Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Podobné dokumenty
Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Robustnost regulátorů PI a PID

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují. s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

Signál v čase a jeho spektrum

VLIV VELIKOSTI VZORKOVACÍ PERIODY NA NÁVRH DISKRÉTNÍHO REGULAČNÍHO OBVODU

Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Nejjednodušší, tzv. bang-bang regulace

Technická kybernetika. Regulační obvod. Obsah

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

25.z-6.tr ZS 2015/2016

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

k DUM 08. pdf ze šablony 1_šablona_automatizační_technika_I 03 tematický okruh sady: regulátor

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Regulační obvody se spojitými regulátory

Regulační obvod s měřením regulováné veličiny

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

DUM 02 téma: Spojitá regulace - výklad

Prostředky automatického řízení

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Bezpečnost chemických výrob N111001

CW01 - Teorie měření a regulace

DUM 19 téma: Digitální regulátor výklad

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

6 Algebra blokových schémat

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

ZPĚTNOVAZEBNÍ ŘÍZENÍ, POŽADAVKY NA REGULACI

Témata profilové maturitní zkoušky z předmětu Souborná zkouška z odborných elektrotechnických předmětů (elektronická zařízení, elektronika)

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

Regulační obvod s měřením akční veličiny

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Kvalita regulačního pochodu

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

Automatické měření veličin

15 - Stavové metody. Michael Šebek Automatické řízení

2. Základní teorie regulace / Regulace ve vytápění

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

1. Regulace proudu kotvy DC motoru

Úloha 5 Řízení teplovzdušného modelu TVM pomocí PC a mikropočítačové jednotky CTRL

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky. NASTAVENÍ PARAMETRŮ PID REGULÁTORU JAKO OPTIMALIZAČNÍ ÚLOHA Ondřej Zouhar

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Aut 2- regulační technika (2/3) + prvky regulačních soustav (1/2)

Přednáška v rámci PhD. Studia

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

Kompaktní mikroprocesorový regulátor MRS 04

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Analogově-číslicové převodníky ( A/D )

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

Regulace. Dvoustavová regulace

Vysoká škola Báňská. Technická univerzita Ostrava

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Mechatronika ve strojírenství

Zaměření Pohony a výkonová elektronika. verze

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní filtry

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

Frekvenční charakteristiky

Zesilovače. Ing. M. Bešta

19 - Polynomiální metody

Modelování a simulace regulátorů a čidel

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

POŽADAVKY NA REGULACI

Příloha A návod pro cvičení 1. SESTAVENÍ MODELU V PROSTŘEDÍ MATLAB SIMULINK Zapojení motoru

8. Sběr a zpracování technologických proměnných

Automatizační technika. Obsah

UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky IDENTIFIKACE A REGULACE SOUSTAVY HUMUSOFT CE 151. Michal Semonský

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Elektronick e obvody 2016 prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. 1

1 SENZORY V MECHATRONICKÝCH SOUSTAVÁCH

Modelování a simulace Lukáš Otte

Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK

Vlastnosti a modelování aditivního

Přednáška v rámci PhD. Studia

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

Doplňky k přednášce 24 Diskrétní řízení Diskrétní metody analogické spojitým

24 - Diskrétní řízení

VY_32_INOVACE_E 15 03

Oscilátory. Návod k přípravku pro laboratorní cvičení v předmětu EO.

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

Operační zesilovače. U výst U - U +

Návrh frekvenčního filtru

Předmět A3B31TES/Př. 13

Title: IX 6 11:27 (1 of 6)

otopných soustav Co je to regulace? jeden soustavy teplota tlak ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov TZ Kabele

VLASTNOSTI KOMPONENTŮ MĚŘICÍHO ŘETĚZCE - ANALOGOVÁČÁST

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov. Regulace. Co je to regulace?

CITLIVOSTNÍ ANALÝZA DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ I

Obsah. Gain scheduling. Obsah. Linearizace

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologíı Ústav automatizace a měřicí techniky v Brně

APOSYS 10. Kompaktní mikroprocesorový regulátor APOSYS 10. MAHRLO s.r.o. Ľudmily Podjavorinskej 535/ Stará Turá

Kmitočtová analýza (AC Analysis) = analýza kmitočtových závislostí obvodových veličin v harmonickém ustáleném stavu (HUS) při první iteraci ano

doc. Ing. Petr Blaha, PhD.

