 = CZŁON POMIAROWY

3 = CZŁON WYKONAWCZY

4 = OBIEKT REGULACJI

z = wielkości zakłócające

y = wielkość regulowana

w = wartość zadana

u = wielkość nastawna

Z1 Z2 Z3

22

33

T 11

w

y u

44

2.6. Sterowanie

Jest to proces w układzie otwartym, w którym wielkość wejściowa wpływa na wielkość wyjściową według prawidłowości właściwej danemu obiektowi.

Regulacja natomiast odbywa się w układzie zamkniętym (sygnał krąŜy w pętli).

°C20

10

0

-10

-20

Z1 Z2 Z3

2.3. Sterowanie temp. w pomieszczeniach

+ 20°C+ 20°C

Z1 Z2 Z3

2.4. Sterowanie temp. w pomieszczeniu

+ 20°C+ 20°C

3. Schemat blokowy UAR

Większość urządzeń, układów i procesów automatycznego sterowania i regulacji moŜna przedstawić za pomocą schematów blokowych.

Przedstawiają one w postaci graficznej budowę UAR i jednoznacznie opisują jego działanie (drogę sygnałów) przy znanej zaleŜności między sygnałem wejściowym i wyjściowym.

Element automatyki

sygnał wejściowy

sygnał wyjściowy

zmiana sygnału

3.1. Symbole w schematach blokowych

Linia sygnałowa: odcinek lub linia łamana łącząca bloki na schemacie. Strzałka symbolizuje kierunek przepływu sygnału.

Węzeł sumujący: zachodzi w nim algebraiczne sumowanie sygnałów. Znak ujemny na grocie strzałki oznacza że dany sygnał jest odejmowany: c = a + b

Węzeł informacyjny: obrazuje miejsce w układzie z którego pobierana jest informacja.

Blok podstawowy: we wnętrzu prostokąta podawana jest matematyczna zależność pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym: G = a / b

4.1. Schemat blokowy REGULACJI

Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym

4.1. Schemat blokowy REGULACJI

22

3311 44

Regulacja temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym

4.2. Schemat blokowy STEROWANIA

4.2. Schemat blokowy STEROWANIA

3311 44

5.1. Stacja hydroforowa

P

5.2. Ogrzewanie indywidualne

T

5.3. Regulacja temp. nawiewu

T

6

5

43

5.4. Regulacja temp. powietrza w pomieszczeniu

5.5. Pogodowa regulacja temp. wody zasilającej grzejnik i sterowanie temp. powietrza w pomieszczeniu

6

y’ 5

4

3 y

1. Podstawowe rodzaje regulacji

AUTOMATYCZNAREGULACJA

1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA

Utrzymanie wartości regulowanej na stałym poziomie niezaleŜnie od zakłóceń działających na układ. np. regulacja temperatury c.w.u. za podgrzewaczem c.w.u.

Wymagania:Zakłócenia:Rozwiązanie:

M

1.1. Regulacja STAŁOWARTOŚCIOWA

Elementy UAR:

REGULATOR:

CZŁON POMIAROWY:.

CZŁON WYKONAWCZY:

OBIEKT REGULACJI:.

Sygnały w UAR

z = wielkości zakłócające:.

y = wielkość regulowana:

w = wartość zadana:

u = wielkość nastawna:

e = odchyłka regulacji:

1.2. Regulacja NADĄśNA (kompensacyjna)

Ma za zadanie nadąŜanie za zmianami wartości zadanej, która zmienia się w sposób niezdeterminowany (trudny do przewidzenia). np. regulacja pogodowa instalacji c.o.

źródło

ciepła

tz, m

Te = temperatura zewnętrznaTz = temperatura wody na zasilanium= przepływ const.

grzejnik

te

Temp.

zasilania

c.o.

Temp.zewn.

+20

-20 0 +20

+90


+20

-20 0 +20 te

tz+90

Wymagania:

Zakłócenia:

Rozwiązanie:

Wykres regulacyjny:Wykres sporządzony według znanej dla danego obiektu (pomieszczenia, budynku) zaleŜności przyporządkowujący danej te wymaganą tz.

Wykres regulacyjny

+20

-20 0 +20 te

tz+90


Elementy UAR:REGULATOR:CZŁON POMIAROWY:CZŁON WYKONAWCZY:OBIEKT REGULACJI:

Sygnały w UARz = wielkości zakłócające:y = wielkość regulowana:w = wartość zadana:u = wielkość nastawna:e = odchyłka regulacji:

1.3. Regulacja PROGRAMOWA

Realizuje zadaną w czasie zmianę wartości zadanej według ściśle określonego programu godzinowego, dobowego, tygodniowego, miesięcznego, rocznego, dni roboczych i wolnych, itp.

np. osłabienia nocne czy weekendowe w instalacjach centralnego ogrzewania w obiektach uŜytkowanych okresowo (biura, szkoły).

W ramach regulacji programowej mogą być realizowane procesy sterowania i regulacji zarówno nadąŜnej jak i stałowartościowej.

