Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

Transkript

1 Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

2 Cíl úlohy Zopakování základní teorie regulačního obvodu a PID regulátoru Ukázka praktické aplikace regulačního obvodu na regulaci výšky hladiny v nádrži Demonstrace reálných prvků regulačního obvodu a jejich propojení Praktické procvičení práce s průmyslovým PID regulátorem uživatelské úrovně, zapojení do regulačního obvodu, první seřízení Praktické procvičení různých metod seřízení PID regulátoru a porovnání kvality regulace Ukázka odezvy regulačního obvodu vnesení poruchy do regulované soustavy Demonstrace funkce pohonu regulačního ventilu, diagnostika stavu pohonu Demonstrace použití dataloggeru pro sběr provozních dat

3 Vysvětlení pojmů opakování z předmětu AŘ Regulační obvod Systém tvořený regulovanou soustavu, regulátorem, akčním členem a měřícím členem Regulovaná soustava Systém jehož nějaký provozní parametr je automaticky udržován na žádané hodnotě vhodnými zásahy regulátoru Regulátor Člen, který na základě okamžité hodnoty regulační odchylky řídí činnost akčního členu, tak aby hodnosta regulační odchylky byla nulová Akční člen Člen, který na základě povelů z regulátoru (akční veličiny) přímo ovlivňuje parametr regulované soustavy Měřící člen Člen který snímá okamžitou hodnotu regulované veličiny Žádaná/řídící veličina (w) požadovaná hodnota řízeného provozního parametru (nastavena uživatelem) Regulovaná/řízená veličina (y) skutečná hodnota řízeného parametru Regulační odchylka (e) rozdíl mezi žádanou a regulovanou veličinou (ideál e = 0) Akční veličina (u) udává velikost akčního zásahu akčního členu Poruchová veličina/y (d) vyjadřuje nežádoucí a nepředvídatelné vlivy, které ovlivňují regulovanou veličinu Další podklady pro samostudium viz Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.

4 Topologie regulační obvodu Více regulačních obvodech viz kap.7 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.

5 Regulační obvod regulátor v širším smyslu

6 Aplikace regulačního obvodu v praxi regulace výšky hladiny v nádrži

7 PID regulátor jako ústřední člen PID (proporcionálně integračně derivační) regulátor jako ústřední člen zajišťuje svým přenosem kauzální závislost mezi vstupem (regulační odchylka - e) a výstupem (akční veličina - u) - takové nastavení akčního členu aby byla trvalá regulační odchylka pokud možno nulová. Při vzniku přechodového stavu vlivem změny hodnoty žádané veličiny w nebo vnesením poruch d zajišťuje PID regulátor to, aby byl návrat do ustáleného stavu pokud možno co nejrychlejší a bez překmitů. Chování PID regulátoru lez popsat vztahem: u t = r 0 e t + r I Kde konstanty regulátoru přestavují : r 0 je proporcionální konstanta (zesílení) T I = r 0/ r I je integrační časová konstanta T D = r D /r 0 je derivační časová konstanta 0 t e τ dτ + r D de(t) dt + u 0 Kvalita regulace se odvíjí od správného nastavení konstant regulátoru, které je závislé na přenosu regulované soustavy. Více teorii PID regulátoru viz kap.6 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.

8 Provedení reálných PID regulátorů Průmyslové PID regulátory Komerčně vyráběný přístroj na bázi číslicových obvodů Široce programovatelný na několika uživatelských úrovních Mimo základních PID funkce regulátor je regulátor vybaven celou řadou pomocných (alarmová, rampová, auto-tune, kontrola signálu, horní a dolní mez, atd.) Jsou používány pro jednodušší aplikace pro regulace jednoduchých systémů. Pokročilejší typy umožňují spolupráci s nadřízenými nebo podřízenými regulátory v rámci tzv. kaskádní regulace Pracují s normalizovanými signály (nejčastěji: napěťové 0-10V, proudové 4-10 ma) Komunikace s ostatními přístroji (PLC, dataloggery) pomocí protokolu RS232, EIA485, Modbuss případně USB Cena nejběžnějších modelů Kč Více o reálných PID regulátorech viz Hlava, J., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2000). Prostředky automatického řízení II: Analogové a číslicové regulátory, elektrické pohony, průmyslové komunikační systémy 1. vyd. Praha: ČVUT.

9 Provedení reálných PID regulátorů Příklady průmyslových PID regulátorů

10 Provedení reálných PID regulátorů Realizace PID regulátoru pomocí průmyslového počítače (PLC) Funkce PID regulátoru je realizována pomocí vhodným naprogramováním této funkce do průmyslového počítače (PLC) Jeden takový přístroj pak může nahrazovat několik těchto PID regulátorů a řídit již poměrně složité procesy, včetně tzv. kaskádního řízení několika PID regulátorů Výhodou je jednodušší údržba a možnost pružnějších zásahů do systému Nevýhodou je složitější realizace díky vyšším nárokům na schopnosti programátora PLC Praktické aplikace: Výrobní linky, výrobní stroje, letectví, vojenská technika Cena nejběžnějších PLC - od Kč Příklady PLC

11 Provedení reálných PID regulátorů Realizace PID regulátoru v rámci řídícího systému (I&C / MaR) velkých technologických celků Funkce PID regulátoru je realizována pomocí pomocí centrálního řídícího systému Přenos informace k akčním členům je realizován po průmyslové sběrnici stejně jako přenos informace o změně žádané hodnoty od obsluhy Jeden řídící systém zpravidla řídí celý složitý provoz a realizuje funkci mnoha PID regulátorů Provoz celého systému se řídí pomocí předefinovaných regulačních programů a algoritmů Praktická aplikace: Elektrárny, chemické závody, výrobní linky, řízení dopravy

12 Metody seřízení PID regulátoru Seřízení regulátoru pomocí experimentálně zjištěného kritického zesílení a kritické frekvence (metoda Zieglera a Nicholse kritických parametrů) Seřízení regulátoru podle přechodové charakteristiky soustavy (metoda Ziegleara a Nicholse přechodové charakteristiky) Seřízení regulátoru pomocí metody relé Seřízení regulátoru metodou pokus-omyl Seřízení regulátoru podle zvolených kořenů charakteristické rovnice uzavřeného regulačního obvodu Seřízení regulátoru s využitím kompenzačního zařízení Více k metodám seřízení PID regulátoru viz kap.10 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.

13 Úkoly v rámci cvičení 1) Proveďte nastavení PID regulátoru (uvedení přístroje do provozu) 2) Uveďte zařízení do provozu sledujte funkci PID regulátoru. Proveďte několik změn žádané veličiny nebo poruchové veličiny a sledujete následnou přechodovou charakteristiku. 3) Proveďte seřízení PID pomocí metody Ziegleara a Nicholse přechodové charakteristiky 4) Proveďte seřízení PID regulátoru pomocí metody Pokus omyl Protokol z měření bude obsahovat: Záznam přechodové charakteristiky z dataloggeru pro body 2 až 4 a výpis nastavených konstant regulátoru. Slovní komentář hodnocení kvality regulace pro body 2 až 4. V závěru bude provedeno zhodnocení a porovnání všech zaznamenaných nastavení PID regulátoru. Případě nevyhovujících výsledků bude provedeno jejich odůvodnění a budou navrženy postupy k dosažení lepší kvality regulace. Podklady pro cvičení: Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické. (lze vypůjčit v NTK) Uživatelská příručka k PID regulátoru Ht40B a dataloggeru Ht810 firmy HTH8 (budou k dispozici na cvičení v tištěné formě).