Transkript:

30.0.07 Akademický rok 07/08 Připravil: Radim Farana Automatizační technika Regulátory Obsah Analogové konvenční regulátory Regulátor typu PID Regulátor typu PID i Regulátor se dvěma stupni volnosti Omezení akční veličiny windup Číslicové regulátory Regulační obvod Je uvažován poměrně obecný regulační obvod, kde G R ( je přenos regulátoru, G S ( přenos regulované soustavy, G MČ ( přenos měřicího členu, G P ( přenos, přes který na regulační obvod působí poruchová veličina s obrazem V(, W( obraz žádané veličiny, E( obraz regulační odchylky, U( obraz akční veličiny, Y( obraz regulované veličiny. Ws () Vs () GP Es () Us () Ys () G MČ Měřicí člen s přenosem G MČ ( musí měřit přesně a rychle, a proto ve většině praktických případů lze předpokládat, že G MČ

30.0.07 4 Regulační obvod Přenos G P ( umožňuje umístit působení poruchové veličiny V( do libovolného místa regulačního obvodu. Dva nejdůležitější případy, kdy poruchová veličina V( působí na vstupu, resp. na výstupu regulované soustavy G S ( pro jsou: Ws () G = G P S Vs () Es () Ys () Ws () G s P( ) = Vs () Es () Ys () Pokud poruchové veličiny nelze měřit ani jinak přesněji specifikovat, pak je vhodné je agregovat do jediné poruchové veličiny V( a umístit ji do nejméně příznivého místa v regulačním obvodě. V případě integrační regulované soustavy je to její vstup a v případě proporcionální regulované soustavy její výstup. 5 Cíl regulace y( w( ˆ Y( W( pro regulovanou veličinu platí Y G W G V wy vy kde je přenos řízení a přenos poruchy GP Gwy Gvy [ Gwy ] GP Pro dosažení cíle regulace požadujeme: G vy G wy 0 6 Cíl regulace e( 0 ˆ E( 0 pro regulační odchylku platí E Gwe( W Gve V kde je odchylkový přenos řízení a odchylkový přenos poruchy Gwe Gwy Gve GP [ Gwy ] GP Pro dosažení cíle regulace požadujeme: G we 0 0 G ve

30.0.07 7 Cíl regulace pro kmitočtový přenos řízení lze psát ( j) ( j) Gwy ( j) ( j) ( j) ( j) ( j) a je zřejmé, že platí ( j) ( j) 0 Gwy ( j) Gwy ( j) ( j) G ( j) G wy wy bude-li zajištěna dostatečně vysoká hodnota modulu kmitočtového přenosu regulátoru pak bude splněna s dostatečnou přesností podmínka Gwy AR ( ) mod ( j) ( j) a pro nesingulární G P ( i podmínka Gvy 0 8 Cíl regulace Vysoké hodnoty modulů A R (ω) nebo A o (ω) musí být zajištěny v rozsahu pracovních úhlových kmitočtů při současném zabezpečení stability a požadované kvality regulačního pochodu. oho lze dosáhnout vhodně zvoleným regulátorem a jeho následným správným seřízením. Průmyslové regulátory se vyrábějí v různých verzích a modifikacích, a proto budou uvedeny pouze základní struktury a modifikace běžně používaných konvenčních regulátorů. 9 Analogové (spojité) konvenční regulátory jsou realizovány jako kombinace základních třech činností (složek): proporcionální P, integrační I, derivační D. Regulátor u něhož vystupují všechny tři činnosti se nazývá proporcionálně integračně derivační regulátor nebo zkráceně regulátor typu PID a jeho vlastnosti v časové oblasti mohou být popsány vztahem t t de( d e( u( r0e( r e( )d r k P e( e( )d D 0 0 P I D kde jsou: r 0, r a r váhy proporcionální, integrační a derivační složky regulátoru, k P zesílení regulátoru, I a D integrační a derivační časová konstanta regulátoru představují tři stavitelné parametry regulátoru. 3

30.0.07 0 Stavitelné parametry regulátoru Úkolem seřízení regulátoru je zajištění požadavků na kvalitu regulačního pochodu vhodnou volbou hodnot jeho stavitelných parametrů pro konkrétní regulovanou soustavu. Mezi stavitelnými parametry regulátoru platí převodní vztahy r0 k P, r k P, r k PD, k r0, r0 r, D r r0 P Protože váha proporcionální složky r 0 je identická se zesílením k P, proto se i pro ni používá často název zesílení regulátoru. Rozměr váhy proporcionální složky r 0 a zesílení regulátoru k P je dán podílem rozměru akční veličiny u( a rozměru regulační odchylky e(. Časové konstanty I a D mají rozměr času. Rozměr váhy integrační složky r je dán podílem rozměru proporcionální složky r 0 a rozměru času, rozměr váhy derivační složky je dán násobkem rozměru váhy proporcionální složky r 0 a rozměru času. Regulátor typu PID Použitím Laplaceovy transformace za předpokladu nulových počátečních podmínek získáme přenos regulátoru typu PID U r r0 r s kp Ds E( s s Integrační složka (I) zajišťuje vysokou hodnotu modulu kmitočtového přenosu regulátoru PID při nízkých úhlových kmitočtech a především v ustálených stavech (ω = 0), derivační složka (D) při vysokých úhlových kmitočtech a proporcionální složka (P) v celém pracovním pásmu úhlových kmitočtů, ale především pro střední úhlové kmitočty. Vhodnou volbou jednotlivých složek P, I a D, tj. vhodnou volbou hodnot stavitelných parametrů regulátoru r 0, r a r, příp. k P, I a D lze dosáhnout vysoké hodnoty modulu kmitočtového přenosu regulátoru nebo modulu kmitočtového přenosu otevřeného regulačního obvodu, a tím i splnění cíle regulace. Regulátor typu PID A R () kp kp j r r j I kpd j kpd r j r D P kp k P r0 r0 0 ω 4

