Czy wiesz, że:
Układ regulacji jest to zamknięty układ automatyki, posiadający ujemne sprzężenie zwrotne, którego zadaniem jest sterowanie procesem.
Regulacja jest procesem celowego oddziaływania na wielkość regulowaną. W trakcie tego procesu wielkość regulowana jest przetwarzana w wielkość sprzężenia zwrotnego, która z kolei jest porównywana z wielkością zadaną - różnica pomiędzy ich wartościami (zwaną uchybem lub odchyłką regulacji) służy do wpływania na przebieg wielkości regulowanej w celu zbliżenia jej wartości do wartości wielkości zadanej.
 |
| Schemat blokowy układu sterowania przemysłowego |
Regulator automatyczny jest urządzeniem, którego zadaniem jest sterowanie procesem. W układach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym regulator wyznacza zadaną wartość wielkości sterującej na podstawie uchybu regulacji, czyli różnicy pomiędzy wartością zmierzoną a wartością zadaną tej wielkości . Celem użycia regulatora jest utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie, zwanym wartością zadaną. Regulator umożliwia poprawną i bezpieczną pracę urządzenia w stanie ustalonym i w stanach przejściowych (dynamicznych). W regulatorach sygnał sterujący wytwarzany jest na podstawie uchybu regulacji, czyli różnicy między wartością zadaną sygnału regulowanego a wartością aktualnie zmierzoną. Najpowszechniej stosowanym regulatorem używanym w praktyce jest regulator PID (Proportional - Integral - Derivative), czyli regulator proporcjonalno - całkująco - różniczkujący. Stosowane są również wersje uproszczone regulatora PID składające się z wybranych elementów składowych tego regulatora (P, I, PI, PD). |
Układ sterowania przemysłowego składa się z regulatora automatycznego, urządzenia wykonawczego, obiektu i czujnika (element pomiarowy). Sygnał wyjściowy z regulatora podawany jest na urządzenie wykonawcze, takie jak zawór, silnik elektryczny, siłownik hydrauliczny lub pneumatyczny. Urządzenie wykonawcze dokonuje przestawienia punktu pracy obiektu, stosownie do sygnału sterującego, po to aby sygnał wyjściowy pokrywał się z sygnałem zadanym. Czujnik lub element pomiarowy jest urządzeniem, które przetwarza zmienną wyjściową na inną odpowiednią zmienną, taką jak przesunięcie, ciśnienie lub napięcie, które może zostać użyte do porównania wyjścia z wejściowym sygnałem zadanym (sygnał z czujnika charakteryzuje się rzeczywistą, zmierzoną wartością danej wielkości). Element ten znajduje się w pętli sprzężenia zwrotnego układu regulacji. Sygnał zadany również musi być przetworzony do tych samych jednostek w jakich jest sygnał sprzężenia z czujnika lub elementu pomiarowego.
Element porównujący oblicza różnicę między wartością sygnału zadanego r(t) a wartością sygnału wyjściowego y(t) otrzymaną z układu pomiarowego poprzez ujemne sprzężenie zwrotne. Na wyjściu elementu porównującego otrzymujemy sygnał uchybu e(t). W dobrze zaprojektowanym układzie regulacji wartość uchybu w stanie nieustalonym powinna być jak najmniejsza (przeregulowanie), natomiast w stanie ustalonym powinna być równa 0 (uchyb ustalony). Sygnał z elementu porównującego jest następnie przekazywany do elementu wykonawczego, który w odpowiedni sposób oddziałuje na obiekt. Dodatkowo na regulowany obiekt działać mogą zakłócenia z(t).
W stanie ustalonym układu regulacji odchyłka regulacji jest bardzo mała lub równa zero. Pojawiające się zakłócenia lub zmiany wartości wielkości zadającej (zmiany wartości zadanej) są powodem powiększenia lub powstania odchyłki regulacji, która zostaje skompensowania przez zmiany wartości wielkości sterującej obiektem regulacji. Dla uniknięcia drgań w układzie należy nie dopuszczać do zbyt szybkich zmian wielkości sterującej obiektem.
Generalnie, układy regulacji można podzielić na:
- układy regulacji ręcznej - układy w których zadanie przynajmniej jednego elementu układu regulacji wykonywane jest przez człowieka
- układy regulacji automatycznej - układy działanie odbywa się bez ingerencji człowieka (pomijając ręczne wpisanie wartości zadanej).
Z kolei układy regulacji automatycznej dzielą się na:
- układy regulacji stałowartościowej - układy w których regulator ma za zadanie utrzymać wartość rzeczywistą wielkości regulowanej na poziomie wartości zadanej.
