VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA STROJNÍ ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ 10. týden doc. Ing. Renata WAGNEROVÁ, Ph.D. Ostrava 2013 doc. Ing. Renata WAGNEROVÁ, Ph.D. Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3054-4 Tento studijní materiál vznikl za finanční odory Evroského sociálního fondu (ESF) a rozočtu České reubliky v rámci řešení rojektu:, MODERNIZACE VÝUKOVÝCH MATERIÁLŮ A DIDAKTICKÝCH METOD
2 OBSAH 1 REGULÁTORY... 3 1.1 Úvod... 4 1.2 Pois oužívaných tyů sojitých regulátorů... 4 1.3 Realizace PID regulátorů omocí oeračních zesilovačů... 7 2 POUŽITÁ LITERATURA... 9
3 1 REGULÁTORY OBSAH KAPITOLY: Konvenční regulátory tyu PID Tvary základních charakteristik PID regulátorů Realizace analogových regulátorů omocí oeračních zesilovačů MOTIVACE: 95% nasazení regulačních obvodů, se kterými se můžeme setkat v technické raxi, oužívá konvenční regulátory tyu PID. Ty zajistí ožadované chování regulované soustavy a eliminaci oruchových veličin. CÍL: Po rostudování budete umět definovat základní tyy analogových regulátorů. osat řenosy regulátorů odvozených z PID regulátorů. definovat základní charakteristiky regulátorů Realizace regulátorů omocí oeračních zesilovačů.
4 1.1 ÚVOD Regulátor je zařízení, které rovádí regulaci, čili které rostřednictvím akční veličiny ůsobí na regulovanou soustavu tak, aby se regulovaná veličina udržovala na ředesané hodnotě (ve zvláštních říadech to nemusí být konstantní hodnota) a regulační odchylka byla nulová nebo co nejmenší. Podle růběhu výstuního signálu se regulátory dělí na sojité a nesojité. Sojité regulátory racují se sojitými signály. Hlavní stavební rvky jsou oerační zesilovače. Kvalita regulace je velmi dobrá, návrh regulace je oměrně snadný. Jsou základem regulační techniky. Do nesojitých regulátorů zazařujeme regulátory hlavně dvouolohové oříadě. 1.2 POPIS POUŽÍVANÝCH TYPŮ SPOJITÝCH REGULÁTORŮ Ty sojitého regulátoru P I Přenos regulátoru G ( s) = k G R R 1 ( s) = T s I PD G ( s) = k ( T s + 1) R D PI PID G R 1 GR ( s) = k + 1 TI s 1 ( s) = k + TDs + 1 TI s 1 PIDi GR ( s) = k + 1 ( TDs + 1) TI s P regulátor v uzavřeném regulačním obvodu racuje s trvalou regulační odchylkou. Má dobré stabilní vlastnosti. Používá se nař. na stabilizaci evných bodů, stabilizaci naětí, roudu. k Obr. 9.1 AFKCH + řechodová charakteristika P regulátoru
5 I regulátor v uzavřeném regulačním obvodu racuje ouze s řechodovou regulační odchylkou. Regulační ochod se ustálí tehdy, kdy regulační odchylka et () = 0. Zvyšuje statickou řesnost regulačního obvodu, ale zhoršuje jeho dynamiku. Nevyhoví odmínkám stability regulačního obvodu, když by měl regulovat integrační regulovanou soustavu. Obr. 9.2 AFKCH + řechodová charakteristika I regulátoru D-člen není schoen samostatné funkce, jako regulátor řiojený k regulované soustavě, rotože vstuním signálem je derivace regulační odchylky a neví tedy nic o velikosti (hodnotě) odchylky et (). Přiustí libovolně velkou ustálenou regulační odchylku. V kombinovaném regulátoru zlešuje stabilitu regulačního obvodu. Natáčí fázi amlitudové fázové charakteristiky v komlexní rovině o +90. Informuje regulátor o změně regulační odchylky. Regulátor tak může v čas na tuto změnu reagovat a rozojí regulační obvod. PI regulátor v uzavřeném regulačním obvodu odstraňuje trvalou regulační odchylku, kterou bychom měli ři oužití P regulátoru. Zlešuje stabilitu vzhledem k oužití čistě I regulátoru. Pro určitá nastavení stavitelných arametrů regulátoru vyhovuje z hlediska stability i ro integrační regulované soustavy. V očátku regulačního ochodu řevládá vliv integrační složky. Nejrozšířenější regulátor mezi sojitými regulátory. k Obr. 9.3 AFKCH + řechodová charakteristika PI regulátoru PD regulátor ve srovnání s oužitím čistě P regulátoru zlešuje stabilní vlastnosti regulačního obvodu. Je tedy možné racovat s vyšším zesílením regulátoru a tedy menší trvalou regulační odchylkou vzhledem k oužití čistě P regulátoru. V očátku regulačního
6 ochodu řevládá vliv derivační složky, s narůstajícím časem řevládá vliv roorcionální složky. Regulátor racuje s řechodným zvýšeným zesílením. k T D k Obr. 9.4 AFKCH + řechodová charakteristika PD regulátoru PID regulátor v uzavřeném regulačním obvodu odstraňuje vliv I složky trvalou regulační odchylku a vlivem D složky zlešuje stabilitu regulačního obvodu. V očátku řechodového děje řevládá derivační složka regulátoru, s narůstajícím časem řevládá integrační složka regulátoru. Obr. 9.5 Přechodová charakteristika PID regulátoru PIDi regulátor - je konstrukčně složen z PI a PD regulátoru. Má shodné vlastnosti jako PID regulátor, ale je jednodušší a tedy levnější. Aby mohl být PIDi regulátor oužít, T D a T I musí TD 1 být v oměru T = 4. I
7 1.3 REALIZACE PID REGULÁTORŮ POMOCÍ OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ Regulátor tyu P Regulátor tyu I Regulátor tyu PI Regulátor tyu PD
8 Regulátor tyu PID
Použitá literatura 9 2 POUŽITÁ LITERATURA [1] BALÁTĚ, J. 2003. AUTOMATICKÉ ŘÍZENÍ. PRAHA: NAKLADATELSTVÍ BEN, 2003, 654 S. ISBN 80-7300-020-2. [2] BOLTON, W. 1992. CONTROL ENGINEERING. NEW YORK: LONGMAN SCIENTIFIC & TECHNICAL, 1992. 327S. ISBN 0-582-09729-0. [3] DORF, R. C. & BISHOP, R. H. 1998. MODERN CONTROL SYSTEMS. ADDISON-WESLEY : HARLOW ENGLAND 1998. ISNB 0-201-30864-9. [4] ŠVARC, I. 2002. AUTOMATIZACE/AUTOMATICKÉ ŘÍZENÍ. BRNO: NAKLADATELSTVÍ CERM, 2002, ISBN 80-214-2087-1. [5] VÍTEČKOVÁ, M. & POLOKOVÁ, J. 1989.Logaritmické kmitočtové charakteristiky. Ostrava: VŠB-TUO, 1989. 54s. Dolňkový učební text [6] VÍTEČKOVÁ, M. VÍTEČEK, A. 2006. ZÁKLADY AUTOMATICKÉ REGULACE. OSTRAVA: VŠB-TU OSTRAVA 2006. 198 S. ISBN 80-248-1068-9.