30.0.07 3 Konvenční analogové regulátory yp Přenos ( P k P I s 3 PI k P s 4 PD k P Ds 5 PID kp Ds s 6 PIDi k P D s Regulátor PID s interakcí s Sériové zapojení PI a PD regulátoru 4 Regulátor typu PID U regulátoru typu PID lze všechny jeho stavitelné parametry nastavit nezávisle, a proto regulátoru s paralelní strukturou se také říká regulátor typu PID bez interakce W ( E ( k P U ( s Y ( Ds 5 Regulátor typu PID i Regulátor typu PID lze rovněž realizovat pomocí sériové struktury regulátor typu PID s interakcí W ( E ( U ( k P Y ( s ( s )( D s ) kp D s kp s s PD PI který lze snadno upravit na strukturu paralelní D s D D k P ( D s D k P D 5

30.0.07 6 Regulátor typu PID i Mezi stavitelnými parametry paralelní a sériové struktury platí jednoduché převodní vztahy: k kp i, i, D D D, i i P kp kp,, D D D, 4 Koeficient i se nazývá činitel interakce. Hodnoty stavitelných parametrů k P, I a D regulátoru typu PID (tj. bez interakce) jsou tzv. efektivní hodnoty, protože většina metod seřizování předpokládá standardní paralelní strukturu regulátoru typu PID, proto nastavené hodnoty stavitelných parametrů regulátoru typu PID i (tj. s interakcí) je třeba přepočíst na hodnoty efektivní (skutečné). Pokud se neprovede přepočet, maximální chyba může činit 5 %. U regulátoru typu PID se sériovou strukturou, tj. typu PID i vystupuje omezení (viz vztah pro β), které však většinou není podstatné D 4 7 Regulátor typu PID i L R () [db] R () [rad] 0 0 I I 0 logk P D [s ] [s ] D logaritmické kmitočtové charakteristiky regulátoru typu PID s interakcí, tj. regulátoru typu PID i 8 Vlastnosti regulátoru typu PID Derivační složka má z teoretického hlediska kladný stabilizující vliv na regulační pochod. Z praktického hlediska má však derivační složka velmi nepříjemnou vlastnost, která spočívá v zesilování šumu o vysokých úhlových kmitočtech a rychlých změn. Např. pokud derivační složka regulátoru typu PD nebo PID d e( d e( r k PD zpracovává regulační odchylku e(, na kterou je aditivně namodulován šum o amplitudě a S a úhlovém kmitočtu ω S, tj. e( as sinst pak na výstupu derivační složky dostaneme d e( k PD[ ass cosst] d e( je užitečná část ass cos St parazitní část derivační složky 6

30.0.07 9 Vlastnosti regulátoru typu PID Z toho vyplývá, že při vyšších úhlových kmitočtech ω S, bude parazitní část převládat nad užitečnou částí a výstup z derivační složky může způsobit nesprávnou činnost nejen vlastního regulátoru, ale i celého regulačního obvodu. Z tohoto důvodu ideální derivační činnost je prakticky nepoužitelná. Pro snížení vlivu parazitní části se používá vnitřní filtr s přenosem, D Ds N kde N = 5 0, příp. α = 0,05 0, s N Úkolem vnitřního filtru je potlačit parazitní šum, který obsahuje především regulovaná veličina y(. Při hodnotách α 0, se zásadním způsobem neovlivní výsledné vlastnosti regulátoru, a proto se při seřizování regulátorů většinou neuvažuje. Vnitřní filtr je v průmyslových regulátorech většinou přednastaven na hodnotu α = 0, (N = 0). Přenos regulátoru typu PID s vnitřním filtrem má tvar Ds kp s Ds 0 Regulátor se dvěma stupni volnosti Konvenční regulátory i s případným vnitřním filtrem umožňují takové seřízení, které zajistí požadovaný regulační pochod pouze z hlediska žádané veličiny w( a poruchové veličiny v( působící na výstupu regulované soustavy, tj. i pro G P ( =. Pokud G P ( 0, pak se většinou volí kompromisní seřízení. Speciálně, pokud G P ( obsahuje integrační činnost. Kompromisní seřízení není vždy možné, a proto se v poslední době stále častěji používají regulátory se dvěma stupni volnosti. Přenos regulátoru typu PID se dvěma stupni volnosti může být popsán v obrazech vztahem U k P bw( Y E( Ds[ cw Y ] s kde je: b váha žádané veličiny u proporcionální složky, c váha žádané veličiny u derivační složky. Obě váhy se mohou měnit v rozmezí od 0 do. Pro b = c = vztah vyjadřuje rovnici standardního regulátoru typu PID Regulátor se dvěma stupni volnosti Regulační obvod s regulátorem se dvěma stupni volnosti může být transformován na schéma se vstupním filtrem v žádané veličině o přenosu cds b s GF Ds s Ws () GF Vs () GP Ys () G R ( je přenos standardního regulátoru PID kp Ds s 7