1.3. Regulacja PROGRAMOWA

w (ti °C)

czas0:00 7:00 17:00 24:00

+20

+15

2. Stopnie regulacji. Regulacja jednostopniowa.

ŹRÓDŁO CIEPŁA

ODBIORNIKCIEPŁA

Te

ODBIORNIKCIEPŁA

INSTALACJA

C.O.

2. Stopnie regulacji. Regulacja dwustopniowa.

ŹRÓDŁO CIEPŁA

ODBIORNIKCIEPŁA

INSTALACJA

C.O.

Te

ZAWÓR

REGULACYJNY

ODBIORNIKCIEPŁA

2. Stopnie regulacji. Regulacja trójstopniowa.

ODBIORNIKCIEPŁA

WĘZEŁCIEPŁO-WNICZY

(ELEKTRO)CIEPŁOWNIA

SIEĆ CIEPŁOWNICZA

ZAWÓR

REGULACYJNY

ODBIORNIKCIEPŁA

3. Jakość regulacji

Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zaleŜy od

doboru odpowiedniego typu regulatora do konkretnego obiektu

regulacji.

Poprawność działania UAR jest wyraŜana jakością regulacji.

Najczęściej jakość regulacji określana jest na podstawie analizy

przebiegu przejściowego układu (zmian sygnału wyjściowego) będącego

odpowiedzią na skokową zmianę wymuszenia (sygnału wejściowego).

3.1. Ocena jakości regulacji

Analiza właściwościAnaliza właściwościUARUAR

(jakości regulacji)

W STANACH W STANACH STATYCZNYCHSTATYCZNYCH

W STANACHW STANACHDYNAMICZNYCHDYNAMICZNYCH

Określenie wskaźnikówregulacji tR, e1, emax i K

3.2. Jakość regulacji w stanach statycznych

Kryterium oceny jest wielkość odchyłki statycznej „e” jako róŜnicy między wartością zadaną „w” a wielkością regulowaną „y” w stanie ustalonym. Im mniejsza odchyłka „e”, tym lepsza jakość regulacji.

Stan ustalony osiągany jest gdy wartości sygnałów wejściowego i wyjściowego układu są stałe.

czas

w

(wartość

zadana)

3.3. Jakość regulacji w stanach dynamicznych

Ocena na podstawie analizy charakterystyki skokowej (przebiegu przejściowego) jako odpowiedź UAR na znaną, skokową zmianę wymuszenia (zakłócenie wprowadzone do układu).

t

e

+ ∆e

- ∆e

e - odchyłka regulacji, e max - odchyłka maksymalna, e1 - odchyłka o przeciwnym znaku do emax , K - przeregulowanie, t R - czas regulacji

3.4. Ocena jakości regulacji. Stan ustalony.

czas

w

1

2

3

4

3.5. Ocena jakości regulacji. Stany dynamiczne.

t

e

1. Właściwości elementów automatyki

KaŜdy z elementów (członów) automatyki ma określone właściwości, których korelacja określa właściwości całego układu(połączenia szeregowe, równoległe i sprzęŜenie zwrotne).

Znajomość właściwości poszczególnych elementów automatyki jest konieczna dla poprawnego doboru UAR i dla osiągnięcia wymaganej jakości regulacji.

Wymaga się „dopasowania” elementów UAR do danego obiektu regulacji. NaleŜy poznać i odpowiednio uwzględnić właściwości obiektu oraz wszelkich elementów składowych UAR.

NaleŜy znać sposób zachowania się obiektu którego pracą chcemy kierować, jak reaguje na zakłócenia, jakie czynności naleŜy podjąć aby osiągnąć określony cel, itp. Co zrobić Ŝeby…? Co się stanie gdy…?

1.1. Właściwości elementów automatyki

Właściwości elementu automatyki opisują sposób przetwarzania przez dany element automatyki sygnałów wejściowych (x) na sygnały wyjściowe (y).

Zmianie moŜe ulegać:

• wartości sygnału (zwiększenie lub zmniejszenie)

• postać sygnału

• przebieg sygnału w czasie (opóźnienie, wydłuŜenie, skrócenie, itp.)

• i inne.

Element automatyki

sygnał wejściowy

x

sygnał wyjściowy

yzmiana sygnału

1.2. Właściwości elementów automatyki

WŁAŚCIWOŚCI ELEMENTÓW AUTOMATYKI

WŁAŚCIWOŚCI STATYCZNE(stan ustalony)

WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNE

(wymuszenie)

2. Właściwości STATYCZNE

Właściwości statyczne elementu automatyki określa charakterystyka statyczna.

Opisuje ona zaleŜność między sygnałem wejściowym i wyjściowym danego elementu w stanie ustalonym (stanie statycznym).

Charakterystykę statyczną wyznacza się analitycznie lub doświadczalnie.

czas

STAN USTALONY

Element automatyki

sygnał wejściowy

x

sygnał wyjściowy

y

zmiana sygnału

2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych

Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zaleŜności matematycznych (model matematyczny).

