vscht.czuprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/FTOP09-reg2.pdf · 2009. 9. 16. · Author: user...

Měřicí a řídicí technika – magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

REGULACEREGULACE

• přenosové cesty • akční členy• regulátory• regulační pochod

(pokračování 1)

Přenosové cesty

standardní signály

Blokové schéma regulačního obvodu

REGULÁTOR

regulovanásoustava

ovládací panel

ústřední členregulátoru

porovnávacíčlen

měřicíčlen

akčníčlen

ruční řízení

wv e

yzu

y ... regulovaná veličina w ... žádaná hodnota regulované veličinye ... regulační odchylkav ... výstup z regulátoruu ... akční veličina

z ... porucha

Standardní analogové signály pro přenos informace v obvodech MaR:• elektrický proudový: 0-5 mA 0-20 mA 4-20 mA• elektrický napěťový: 0-10 V 2-10 V 1-5 V• pneumatický: tlak vzduchu 20-100 kPa

>

FTOP-09-P11-P 1 / 13


Akční členy

• obecné vlastnosti akčního členu • regulační ventil



z ... porucha

REGULÁTOR

regulovanásoustava

ovládací panel


porovnávacíčlen

měřicíčlen

akčníčlen

ruční řízení

wv e

yzu

>

Obecné vlastnosti akčního členu

akčníčlen

v u

Blokové schéma

v ... vstup (signál z regulátoru), u ... výstup (zásah do regulované soustavy)

Dynamické chování lineárního akčního členu:

a) ideální - jako soustava 0.řáduvru A=

rA ... zesílení akčního členu

b) reálné - obvykle jako soustava 1.řádu

)0()0( , vruvrudtduT AAA ==+

TA ... časová konstanta akčního členu>

FTOP-09-P11-P 2 / 13


Regulační ventil

• průtočná charakteristika • technický popis

Průtočná charakteristika regulačního ventilu

průtočná charakteristika obecně:

)(xfQ =(Q ... průtok ventilem, x ... zdvih, tj. míra otevření ventilu)

požadavek: lineární průtočná charakteristika

1

1

Φ 0

Φ

0 z

bezrozměrný průtok: maxQQΦ =

bezrozměrný zdvih: Rxxz =

( xR ... jmenovitý zdvih)

Φ 0 ... netěsnost ventilu

>

Matematické vyjádření Q = f(x)

( )ρpzmΦKQ V

∆+= 0 1,0 (m3/h)

KV ... jmenovitá kapacita ventilu (m3/h) - udává výrobceΦ 0 ... netěsnost ventilu (max. 0,02) (1)

m ... sklon (směrnice) charakteristiky (0,98) (1)∆ p ... tlakový spád na ventilu (Pa)ρ ... hustota protékající kapaliny (kg/m3)

z = x / xR ... zdvih ventilu (1) - xR udává výrobce

základní rovnice:

zjednodušená rovnice (Φ 0 = 0 a m = 1):

ρpzKQ V

∆= 1,0 (m3/h)

>

FTOP-09-P11-P 3 / 13


Schématický řez regulačním ventilems pneumatickým pohonem

p ... ovládací tlak , Q ... průtok kapaliny

membrána

pružina

kuželka ventilu

ventilové těleso se sedlem

dřík ventilu

>


p ... ovládací tlak , Q ... průtok kapaliny


Q ... průtok kapaliny

elektromotor

převodovka

ovládá se:-- směr otáčení elektromotoru-- doba chodu elektromotoru

blokování krajních polohmezními spínači

elektrickým pohonem

>

FTOP-09-P11-P 4 / 13


Schématický řez tělesem ventilu

x ... zdvih kuželky , Q ... průtok kapaliny

jednosedlový ventil dvousedlový ventil

p

p

>

Regulační klapka

x ... ovládací zdvih , Q ... průtok kapaliny

závislost Q = f(x) je nelineární

>

Pneumatický regulační ventil

membrána

těleso ventilu

pružina

pneumatickýsignál

dřík ventilu

>

FTOP-09-P11-P 5 / 13


Montáž regulačního ventilu do potrubíuzavírací ventily

regulačníventil

hlavní potrubí

obtok

>

Korektor

princip: regulátor polohy

zajišťuje, aby zdvih regulačního ventilu (poloha reg. klapky) přesně odpovídal velikosti ovládacího signálu

