Laboratorium

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy w zbiorniku

otwartym

Celem ćwiczenia jest określenie na podstawie wyznaczonych doświadczalnie

charakterystyk statycznych i dynamicznych rzeczywistego obiektu regulacji, którym jest
proces. zmiany poziomu cieczy w zbiorniku otwartym, modelu matematycznego tego
procesu. Proces pozyskiwania modelu matematycznego nazywany jest identyfikacją obiektu.

1.WPROWADZENIE

Obiektem regulacji nazywamy zachodzący w urządzeniu proces

technologiczny podlegający oddziaływaniu zakłóceń, którego pożądany przebieg uzyskuje się
przez zewnętrzne oddziaływanie sterujące (sterowanie).

Przebiegi zautomatyzowanych procesów technologicznych są oceniane

(kontrolowane) na podstawie pomiarów wielkości charakteryzujących dany proces, a których
pożądany przebieg jest określony w zadaniu regulacji. Są to najczęściej wielkości fizyczne
takie jak np. temperatura, ciśnienie, lepkość, zawartość składników. Mówi się, że wielkości te
są wielkościami wyjściowymi obiektu regulacji (procesu) – wielkościami
regulowanymi oznaczanymi umownie symbolami – y

, y

, .... y

Aby dany proces technologiczny mógł być realizowany, muszą być do niego

doprowadzone odpowiednie strumienie materiałów (np. odpowiednie ilości reagujących ze
sobą składników) lub strumienie energii (np. paliwa, energii elektrycznej). Od wielkości tych
strumieni i od ich parametrów zależeć będzie pożądany przebieg wielkości regulowanych.

Zatem ilości dostarczanej energii lub materii są wielkościami wejściowymi x

,...x

obiektu regulacji (procesu). Innymi wielkościami wejściowymi są wielkości

wpływające niekorzystnie na przebieg wielkości regulowanych. Są to różnego rodzaju
zakłócenia (umownie oznaczane symbolami z

, z

... z

). Zakłócenia te mogą bezpośrednio

oddziaływać na proces, np. w układzie regulacji temperatury takimi zakłóceniami są zmiany
temperatury  otoczenia,  lub  zniekształcać  doprowadzone  do  obiektu  strumienie  energii  lub
materii,  np.  w  układzie  regulacji  temperatury  takimi  zakłóceniami  są  zmiany  wartości
opałowej  paliwa.  Związek  między  wielkościami  regulowanymi  a  wejściowymi  tworzy  opis
obiektu w sensie procesowym (rys. 1a).

Urządzenia, w których realizowane są procesy technologiczne wyposażone są

w  zespoły  wykonawcze  (ZW),  którymi  są  np.  zawory  regulacyjne,  pompy  o  zmiennej
wydajności,  silniki,  styczniki  itp.,  umożliwiające  dostarczanie  strumieni  energii  lub
materiałów  do  procesu  oraz    w  przetworniki  pomiarowe  (PP),  dostarczające  informacje  o
przebiegu zmian wielkości regulowanych. Zespoły wykonawcze, w wyniku oddziaływania na
nie  sygnałów  sterujących  oznaczanych  stosując  terminologię  techniczną  symbolami  CV

, ... CV

, i wytwarzanych przez regulatory (sterowniki), kształtują natężenie strumieni

materiałów lub energii. Sygnały te są wielkościami wejściowymi obiektu regulacji w sensie
aparaturowym jako elementu składowego układu regulacji. Wielkościami wyjściowymi tak
rozumianego obiektu regulacji są sygnały wyjściowe przetworników pomiarowych PV

, PV

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

... PV

, nazywane zmiennymi procesowymi. Zależność zachodząca pomiędzy sygnałami

wyjściowymi obiektu (zmiennymi procesowymi) a jego sygnałami wejściowymi (sygnały
sterujące i zakłócenia) stanowi opis obiektu w sensie aparaturowym (rys.1b).

a) b)