- układy regulacji nadążnej - układy w których regulator zapewnia nadążanie wartości wielkości regulowanej za zmianami wartości zadanej.
Inne metody klasyfikacji układów regulacji:
Podział ze względu na sposób działania układu
- układy stabilizacji - w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą (w czasie) wartość wielkości wyjściowej mimo zmian wielkości wejściowej i działających na układ zakłóceń.
- układy śledzące (nadążne) - działają w taki sposób, aby sygnał wielkości wyjściowej nadążał za zmianami wielkości wejściowej. Zmiany sygnałów wejściowych nie są znanie ani przewidywalne: są losową funkcją czasu. Układy te są również nazywanie serwomechanizmami.
- układy programowalne - są odmianą układów śledzących z tą różnicą, że sygnał wejściowy jest z góry określoną (znaną) funkcją czasu.
- układy optymalne - struktura i parametry regulatora określone są na podstawie obliczonego ekstremum przyjętego wskaźnika jakości. Przykładem takiego układu może być układ sterowania ciągiem silników tak, aby samolot osiągnął określony pułap, przy minimalizacji wskaźnika jakości, którym jest zużycie paliwa.
- układy przełączające - regulacja odbywa się na zasadzie załączania lub wyłączania odpowiednich urządzeń procesu w odpowiedniej kolejności (sekwencji), a rolę regulatora pełni najczęściej układ logiczny. Rozróżnia się dwie grupy układów: kombinacyjne i sekwencyjne. Mówiąc krótko, układy kombinacyjne to takie, w których stan sygnałów wyjściowych w danej chwili zależy tylko od stanu sygnałów wejściowych w danej chwili. Układy sekwencyjne to takie, w których stan sygnałów wyjściowych w danej chwili zależy od stanu sygnałów wejściowych w danej chwili oraz od stanu sygnałów wyjściowych w chwili poprzedniej.
Podział ze względu na liniowość układu
- układy liniowe - można je opisać za pomocą równań liniowych algebraicznych, różniczkowych, różnicowych lub całkowych. Układy liniowe spełniają zasadę superpozycji.
- układy nieliniowe - układ zawierający przynajmniej jeden element nieliniowy jest układem nieliniowym. W praktyce każdy układ jest nieliniowy, lecz w przybliżeniu zakłada się jego liniowość lub linearyzuje się jego nieliniową charakterystykę. Robi się to zwłaszcza gdy działanie procesu ogranicza się do niewielkiego obszaru wokół pewnego punktu pracy.
Podział ze względu na charakter sygnałów
- układy ciągłe - wszystkie sygnały (wejściowe i wyjściowe) są funkcjami ciągłymi w czasie i mogą przybierać dowolną wartość z obszaru swojej zmienności. Układy te opisuje się zwykle równaniami różniczkowymi.
- układy dyskretne - układ jest dyskretny, jeżeli przynajmniej jeden jego sygnał ma charakter dyskretny, tzn. przyjmuje tylko określone wartości dla określonych argumentów. Układy takie opisuje się zwykle równaniami różnicowymi.
Podział ze względu na charakter układu
- układy statyczne (bezinercyjne) - wyjście w danej chwili czasu zależy tylko od wejścia (brak stanu nieustalonego). Układy te składają się tylko z elementów rozpraszających energię i opisuje się je równaniami algebraicznymi.
- układy dynamiczne - układy, w których wyjście nie jest jednoznaczną funkcją wejścia i zależy dodatkowo od charakteru procesu przejściowego (inercyjności) i stanu układu w chwili początkowej. Opisuje się je równaniami różniczkowymi lub różnicowymi.
Podział ze względu na liczbę wejść i wyjść
- układy jednowymiarowe - układy o jednym wejściu i jednym wyjściu.
- układy wielowymiarowe - układy o wielu wejściach lub wielu wyjściach.
Podział ze względu na charakter zmienności wymuszeń i parametrów
- układy deterministyczne - układy, w których sygnały są zdeterminowanymi funkcjami czasu.
- układy stochastyczne - układy, w których sygnały są wielkościami przypadkowymi (losowymi).
Podział ze względu na zdolność do samoczynnego nastrajania
- układy adaptacyjne - układy, mające zdolność do samoczynnego nastrajania parametrów (np. układu pomiarowego lub regulatora) do zmieniających się parametrów obiektu lub występujących zakłóceń.
- układy zwykłe (nieadaptacyjne) - układy nie posiadające powyższej własności.
Podział ze względu na zmienność struktury
- układy o stałej strukturze - takie, które w czasie swojego działania nie zmieniają liczby sygnałów pomiędzy poszczególnymi członami.
- układy o zmiennej strukturze - układy nie spełniające powyższej zasady.