30.0.07 Regulátor se dvěma stupni volnosti Regulátor typu PI se dvěma stupni volnosti lze popsat vztahem U k P[ bw Y E( ] s a vstupní filtr přenosem b s GF s Podobně regulátor typu PD se dvěma stupni volnosti lze popsat vztahem U kpe Ds[ cw Y( ] a vstupní filtr přenosem cd s GF Ds U jednodušších regulátorů se dvěma stupni volnosti váhy b a c mohou být nulové, nebo jednotkové. 3 Omezení akční veličiny windup Velmi nepříjemným jevem při použití regulátoru s integrační složkou při omezení akční veličiny, tj. při existenci nasycení, je pokračující integrace, tzv. windup. u u m e u u um s 0 u m u u( um u m e 0 e0 0 t u ( t w d t 3 t w d windup zpoždění, které je příčinou vystupování velikých a dlouho trvajících překmitů v regulačním obvodu, a tím zhoršení kvality regulace e ( 4 Omezení akční veličiny windup Opatření proti pokračující integraci se nazývá antiwindup e u s u a u m e 0 e0 a 0 t u ( u( t w d t 3 e ( t když u ( překročí hodnotu u( = u m, projeví se záporná zpětná vazba a vstup integrátoru je zmenšován o veličinu a[u ( u(] a to způsobí pokles výstupní veličiny integrátoru u (. Průběhy u ( a u( ukazují, že implementací opatření atiwindup došlo k podstatnému snížení windup zpoždění w d 8

30.0.07 5 Regulátor PI s opatřením antiwindup e k P s u a Pokračující integrace windup vystupuje především v analogových regulátorech. V číslicových regulátorech opatření antiwindup se jednoduše řeší zastavením integrace (sumace) při nasycení. 6 Číslicové regulátory Blokové schéma regulačního obvodu s číslicovým regulátorem w(k) e(k) u(k) u ( ČR Č/A S v( y( y(k) A/Č Kompaktní ČR 7 Číslicové regulátory číslicový (diskrétní) regulátor typu PSD (proporcionálně sumačně diferenční) k D u( k) k P e( k) e( i ) e ( k) e[( k ) ] i0 k K Pe( k) K S ( ) ( ) [( ) ], e i K D e k e k i0 P D S kde je: K P váha proporcionální složky, K S váha sumační složky, K D váha diferenční složky, vzorkovací perioda, k diskrétní čas. Pro stavitelné parametry číslicového regulátoru PSD platí D K P kp, K S kp, K D kp kp K P, K P, K D D K S K P 9

30.0.07 8 Číslicové regulátory Přírůstkové algoritmy I PS PSD u( k) u( k ) e( k) u( k) u( k ) k p e( k) e( k ) e( k) ( k ) g e( k) g e( k ) g e( k u k) u ) ( 0 g k D 0 p D g k p D g k p 9 Číslicové regulátory u(k ) u ( u( t ) u( t ) u( 0 4 3 Z průběhu vyplývá, že tvarovaná akční veličina u ( pro malou hodnotu vzorkovací periody může být nahrazena spojitou akční veličinou u( zpožděnou o polovinu vzorkovací periody, tj. u(t /). 30 Číslicové regulátory Náhradní blokové schéma regulačního obvodu s číslicovým regulátorem V ( W ( ( s e ( Y ( 0

30.0.07 3 Volba vzorkovací periody Pro volbu vzorkovací periody neexistují jednoznačná pravidla a doporučení. Pro orientační hrubou volbu lze použít následující doporučení. Vzorkovací perioda Proces (0 500) μs přesné řízení a modelování, elektrické systémy; energetické systémy; přesné řídicí roboty (0,5 0) ms stabilizace výkonových systémů, letové simulátory, trenažéry (0 00) ms zpracování obrazů, virtuální realita, umělé vidění (0,5 ) s monitorování a řízení objektů; chemické procesy, elektrárny ( 3) s regulace průtoků ( 5) s regulace tlaku (5 0) s regulace hladiny (0 0) s regulace teploty