Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

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

Regulace. Dvoustavová regulace

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

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

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

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Nejjednodušší, tzv. bang-bang regulace

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Vlastnosti regulátorů

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

Regulační obvody s nespojitými regulátory

O /OFF a PID REGULACE Co je to O /OFF regulace?

Sauter Components

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

25.z-6.tr ZS 2015/2016

PROSTŘEDKY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

CW01 - Teorie měření a regulace

Základní pojmy z oboru výkonová elektronika

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Hlavní parametry mající zásadní vliv na přesnost řízení a kvalitu pohonu

Regulační obvody se spojitými regulátory

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

Mechatronické systémy se spínanými reluktančními motory

Bezpečnost chemických výrob N111001

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

Přímá regulace momentu

Řízení tepelné soustavy s dopravním zpožděním pomocí PLC

Obrázek č. 7.0 a/ regulační smyčka s regulátorem, ovladačem, regulovaným systémem a měřicím členem b/ zjednodušené schéma regulace

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

Práce s PID regulátorem regulace výšky hladiny v nádrži

Automatizační technika. Regulační obvod. Obsah

Programovatelná řídící jednotka REG10. návod k instalaci a použití 2.část. Řídící jednotka skleníku VS9

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

BASPELIN RPS. Popis obsluhy regulátoru RPS B02

Výukové texty. pro předmět. Automatické řízení výrobní techniky (KKS/ARVT) na téma

6 Algebra blokových schémat

UNIVERZÁLNÍ PID REGULÁTORY

Kompaktní mikroprocesorový regulátor MRS 04

Výukové texty. pro předmět. Automatické řízení výrobní techniky (KKS/ARVT) na téma

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

Laboratorní úloha č.8 MĚŘENÍ STATICKÝCH A DYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK

2. Základní teorie regulace / Regulace ve vytápění

REGULÁTOR TEPLOTY. typ REGU REGU2198 Technická dokumentace. REGU2198 Technická dokumentace

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

Servisní manuál. Řídící systém MS 300. v aplikaci pro vzduchotechniku SERVISNÍ MANUÁL

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

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Robustnost regulátorů PI a PID

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Automatické měření veličin

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

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

Řízení asynchronních motorů

Regulátor prostorové teploty RCU60../61..

1. Regulace proudu kotvy DC motoru

Ht200 / Ht205. programový regulátor. český výrobce měřicí a regulační techniky dodavatel zařízení pro tepelné procesy

Regulátor ECL Comfort 110 Pro střídavé napětí 230 V a 24 V

Prostředky automatického řízení Úloha č.5 Zapojení PLC do hvězdy

Elektroenergetika Téma Vypracoval

3. D/A a A/D převodníky

BASPELIN RPL. Popis obsluhy regulátoru RPL FIN1

Řízení tepelné soustavy pomocí PLC Siemens

REGULÁTOR MTR21 Návod k montáži a obsluze (verze 2.1)

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

VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOS

Zpětnovazební struktury řízení technické a biologické systémy

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

STOČ Laboratorní model řízení procesů s využitím průmyslové sběrnice Profibus-PA. Úvod

Srovnání PID regulace a anisochronního řízení na PLC Tecomat Foxtrot

PXR3 PXR4 PXR7 PXR5 PXR9 PXR4

DUM 02 téma: Spojitá regulace - výklad

Průmyslový regulátor KS 406

Sauter Components CZ 01

ADEX SL3.3 REGULÁTOR KOTLE VARIMATIK

PŘECHODOVÁ CHARAKTERISTIKA

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

Řízení motoru Mendocino

MULTIFUNKČNÍ REGULÁTOR MTR22 Návod k montáži a obsluze (verze 2.0)

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

REG10. návod k instalaci a použití 2.část

Programovatelná řídící jednotka REG10. návod k instalaci a použití 2.část. Řídící jednotka regulace podtlaku TPR

Programovatelná řídící jednotka REG10. návod k instalaci a použití 2.část Program RS03-02 regulátor pro řízení servopohonů

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

Kanálový regulátor teploty vzduchu

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA

BASPELIN MRP Popis obsluhy indikační a řídicí jednotky MRP T2

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

Inovace výuky předmětu Robotika v lékařství

BASPELIN CPL. Popis obsluhy ekvitermního regulátoru CPL EQ23/EQ24

Programovatelná řídící jednotka REG10. návod k instalaci a použití 2.část. Měřící jednotka výkonu EME

TECHNICKÁ DOKUMENTACE

Dynamické chyby interpolace. Chyby při lineární a kruhové interpolaci.