Inne
- układ regulacji ekstremalnej
- układ regulacji nadążnej
- układ regulacji stałowartościowej
- układ regulacji kaskadowej
Regulatory przemysłowe w zależności od rodzaju sterowania klasyfikowane są następująco:
Regulatory o działaniu nieciągłym (przerywanym, przekaźnikowym, wielostawnym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób przełączny, czyli wielkość ta może przyjmować tylko 2 lub kilka wybranych wartości. Regulatory nieciągłe zbudowane są przeważnie z układów stykowych, stykowo - przekaźnikowych lub układów elektronicznych z przerzutnikami.
- regulator wielopołożeniowy (regulator dwu- i trójstawny)
Regulatory o działaniu ciągłym (przekaźnikowym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób przełączny, czyli wielkość ta może przyjmować tylko 2 lub kilka wybranych wartości. Regulatory nieciągłe zbudowane są przeważnie z układów stykowych, stykowo - przekaźnikowych lub układów elektronicznych z przerzutnikami.
- regulator proporcjonalny P
- regulator całkujący I
- regulator proporcjonalno-całkujący PI
- regulator proporcjonalno-różniczkujący PD
- regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący PID
Regulatory o działaniu dyskretnym (cyfrowe) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w podobny sposób jak regulatory nieciągłe - z tą różnicą, że zmiana wartości następuje tylko w wybranych chwilach czasu, a stopniowanie jest na tyle precyzyjne, że dla obiektu w praktyce niezauważalne. Działanie tych regulatorów opiera się na wykorzystaniu układów mikroprocesorowych lub komputerowych.
Układ jest dyskretny, jeżeli przynajmniej jeden jego sygnał ma charakter dyskretny, tzn. przyjmuje tylko określone wartości dla określonych argumentów. Zazwyczaj układy takie opisuje się równaniami różnicowymi.
Struktury regulatorów.
Często w układach regulacji stosuje się strukturę, w której dzięki szeregowemu połączeniu regulatorów uzyskuje się wewnętrzną (podrzędną) i zewnętrzną (nadrzędną) pętlę regulacji. W układach energoelektronicznych zazwyczaj pętla wewnętrzna jest pętlą regulacji prądu wyjściowego przekształtnika, a pętla zewnętrzna dotyczy takich sterowanych wielkości jak, napięcie, prędkość obrotowa, strumień, temperatura itp.
 |
| Struktura szeregowa |
W połączeniu szeregowym członów wzmocnienie całkowite jest iloczynem wzmocnień cząstkowych poszczególnych członów.
Rzadziej stosowaną strukturą jest struktura równoległa, w której z uwagi na człon wyboru "mniejszy niż" w każdej chwili działa tylko jedna pętla - z aktywnym regulatorem. Przy projektowaniu układu i doborze regulatorów każdą z tych struktur można sprowadzić do układu podstawowego.
 |
| Struktura równoległa |
Dobór nastaw regulatorów.
Poza określeniem typu regulatora konieczne jest dobranie parametrów Kr, Ti i Td (dla regulatora PID), co określane jest jako dobór nastaw.
Kr - współczynnik proporcjonalności
Ti - czas zdwojenia (czas całkowania) określa czas potrzebny na to, by przy wymuszeniu skokowym na wejściu regulatora uzyskać na jego wyjściu sygnał dwukrotnie większy od tego, który wynika ze współczynnika Kr
Td - czas wyprzedzenia, to czas, po upływie którego od podania na wejście regulatora PD sygnału narastającego liniowo sygnał na wyjściu regulatora osiągnął dwukrotną wartość tej, która wynika z działania różniczkowego. Proces doboru nastaw, przy których uzyskuje się najkorzystniejsze z punktu widzenia przyjętego kryterium jakości przebiegi dynamiczne układu nazywany jest optymalizacją.
Dobrą jakość regulacji osiąga się dopiero przy właściwym doborze nastaw. Nastawy dobiera się tak, aby wielkość regulowana po skokowym wprowadzeniu nowej wartości zadanej osiągała możliwie szybko nową wartość. Warunkiem dobrze działającego regulatora jest możliwie niewielkie przeregulowanie i krótki czas oscylacji wartości regulowanej. Czas regulacji Ta jest przedziałem czasu od chwili podania wymuszenia do chwili pierwszego osiągnięcia wartości zadanej przez wielkość regulowaną.
Czas ustalania Tu jest przedziałem czasowym od chwili podania wymuszenia do chwili, od której wartość regulowana mieści się w przyjętym zakresie wartości - zazwyczaj jest to +/- 10% wartości ustalonej.