korektor

GC

ovládací signálkorigovaný signál

eliminuje vliv tlaku v potrubí před akčním členemzpřesňuje akční zásah

>

těleso ventilu

E/P převodníka korektor

pneumatickýpohon

snímánípolohy

dříku

dřík

Korektor

>

FTOP-09-P11-P 6 / 13


Chování akčního členu při výpadku energie

• zcela uzavřeTři možnosti:

rozhodují požadavky technologie a bezpečnosti provozu

Značení ve schématech MaR:

uzavře

• zcela otevře• zůstane v aktuální poloze

otevře zůstane

>

Regulátory

• zpětnovazební regulační obvod • ústřední člen regulátoru• regulační pochod• nastavování parametrů regulátoru



z ... porucha

REGULÁTORREGULÁTOR

regulovanásoustava

ovládací panel


porovnávacíčlen

měřicíčlen

akčníčlen

ruční řízení

wv e

yzu

ZPĚTNÁ VAZBA

Blokové schéma zpětnovazebního regulačního obvodu

>

FTOP-09-P11-P 7 / 13


ústřední člen regulátoru porovnávací člen

regulační odchylka: e = w - y

Blokové schéma zpětnovazebního regulačního obvodu

eREGULÁTOR

- wv

u yzSOUSTAVA+

+

-

(zjednodušená forma)

>

ProporcionálníIntegračníDerivační

Vlastnosti ústředního členu regulátoru

rovnice chování ideálního ústředního členu regulátoru, bez interakce

∫ ⋅+⋅+= −τ

0110 d

)(dd)()(ttertterterv

r0 ... zesílení regulátoru (proporcionální konstanta)r-1 ... integrační konstanta regulátorur1 ... derivační konstanta regulátoru

e ... regulační odchylkav ... výstup regulátoru

P I DP I D

>

P I D

Vlastnosti ústředního členu regulátoru

rovnice chování ideálního ústředního členu regulátoru, s interakcí

r0 ... zesílení regulátoru (proporcionální konstanta)Ti ... integrační časová konstanta regulátoruTd ... derivační časová konstanta regulátoru

e ... regulační odchylkav ... výstup regulátoru

⋅+⋅+⋅= ∫

τ

00 d

)(dd)(1)(tteTtte

Tterv d

i

>

FTOP-09-P11-P 8 / 13


Blokové schéma ústředního členu regulátoru

e v

PROPORCIONÁLNÍ

INTEGRAČNÍ

DERIVAČNÍ

+ +

+D

I

P

r0

r0 ... zesílení regulátoru

TD ... časová derivační konstanta regulátoru

TD

TI ... časová integrační konstanta regulátoru

TI1

skok

tteTr D d)(d

0

)(.0 ter

ϑϑ∫t

Ie

Tr

00 d)(

1

s interakcí

>

Proporcionální složkareaguje na okamžitou velikost regulační odchylky

e

v t

t

r0 .e1

e1

r0 ... zesílení regulátoru

e

v t

t

v = r0 .a.t

e = a.t

skok rampová funkce

pásmo proporcionality pp (jiný způsob vyjádření zesílení):

0

100r

pp = (%) jak velká změna vstupu způsobístoprocentní změnu výstupu

>

Integrační složkareaguje na dobu trvání nenulové regulační odchylky

e

v t

t

e1

výstup se mění tak dlouho, dokud regulační odchylka není nulová

e

v t

t

e1 . tv =r0TI

puls

(regulátor s interakcí)

rampová funkce

a . t 2v =r0

2TI

e = a . t

r0 ... zesílení regulátoruTI ... integrační časová konstanta regulátoru

>

FTOP-09-P11-P 9 / 13


Derivační složkareaguje na okamžitou rychlost změny regulační odchylky

výstup je nenulový pouze tehdy, když se regulační odchylka mění

e

v t

t

(regulátor s interakcí)

v = r0 . TD . a

e = a . t

r0 ... zesílení regulátoruTD ... derivační časová konstanta regulátoru

e

tv

t0

puls

vmax

vmin

rampová funkce

>

Regulační pochod

w∆

t

y

0

ymax

tR

maximální překmit

praktická doba regulace

(~5 % w)

