automatizacija tehniČkih sustava - fsb.unizg.hr · pdf filekoristi se u kemijskoj industriji...
TRANSCRIPT
FSB
1
AUTOMATIZACIJA TEHNIČKIH SUSTAVA
Regulacijski uređaji
Regulacijski uređaji
FSB
2Temeljne značajke
Temeljne značajke regulacijskih uređaja
struktura i parametri regulacijskih uređaja mogu se birati
najvažnija funkcija –vremensko preoblikovanje signala povratne veze
FSB
3
REGULATOR
mjernoosjetilo
xOBJEKT
Blok dijagram
Fizikalni blok dijagram regulacijskog kruga
energija/materija
mjernipretvornik
pojačalo komparatore
opterećenje
davačnazivneveličine
w
postavnipogon
ručnipogon
z
vremenskičlan
pokazniuređaj
y postavničlan
FSB
4
Y
Funkcionalna shema
Funkcionalna shema regulacijskog kruga
XOBJEKT(sustav+senzor+ventil)
REGULACIJSKIUREĐAJ
Z
EW
XOBJEKT(sustav+senzor+ventil)
REGULACIJSKIUREĐAJ
ZEW Y
FSB
5Regulacijska djelovanja
Regulacijska djelovanja
)()( teKty P= Proporcionalno (P):
∫=t
I tteKty0
d)()( Integralno (I):
t
teKty D d
)(d)( = Derivacijsko (D):
FSB
6PID regulator
t
teKtteKteKty D
t
IP d
)(dd)()()(
0
++= ∫
PID regulator
P I D
Regulacijska djelovanja: P PI PD PID
Kibernetičko objašnjenje PID djelovanja:
P - zahtjev u trenutku t0
I - zahtjev prema iskustvu do trenutka t0 (prošlost)D - predviđanje zahtjeva nakon trenutka t0
FSB
7Analogni regulator
Analogni regulator
Elektronički elementi izrade regulatora:operacijska pojačala – otpornici - kondenzatori
Osnovna prednost – paralelni rad svih elemenata regulatora
Osnovni nedostatak – ograničena složenost regulatora
++= ∫ t
teTtte
TteKty D
t
IP d
)(dd)(
1)()(
0
PID regulator
pojačalo vremenski član
FSB
8Tehnička izvedba
Tehnička izvedba vremenskog člana i pojačala
Serijski spoj GR GPE Y
++= ∫ t
teTtte
TteKty D
t
IP d
)(dd)(
1)()(
0
Spoj u povratnoj vezi
Gv
GPE Y
za GP >> Gv
tj. (KP >> Kv )
vP
PR GG
GsG
+=
1)(
vR GsE
sYsG
1
)(
)()( ≈=
FSB
9Izvedba vremenskog člana
P djelovanje:v
Rvv KGKG
1==
PID djelovanje:
1 1 1 22
1 2 1 1
1 1
1 1v v Rv
s sG K G s
s s K s
τ τ τ τ ττ τ τ τ
+= = + + + +
XP=proporcionalno područje
q
a b
XP
P
bK
a=
FSB
10Digitalni regulator
Digitalni regulator
Elektronički elementi izrade regulatora:stabilizirana pojačala – mikrokontroler
Osnovne prednosti: nema ograničenja u kompleksnosti regulatora nema protudjelovanja regulator u obliku programa moguća funkcionalna ovisnost parametara sustava te
strukture i parametara regulatora
Osnovni nedostatak – serijski rad, mrtvo vrijeme, razlučivanje
PID regulator: 22110 −− +++= iiiii eqeqeqyy
FSB
WE GP X
Y
11Digitalni regulator
Paralelna struktura PID regulatora
KP
KI /s
KDs
( ) ( ) ( )xwKtxwKxwKy DIP && −+−+−= ∫ d
xwe −=
eKtteKeKy DIP &++= ∫ d)(
FSB
12Digitalni regulator
( ) ss
K
ss
KsGP
1
11)(
+=
+=
ττ
( )IPD
IPD
KKsKKsKKs
KsKsKK
sW
sXsG
++++++==
23
2
)1()(
)()(
τ
Paralelni PID regulator na sustavu s izjednačenjem (P2)
Paralelni PID regulator na sustavu bez izjednačenja (I1)
22
2
2)(
NN
NP ss
KsG
ωζωω
++=
( )2223
22
)1()2()(
)()(
NIPNNDN
NIPD
KKsKKsKKs
KsKsKK
sW
sXsG
ωωωζωω
+++++++==
FSB
13Mjerni član
Prednosti paralelne strukture regulatora
jasan fizikalni smisao pojedinih djelovanja
Nedostaci paralelne strukture regulatora
