Měření veličin a řízení procesů Automatické měření veličin» Čidla» termočlánky, tlakové senzory, automatické váhy, konduktometry» mají určitou dynamickou charakteristiku» Analyzátory» periodický odběr a analýza vzorků» mají určitou prodlevu 1
Dynamická charakteristika senzoru dt dt s 1 Ts T T s» dynamické chování vyjádřeno časovou konstantou» T skutečná teplota» T s snímaná teplota Co je řízení procesů Příklad: Reaktor s exotermní reakcí» Dynamický systém» složení reakční směsi a teplota se mohou měnit v čase» Samovolné chování» a. reaktor se ustálí ve stabilním ustáleném stavu» b. teplota neustále roste ujetí teploty» Přinucení reaktoru k jinému chování» REGULACE, Řízení procesu 2
Reaktor s exotermní reakcí Q[kW] Q r Q r nestabilní ustálený stav Q C stabilní ustálený stav Q C Q C Q r r KA T T T 0 E T Hr V r r0 exp RTT0 T 0 V H r T[K] Proč řídit provoz zařízení» Např. reaktor s exotermní reakcí» vyšší teplota = vyšší rychlost reakce» při vysoké teplotě nelze dosáhnout stabilního ustáleného stavu» Provoz v nestabilním ustáleném stavu s regulací» regulace eliminuje vznikající odchylky od ustáleného stavu 3
Kvalita regulace vs. efektivita procesu» Často při provozu nesmí dojít k překročení některých limitů (např. teplota v bioreaktoru)» Čím blíže k limitu lze zařízení provozovat, tím vyšší může být efektivita» např. rychlost reakce roste s teplotou, ale od nějaké teploty se začnou objevovat nežádoucí produkty Terminologie» Cíl regulace (Setpoin - co se má regulací dosáhnout (jaká hodnota)» Řízená veličina veličina, jejíž hodnota se regulací upravuje» Nastavovaná (akční) veličina veličina, jejíž hodnotu lze přímo nastavit (a ovlivňuje hodnotu řízené veličiny)» Akční člen (actuator) zajišťuje změnu nastavované veličiny» Senzor zjišťuje hodnotu řízené veličiny» Ovladač dává pokyny akčnímu členu» Porucha (disturbance) odchylka od normálu, způsobí výchylku řízené veličiny 4
Příklad: řízení auta» Cíl regulace: udržet auto na silnici...» Řízená veličina: poloha auta na silnici» Nastavovaná veličina: úhel otočení předních kol» Akční člen (actuator): volant, ruce řidiče» Senzor: oči řidiče» Ovladač: řidič, mozek řidiče» Porucha (disturbance): zatáčka na silnici Příklad: výměník tepla» Řízená veličina: teplota výstupního proudu» Nastavovaná veličina: průtok chladícího média» Akční člen: regulační ventil na přívodu chladiva» Senzor: termočlánek na výstupním proudu» Porucha: změna teploty vstupního proudu 5
Nejjednodušší regulace» Stabilizace vstupů» Omezená použitelnost» omezené možnosti nastavení podmínek» citlivost na poruchy, nestailita Řízení se zpětnou vazbou Porucha Nastavená hodnota + - Ovladač Akční č. Proces Řízená veličina Senzor 6
Regulace s dopřednou vazbou» Měření hodnot vstupních veličin» Analýza poruch» model» databáze» člověk» Kompenzace vlivů poruch nastavením akční veličiny Princip zpětnovazební regulace» Aktuální hodnota řízené veličiny je měřena» Aktuální měřená hodnota je porovnána s nastavenou hodnotou» Rozdíl hodnot určí akci, která se provede 7
Typy zpětnovazební regulace» Řízení On-Off, např. běžný termostat» Ruční řízení operátorem» PID regulátory» obecný regulátor se třemi složkami interpretace odchylky proporcionální, diferenciální a integrální» Regulátory založené na modelu» model vypočítá optimální regulační zásah pro uvedení systému na požadovanou hodnotu PID Regulátory» Zavedeny ve 40. letech minulého století» jednoduché» robustní» ověřené» Dnes tvoří asi 80 % instalovaných regulátorů» proporcionální, diferenciální a integrální složky regulace 8
Rovnice PID regulátoru y( y set y řízená veličina e odchylka řízené veličiny 1 t d c( Kc dt D 0 I dt c nastavovaná veličina K c proporcionální zesílení regulátoru τ I integrační čas τ D derivační čas Účinek PID regulátoru 1 c( c t 0 Kc dt D 0 I d dt 1 c( c t 0 Kc dt D 0 I c nastavovaná veličina e odchylka řízené veličiny» s obráceným účinkem d dt» s přímým účinkem 9
Příklad: regulace hladiny F in LT LC» Pozitivní účinek nastavované veličiny na odchylku L F out» průtok roste, hladina roste» Použít regulátor s přímým účinkem Příklad: regulace hladiny F in L LT LC F out» Negativní účinek nastavované veličiny na odchylku» průtok roste, hladina klesá» Použít regulátor s obráceným účinkem 10