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

Témata profilové maturitní zkoušky z předmětu Elektroenergie

Témata profilové maturitní zkoušky z předmětu Elektroenergie

DUM 19 téma: Digitální regulátor výklad

OVLÁDÁNÍ FAN COIL JEDNOTKY 02

Úvod do mobilní robotiky AIL028

Mechatronické systémy struktury s asynchronními motory

Transkript:

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory 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

Akční veličina se nemění spojitě, ale může nabývat jen omezeného počtu (obvykle jen dvou nebo tří) hodnot. Výhody: v některých případech jednodušší a levnější konstrukce samotného regulátoru (zejména u nejjednodušších provedení dvoupolohových regulátorů jako je bimetalické čidlo běžně používané k regulaci teploty u řady domácích spotřebičů). Obecně jednodušší a levnější konstrukce akčních členů a jejich výkonových ovládacích obvodů (je snazší a levnější realizovat výkonový obvod, který něco jen zapíná či vypíná než obvod, který realizuje spojitou změnu) Nevýhody: obecně horší kvalita regulace než u spojitých regulátorů (u jednoduchých dvoupolohových regulátorů regulovaná veličina vždy v jistém pásmu osciluje a není ustálena na jedné konstantní hodnotě), výjimkou jsou číslicově či analogově realizované PID regulátory s nespojitým výstupem, které mohou být co do kvality regulace srovnatelné s jejich spojitými protějšky.

Polohové regulátory bez vnitřní zpětné vazby čistě statické prvky s následujícími charakteristikami

Dvoupolohový regulátor: je-li e>0, žádaná hodnota je větší než skutečná a výstupem regulátoru musí být hodnota akční veličiny u 2 vedoucí k nárůstu regulované veličiny (typicky zapnuto - on). V opačném případě musí být na výstupu hodnota u 1, vedoucí k jejímu poklesu (vypnuto - off), proto také on/off regulátory. Charakteristika b) by vedla k rychlému přepínání výstupu, rychlé opotřebení akčního členu. Proto se doplňuje o hysterezi H viz obr. c). Její hodnota musí být malá, maximální hodnoty, na něž lze velikost hystereze nastavit, se u běžných regulátorů pohybují v jednotkách procent rozsahu regulované veličiny, většinou se však používají hodnoty nižší, spíše v řádu desetin procenta. Typicky se používá pro nenáročné tepelné regulace: poloha zapnuto znamená aktivní ohřev, poloha vypnuto pasivní ochlazování od chladnějšího okolí.

Třípolohový regulátor: pokud regulátor může regulovanou veličinu aktivně měnit v obou směrech (aktivní topení např. topná spirála ve spojení s aktivním chlazením např. ventilátor; polohové servo otáčející se oběma směry apod.) je nutná také střední poloha odpovídající nulové akci při dosažení žádané hodnoty. Charakteristika je uvedena na obr. d). Zde je mezi dvěma krajními polohami vřazena ještě třetí poloha. Jeli e < N 2, kde N je tzv. pásmo necitlivosti, je výstup v nulovém stavu. Výstup třípolohového regulátoru je nejčastěji realizován dvojicí relé případně jiných spínacích prvků, přičemž sepnutí jednoho relé odpovídá hodnotě výstupu u 1, sepnutí druhého hodnotě u 2 a rozepnutí kontaktů obou relé nulovému výstupu u 3.

Příklad: obvodové zapojení a bloková struktura třípolohového regulátoru realizujícího nastavení elektricky ovládaného ventilu do správné polohy odpovídající akční veličině PID regulátoru

Analýza regulačních vlastností dvoupolohového regulátoru Předpokládáme, že řízený systém je systémem prvního řádu s dopravním zpožděním. Důvod: dvoupolohové regulátory se obvykle užívají pro regulaci teploty a nekmitavé přechodové charakteristiky vyššího řádu bez překmitu, s nimiž se v těchto aplikacích obvykle setkáváme, lze tímto typem přenosu velmi dobře aproximovat. G s ( s) = st ke D ( τ s + 1) Nejjednodušší aproximace: dopravní zpoždění rovné době průtahu a časová konstanta rovná době náběhu TD = Tu ; τ = TnTato aproximace je relativně hrubá, lepší je volit časovou konstantu rovnou době T 0,63, která uplyne mezi skončením doby průtahu a časem, v němž přechodová charakteristika dosáhla 63% své ustálené hodnoty.