PRZYKŁAD 1:

Q

te

2.1. Analityczne wyznaczanie wł. statycznych

Analityczne wyznaczanie charakterystyki statycznej polega na opisaniu układu za pomocą znanych zaleŜności matematycznych (model matematyczny).

PRZYKŁAD 2:

∆p

v

2.2. Doświadczalne wyzn. wł. statycznych

Doświadczalne wyznaczanie charakterystyki statycznej:

1. Podanie do elementu automatyki znajdującego się w stanie ustalonym znanego, niezmiennego sygnału wejściowego x

2. Zmierzenie odpowiadającej mu stałej wartości sygnału wyjściowego y po ponownym osiągnięciu przez element stanu ustalonego.

2.2. Doświadczalne wyzn. wł. statycznych

PRZYKŁAD 3: .

G1 G2 G3 G4 G

H1H2

H3

H4

H

3. Właściwości DYNAMICZNE

Właściwości dynamiczne elementu automatyki określa charakterystyka dynamiczna.

Przedstawia ona zmienność w czasie sygnału wyjściowego y po zmianie sygnału wejściowego x.

Jest to odpowiedź dynamiczna elementu automatyki na zmianę sygnału wejściowego.

Charakterystykę dynamiczną określa się analitycznie lub doświadczalnie.

Element automatyki

sygnał wejściowy

x

sygnał wyjściowy

y

zmiana sygnału

3.1. Analityczne wyzn. wł. dynamicznych

Analityczne określanie właściwości dynamicznych układu realizuje się za pomocą równań róŜniczkowych (interpretacja graficzna) lub za pomocą transmitancji operatorowych będących funkcjami zmiennej zespolonej s:

G(s) = Y(s) / X(s)

gdzie: X(s) i Y(s) to postać operatorowa odpowiednio sygnału wejściowego i wyjściowego

Transmitancje operatorowe podstawowych elementów automatyki podane się w literaturze.

MoŜna je równieŜ wyznaczyć dla danego obiektu.

3.2. Doświadczalne wyzn. wł. dynamicznych

Doświadczalne określanie właściwości dynamicznych:

1. Obiekt w stanie ustalonym.

2. Podanie na wejście odpowiednio dobranego, znanego, zmiennego w czasie sygnału wejściowego x WYMUSZENIA.

3. Rejestracja wywołanych nim zmian sygnału wyjściowego y aŜ do ponownego osiągnięcia stanu ustalonego.Jest to odpowiedź układu (funkcją przejścia) między dwoma stanami ustalonymi.

3.2. Doświadczalne wyzn. wł. dynamicznych

Odpowiedź układu zwana równieŜ funkcją przejścia między dwoma stanami ustalonymi:

Sygnałwejściowy

Sygnałwyjściowy

czas

czas

stanustalony

stanustalony

4. CZŁONY AUTOMATYKI i ich właściwości

Sposobem analitycznego odwzorowania układu jest stworzenie jego modelu złoŜonego z CZŁONÓW, którymi są podstawowe układy lub elementy automatyki (części składowe).

Człony automatyki moŜna dzielić według róŜnych kryteriów: zasady działania, budowy, zastosowania, itd.

Najwygodniejszy i najpowszechniejszy jest podział członów ze względu na ich właściwości dynamiczne.

RegulatorCzłon

wykonawczyObiekt

regulacji

zakłócenia Z

uw

y

Człon pomiarowy

e

4. CZŁONY AUTOMATYKI i ich właściwości

Ze względu na właściwości dynamiczne w automatyce wyróŜnia się

następujące podstawowe człony (elementy):

1. CZŁON PROPORCJONALNY

2. CZŁON INERCYJNY I rzędu

3. CZŁON INERCYJNY II rzędu

4. CZŁON CAŁKUJĄCY

5. CZŁON RÓśNICZKUJĄCY

6. CZŁON OSCYLACYJNY

7. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY

4.1. CZŁON PROPORCJONALNY

y(t)

k

x(t)

czas

Wymuszenie: skok jednostkowy

Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:

k – współczynnikwzmocnienia

4.1. CZŁON PROPORCJONALNY

Przykład: zawór regulacyjny

Wielkość wejściowa:

Wielkość wyjściowa:

0

x(t)

t

WYMUSZENIE

0

y(t)

t

ODPOWIEDŹ

4.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu

y(t)

czas

k

x(t) Wymuszenie: skok jednostkowy

Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:


T – stała czasowa

Cechuje go inercja.T

0,632k

4.2. CZŁON INERCYJNY I rzędu

Przykład: wodna nagrzewnica powietrza



0

x(t)

t

WYMUSZENIE

0

y(t)

t

ODPOWIEDŹ

4.3. CZŁON INERCYJNY II rzędu

y(t)

k

TTo

czas

Wymuszenie: skok jednostkowy

Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:

k – współczynnikwzmocnieniaTo – opóźnienieT – stała czasowa

x(t)

0,632k

4.3. CZŁON INERCYJNY II rzędu

Przykład: podgrzewacz c.w.u.



