AUTOMATIZACIJA TEHNIČKIH SUSTAVA - fsb.unizg.hr · PDF filekoristi se u kemijskoj industriji Hidraulički postavni pogon: vrlo brzi odzivi (nestlačivost radnog medija) ... Diskretna

FSB

1

AUTOMATIZACIJA TEHNIČKIH SUSTAVA

Regulacijski uređaji

Regulacijski uređaji

FSB

2Temeljne značajke

Temeljne značajke regulacijskih uređaja

struktura i parametri regulacijskih uređaja mogu se birati

najvažnija funkcija –vremensko preoblikovanje signala povratne veze

FSB

3

REGULATOR

mjernoosjetilo

xOBJEKT

Blok dijagram

Fizikalni blok dijagram regulacijskog kruga

energija/materija

mjernipretvornik

pojačalo komparatore

opterećenje

davačnazivneveličine

w

postavnipogon

ručnipogon

z

vremenskičlan

pokazniuređaj

y postavničlan

FSB

4

Y

Funkcionalna shema

Funkcionalna shema regulacijskog kruga

XOBJEKT(sustav+senzor+ventil)

REGULACIJSKIUREĐAJ

Z

EW

XOBJEKT(sustav+senzor+ventil)

REGULACIJSKIUREĐAJ

ZEW Y

FSB

5Regulacijska djelovanja

Regulacijska djelovanja

)()( teKty P= Proporcionalno (P):

∫=t

I tteKty0

d)()( Integralno (I):

t

teKty D d

)(d)( = Derivacijsko (D):

FSB

6PID regulator

t

teKtteKteKty D

t

IP d

)(dd)()()(

0

++= ∫

PID regulator

P I D

Regulacijska djelovanja: P PI PD PID

Kibernetičko objašnjenje PID djelovanja:

P - zahtjev u trenutku t0

I - zahtjev prema iskustvu do trenutka t0 (prošlost)D - predviđanje zahtjeva nakon trenutka t0

FSB

7Analogni regulator

Analogni regulator

Elektronički elementi izrade regulatora:operacijska pojačala – otpornici - kondenzatori

Osnovna prednost – paralelni rad svih elemenata regulatora

Osnovni nedostatak – ograničena složenost regulatora

++= ∫ t

teTtte

TteKty D

t

IP d

)(dd)(

1)()(

0

PID regulator

pojačalo vremenski član

FSB

8Tehnička izvedba

Tehnička izvedba vremenskog člana i pojačala

Serijski spoj GR GPE Y

++= ∫ t

teTtte

TteKty D

t

IP d

)(dd)(

1)()(

0

Spoj u povratnoj vezi

Gv

GPE Y

za GP >> Gv

tj. (KP >> Kv )

vP

PR GG

GsG

+=

1)(

vR GsE

sYsG

1

)(

)()( ≈=

FSB

9Izvedba vremenskog člana

P djelovanje:v

Rvv KGKG

1==

PID djelovanje:

1 1 1 22

1 2 1 1

1 1

1 1v v Rv

s sG K G s

s s K s

τ τ τ τ ττ τ τ τ

+= = + + + +

XP=proporcionalno područje

q

a b

XP

P

bK

a=

FSB

10Digitalni regulator

Digitalni regulator

Elektronički elementi izrade regulatora:stabilizirana pojačala – mikrokontroler

Osnovne prednosti: nema ograničenja u kompleksnosti regulatora nema protudjelovanja regulator u obliku programa moguća funkcionalna ovisnost parametara sustava te

strukture i parametara regulatora

Osnovni nedostatak – serijski rad, mrtvo vrijeme, razlučivanje

PID regulator: 22110 −− +++= iiiii eqeqeqyy

FSB

WE GP X

Y


Paralelna struktura PID regulatora

KP

KI /s

KDs

( ) ( ) ( )xwKtxwKxwKy DIP && −+−+−= ∫ d

xwe −=

eKtteKeKy DIP &++= ∫ d)(

FSB


( ) ss

K

ss

KsGP

1

11)(

+=

+=

ττ

( )IPD

IPD

KKsKKsKKs

KsKsKK

sW

sXsG

++++++==

23

2

)1()(

)()(

τ

Paralelni PID regulator na sustavu s izjednačenjem (P2)

Paralelni PID regulator na sustavu bez izjednačenja (I1)