Rozkmit kolem žádané hodnoty žádaná hodnota ve středu regulačního rozsahu K přepnutí výstupu regulátoru dojde ihned poté, co se reg. veličina odchýlí o více než H/2 od žádané hodnoty. V důsledku dopravního zpoždění resp. doby průtahu však ještě po dobu T d pokračuje pohyb dosavadním směrem kolísání regulované veličiny je výrazně vyšší než by odpovídalo šířce hystereze regulátoru H. d y = w + ( H 2) y e T τ + y h ( max ) ( ) d y = w ( H 2) y e T τ + y d max min min T max min Td τ y = y y = ( y y )(1 e ) + He h max d d τ y = ( y y )(1 e ) + He max min = ɺ ( T T )( y y ) + H u n min ( T u T n T 1, u T e = ɺ T n ) u Tn He = ɺ H Pro dosažitelnou kvalitu regulace není rozhodující absolutní velikost zpoždění (resp. doby průtahu), ale relativní hodnota tzv. normalizovaného zpoždění Θ definovaného jako poměr doby průtahu ku době náběhu Θ = Tu Tn Pro přijatelnou regulaci dvoupolohovým regulátorem musí být nanejvýše v řádu setin T d τ T d τ

Posuv střední hodnoty kmitů od žádané hodnoty v závislosti na její poloze v rámci regulačního rozsahu Tento posuv (svým způsobem ustálená regulační odchylka) je nad polovinou regulačního rozsahu kladný a pod polovinou záporný. Rostoucí normalizované dopravní zpoždění způsobuje nárůst tohoto posuvu. Tu max min T max min yh + yd y + y y + y n es = w = w ( w ) e 2 2 2 Tu ymax + ymin = ɺ ( w ) T 2 n

Záporná zpětná vazba na vstup regulátoru z výstupu nelineárního členu možná cesta k odstranění těchto problémů K přepínání dvoupolohového členu nedochází pouze na základě regulační odchylky, ale od regulační odchylky je nejprve odečten výstup zpětnovazebního dynamického členu y zv. K přepnutí dojde dříve než při překročení hranice a při vhodné volbě konstant zpětné vazby je tak možné dosáhnout podstatně menšího rozkmitu hodnot regulované veličiny. Vlastnosti dvoupolohové nelinearity s malou hysterezí se blíží členu s velkým zesílením A 1 1 G s = ɺ lim = = 1+ Tzvs A 1 + AG ( s) G ( s) K ( ) ( ) zv zv zv Ve vztahu ke střední hodnotě tohoto impulsního průběhu má regulátor PD chování a lze jej označit za nespojitý PD regulátor případně impulsní PD regulátor.

Nespojitý PD regulátor má trvalou regulační odchylku podobně jako spojitý PD regulátor, lze rozšířit na nespojitý PID regulátor G zv ( ) G s ( s) = Kzv ( Tzv 2 Tzv 1) s ( T s + 1)( T s + 1) 1 = = G ( s) zv zv1 zv2 Tzv 1T zv2 Tzv 1T 2 1 zv 1+ s + K zv ( Tzv 2 Tzv 1) Tzv 1 + Tzv 2 ( Tzv 1 + Tzv 2 ) s nespojitý PID regulátor s interakcí, s hodnotami konstant T T T T r = ; T = ; T = T + T zv1 zv2 zv1 zv2 0 d i zv1 zv2 Kzv ( Tzv 2 Tzv 1) Tzv 1 + Tzv 2 Přepočet z parametrů PID regulátoru na parametry zpětné vazby 1 T T K = ; T = 1 1 4( T T ) ; T = 1+ 1 4( T T ) ( ) i ( ) i zv zv1 d i zv2 d i r 2 2 0 1 4( Td Ti )