časový průběh regulované veličiny po vzniku poruchy

regulační plocha

kvadratické integrální kritérium kvality regulace [ ] tytyI d)(0

22 ∫

∞

∞−=

>

Regulační pochod

w∆

t

y

0

ymax

TktR

maximální překmit

perioda kmitů

praktická doba regulace

(~5 % w)

časový průběh regulované veličiny po vzniku poruchy

Poznámka: kritéria maximální překmit a praktická doba regulace působí proti sobě

regulační plocha

>

FTOP-09-P11-P 10 / 13


Regulační pochodKvalitu regulace lze ovlivnit

• volbou typu regulátorutj. výběrem ústředního členu vhodných vlastností

• nastavením konstant regulátorutj. přizpůsobením dynamického chování regulátoru dynamickému chování soustavy

>

Volba typu regulátoru

P

PI

PID

PD

pro méně náročné aplikace, snadno se nastavuje, pracuje s trvalou regulační odchylkou

nejběžnější, pro středně náročné aplikace se středně rychlými změnami regulované veličiny a astatické soustavy, nastavuje se obtížněji,pracuje bez trvalé regulační odchylky

pro nejnáročnější aplikace s rychlými změnami regulované veličiny a astatické soustavy, poměrně obtížně obtížně se nastavuje, pracuje bez trvalé regulační odchylky

málo používaný, pro aplikace s rychlými změnami regulované veličiny,pracuje s trvalou regulační odchylkou

Současná nabídka trhu:univerzální mikropočítačové regulátory PID, konkrétní typ ústředního členu se volí programem

>

Nastavení konstant regulátoruA) podle Zieglera a Nicholse

1. vyřadíme I a D složku 2. zvyšujeme zesílení regulátoru r0 tak dlouho, až obvod začne kmitat

netlumenými kmity - toto zesílení je kritické zesílení r0 krit3. z průběhu regulované veličiny zjistíme periodu netlumených kmitů Tkrit4. konstanty regulátoru určíme podle tabulky (jedna z možných):

P

PI

PID

Tdr0 Ti

---

------0,5 r0 krit

0,45 r0 krit

0,6 r0 krit

0,83 Tkrit

0,5 Tkrit 0,12 Tkrit

je riskantní rozkmitávat průmyslový proces

postup vede na dost kmitavý regulační pochod>

FTOP-09-P11-P 11 / 13


Nastavení konstant regulátoruB) grafickým vyhodnocením přechodové funkce

0

inflex

TA TB

k

TA ... doba průtahuTB ... doba náběhu

t

y(t)

k ... zesílení soustavy

soustava vyššího řádu, statická

>


( k ... zesílení soustavy, TA , TB ... doby odečtené z grafu)

konstanty regulátoru (pro statickou soustavu) se určí z tabulky :

AT 2

P

PI

PID

Tdr0 Ti

A

B

TT

k⋅1

A

B

TT

k⋅125,1

A

B

TT

k⋅19,0 AT 5,3

AT 5,0

---

------

(z několika existujících tabulek je tato nejjednodušší)

vede na málo kmitavý regulační pochod

>


TLt

y(t)

soustava vyššího řádu, astatická

směrn

ice =

k

k ... zesílení soustavy

TL ... časová konstanta(zpoždění)

0

>

FTOP-09-P11-P 12 / 13



( k ... zesílení soustavy, TL ... zpoždění odečtené z grafu)

konstanty PI regulátoru pro astatickou soustavu se určínapř. ze vztahů:

LTkr 29,00 =

LI TT 9,8=

Při implementaci je třeba postupovat velmi opatrně, doporučuje se volit zpočátku nižší r0 a vyšší TI

>

Nastavení konstant regulátoru

Současný trend

samonastavující se mikropočítačové regulátory

• vyšlou do soustavy definovaný signál (akční zásah),• vyhodnotí odezvu, tj.vypočtou hodnotu určitého kritéria,• nastaví hodnoty konstant (zesílení, integrační a derivační konstanta)

tak, aby se dosáhlo požadované hodnoty tohoto kritéria

>

FTOP-09-P11-P 13 / 13

Date post:	01-Feb-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	3 times
Download:	0 times

vscht.czuprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/FTOP09-reg2.pdf · 2009. 9. 16. · Author: user...

Documents