Rys. 1. Schemat ideowy obiektu regulacji o jednej wielkości regulowanej : a) - obiekt

regulacji w sensie procesowym, b) – obiekt regulacji w sensie aparaturowym; oznaczenia: x, y
- wielkość wejściowa, wyjściowa obiektu w sensie procesowym, CV - sygnał sterujący, PV
- sygnał wyjściowy przetwornika pomiarowego (zmienna procesowa), z

, z

,….. z

–

zakłócenia

W najprostszych przypadkach, obiekt regulacji może mieć jeden sygnał wyjściowy

(jedną wielkość regulowaną) , jeden sygnał sterujący i wiele wielkości zakłócających (rys.
1a). Jego matematycznym opisem jest zależność sygnału wyjściowego od sygnałów
wejściowych

,….

(1)

która, w zależności od właściwości obiektu, może być równaniem algebraicznym albo

liniowym lub nieliniowym równaniem różniczkowym o stałych lub zmiennych
współczynnikach.

Poprawna ocena właściwości obiektów regulacji jest podstawowym

warunkiem  umożliwiającym  projektowanie  układów  regulacji.  Na  ogół  analiza  właściwości
obiektu  przebiega  dwuetapowo.  Pierwszy  etap  jest  analizą  procesową,  której  efektem  jest
ustalenie  związków  procesowych  między  wielkościami  regulowanymi  jako  zmiennymi
fizycznymi a wielkościami wejściowymi procesu, którymi są najczęściej parametry strumieni
energii  lub  materiałów  dostarczanych  do  procesu.  Wyniki  tej  analizy  są  podstawą  do
właściwego  doboru  przetwornika  pomiarowego  oraz  zespołu  wykonawczego,  czyli  do
poprawnego  zaprojektowania  obiektu  regulacji  w  sensie  aparaturowym.  Ogólne  związki
procesowe  powinny  zostać  określone  przez  technologa,  który  najlepiej  rozumie  fizyczną
stronę  procesu.  Często  jednak  konieczna  jest  przy  tym  pomoc  automatyka,  aby  opis
właściwości obiektu podany był w formie użytecznej dla celów regulacji.

Drugim etapem analizy jest określenie modelu matematycznego

zaprojektowanego w sensie aparaturowym obiektu jako związku między sygnałami
(zmiennymi procesowymi) PV a sygnałami sterowania CV i zakłóceniami. Tworzone modele
ze względu na ich cechy aplikacyjne mogą być modelami: globalnymi lub lokalnymi
(parametrycznymi).

Modele globalne ( bilansowe) tworzone dla celów analizy procesu technologicznego, jego

optymalizacji i prowadzenia rozruchu określane są na podstawie zależności między
zmiennymi procesowymi wiążącymi np. energię, masę, położenie i stan poszczególnych

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

elementów tworzących proces w pełnym zakresie ich zmienności oraz na podstawie bilansów
tych wielkości dla całego obiektu. Model taki ma najczęściej postać nieliniowych zależności
różniczkowo-całkowych. Można go wykorzystać zarówno przy projektowaniu układu
regulacji jak i optymalizacji punktu pracy.

Modele lokalne (parametryczne) opisują właściwości obiektu w otoczeniu danego punktu

pracy  co  na  ogół  jest  wystarczające  do  doboru  parametrów  zainstalowanych  w  układzie
regulacji  elementów,  do  analizy  stabilności  układu  z  regulatorem  oraz  doboru  algorytmu
sterowania  i struktury układu regulacji. Model taki  ma zazwyczaj postać założonego z góry
opisu matematycznego np. w postaci transmitancji operatorowych : obiektu oraz transmitancji
zakłóceniowych.  których  nieznane  parametry  określane  są  w  procesie  identyfikacji.  Model
matematyczny obiektu może być także przedstawiony w postaci schematu blokowego , który
dostarcza  informacji  o  strukturze  obiektu,  co  jest  pomocne  przy  projektowaniu  struktury
układu  regulacji.    Przykładowy  schemat  blokowy  obiektu  o  jednej  wielkości  regulowanej  i
dwu działających zakłóceniach z

, z

opracowany dla zmiennych przyrostowych przedstawia

rys.2.