0

x(t)

t

WYMUSZENIE

y(t)

0 t

ODPOWIEDŹ

4.6. CZŁON OSCYLACYJNY BEZ TŁUMIENIA

y(t)

2k

k

czas


Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:


4.6. CZŁON OSCYLACYJNY Z TŁUMIENIEM

y(t)

2k

k

czas


Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:


4.6. CZŁON OSCYLACYJNY Z POBUDZENIEM

y(t)

2k

k

czas


Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:


6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY

y(t)

toczas


Odpowiedź skokowa

Symbol graficzny:

to - opóźnienie

6.6. CZŁON OPÓŹNIAJĄCY

Przykład: podajnik taśmowy (taśmociąg)



L

G2G1

0

x(t)

t

WYMUSZENIE

0

y(t)

t

ODPOWIEDŹ

7. CZŁONY AUTOMATYKI - przykłady

1. Każdy z członów układu ma określone właściwości dynamiczne.

2. Wzajemna korelacja właściwości dynamicznych poszczególnych

członów określa właściwości dynamiczne całego obiektu.

3. Znajomość właściwości dynamicznych obiektu (instalacji,

urządzenia, układu) jest konieczna dla poprawnego doboru i

dopasowania UAR.

G1 G2 a b

G1 G2 a b

Gn...2G1GGw ⋅⋅⋅=

G1

G2

a b++

G1

G2

a b++ Gn...2G1GGw +++=

G1

G2

a b

±G1

G2

a b

±2G1G1

1GGw

⋅±=

7.1. Przykład 1: STACJA HYDROFOROWA

P

Właściwości członów automatyki:

y

w _

7.2. Przykład 2: REGULACJA TEMP. NAWIEWU

T


y

w _

7.3. Przykład 3: OGRZEWANIE STREFOWE


M

z/do źródła ciepła

T

y

w _

7.4. Przykład 4: OGRZEWANIE INDYWIDUALNE


y

w

T

_

8. Zadanie

Narysować charakterystykę dynamiczną obiektu:

1. Proporcjonalnego o współczynniku wzmocnienia 0,5.

2. Opóźniającego o opóźnieniu 30 sekund.

3. Inercyjnego I rzędu o współczynniku wzmocnienia 2,5 i stałej

czasowej 130 sekund.

4. Inercyjności II rzędu o współczynniku wzmocnienia 2,5, stałej

czasowej 100 sekund i opóźnieniu 30 sekund.

Wymuszenie skokowe, jednostkowe (x =1).

1. Dotychczasowe wiadomości pozwalają na:

1. Rozpoznanie i określenie właściwości obiektu regulacji i jego poszczególnych elementów.

2. Określenie wymagań odnośnie jakości regulacji.

3. Wybór poŜądanego rodzaju regulacji.

yx

STAŁOWARTOŚCIOWA NADĄŻNAPROGRAMOWA

t

e

+ ∆e

- ∆e

tR

e ma

x e(t)K = e1/emax × 100%

e 1

2. Elementy UAR obiektu

UAR danego OBIEKTU składa się z co najmniej z trzech podstawowych elementów (urządzeń) tworzących pętlę regulacyjną:

1. REGULATOR

2. ELEMENT POMIAROWY (czujnik)

3. ELEMENT WYKONAWCZY

Między elementami automatyki informacje przesyłane są w postaci SYGNAŁÓW (oznaczone strzałkami).

RegulatorCzłon

wykonawczyObiekt

regulacji

zakłócenia Z

uw

y

Człon pomiarowy

e_

3. Sygnały w UAR

W technice automatycznej regulacji rozróŜnia się dwa podstawowe typy sygnałów dla przekazywania odczytów, stanów, rozkazów i innych informacji między elementami automatyki:

1.SYGNAŁ CYFROWY

2.SYGNAŁ ANALOGOWY

czas

1 -

0 -

czas

100% -

0% -

3. Sygnały w UAR

Sygnały obu rodzajów (A i D) mogą być dla danego elementu:

1. sygnałem wejściowym, ozn. I (ang. INPUT) 2. sygnałem wyjściowym, ozn. O (ang. OUTPUT)

Otrzymujemy więc dla danego elementu automatyki:

••••

Sygnały w UAR występują w znormalizowanych postaciach (elektryczne)np.

Sygnał musi być uŜyteczny (zrozumiały)

Element automatykiAI AO

Element automatykiDI DO

3. Sygnały w UAR

1. Sygnał wyjściowy (O) dla danego elementu automatyki jest zazwyczaj sygnałem wejściowym (I) dla kolejnego elementu.

2. Nie moŜna bezpośrednio łączyć (mieszać) ze sobą sygnałów analogowych (A) i cyfrowych (D).

Istnieją dedykowane elementy automatyki zamieniające sygnałyA na D lub D na A według załoŜonych reguł.

3. Poszczególne elementy automatyki mogą mieć więcej niŜ jeden sygnał wejściowy (I) i wyjściowy (O).

3. Sygnały w UAR

PRZYKŁAD: centrala wentylacyjna z nagrzewnicą powietrza.T

4. Elementy pomiarowe

Automatyzacja procesów w inŜynierii sanitarnej wymaga zastosowania czujników słuŜących do pomiaru takich wielkości jak:

Pomiar kaŜdej wielkości wymaga zastosowaniadedykowanych elementów pomiarowych.