22

2

2)(

NN

NP ss

KsG

ωζωω

++=

( )2223

22

)1()2()(

)()(

NIPNNDN

NIPD

KKsKKsKKs

KsKsKK

sW

sXsG

ωωωζωω

+++++++==

FSB

13Mjerni član

Prednosti paralelne strukture regulatora

jasan fizikalni smisao pojedinih djelovanja

Nedostaci paralelne strukture regulatora

skokovita promjena postavne veličine

moguća jednostavna promjena strukture regulatorasvođenjem pojedinih pojačanja na nulu

nerealne amplitude postavne veličine (fizikalno neizvedive)

dinamika regulirane veličine ovisna o dinamici referentneveličine (nule u brojniku prijenosne funkcije)

FSB

GP XY


Kaskadna struktura PD regulatora

WE

KP

( ) xKxwKy DP &−−=

KD s

FSB

GP XY


Kaskadna struktura PID regulatora

( ) xKtxwKxKy DIP &−−+−= ∫ d

WE

KI /s

KP

KD s

FSB

GP XY


Kaskadna struktura PI regulatora

( )∫ −+−= txwKxKy IP d

WE

KI /s

KP

FSB


( ) ss

K

ss

KsGP

1

11)(

+=

+=

ττ

Kaskadni PID regulator na sustavu s izjednačenjem (P2)

Kaskadni PID regulator na sustavu bez izjednačenja (I1)

IPD

I

KKsKKsKKs

KK

sW

sXsG

++++==

23 )1()(

)()(

τ

22

2

2)(

NN

NP ss

KsG

ωζωω

++=

2223

2

)1()2()(

)()(

NIPNNDN

NI

KKsKKsKKs

KK

sW

sXsG

ωωωζωω

+++++==

FSB


Usporedni odziv s paralelnim i kaskadnim PID regulatorom na sustavu bez izjednačenja (I1)

FSB


Usporedni odziv s paralelnim i kaskadnim PID regulatorom na sustavu bez izjednačenja (I1)i ograničenjem postavne veličine

FSB

20Mjerni član

Prednosti kaskadne strukture regulatora

ublažava ili nema skokovite promjene postavne veličine

Nedostaci kaskadne strukture regulatora

gubi se jasan fizikalni smisao pojedinih djelovanja

nije moguća jednostavna promjena strukture regulatorasvođenjem pojedinih pojačanja na nulu

realnije amplitude postavne veličine (fizikalno izvedive)

dinamika regulirane veličine neovisna o dinamicireferentne veličine (nema nula u brojniku prijenosne funkcije)

FSB

21Mjerni član

mjerni član = mjerno osjetilo + mjerni pretvornik

mjerenje je brojčana usporedba s poznatom veličinom

postupak mjerenja ne smije utjecati na proces kao poremećaj

veličinu koju ne možemo mjeriti ne možemo niti regulirati(indirektno rješenje je observer ili estimator)

potreba daljinskog prijenosa signala (medijem ili bežično)

značajke: točnost, pouzdanost, smetnje, opseg mjerenja,linearnost, dinamička karakteristika, tip izlazneveličine (analogno, digitalno), ... , cijena

FSB

22Mjerno osjetilo

Mjerno osjetilo

pretvara jednu fizikalnu veličinu u drugu

izlazna veličina mora biti pogodna za daljnji prijenos

xu

xi

karakteristike:

linearna i proporcionalnanelinearna i proporcionalna

linearna i recipročna

nelinearna i recipročna

FSB

23Potenciometar, termopar

Mjerenje položaja potenciometrom:

Mjerenje temperature termoparom:

U0

ui

x

L

iuU

Lx

0=

iuU0

300o=ϕ

u

υ

FSB

24Tahometar, tenz. trake

Mjerenje brzine tahometrom:

Mjerenje sile tenzometarskim trakama:

uKv=ω

u

ω

1)(

)(

+=

Ω s

K

s

sU

tah

tah

τ

U0

R1

R2

R3

R4

u 3241 RRRR =

F

uKF T=

FSB

25Membrana

Mjerenje tlaka elastičnom membranom:

p x

FSB

26Mjerni pretvornik

Mjerni pretvornik

po potrebi pojačava i linearizira mjerni signal

postavlja signal u standardne granice

električni: 4 .. 20 mA

FSB

27Inteligentni mjerni član 1

Inteligentni mjerni član

Mjerenje temperature senzorom Dallas 1821

Integracija osjetila, pretvornika, komunikacije, ...