Rys. 2. Schemat blokowy obiektu regulacji : a) schemat szczegółowy, b) schemat

zastępczy

Jak już wcześniej wspomniano, obiekt regulacji w sensie aparaturowym to nie tylko

proces zachodzący w urządzeniu (transmitancja G

proc

(s)) ale także zespół wykonawczy ZW

(transmitancja G

(s)) sterowany sygnałem CV oraz przetwornik pomiarowy PP

(transmitancja G

(s)) generujący sygnał PV (rys. 2a). Iloczyn tych transmitancji przedstawia

sobą wyrażoną operatorowo zależność wielkości procesowej PV od sterowania CV i jest
transmitancją operatorową obiektu określoną symbolem

(rys.2 b).

Charakter zmian wielkości regulowanej wywołany zakłóceniami określają transmitancje
zakłóceniowe

(transmitancje zakłóceniowe

ze  względu  na  niemierzalność  zakłóceń  można  określić  w  sposób  przybliżony  raczej
jakościowo niż ilościowo). Schemat blokowy z rys. 2a jest pozyskiwany  i weryfikowany w
fazie  projektowania  i  doboru  poszczególnych  zespołów  instalacji  obiektowej,  natomiast
schemat z rys. 2b jest pozyskiwany w uruchomionym i działającym układzie regulacji .

Działające na obiekt zakłócenia, których jest najczęściej wiele są niemierzalne

i  działają  w  sposób  przypadkowy  w  różnych  miejscach  obiektu,  w  efekcie  jednak  zawsze
zaburzają pożądany przebieg procesu, a ich działanie ujawnia się poprzez zmiany wielkości
regulowanej  a  zatem  i  zmiennej  procesowej  powodując  jej  wzrost  wartości  lub  jej  spadek.
Również  zależnie  od  konstrukcji  zespołu  wykonawczego  ,  natury  fizycznej  i  właściwości

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

procesu  oraz  charakterystyki  statycznej  zastosowanego  przetwornika  pomiarowego,  wzrost
wartości  sygnału  wyjściowego  CV  regulatora  sterującego  procesem  ma  wywoływać  wzrost
lub  spadek  wartości  wielkości  regulowanej.  Oddziaływania  te  zostały  na  schemacie
blokowym    z  rys.  2  przedstawione  za  pośrednictwem  węzła  sumacyjnego.  Znaki  w  węźle
sumacyjnym pokazują możliwe kierunki oddziaływań sterowania i zakłóceń.

Pozyskiwanie modelu może być realizowane analitycznie na podstawie znajomości

równań opisujących zależności fizyko - chemicznych obiektu lub eksperymentalnie. Metoda
eksperymentalna może być eksperymentem czynnym lub biernym.

Eksperyment czynny polega na pobudzeniu obiektu zdeterminowanym wymuszeniem.

Jest  to  najczęściej  wymuszenie  skokowe,  impulsowe  lub  sinusoidalnie  zmienne.  Otrzymana
odpowiedź na to wymuszenie pozwala  na podstawie odpowiednich konstrukcji graficznych
określić parametry założonego modelu matematycznego , który ze względów praktycznych i
projektowych  ma  postać  niezbyt  złożonej  transmitancji  tzw.  transmitancji  zastępczej.
Transmitancja ta w sposób przybliżony oddaje właściwości rzeczywistego badanego obiektu
w  otoczeniu  wybranego  punktu  pracy.  Przed  rozpoczęciem  doświadczenia  obiekt  musi
znajdować  się  w  stanie  ustalonym.  Dokładność  identyfikacji  zależy  od  amplitudy
wymuszenia,  która  winna  być  na  tyle  duża  aby  zminimalizować  wpływ  zakłóceń  a  na  tyle
mała  aby  nie  wprowadzić  obiektu  w  nasycenie.  Czas  trwania  wymuszenia  powinien  być
dostatecznie długi aby możliwe było ujawnienie charakteru odpowiedzi.