skokovita promjena postavne veličine
moguća jednostavna promjena strukture regulatorasvođenjem pojedinih pojačanja na nulu
nerealne amplitude postavne veličine (fizikalno neizvedive)
dinamika regulirane veličine ovisna o dinamici referentneveličine (nule u brojniku prijenosne funkcije)
FSB
GP XY
14Digitalni regulator
Kaskadna struktura PD regulatora
WE
KP
( ) xKxwKy DP &−−=
KD s
FSB
GP XY
15Digitalni regulator
Kaskadna struktura PID regulatora
( ) xKtxwKxKy DIP &−−+−= ∫ d
WE
KI /s
KP
KD s
FSB
GP XY
16Digitalni regulator
Kaskadna struktura PI regulatora
( )∫ −+−= txwKxKy IP d
WE
KI /s
KP
FSB
17Digitalni regulator
( ) ss
K
ss
KsGP
1
11)(
+=
+=
ττ
Kaskadni PID regulator na sustavu s izjednačenjem (P2)
Kaskadni PID regulator na sustavu bez izjednačenja (I1)
IPD
I
KKsKKsKKs
KK
sW
sXsG
++++==
23 )1()(
)()(
τ
22
2
2)(
NN
NP ss
KsG
ωζωω
++=
2223
2
)1()2()(
)()(
NIPNNDN
NI
KKsKKsKKs
KK
sW
sXsG
ωωωζωω
+++++==
FSB
18Digitalni regulator
Usporedni odziv s paralelnim i kaskadnim PID regulatorom na sustavu bez izjednačenja (I1)
FSB
19Digitalni regulator
Usporedni odziv s paralelnim i kaskadnim PID regulatorom na sustavu bez izjednačenja (I1)i ograničenjem postavne veličine
FSB
20Mjerni član
Prednosti kaskadne strukture regulatora
ublažava ili nema skokovite promjene postavne veličine
Nedostaci kaskadne strukture regulatora
gubi se jasan fizikalni smisao pojedinih djelovanja
nije moguća jednostavna promjena strukture regulatorasvođenjem pojedinih pojačanja na nulu
realnije amplitude postavne veličine (fizikalno izvedive)
dinamika regulirane veličine neovisna o dinamicireferentne veličine (nema nula u brojniku prijenosne funkcije)
FSB
21Mjerni član
mjerni član = mjerno osjetilo + mjerni pretvornik
mjerenje je brojčana usporedba s poznatom veličinom
postupak mjerenja ne smije utjecati na proces kao poremećaj
veličinu koju ne možemo mjeriti ne možemo niti regulirati(indirektno rješenje je observer ili estimator)
potreba daljinskog prijenosa signala (medijem ili bežično)
značajke: točnost, pouzdanost, smetnje, opseg mjerenja,linearnost, dinamička karakteristika, tip izlazneveličine (analogno, digitalno), ... , cijena
FSB
22Mjerno osjetilo
Mjerno osjetilo
pretvara jednu fizikalnu veličinu u drugu
izlazna veličina mora biti pogodna za daljnji prijenos
xu
xi
karakteristike:
linearna i proporcionalnanelinearna i proporcionalna
linearna i recipročna
nelinearna i recipročna
FSB
23Potenciometar, termopar
Mjerenje položaja potenciometrom:
Mjerenje temperature termoparom:
U0
ui
x
L
iuU
Lx
0=
iuU0
300o=ϕ
u
υ
FSB
24Tahometar, tenz. trake
Mjerenje brzine tahometrom:
Mjerenje sile tenzometarskim trakama:
uKv=ω
u
ω
1)(
)(
+=
Ω s
K
s
sU
tah
tah
τ
U0
R1
R2
R3
R4
u 3241 RRRR =
F
uKF T=
FSB
25Membrana
Mjerenje tlaka elastičnom membranom:
p x
FSB
26Mjerni pretvornik
Mjerni pretvornik
po potrebi pojačava i linearizira mjerni signal
postavlja signal u standardne granice
električni: 4 .. 20 mA
FSB
27Inteligentni mjerni član 1
Inteligentni mjerni član
Mjerenje temperature senzorom Dallas 1821
Integracija osjetila, pretvornika, komunikacije, ...