DS1821

+5VGND

dataµP

DS1821 naredbeEEh – pokreće pretvorbu temperatureAAh – čita temperaturuACh – čita STATUS registar0Ch – upisuje u STATUS registarA0h – čita COUNTER registar41h – puni COUNTER registar

Opseg mjerenja: -55 ..+125°CRazlučivanje: 0.5 °C

Mrtvo vrijeme: 0.5 s

FSB


Mjerenje ubrzanja senzorom ADXL202JE(opseg ±2g, 2 kanala, dimenzije 5x5 mm)

VDD

selftest

Rset (T2)

GND

Yout

Xout

Yfilt

Xfilt

T2= 0.5 do 10 ms = Rset/125 MΩ

-2 g 0 g 2 g

0 % 50 % 100 %

T2

Xout, Yout

1

2

4( 0.5) [ ]T

a gT

= −

FSB


Mjerenje nagiba senzorom SCA61T(opseg ±30°, 1 kanal, razlučivanje 0.0025°)

SPIkomunikacija

0 – 5V

FSB

30GPS

Mjerenje položaja GPS-om

www.trimble.com/gps/how.htmlwww.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

FSB

31Izvršni član

izvršni član = postavni pogon + postavni član

djeluje na ulaz sustava

djeluje na tijek energije (materije)

značajke: točnost, pouzdanost, smetnje, opseg izlaza,linearnost, dinamička karakteristika, tip ulazneveličine (analogno, digitalno), ... , cijena

FSB

32Postavni pogon

Postavni pogon

Električni postavni pogon: tromi su zbog mase armature i induktiviteta namota mala snaga na jedinicu obujma !!?? velik broj okretaja i potreba za redukcijom istosmjerni motor izmjenični asinkroni motor sinkroni motor koračni motor linearni motor zaokretni motor elektromagnet (nekontinuirani pogon)

električni, pneumatski, hidraulički

kontinuiran ili nekontinuiran

FSB

33Pneumatski i hidraulički pp

Pneumatski postavni pogon: membranski motor (mali pomak, velika sila) klipni motor (veliki pomak, mala sila) koristi se u kemijskoj industriji

Hidraulički postavni pogon: vrlo brzi odzivi (nestlačivost radnog medija) velika snaga po jedinici obujma hidraulički cilindar (translacija) hidraulički motor (rotacija) oprezno koristiti u prehrambenoj industriji

FSB

34Postavni član

Postavni član

mehanički ventil (protok ulja, vode, zraka, ...)

električni ventil (tranzistor, tiristor, ...)

FSB

35Inteligentni izvršni član

Inteligentni izvršni član

Integracija pogona, ventila, komunikacije, ...

kontroler

ventil

motor

FSB

36Izbor energije

Izbor energije u regulacijskom krugu

Elektrika: lako dostupna odziv je brz i lako se prenosi na daljinu jednostavno povezivanje s procesnim računalom jednostavno održavanje opasnost od eksplozije

Pneumatika: dostupna stlačivost zraka nepovoljno utječe na brzinu

i točnost odziva uređaji su sigurni i jeftini primjena u kemijskoj o naftnoj industriji

(nema opasnosti od eksplozije)

FSB

37Izbor-hidraulika

Hidraulika: odziv vrlo brz i točan (ulje je nestlačivo) uređaji su robusni (neosjetljivi na trešnje i udarce) uređaji su trajni opasnost od zapaljivosti ulja sintetička ulja su otrovna potreba za zatvorenom mrežom zbog precizne izrade uređaji su skupi primjena u zrakoplovima

izbor medija:termoenergetska postrojenja elektrikaprocesna i kemijska postrojenja pneumatika

kombinacije pogona:elektrika + pneumatikaelektrika + hidraulika

FSB

Funkcionalna shema

Idealni upravljački sustav

Z

XY

=?W

1)(

)()( === PRGG

sW

sXsG

)(

)(1

sB

sN

GG

P

P

PR ==→

• nepoznavanje točne prijenosne funkcije sustava• problem derivacije ulaznog signala NP (izdizanje šuma)• prisutnost stohastičke pobude Z

FSB

39Funkcionalna shema

"Stvarni" rad regulacijskog sustava

XPROCES

ZYE

REGULATORLIMITIRANIPOSTAVNI

ČLAN

MJERNIČLAN

smetnja

W

FILTER

MODELPROCESA

• ograničen opseg postavne veličine• prisutnost smetnje u mjernom članu• filter unosi dodatno kašnjenje

FSB

Funkcionalna shema

Problem u režimu amplitudno malih signala

t(s)

Fav

trenje

Klasična automatika: F= Kp * e amplitudna modulacija

Diskretna automatika: τ= Kp * e vremenska modulacija

t(s)

F

trenje

period

τ τ= duty circle( % od perioda)

Documents

AUTOMATIZACIJA TEHNIČKIH SUSTAVA - fsb.unizg.hr · PDF filekoristi se u kemijskoj industriji Hidraulički postavni pogon: vrlo brzi odzivi (nestlačivost radnog medija) ... Diskretna