Obiekty podobnie jak inne elementy automatyki, klasyfikuje się ze względu na ich

właściwości dynamiczne. Taką najbardziej ogólną klasyfikacją jest podział ze względu na
zdolność osiągania lub nie osiągania równowagi trwałej po wprowadzeniu wymuszenia
skokowego. Z tego punktu widzenia obiekty dzieli się na :



statyczne ,



astatyczne.

Przykładowe odpowiedzi obiektów statycznych i astatycznych na wymuszenie

skokowe sterowania CV wykonane we współrzędnych przyrostowych przedstawia rys.3.

Rys. 3. Przykładowe ogólne odpowiedzi na wymuszenie skokowe a) obiektu

statycznego, b) astatycznego.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Dla obiektów statycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3a

przyjmuje się najczęściej następujące modele matematyczne przedstawione w postaci
transmitancji operatorowej:







)

(

)

(

)

(



(2)

lub









)

(

)

(

)

(

)

(



(3)

gdzie:

–wzmocnienie obiektu (w sensie aparaturowym wielkość niemianowana),

– zastępcza stała czasowa [min],

– zastępczy czas opóźnienia [min].

Parametry modelu obiektu regulacji określonego wzorem (2) można określić z

odpowiedzi na wymuszenie skokowe stosując metodę : stycznej (rys.3a) lub siecznej (rys.4).

Rys.4. Ilustracja metody siecznej wyznaczania stałych czasowych modelu (2) obiektu

regulacji

W przypadku metody stycznej parametry te określa się bezpośrednio z wykresu tak

jak to pokazuje rys.3a, natomiast stosując metodę siecznej (rys.4) przechodzącej przez punkty
P1, P2, wartości stałych czasowych T

, T

określa się z zależności









)

(4)

Parametry modelu określonego wzorem (3) zwanego modelem Strejca określa się z

wykresu i z tablic podanych w literaturze.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Dla obiektów astatycznych, których odpowiedź skokowa ma przebieg jak na rys.3b

przyjmuje się najczęściej model matematyczny przedstawiony w postaci transmitancji
operatorowej





)

(

)

(

)

(



(5)

Parametry modelu określonego wzorem (5) odczytuje się wprost z wykresu na rys.3b.

W eksperymencie biernym parametry modelu określa się na podstawie pomiaru

dostępnych  sygnałów  podczas  normalnej  pracy  układu  regulacji  bez  konieczności
przerywania  jego  pracy  i  naruszania  warunków  eksploatacji.  W  metodzie  tej  nie  mamy
wpływu na sygnały podawane na obiekt i identyfikacja obiektu jest w tej metodzie trudna ze
względu na często niską zdolność pobudzającą sygnałów. Analiza sygnałów pozwala określić
model tzw. stochastyczny, który ze względu na dokładność opisu właściwości obiektu może
być  wykorzystywany  w  systemach  diagnostycznych  lub  do  optymalizacji  procesu  regulacji
lub też opracowania innego od standardowego algorytmu regulacji.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

2. OPIS INSTALACJI OBIEKTOWEJ

Obiektem regulacji jest proces zmiany poziomu cieczy w odpowiednio połączonych

zbiornikach Z1, Z2. Schemat instalacji obiektowej przedstawia rys.5.

W zależności od konfiguracji stanów zaworów V2 i V4 oraz zastosowaniu na dopływie

specjalnie skonstruowanej wężownicy W można realizować różne właściwości obiektu
regulacji podane w tablicy 1.

Tablica1. Właściwości obiektu w zależności od konfiguracji zaworów

l.p.

Typ właściwości

obiektu

Zawór

Ustawienie zaworu

Wielkość

regulowana

Inercyjny I rzędu
bez opóźnienia

Zamknięty

poziom H1

Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

Inercyjny I rzędu

z opóźnieniem

Zamknięty

poziom H1

Ciecz wpływa do zbiornika Z1 przez

wężownicę W

Inercyjny II rzędu

bez opóźnienia

Otwarty

poziom H2

Ciecz wpływa bezpośrednio do

zbiornika Z1

Inercyjny II rzędu
z opóźnieniem

Otwarty

poziom H2

Ciecz wpływa do zbiornika Z1 przez

wężownicę W

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Rys.5. Schemat części obiektowej stanowiska układu regulacji poziomu cieczy