• temperatura,

• ciśnienie lub róŜnica ciśnień,

• wilgotność,

• przepływ lub strumień,

• prędkość przepływu,

• ilość (licznik),

• energia (licznik),

• poziom cieczy,

• entalpia,

• jakości powietrza

• zawartość CO2,

• zawartość O2,

• ruch i obecność,

• zadymienie,

• połoŜenie,

• przekroczenie zakresu,

• i inne.

4.1. Zasada działania element. pomiarowych

Urządzenia pomiarowe (czujniki) zamieniają mierzony parametr na wielkość uŜyteczną (zrozumiałą) dla UAR w postaci znormalizowanego sygnału np. elektrycznego.

Sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do aktualnej wielkości wartości mierzonej, rośnie i maleje wraz z nią w całym zakresie pomiarowym czujnika według znanej właściwości (charakterystyka czujnika).

Przykład:zanurzeniowy czujniktemperatury czynnika

Znormalizowanysygnał rezystancyjny kΩ

Temperaturaczynnika °C

4.2. Sygnały generowane przez e. pomiarowe

W zaleŜności od potrzeb i moŜliwości przekazania danej informacji stosuje się czujniki generujące sygnały D lub A.

Za pomocą sygnału analogowego (A)

Za pomocą sygnału cyfrowego (D)

Za pomocą sygnału cyfrowego (D)

4.3. Dobór elementów pomiarowych

Przy doborze czujnika naleŜy zwrócić uwagę na:

• zakres pomiarowy

• dokładność wskazania

• rodzaj sygnałów wejściowych zastosowanego regulatora

• stałą czasową czujnika

• fizyczną moŜliwość zabudowy czujnika

5. Stała czasowa czujnika

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60Czas, s

Zm

ian

a t

em

pe

ratu

ry,

%

Ts = 2s

Ts = 7s

Ts = 47s

5. Stała czasowa czujnika

Wpływ stałej czasowej na jakość wskazań czujnika.

czas

parametr fizyczny(mierzony)

6.1. Zanurzeniowy czujnik temp. cieczy

Sposób zabudowy (montaŜu):

6.1. Zanurzeniowy czujniki temp. cieczy

Sygnał doUAR

Pomiar temperatury(element termoczuły)

Przetworniktemperatury

1. Mała bezwładność elementu pomiarowego (szybki odczyt zmian temp.)

2. DuŜa dokładność odczytu (zanurzony w cieczy).

3. Konieczność prac instalatorskich przy montaŜu.

4. Istnieją równieŜ czujniki zanurzeniowe bez osłony.

6.2. Przylgowy czujnik temperatury cieczy

Sygnał doUAR

Przetworniktemperatury

Pomiar temperatury(element termoczuły)

1. Bezwładność pomiaru (opóźnienie odczytu zmian temperatury).

2. Zakłócona dokładność odczytu (mierzy temp. ścianki przewodu).

3. MontaŜ bez konieczność prac instalatorskich.

4. Łatwość zmiany lokalizacji (przenoszenia czujnika).

6.3. Kanałowy czujnik temp. powietrza

Do pomiaru temperatury powietrza w kanałach wentylacyjnych

stosowane są czujniki kanałowe o małych stałych czasowych.

Sposób zabudowy (montaŜu):

Otwory - pomiar temperatury(element termoczuły)

6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej

Do pomiaru temperatury powietrza w pomieszczeniach stosowane są czujniki przystosowane do montaŜu na ścianie.

Zamknięte są w obudowach zabezpieczających je przed uszkodzeniem i poprawiających estetykę zamontowanego czujnika.

Zakres pomiarowy -15...+40°C.

Mogą być wyposaŜone w wyświetlacz i nastwanik wartości zadanej.

Czujniki te mogą być wyposaŜanedodatkowo w zadajniki temperatury oraz wyświetlacze wartości mierzonej.

6.4. Czujnik temperatury wewnętrznej

Zasady montaŜu czujników temperatury wewnętrznej w celu zapewnienia poprawności pomiaru:

1. Na wysokości około 1,5m(w strefie przebywania ludzi).

2. Nie na nasłonecznionej ścianie.

3. Nie w pobliŜu źródeł ciepła.

4. Nie w pobliŜu drzwi i okien.

5. Najlepiej na ścianie wewnętrznej.

6.5. Czujnik temperatury zewnętrznej

Czujniki do pomiaru temperatury powietrza zewnętrznego posiadają konstrukcję zabezpieczającą je przed niekorzystnym wpływem wilgoci oraz moŜliwość montaŜu na ścianach zewnętrznych budynków.

Przy wyborze miejsca montażu należywybierać ściany północne oraz

północno-wschodnie eliminując

bezpośredni wpływ nasłonecznienia

i innych zysków ciepła na pomiar

temperatury powietrza.

Zakres pomiarowy -30...+60°C.