Frekvence přepínání výstupu regulátoru: a) dvoupolohový regulátor bez zpětné vazby Předpoklady: systém prvního řádu se zpožděním velmi malá hystereze regulátoru ekvivalentní přenos dvoupolohové nelinearity lze pokládat za čistě reálný Hledáme frekvenci kmitů, tzn. frekvenci, na níž je fázové zpoždění přenosu systému prvního řádu se zpožděním rovno π. T u výrazně menší než T n (jinak by byl nepřijatelně velký rozkmit) fázové zpoždění výrazu ve jmenovateli narůstá zpočátku relativně rychleji a na frekvenci, kde zpoždění exponenciály v čitateli dosáhne π/2, bude i fázové zpoždění jmenovatele blízké své mezní hodnotě π/2 a dohromady tak přenos bude mít fázové zpoždění π. Pro frekvenci spínání výstupu lze proto postupně psát jω T sp u arg( e ) = π 2 2π f T = π 2 f =ɺ 1 (4 T ) sp u sp u Jelikož přenos prvního řádu se zpožděním je aproximací, platí tento vztah přibližně s přesností cca ±20%

b) dvoupolohový regulátor se zpětnou vazbou dojde k výraznému zvýšení frekvence spínání výstupu, pro nejvyšší hodnotu spínací frekvence, která se může objevit na výstupu nespojitého PID či PD regulátoru lze odvodit přibližný vztah f = ( y y ) 4Hr T sp max min 0 Hodnoty z obrázku ilustrujícího průběhy s nespojitým PID regulátorem (T d =0,5 s; H=0,005; r 0 =3; y max =1; y min =0), frekvence spínání asi 34 Hz, bez zpětné vazby by byla cca 0,25 Hz a zvýšení je tedy více než stonásobné. Podstatný problém: nepřípustné opotřebení akčního členu Částečně lze řešit s využitím faktu, že nespojité PID regulátory jsou schopné uspokojivě pracovat i při poměrně velkých hodnotách hystereze až zhruba do 5-10% a zvětšením H ve jmenovateli snížit hodnotu spínací frekvence. d

Podstatně lepší a dnes běžnější řešení je použít číslicový PID algoritmus s PWM modulací na výstupu akční veličiny. Četnost spínání výstupu je pak dána dobou cyklu PWM modulace ( T c ). Tato doba je tak dalším parametrem regulátoru vedle konstant r 0, T i a T d. V závislosti na vypočtené hodnotě akční veličiny se během regulace mění pouze střída signálu na výstupu regulátoru (poměr T on /T off ) a tím i jeho střední hodnota. Periodu pracovního cyklu je nutné volit ve vhodném poměru k časovým konstantám regulované soustavy, aby nedocházelo ke kmitání regulované veličiny (příliš dlouhé T c ) ani rychlému opotřebení kontaktů (příliš krátké T c ).

Třípolohové regulátory: dva základní případy použití a) regulovaná soustava statická i akční člen má statickou povahu. (typicky přepínání mezi variantami výstupu topení, chlazení a nulový výstup) Chování regulátoru je pak v principu obdobné jako s dvoupolohovou nelinearitou. b) regulátor ve spojení se servomotorem ovládajícím akční člen (obvykle regulační ventil). Na polohový servopohon lze v tomto případě pohlížet jako na integrátor, jehož výstupní hodnota lineárně narůstá při jedné hodnotě výstupu regulátoru, klesá při druhé a zůstává konstantní při třetí nulové hodnotě. Pracuje-li třípolohový regulátor se zpětnou vazbou od polohy servomotoru, je výsledkem člen, jehož chování je v zásadě proporcionální pouze zatížené jistým zpožděním daným časem potřebným na nájezd do nové polohy.

Třípolohový regulátor je však také používán ve spojení s pohonem bez zpětné vazby od jeho polohy PD plus integrátor vytváří PI regulátor. Počáteční rychlý náběh probíhá dokud výstup ze zpětné vazby nedosáhne stejné hodnoty jako vstupní skok regulační odchylky zmenšený o N/2 a pak se již motor pohybuje po jednotlivých krocích odpovídajících tomu, jak výstup zpětné vazby kmitá v rámci hystereze. Přechodová odezva tohoto tzv. krokového regulátoru (stepping controller resp. positioner) se blíží spojitému PI regulátoru, pouze na počátku není skok, ale rychlý zhruba lineární náběh akční veličiny. Levnější řešení, obejde se bez potenciometrické zpětné vazby, používá se v číslicové i analogové verzi.