Oznaczenia :

Z1, Z2 – zbiorniki,
V1, V3- ręczne zawory odpływowe,

V2- ręczny zawór łączący zbiorniki Z1 i Z2,

V4 - zawór trójdrożny ,
W- wężownica, T

- opóźnienie transportowe wprowadzane przez wężownicę,

VE1- zawór elektromagnetyczny odcinający odpływ ze zbiornika Z1,
VE2 - zawór elektromagnetyczny odcinający zrzut wody na tłoczeniu z pompy,

H1 , H2 - wysokość słupa cieczy w zbiorniku Z1, Z2,
PV – sygnał wyjściowy z przetwornika poziomu cieczy
LT1, LT2 – przetworniki poziomu cieczy w zbiorniku Z1, Z2,
Q -sygnał wyjściowy z przetwornika QT przepływu (przepływomierz zwężkowy),
P- pompa o zmiennej wydajności,

CV- sygnał sterujący pompą (wyjściowy ze sterownika PLC),
P1, P2 - przełączniki ręczne zaworów elektromagnetycznych do wprowadzania zakłóceń.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Połączenie zbiorników realizowane jest za pomocą zaworu odcinającego V2. Wielkością

regulowaną  jest  wysokość  słupa  cieczy  H1  w  zbiorniku  Z1  lub  H2  w  zbiorniku  Z2.
Wymaganiem  stawianym  badanemu  układowi  regulacji  jest  utrzymanie  na  zadanym  stałym
poziomie wysokości słupa wody mimo działających na obiekt zakłóceń.

Wielkościami zakłócającymi są zmiany przepływu cieczy na dopływie lub odpływie

zbiorników. Zakłócenia te realizowane są przez zdalnie sterowane odcinające zawory
elektromagnetyczne VE1, VE2. Zamykanie/otwieranie zaworów realizowane jest za pomocą
przycisków P1 i P2 znajdujących się na pulpicie instalacji obiektowej stanowiska. Zawór VE1
wywołuje skokową zmianę przepływu na odpływie ze zbiornika Z1. Jest to zakłócenie VE1.
Zawór VE2 wywołuje skokową zmianę przepływu na dopływie cieczy do zbiornika Z1 (tzw.
zrzut z pompy). Jest to zakłócenie VE2.

Wielkością sterującą obiektem jest sygnał standardowy 4 - 20 mA pochodzący ze

sterownika  PLC    Simatic  S7-1200  firmy  Siemens.  Sygnał  ten  zostaje  przekształcony  przez
odpowiedni  układ  elektroniczny  na  sygnał  napięciowy  0  –  10  V    i  steruje  pompą,  której
wydajność  zmienia  się  w  granicach:  0  –  6.5  l/min  na  dopływie  do  zbiornika  Z1. Pompa  ta
pełni  rolę  elementu  wykonawczego  w  układzie  regulacji.  Dodatkowo  dokonywany  jest
pomiar przepływu za pomocą przepływomierza zwężkowego. Zmiana przepływu w zakresie
0  -6.5 l/min  wywołuje  różnicę  ciśnień  na  zastosowanej  zwężce  Venturiego  w  zakresie
0  -500 mm  H

O Zastosowany przetwornik różnicy ciśnień przetwarza różnicę ciśnienia na

zwężce w sygnał standardowy o zakresie 4 – 20 mA.

Informację o bieżącej wartości wielkości regulowanej wysokości H1 lub H2 słupa cieczy

dostarczają elektryczne przetworniki pomiarowe o zakresie 0 - 500 mm H

O i sygnale

wyjściowym 4 - 20 mA (pomiar wysokości słupa cieczy odbywa się metodą pośrednią
poprzez pomiar ciśnienia hydrostatycznego).

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Identyfikację opisanego obiektu regulacji przeprowadzimy w układzie regulacji o

schemacie przedstawionym na rys.6.