W układach wentylacyjnych temperatura

powietrza zewnętrznego może być mierzona

czujnikiem kanałowym w kanale czerpni

6.6. Czujnik – sonda poziomu cieczy

Sonda wykorzystuje zjawisko przepływu prądu elektrycznego przez niektóre media (np. woda).

Po zanurzeniu elektrod, zaczyna płynąć prąd między elektrodą referencyjną (najdłuŜsza) i elektrodami pomiarowymi (poziom min i max).

Typowe zastosowanie:

• stacje oczyszczania i neutralizacji ścieków,

• zbiorniki przeciwpoŜarowe

• stacje odsalania, zmiękczania i uzdatniania wody

• zbiorniki zasilające systemów ogrzewania c.o.

• kotły wodne, parowe, itp..

6.6. Czujnik – sonda poziomu cieczy

Czujnik max/min (3 elektrody) Czujnik wielopozioimowy (5 elektrod)

6.7. Pojemnościowy wskaźnik poziomu

Sonda działa jak kondensator: w miarę napełniania zbiornika pojemność kondensatora rośnie .

Sygnał ciągły (analogowy, 4…20mA) odpowiadający dokładnemu poziomowi cieczy w zbiorniku.

Wymagana kalibracja w danym zastosowaniu.

Wytyczne montaŜu:

7. Elementy wykonawcze

Napędy wraz z elementami wykonawczymi tworzą zespoły wykonawcze. SłuŜą one do automatycznej realizacji zadań regulacji, wykonywania czynności wynikających z rozkazów regulatora.

W technice najczęściej stosowanymi napędami są:

• SILNIKI pomp i wentylatorów

• SIŁOWNIKI zaworów, klap i przepustnic

7.1. Silniki pomp i wentylatorów

WyróŜnia się:

• Silniki ze stałą prędkością obrotową

• Silniki ze stopniową zmianą prędkości obrotowej

• Silniki z płynną zmianą prędkości obrotowej

Silniki elektryczne mogą być wyposaŜone w sygnalizator awarii (sygnał zwrotny DO) lub/i sygnalizator stanu praca/stop (sygnał zwrotny DO).

7.2. Siłowniki

SłuŜą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem zaworów, klap, przepustnic i innych. Realizują rozkazy regulatora.

W praktyce stosuje się:

• siłowniki elektryczne,

• siłowniki elektrohydrauliczne,

• siłowniki termoelektryczne,

• siłowniki elektromagnetyczne,

• siłowniki pneumatyczne,

• siłowniki regulatorówbezpośredniego działania.

M

zaw

ór

siło

wn

ik

Sygnałz regulatora

Ruchsiłownika

7.2. Przykład: elektryczny siłownik zaworu

• energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną do napędzania elementu nastawczego

• trzpień siłownika napędzany jest silnikiem za pośrednictwem przekładni redukcyjnej zębatej o duŜym przełoŜeniu

• silniki o stałej prędkości obrotowej z moŜliwością zmiany kierunku obrotu

Trzpień zaworu

OtwórzOtwórz

ZamknijZamknij

7.3. Siłowniki przepustnic

SłuŜą do automatycznego (bezobsługowego) sterowania otwieraniem przepustnic. Realizują rozkazy regulatora.

M

7.3. Przykład: elektr. siłownik przepustnic

Element nastawczy wykonuje ruch obrotowy w zakresie od 0 do 90°zamykając i otwierając przepustnicę.

7.6. Sterowanie pracą siłowników

Ze względu na sposób pracy i sygnał sterujący wyróŜnia się:

• Siłowniki proporcjonalne

• Siłowniki dwustawne

• Siłowniki trójstawne

Funkcja bezpieczeństwa: spręŜyna zamykająca lub otwierając siłownik w wypadku zaniku zasilania.

MoŜliwość przełączanie ze sterowania automatycznego na sterowanie ręczne.

Istnieją siłowniki z sygnałem zwrotnym osiągnięcia krańcowej pozycji lub awarii oraz z nadajnikiem aktualnej pozycji siłownika. Pozwala to weryfikować pracę siłownika i wykrywać stany awaryjne.

Dobierając siłownik naleŜy zwrócić uwagę na:

• siłę

• nominalny skok

• prędkość

oraz

7.7. Dobór siłowników

1. Regulatory

Regulator jest urządzeniem zapewniającym zgodność przebiegu procesu z przebiegiem poŜądanym, czyli spełnienie podstawowego warunku regulacji.

W regulatorze następuje porównanie chwilowej wartości regulowanej

(zmiennej kontrolowanej) „y” z wartością zadaną „w”.

Odchyłka regulacji „e” (róŜnica między „w” i „y”) powoduje wytworzenie sygnału sterującego (wyjściowego) „u”, którego wartość zaleŜy od wielkości, czasu trwania oraz szybkości zmian odchyłki „e”.

RegulatorCzłon

wykonawczyObiekt

regulacji

zakłócenia Z

uw

y

Człon pomiarowy

e

1. Regulatory

Zadaniem sygnału sterującego u jest wywołanie zmian zmniejszających odchyłkę regulacji e do wielkości dopuszczalnej (ed).

