Odpowiedzi regulatory
1. Omówić elementy składowe systemu automatyki.
Zestaw środków technicznych umożliwiających człowiekowi sterowanie procesem przemysłowego i sprawowanie nadzoru nad jego przebiegiem
System automatyki obejmuje: a)urządzenia do przetwarzania informacji: komputery przemysłowe, sterowniki programowalne, regulatory jedno- i wielokanałowe, panele i stacje operatorskie b) urządzenia peryferyjne: czujniki i przetworniki pomiarowe, urządzenia wykonawcze, wskaźniki i elementy nastawcze c)okablowanie i magistrale komunikacyjne
2. Omówi zadania systemu automatyki.
a)zbieranie informacji o zmiennych procesowych b)przetwarzanie matematyczne zmiennych procesowych i wypracowywanie decyzji c)obserwowanie i dokumentowanie przebiegu procesu d)realizowanie łączności między ludźmi (operatorami procesu) a procesem e)sterowanie procesem poprzez wdrażanie decyzji własnych lub podjętych przez operatorów f)autodiagnostyka
3. Wyjaśnić na czym polega warstwowość struktury funkcjonalnej systemu automatyki.
a)Warstwa zarządzania Opracowanie i aktualizacja planów produkcji i remontów b)Warstwa zarządzania operatywnego Osiągnięcie zdanej wielkości produkcji w warunkach normalnych, Przewidywanie stanów awaryjnych i zapobieganie im, Osiągnięcie możliwie dużej produkcji w warunkach awaryjnych c)Warstwa sterowania i regulacji nadrzędnej Osiągnięcie zadanej jakości produkcji, Doprowadzenie maszyn i urządzeń do zdanego stanu pracy, Koordynacja pracy napędów, wypracowanie decyzji o blokadach i zabezpieczeniach, Automatyczne załączanie rezerwy d)Warstwa sterowania i regulacji bezpośredniej Stabilizacja przepływu mas i energii w aparatach, Koordynacja przepływu mas i energii za pomocą wielkości wiodącej, Koordynacja pracy napędów e)Warstwa urządzeń wykonawczych oraz czujników i przetworników pomiarowych
4. Opisać typowe zadania regulacji automatycznej realizowane w układach zamkniętych w warstwie sterownia i regulacji bezpośredniej.
Typowe zadania regulacji realizowane w zamkniętych
układach regulacji:
- regulacja stałowartościowa (stabilizacja)
- regulacja programowa
- regulacja nadążna
- regulacja ekstremalna
Dawniej te zadania realizowały wyłącznie specjalne regulatory sprzętowe, obecnie zadania te realizują także procedury regulacyjne ulokowane w oprogramowaniu sterowników programowalnych lub komputerów przemysłowych
Typowe zadania sterowania logicznego:
- sterowanie kombinacyjne
- sterowanie sekwencyjne
Układy sterowania sekwencyjnego muszą posiadać pamięć stanów wcześniejszych, czyli działają w oparciu o sprzężenie zwrotne, a więc mogą być uważane również za specyficzne układy regulacji.
Specjalne zadania sterowania nadrzędnego realizowane w układach otwartych lub zamkniętych:
- sterowanie adaptacyjne
- sterowanie optymalne
5. Dla regulatora PID podać równanie dynamiki, transmitancję operatorową, szkic odpowiedzi skokowej, definicję parametrów oraz krótko opisać możliwości jego zastosowania.
Nastawy regulatora PID określa się przy pomocy współczynnika wzmocnienia części proporcjonalnej kP , czasu zdwojenia Tj i czasu wyprzedzenia TD.
Zastosowanie: Regulator PID stosuje się do obiektów poddanych wpływom zakłóceń o dużych i gwałtownych zmianach. Łączy w sobie zalety regulatorów PI i PD. Umożliwia stosowanie krótszych czasów zdwojenia TI niż regulator PI bez obawy powstania oscylacji w układzie zamkniętym, a więc prędzej likwiduje wpływ zakłóceń o wartościach ustalonych. Dla obiektów o dużych opóźnieniach (np. dla obiektów inercyjnych wysokiego rzędu) skuteczność działania regulatorów PI oraz PID są praktycznie takie same.
6. Omówić zasady tworzenia regulatorów poprzez korekcję właściwości wzmacniacza mocy.
W najprostszym układzie regulacji funkcję regulatora pełni wzmacniacz mocy, wzmacniający sygnał uchybu regulacji, który zwykle jest zbyt słaby lub wręcz nieodpowiedni. Układ z samym wzmacniaczem mocy może mieć jednak niezadowalające właściwości dynamiczne i wymaga korekcji: szeregowej, równoległej, lub w sprzężeniu zwrotnym.