Identyfikacja obiektu przeprowadzona będzie na podstawie pomiaru charakterystyki

statycznej  obiektu  w  pełnym  możliwym  zakresie  zmian  wielkości  regulowanej  oraz
odpowiedzi badanego obiektu na celowo wprowadzone wymuszenie skokowe w wybranym z
charakterystyki  statycznej  punkcie  pracy.  Będzie  to  zatem  eksperyment  czynny,  w  którym
celowe  oddziaływanie  na  obiekt  odbywać  się  będzie  poprzez  sygnał  sterowania  zadawany
przez operatora.

Pomiary właściwości statycznych i dynamicznych obiektu przeprowadzone zostaną w

układzie  regulacji  stałowartościowej  poziomu  cieczy  pracującego  w  trybie  sterowania
ręcznego  „Manual”.  Właściwości  statyczne  i  dynamiczne  będą  reprezentowane  poprzez
związki między wielkością regulowaną, którą jest wysokość H1 słupa cieczy w zbiorniku Z1
przetworzoną  na  sygnał  mierzony  PV,  a  sygnałem  sterującym  CV  oraz  między  wielkością
regulowaną  a  wielkościami  zakłócającymi  proces  zmiany  poziomu  cieczy  w  zbiorniku.
Związki te reprezentować będą: transmitancja operatorowa obiektu G

(s) oraz transmitancje

zakłóceniowe G

(s), G

(s). Transmitancje te reprezentować będą właściwości dynamiczne w

otoczeniu wybranego z charakterystyki statycznej punktu pracy procesu.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Rys.6. Schemat połączeń elementów układu regulacji poziomu cieczy

W skład stanowiska laboratoryjnego wchodzą:



zespół zbiorników połączonych szeregowo,



sterownik PLC SIMATIC S7-1200 firmy Siemens wraz z modułem wejść/wyjść

analogowych wraz z zasilaczem 24V,



panel HMI



komputer stacjon

rny

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

3.1.Wizualizacja

Podczas wykonywania ćwiczenia student komunikuje się ze sterownikiem PLC

za  pośrednictwem  panelu  operatorskiego  HMI  typu  SIMATIC  KPT600  z  dotykowym
kolorowym  ekranem.  Umieszczona  na  panelu  wizualizacja  umożliwia  odczyt  oraz  zmianę
sygnału  CV  sterującego  odczyt  wartości  wielkości  mierzonej  PV.  Wielkości  te  są  także
monitorowane na wykresach słupkowych.

Rys.7. Wizualizacja pulpitu operatorskiego sterownika na ekranie panelu HMI

Druga wizualizacja, zrealizowana została na komputerze. W menu głównym

wyświetlanym na ekranie monitora komputera (rys.8) operator wybiera pulpitu
operatorskiego odpowiedniego do aktualnego etapu ćwiczenia.

Rys.8. Menu główne wizualizacji na ekranie monitora

Na monitorze, panelu o przekątnej 15'', możliwe jest śledzenie trendów wyświetlanych

z dużą dokładnością, co umożliwia późniejszą ich obróbkę. Możliwe jest zatrzymywanie
wykresów, zmienianie skali osi czasu, aby dostosować wykres do swoich potrzeb. Na ekranie
ukazane są bieżące wartości PV i CV, obecność zakłóceń VE1 i VE2.

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Identyfikacja będzie przeprowadzana dla obiektu w konfiguracji 2 (tablica 1),

należy więc sprawdzić położenie zaworów, a także dokładnie skontrolować wykonane
połączenia elektryczne (rys. 6.), ewentualne wątpliwości skonsultować z prowadzącym.

3.2. Identyfikacja eksperymentalna właściwości statycznych obiektu regulacji

Identyfikacja właściwości statycznych obiektu sprowadzać się będzie do pomiaru

charakterystyk statycznych obiektu jako związku w stanie ustalonym wielkości regulowanej
od sterowania w pełnym zakresie działających zakłóceń. Charakterystyki te są istotne do
określenia możliwych punktów pracy obiektu i dopuszczalnych sterowań. Charakterystyki
statyczne wykonywane będą dla trzech oddzielnych przypadków:

1.  Zawory VE1 i VE2 zamknięte => brak zakłóceń
2.  Zawór VE1 – otwarty, VE2 – zamknięty => zakłócenie VE1
3.  Zawór VE1 – zamknięty , VE2 – otwarty => zakłócenie VE2.