Sygnał wyjściowy regulatora powinien mieć postać dogodną do uruchomienia właściwych urządzeń wykonawczych.

RegulatorCzłon

wykonawczyObiekt

regulacji

zakłócenia Z

uw

y

Człon pomiarowy

e

w

yu

2.1. Podział według wielkości regulowanych

Podział i nazewnictwo przeprowadza się według wielkości fizycznejjaką dany regulator reguluje w danym układzie (utrzymuje na stałym poziomie lub w zadanych granicach, zmienia ją według zadanego programu lub dostosowuje do aktualnych potrzeb).

Na tej podstawie wyróŜnia się:

• regulatory temperatury (np. czynnika grzejnego)

• regulatory wilgotności (np. powietrza nawiewanego)

• regulatory ciśnienia (np. w przepompowni)

• regulatory ilości (np. strumienia masowego)

• i inne

2.2. Podział według energii pomocniczej

Podział i nazewnictwo przeprowadza się według rodzajuenergii pomocniczej z zewnętrznego źródła jakiej dany regulator wymaga dla poprawnej pracy (zasilanie).


• regulatory bez energii pomocniczej (bezpośredniego działania)

• regulatory elektryczne

• regulatory cyfrowe (mikroprocesorowe)

• regulatory pneumatyczne

• regulatory elektro-pneumatyczne

• i inne

2.2. Podział według energii pomocniczejPrzykłady

REGULATOR CIŚNIENIA BEZPOSREDNIEGO DZIAŁANIA

REGULATOR POZIOMU BEZPOSREDNIEGO DZIAŁANIA

• REGULATOR CYFROWY (MIKROPROCESOWROWY)

• REGULATOR PNEUMATYCZNY

3.3. Podział według zachowania się w czasie

Podział i nazewnictwo przeprowadza się według zachowania się w czasie regulatora. Czy funkcje regulacyjne są ciągłe czy nie.


• regulatory o działaniu nieciągłym

• regulatory o działaniu ciągłym

P (proporcjonalne), PI (proporcjonalno-całkujące),PID (proporcjonalno-całkująco-róŜniczkujące).

Czasowe zachowanie się regulatorów jest najwaŜniejsze dla wyboru regulatora. Jest ono niezaleŜne od rodzaju wielkości regulowanej i energii pomocniczej.

3.3. Podział według zachowania się w czasie

Poprawne działanie układu regulacji (regulowanie obiektem) zaleŜy od doboru odpowiedniego TYPU regulatora do konkretnego obiektu regulacji.

REGULATORY

trójstawne

dwustawne

typu P

typu PI

typu PID

O DZIAŁANIUCIĄGŁYM

O DZIAŁANIUNIECIĄGŁYM

4.1. Regulator ciągły typu P

Charakterystyka skokowa regulatora typu P:Sygnał wejściowy mnoŜony przez współczynnik wzmocnienia k.Regulator posiada inercyjność o stałej czasowej T.

czas t

e(t)e

y(t)k×e

T

4.2. Regulator ciągły typu PI

Charakterystyka skokowa regulatora typu PI (P+I):Czas zdwojenia Ti – czas po którym wielkość wyjściowa osiąga wartość dwa razy większą niŜ przyrost początkowy.

czas t

e(t)e

y(t)

k×e

Ti

2k×e

4.3. Regulator ciągły typu PID

Charakterystyka skokowa regulatora typu PID (PI+D): T – stała czasowa członu róŜniczkującego, Td – czas wyprzedzenia

czas t

e(t)e

Ti

k×e

2k×e

T

y(t)

4.4. Nastawy regulatorów ciągłych

Wielkości kp, Ti i Td noszą nazwę NASTAW REGULATORA.

Nastawy danego regulatora moŜna nastawiać w pewnym przedziale wpływając na dynamiczne właściwości pracy regulatora.

Zmieniając nastawy uzyskuje się róŜne przebiegi wielkości regulowanej dla jednego regulatora! Dostosowuje się go bez konieczności jego wymiany. Rozszerza to zakres jego stosowania i funkcjonalność.

Zmieniając nastawy regulatora PID moŜna uzyskać np. regulatory o mniej złoŜonej strukturze np. typu P (Td=0 i Ti=∞).

Odpowiednio dobrane nastawy umoŜliwiają uzyskanie minimalnej wartości wybranego wskaźnika jakości regulacji.

Istnieje cały dział nauki zajmujący się doborem i optymalizacją nastaw regulatorów w funkcji technicznej i ekonomicznej wydajności.

4.5. Działanie w czasie P, PI, PID

Odpowiedź regulatorów typu P, PI i PID na identyczne zakłócenie.

Proszę zwrócić uwagę na parametry jakości regulacji!

4.5. Działanie w czasie P, PI, PID


Proszę zwrócić uwagę na parametry jakości regulacji!

Typ P Typ PI Typ PID

4.5. Działanie w czasie i nastawy P, PI, PID


Proszę zwrócić uwagę na nastawy i parametry jakości regulacji!