Dobór nastaw regulatora odbywa się w 3 etapach:
Etap 1: Dobór funkcji przejścia regulatora
Sygnał wyjściowy regulatora PID zawiera trzy składowe:
U(s) = UP(s) +UI(s) + UD(s)
Każda z tych składowych ma inny wpływ na układ regulacji:
Wpływ składowej UP:
W przypadku układu:
- o dużym zapasie stabilności wymagane wzmocnienie regulatora jest większe od jedności i w związku z tym wystąpi zmniejszenie uchybu statycznego układu klasy 0 przy skokowym sygnale sterującym i skrócenie czasu regulacji
- o małym zapasie stabilności wymagane wzmocnienie regulatora jest mniejsze od jedności i w związku z tym wystąpi zwiększenie uchybu statycznego układu klasy 0 przy sygnale skokowym, zmniejszenie przeregulowania i skrócenie czasu regulacji
Wpływ składowej UI:
Składowa całkowa stosowana jest do podniesienia klasy układu, a więc do likwidacji lub zmniejszenia uchybu statycznego przy sygnale skokowym. Ujemnym skutkiem działania samej składowej całkowej jest znaczne wydłużenie czasu regulacji. Aby do tego nie dopuścić stosuje się połączenie składowej całkowej i proporcjonalnej.
Wpływ składowej UD:
Składowa różniczkowa stosowana jest do skrócenia czasu regulacji do wartości nieosiągalnych za pomocą składowej proporcjonalnej. Ujemnym skutkiem działania samej składowej różniczkowej jest brak reakcji układu w stanach ustalonych. Z tego względu stosuje się jej połączenie ze składową proporcjonalną.
Etap 2: Dobór stałych czasowych regulatora
Etap 3: Wymagane wzmocnienie regulatora
- metoda Zieglera - Nicholsa
- kryterium stabilności aperiodycznej
- kryterium miejsca geometrycznego pierwiastków
- kryterium zapasu fazy
- kryterium amplitudy rezonansowej
- całkowe wskaźniki jakości
Badanie jakości układu regulacji.
Badanie jakości regulacji sprowadza się do badania uchybu regulacji e(t) wywołanego standardowym wymuszeniem lub standardowym zakłóceniem zarówno podczas stanu ustalonego, jak w stanach przejściowych. Miarą jakości regulacji jest tzw. wskaźnik jakości, który powinien być tak zdefiniowany, aby mierzył określone przez użytkownika cechy przebiegu uchybu regulacji e(t) z dostateczną dokładnością.
Odpowiedź układu regulacji w postaci zmiany wielkości wyjściowej, która nadąża za wielkością zadaną, może mieć różny kształt, np.:
Do ilościowej oceny właściwości dynamicznych układu na podstawie odpowiedzi na skok sygnału na wejściu sterującym, są stosowane następujące wskaźniki:
- czas ustalania ts, po którym uchyb wielkości wyjściowej mieści się w granicach +/- 5%
- czas narastania tr,w którym sygnał zmienia się od 0,1 do 0,9 wartości ustalonej
- czas opóźnienia td, który upływa od chwili wystąpienia skoku na wejściu do pojawienia się odpowiedzi na wyjściu układu
- czas do wystąpienia maksimum pierwszego przeregulowania tm, przy czym pz oznacza wartość pierwszego przeregulownia określoną w procentach względem wartości ustalonej.
Regulacja obiektów statycznych i astatycznych.
Układ regulacji astatycznej - układ w którym, podczas stanu ustalonego, sygnał zakłócenia nie ma wpływu na wartość sygnału wyjściowego obiektu. Obiektami astatycznymi są obiekty charakteryzujące się właściwościami całkującymi, zawierającymi przynajmniej jeden całkujący.
Do regulacji obiektów astatycznych stosuje się zazwyczaj regulatory proporcjonalne (P).
Układ regulacji statycznej - układ w którym, podczas stanu ustalonego, sygnał zakłócenia wpływa na wartość sygnału wyjściowego obiektu. Obiektami statycznymi są obiekty charakteryzujące się właściwościami inercyjnymi pierwszego lub wyższych rzędów.
Do regulacji obiektów astatycznych stosuje się zazwyczaj regulatory proporcjonalno - całkujące (PI) lub regulatory proporcjonalno - całkująco - różniczkujące (PID).
źródło: [1] - www.wazniak.mimuw.edu.pl [2] - www.wikipedia.com [3] - Mechatronika - podręcznik dla uczniów szkół średnich i zawodowych szkół technicznych - pod kierunkiem prof. dr inż. Dietmara Schmida, REA, Warszawa 2002 [4] - Zenon Jędrzykiewicz Teoria sterowania układów jednowymiarowych, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo - Dydaktyczne, Kraków 2002
Regulatory o działaniu nieciągłym 
Regulatory o działaniu ciągłym