Wzmacniacz mocy – urządzenie wykonawcze, stosowane, gdy sygnał uchybu regulacji jest zbyt słaby aby wysterować wejście.
Korekcja szeregowa – korektor może mieć postać typowego regulatora. Jeżeli wzmacniacz mocy ma charakter astatyczny to korektor szeregowy musi mieć postać uwzględniającą fakt, że jego sygnał wyjściowy przed doprowadzeniem do wejścia obiektu zostanie poddany całkowaniu
Korekcja równoległa – stosowana jako następny krok po niezbyt udanym przeprowadzeniu korekcji szeregowej.
Korekcja przez sprzężenie zwrotne – polega na obwiedzeniu sprzężeniem zwrotnym elementów dla których pulsacja osiąga duże wartości. Dzięki temu o właściwościach dynamicznych decyduje transmitancja sprzężenia zwrotnego.
7. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem PD otrzymanym w wyniku szeregowego połączenia odpowiedniego korektora z siłownikiem sterowanym w sposób trójpołożeniowy z pozycjonerem.
8. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem PD otrzymanym w wyniku umieszczenia korektora odpowiedniego typu w sprzężeniu zwrotnym obwodzącym siłownik sterowany w sposób ciągły bez pozycjonera.
9. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem PD otrzymanym w wyniku umieszczenia korektora odpowiedniego typu w sprzężeniu zwrotnym obwodzącym wzmacniacz mocy o charakterze przekaźnika dwupołożeniowego lub trójpołożeniowego.
10. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem krokowym PID, opartym na przekaźniku trójpołożeniowym z lokalnym sprzężeniem korekcyjnym lub impulsatorze z modulacją szerokości impulsów.
11. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem ciągłym PD ze impulsowym wzmacniaczem mocy z modulacją amplitudy bądź szerokości impulsów.
12. Narysować schemat blokowy i podać przykładowe przebiegi wielkości regulowanej i sygnału sterującego w układzie regulacji z regulatorem cyfrowym PID o strukturze równoległej lub szeregowej.
13. Wyjaśnić w jaki sposób w układzie regulacji cyfrowej ciąg wartości dyskretnych na wyjściu algorytmu regulacji może być przetworzony na sygnał sterujący obiektem regulacji.
Aby móc korzystać z teorii liniowych układów impulsowych należy przyjąć, że wszystkie dyskretne człony wchodzące w skład regulatora cyfrowego pracują z tym samy okresem impulsowania (próbkowania), czyli wartości dyskretne poszczególnych sygnałów znane są w tych samych chwilach.
Warto zauważyć, że w skład układu ekstrapolacji znajdującego się na
wyjściu regulatora cyfrowego należy włączyć odpowiednie urządzenia
wykonawcze (przetwornik cyfrowo-analogowy, siłownik stanowiący człon o
charakterze całkującym, czy układ wytwarzający impulsy o określonym
kształcie proporcjonalne do dyskretnych wartości sygnału sterującego, itp.).
Uniwersalnym algorytmem regulatorów o działaniu ciągłym jest algorytm PID (określany jako działanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące) opisywany równaniem:
Dyskretyzacja tego algorytmu polega na zastąpieniu sygnałów ciągłych ich
wartościami dyskretnymi wyznaczonymi dla chwil
Wynika stąd następująca postać algorytmu regulacji PID, nadająca się do
zastosowania w układach cyfrowego przetwarzania informacji
Algorytm dyskretnego regulatora PID w zastosowaniach praktycznych
powinien uwzględniać ograniczenie sygnału sterującego. W tym celu
należy go przekształcić.
14. Wyprowadzić schemat blokowy równoległej struktury dyskretnego regulatora PID.
15. Wyprowadzić schemat blokowy szeregowej struktury dyskretnego regulatora PID.
Algorytm regulatora PID zapisuje się dwukrotnie - dla chwili k oraz dla chwili k-1. Po uwzględnieniu tego odejmuje się te wartości stronami i otrzymujemy:
16. Wyjaśnić na czym polega różnica pomiędzy algorytmem pozycyjnym i prędkościowym dyskretnego regulatora PID i kiedy korzysta się z tych postaci algorytmu.
W układach regulacji cyfrowej ciąg wartości dyskretnych na wyjściu algorytmu regulacji może zostać przetworzony na sygnał sterujący obiekt poprzez a) algorytm pozycyjny, przy urządzeniu wykonawczym, które stanowi ekstrapolator zerowego rzędu (np. przetwornik C/A - cyfrowo-analogowy), bądź impulsator rzeczywisty (gdy wartości dyskretne sygnału regulacyjnego są proporcjonalne do wartości impulsu wytwarzanego)
b) algorytm prędkościowy, przy urządzeniu wykonawczym, które stanowi element całkujący (np. siłownik elektryczny, pneumatyczny lub hydrauliczny, w którym położenie organu wykonawczego w chwilach impulsowania zmienia się skokowo o wartość przyrostu sygnału sterującego.
