VOLBA TYPU REGULÁTORU PRO BĚŽNÉ REGULAČNÍ SMYČKY Jaroslav Hlava TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR
Regulace průtoku: Rychlý regulovaný systém: dominantní je časová konstanta ventilu a jeho pohonu (u pneumaticky ovládaných ventilů obvykle v jednotkách sekund) Používány prakticky výhradně PI regulátory: pro udržení průtoku na konstantní hodnotě jsou s malým zesílením a malou integrační konstantou, charakterem se tak blíží I regulátoru pro sledování změn žádané hodnoty je zesílení vyšší (blízké jedné), podobně i integrační časová konstanta je vyšší (malé Ti spolu s vyšším zesílením by vedlo k nestabilitě) vyšší zesílení je vhodné volit také v případech, kdy hystereze regulačního ventilu způsobuje kolísání průtoku kolem požadované hodnoty
Regulace hladiny a tlaku: Dva odlišné požadavky na regulaci hladiny: a) Regulace hladiny ve vyrovnávacích nádržích P regulátor se zesílením 1 a konst. členem na výstupu odpovídajícím 50% rozsahu a požadovanou hodnotou výšky hladiny v 50% výšky nádrže. Při tomto nastavení lze nádrž přibližně interpretovat jako dolnopropustní filtr 1. řádu s čas. konstantou τ F = A( hmax hmin ) ro Fmax (A plocha dna nádrže, F max max. odtok při plně otevřeném výst. ventilu) Často užívány i PI regulátory, jejich užití však může vést k tomu, že výška hladiny pravidelně osciluje. Kontraproduktivní je užití D složky regulátoru. Alternativní možnost: P či PI regulátor jehož proporcionální složka není odvozena od regulační odchylky, ale od signálu e sq ( t) = e( t) e( t)
Možné je také kaskádní uspořádání regulátorů hladiny a průtoku
b) Regulace hladiny v aplikacích, kde je nutné udržet výšku hladiny přesně na žádané hodnotě obvykle volen proporcionální regulátor s vysokým zesílením typicky od 10 do 100 i více má-li snímač hladiny významnější časovou konstantu je vhodné použít i derivační složku s T d rovnou přibližně časové konstantě snímače Není vhodné používat integrační složku (muselo by být sníženo proporcionální zesílení)
Regulace teploty snímače teploty obvykle mají relativně velké časové konstanty, která jsou dány jednak hmotou snímačů samotných především však hmotou ochranných jímek, v nichž jsou umístěny Přibližně lze jejich časovou konstantu počítat dle vztahu: τ = s Mc ha M je hmotnost snímače a jímky, c je průměrné měrné teplo snímače a jímky, h je součinitel přestupu tepla a A plocha jímky v kontaktu s prostředím, jehož teplota je měřena Tato hodnota může být poměrně velká a při stejném snímači také závislá na měřeném médiu: h je výrazně vyšší při měření teplot plynů než kapalin, závisí mj. také na rychlosti proudění média.
Vzhledem k velké časové konstantě τ s je vhodné použít PID regulátor. Důvod je nejlépe zřejmý z přenosu PID regulátoru v sériovém tvaru 1 GPID ( s) = ros (1 + )(1 + TdS s) T s is Derivační část přenosu může příhodně kompenzovat časovou konstantu čidla 1 (1 + TdS s) (1 + τ s ) s
Regulace teploty může být poměrně lineární i velmi nelineární a) akční veličinou je proměnný průtok páry či přítok paliva do hořáku. Zde je množství dodávaného tepla vcelku lineárně úměrné průtoku jako akční veličině. b) akční veličinou je např. průtok chladicí vody či horkého oleje. Zde je úloha velmi nelineární a často je vhodné použít podřazený regulátor předávaného či odebíraného tepelného výkonu Q = Fc( ϑ 2 ) 1 ϑ Obrázky převzaty z Tuning Industrial Control Systems, 2nd edition, by Armando B. Corripio, ISA, Research Triangle Park, NC (2000)