DS1821
+5VGND
dataµP
DS1821 naredbeEEh – pokreće pretvorbu temperatureAAh – čita temperaturuACh – čita STATUS registar0Ch – upisuje u STATUS registarA0h – čita COUNTER registar41h – puni COUNTER registar
Opseg mjerenja: -55 ..+125°CRazlučivanje: 0.5 °C
Mrtvo vrijeme: 0.5 s
FSB
28Inteligentni mjerni član 2
Mjerenje ubrzanja senzorom ADXL202JE(opseg ±2g, 2 kanala, dimenzije 5x5 mm)
VDD
selftest
Rset (T2)
GND
Yout
Xout
Yfilt
Xfilt
T2= 0.5 do 10 ms = Rset/125 MΩ
-2 g 0 g 2 g
0 % 50 % 100 %
T2
Xout, Yout
1
2
4( 0.5) [ ]T
a gT
= −
FSB
29Inteligentni mjerni član 2
Mjerenje nagiba senzorom SCA61T(opseg ±30°, 1 kanal, razlučivanje 0.0025°)
SPIkomunikacija
0 – 5V
FSB
30GPS
Mjerenje položaja GPS-om
www.trimble.com/gps/how.htmlwww.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
FSB
31Izvršni član
izvršni član = postavni pogon + postavni član
djeluje na ulaz sustava
djeluje na tijek energije (materije)
značajke: točnost, pouzdanost, smetnje, opseg izlaza,linearnost, dinamička karakteristika, tip ulazneveličine (analogno, digitalno), ... , cijena
FSB
32Postavni pogon
Postavni pogon
Električni postavni pogon: tromi su zbog mase armature i induktiviteta namota mala snaga na jedinicu obujma !!?? velik broj okretaja i potreba za redukcijom istosmjerni motor izmjenični asinkroni motor sinkroni motor koračni motor linearni motor zaokretni motor elektromagnet (nekontinuirani pogon)
električni, pneumatski, hidraulički
kontinuiran ili nekontinuiran
FSB
33Pneumatski i hidraulički pp
Pneumatski postavni pogon: membranski motor (mali pomak, velika sila) klipni motor (veliki pomak, mala sila) koristi se u kemijskoj industriji
Hidraulički postavni pogon: vrlo brzi odzivi (nestlačivost radnog medija) velika snaga po jedinici obujma hidraulički cilindar (translacija) hidraulički motor (rotacija) oprezno koristiti u prehrambenoj industriji
FSB
34Postavni član
Postavni član
mehanički ventil (protok ulja, vode, zraka, ...)
električni ventil (tranzistor, tiristor, ...)
FSB
35Inteligentni izvršni član
Inteligentni izvršni član
Integracija pogona, ventila, komunikacije, ...
kontroler
ventil
motor
FSB
36Izbor energije
Izbor energije u regulacijskom krugu
Elektrika: lako dostupna odziv je brz i lako se prenosi na daljinu jednostavno povezivanje s procesnim računalom jednostavno održavanje opasnost od eksplozije
Pneumatika: dostupna stlačivost zraka nepovoljno utječe na brzinu
i točnost odziva uređaji su sigurni i jeftini primjena u kemijskoj o naftnoj industriji
(nema opasnosti od eksplozije)
FSB
37Izbor-hidraulika
Hidraulika: odziv vrlo brz i točan (ulje je nestlačivo) uređaji su robusni (neosjetljivi na trešnje i udarce) uređaji su trajni opasnost od zapaljivosti ulja sintetička ulja su otrovna potreba za zatvorenom mrežom zbog precizne izrade uređaji su skupi primjena u zrakoplovima
izbor medija:termoenergetska postrojenja elektrikaprocesna i kemijska postrojenja pneumatika
kombinacije pogona:elektrika + pneumatikaelektrika + hidraulika
FSB
Funkcionalna shema
Idealni upravljački sustav
Z
XY
=?W
1)(
)()( === PRGG
sW
sXsG
)(
)(1
sB
sN
GG
P
P
PR ==→
• nepoznavanje točne prijenosne funkcije sustava• problem derivacije ulaznog signala NP (izdizanje šuma)• prisutnost stohastičke pobude Z
FSB
39Funkcionalna shema
"Stvarni" rad regulacijskog sustava
XPROCES
ZYE
REGULATORLIMITIRANIPOSTAVNI
ČLAN
MJERNIČLAN
smetnja
W
FILTER
MODELPROCESA
• ograničen opseg postavne veličine• prisutnost smetnje u mjernom članu• filter unosi dodatno kašnjenje
FSB
Funkcionalna shema
Problem u režimu amplitudno malih signala
t(s)
Fav
trenje
Klasična automatika: F= Kp * e amplitudna modulacija
Diskretna automatika: τ= Kp * e vremenska modulacija
t(s)
F
trenje
period
τ τ= duty circle( % od perioda)