Transmitancja dyskretna obiektu regulacji wraz z układem ekstrapolacji dla algorytmu pozycyjnego i prędkościowego:
,
17. Podać schemat ideowy regulatora odwracającego PI z aktywnym ograniczeniem wyjścia zrealizowany przy użyciu pojedynczego wzmacniacza operacyjnego.
pojedynczego wzmacniacza operacyjnego.
18. Podać schemat ideowy regulatora odwracającego PD z aktywnym ograniczeniem wyjścia zrealizowany przy użyciu pojedynczego wzmacniacza operacyjnego.
19. Podać przykład realizacji układu wyznaczania wartości bezwzględnej sygnału napięciowego przy wykorzystaniu wzmacniaczy operacyjnych.
Zmiana kierunku włączenia obu diod w każdym z podanych układów powoduje odwrócenie znaku napięcia wyjściowego
20. Wyjaśnić jaki jest cel aktywnego ograniczanie wyjścia regulatorów z akcją całkującą (tzw. układ anti-windup) i jak się takie ograniczenie realizuje.
Przeciwdziałanie temu zjawisku polega na wprowadzeniu układu „antwindup”, modyfikującego odpowiednio akcję całkującą regulatora w czasie, gdy sygnał sterujący (tj. sygnałwyjściowy regulatora) osiąga wartość ograniczenia.Jedna z możliwych realizacji takiego układu zabezpieczającego polega na dodaniu do zwykłego algorytmu regulacji dodatkowego silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego od wyjścia regulatora do wejścia członu całkującego tego regulatora.
Struktura równoległa dyskretnego regulatora PID z ograniczeniem sygnału
sterującego obiektem regulacji ma postać:
Osiągnięcie przez sygnał wyjściowy regulatora wartości ograniczenia –
górnego lub dolnego powoduje zatrzymanie akcji całkującej regulatora, tak
by sygnał wyjściowy regulatora pozostawał w pobliżu ograniczenia i był w
stanie bez opóźnienia powrócić do normalnego zakresu pracy po zmianie
znaku uchybu regulacji (jest to tzw. układ anti-windup).
21. Wyjaśnić na czym polega filtracja wartości zadanej, jaki jest jej cel i jak w układzie regulacji można uzyskać efekt takiej filtracji.
Filtr wartości zadanej ma najczęściej postać członu nieliniowego –generatora funkcji rampy – gwarantującego przejście sygnału zadającego od jednej wartości do drugiej z prędkością zdefiniowaną jako parametr.
Struktura regulatora z filtrem: a) Reg. IP (I – człon I, II – człon P podł. do wyjścia obiektu) b) Reg PD (I – człon P, II – człon D podł. do wyjścia obiektu).
Nie należy stosować filtrów w układach regulacji nadążnej w których człony forsujące są podłączone bezpośrednio do wyjścia obiektu regulacji.
22. Omówić wykorzystanie sprzężenia „w przód” (tzw. feedforward control) przy forsowaniu zadawania.
Sprzężenie w przód (feedforward control) bezpośrednie oddziaływanie sygnałów zewnętrznych układu regulacji na sygnał sterujący obiektem z pominięciem regulatora działającego w pętli SZ
Dobór kompensatora przy forsowaniu zadawania E ( s ) = GF ( s )Yo( s ) - Y ( s )
Przy doborze transmitancji filtru GF(s) wymagane jest by: -rząd filtru nie był niższy niż rząd obiektu - filtr był członem dolnoprzepustowym, o statycznym współczynniku wzmocnienia równym 1 i niezbyt wysokiej częstotliwości granicznej, tak dobranej, by odpowiadała w sposób przybliżony oczekiwanym właściwościom dynamicznym rzeczywistego układu regulacji, tak aby filtr ten mógł być uznany za przybliżoną postać wypadkowej transmitancji tego układu.
23. Omówić wykorzystanie sprzężenia „w przód” (tzw. feedforward control) przy kompensowaniu zakłócenia.
Zakłada się, że zakłócenie o transformacie Z(s) dochodzi do „wnętrza" obiektu sterowania dzieląc go na dwie części: wejściową o transmitancji GORI(s) i wyjściową o transmitancji GOR2(s). Aby zakłócenie to nie miało wpływu na wejście członu GOR2(s), składowa sygnału wyjściowego członu GORI(s) wywołana sygnałem kompensatora o transmitancji GK(s) musi w pełni równoważyć sygnał zakłócenia występujący w węźle sumacyjnym przed członem GOR2(s), czyli
.
Przy czym stopień licznika nie może być większy niż mianownika.
...
amber440