Typ P Typ PI Typ PID

4.6 Dobór typu regulatora o działaniu ciągłym

W literaturze istnieje wiele wytycznych dotyczących właściwego wyboru typu regulatora dla danego typu obiektu. Przykładowo:

Obiekt regulowanyZalecany

typ regulatoraDopuszczalnytyp regulatora

Niedozwolonytyp regulatora

Obiekt całkujący PI I

Obiekt całkujący z inercją

PID I

Obiekt inercyjny pierwszego rzędu

PI I

Obiekt inercyjny z opóźnieniem

PID I, PI P

Obiekt inercyjny wyższego rzędu

PID I, PI P

Obiekt opóźniający PI I P

5.1. Regulator nieciągły dwustawny

Sygnał wyjściowy „u” regulatora dwustawnego moŜe przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną i minimalną (np. załącz/wyłącz).

Charakterystyka statyczna regulatora dwustawnego:

y=w y=w+edy=w-ed

umax

umin


Przykład: Charakterystyka statyczna dwustawnego regulatora temperatury w pomieszczeniu

pomiar


Przebieg wielkości regulowanej dwustawnie (temperatura).Zwiększenie jakości regulacji powoduje częstsze przełączanie.

t czas

Zał.

Wył.

t czas

Temp.

20

22

18


1. Układy oparte na regulatorze dwustawnym cechują periodyczne zmiany wielkości regulowanej, co jest ograniczeniem ich stosowania (np. „falowanie” temperatury w pomieszczeniu).

2. Regulatory te są prostej konstrukcji i są przez to tanie, co sprzyja ich rozpowszechnieniu.

3. Najczęściej stosowane są jako regulatory temperatury lub poziomu.

4. W procesie regulacji wymagają podania wartości zadanej „w” i jej dopuszczalnej odchyłki „ed” (lub histerezy „H”).

5. Nadają się do sterowania urządzeń dwustanowych: załącz/wyłącz(np. pompy, nagrzewnice i grzejniki elektryczne).

5.2. Regulator nieciągły trójstawny

Charakterystyka statyczna regulatora trójstawnego:

N - strefa nieczułości, H - strefa histerezy, w - wartość zadana

Np. regulacja temperatury z wykorzystaniem procesu ogrzewania i

chłodzenia.

w

5.2. Regulator nieciągły trójstawny

Charakterystyka statyczna regulatora trójstawnego:

N - strefa nieczułości, H - strefa histerezy, w - wartość zadana

Np. regulacja temperatury z wykorzystaniem procesu ogrzewania i

chłodzenia.

T,˚C

6.2. Dobór regulatora np. cyfrowego

NaleŜy uwzględnić kryteria zarówno techniczne jak i ekonomiczne.

Poprawnie dobrany do obiektu regulacji regulator powinien posiadać:

1. Odpowiednie właściwości statyczne i dynamiczne.

2. MoŜliwość przyłączenia niezbędnej ilości sygnałów wejściowych i wyjściowych I/O.

3. MoŜliwość realizacji wszystkich niezbędnych funkcji z zakresu regulacji i sterowania obiektu.

4. Dogodny sposób zabudowy i określone dopuszczalne parametry klimatu w otoczeniu regulatora.

5. MoŜliwość współpracy w sieci z innymi regulatorami.

6. MoŜliwość obsługi z panelu operatorskiego.

7. Niezawodność pracy i dostępny autoryzowany serwis.

8. Szafa sterowniczo-zasilająca UAR

WNĘTRZE SZAFY STEROWNICZO-ZASILAJĄCEJDRZWI SZAFY STEROWNICZO-ZASILAJĄCEJ(WŁĄCZNIKI I LAMPKI)

Węzeł ciepłowniczy

Węzeł ciepłowniczy

Produkcja paliw - brykieciarka

Przepompowanie ścieków

Źródła ciepła, kotłownie

Oczyszczalnie ścieków

Układy chłodzące

9. Dobór elementów UAR - podsumowanie

Procedura doboru elementów UAR (skrót):

1. Rozpoznanie właściwości obiektu i urządzeń.

2. Określenie wymagań regulacji.

3. Dobór elementów pomiarowych (czujników).

4. Dobór elementów wykonawczych.

5. Zliczenie sygnałów I/O.

6. Dobór regulatora.Typ, budowa, właściwości dynamiczne, aplikacje regulacyjne.

7. MontaŜ i okablowanie.

8. Oprogramowanie regulatora.Aplikacja gotowa, z katalogu lub stworzona od podstaw.

9. Praca regulatora w sieciwspółpraca z innymi regulatorami, wymiana informacji, zarządzanie całym budynkiem, BMS, BEMS.

KONIEC

Documents

Automatyka podstawy dla studenta SI 2011iko.pwr.wroc.pl/PracowDrct/Piotr_Jadwiszczak/Automatyka... · 2011-05-24 · AUTOMATYKA wykład MATERIAŁY DLA STUDENTA Prowadzący: dr inŜ