Wyniki pomiarów należy zamieścić w odpowiednich komórkach tablicy 2.

Każdy z tych przypadków wymaga przeprowadzenia takiej samej procedury, którą

przedstawiono poniżej:

a) Na głównym ekranie wizualizacji na komputerze, wybrać opcję: Identyfikacja

właściwości statycznych.

b) Sprawdzić położenie zaworów VE1 i VE2 poprzez skontrolowanie stanu

przełączników P1 i P2, bądź lampek kontrolnych na wizualizacji komputerowej.

c)  Ustawić na panelu HMI sygnał sterujący pompą CV na wartość 0%
d)  Odczytać i zapisać bieżącą wartość PV poziomu wody.
e)  Odczytać poziom wody H1 wykorzystując skalę umieszczoną na ściance zbiornika.
f)  Wykonać punkty od c) do e) zmieniając wartość sygnału sterującego pompą CV

zgodnie z tablicą 2.

Procedurę powtórzyć dla kolejnych dwóch przypadków.

.Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2. Wyniki pomiarów charakterystyki statycznej obiektu regulacji

CV[%]

100

H1[cm]

PV[%]

H1[cm]

PV[%]

H1[cm]

PV[%]

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

3.3. Identyfikacja właściwości dynamicznych obiektu regulacji

Celem identyfikacji będzie określenie parametrów transmitancji zastępczych: obiektu i

zakłóceniowych. Identyfikacja ta zostanie przeprowadzona metodą eksperymentu czynnego w
którym  wykorzystano  metodę  odpowiedzi  skokowej  generując  skokowe  zmiany  sygnału
sterującego  CV   i  wielkości  zakłócających.  Metoda  ta  pozwala  na  wyznaczenie  parametrów
założonej  transmitancji  obiektu  na  podstawie  prostych  konstrukcji  graficznych.  Z
otrzymanych  z  badań  odpowiedzi  obiektu  na  zakłócenia  skokowe  określać  się  będzie
transmitancje  operatorową  obiektu  względem  sterowania  G

ob.

(s) , oraz transmitancje

operatorowe obiektu G

z1.

(s), G

z2.

(s) względem zakłóceń .

3.3.1. Wyznaczenie odpowiedzi skoko

wej obiektu regulacji na zmianę

sterowania CV (z

większenie wydajności pompy) w układzie otwartym.

Określenie parametrów transmitancji G

(s)

Badania przeprowadzić stosując poniższą procedurę:

a)  Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych
b)  Wcisnąć przycisk Obiekt – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu
c)  Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
d)  Na panelu HMI ustawić CV=50%
e)  Odczekać aż PV osiągnie ustaloną wartość
f)  Zmienić wartość CV z 50% na 60%
g)  Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
h)  Zapisać cały przebieg przejściowy na komputerze dobierając odpowiedni przedział

czasu. Zaleca się przyjąć ok. 300 sek.

i) Po zatrzymaniu przebiegu na monitorze przyciskiem STOP, wcisnąć na klawiaturze

komputera przycisk prtsc ,wkleić zapamiętany ekran do edytora graficznego i
wydrukować dwie kopie przebiegu przejściowego ( do obróbki wykresu stosując
metodę stycznej (rys.9) i siecznej rys.4).

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

Rys.9. Przykład konstrukcji

graficznej do określania
parametrów transmitancji
operatorowej obiektu
wyznaczonych metodą stycznej

Otrzymany przebieg będzie miał postać jak na rys.9 Zgodnie z rys.9, dla badanego

obiektu można przyjąć model matematyczny opisany transmitancją (2) :







)

(

)

(

)

(



(6)

Z zarejestrowanego przebiegu należy odczytać wartości parametrów zastępczej

transmitancji operatorowej obiektu :T

, k

. Parametry te należy odczytać stosując metodę

stycznej (rys.9) oraz metodę siecznej (rys.4).

Przedstawione transmitancje zostaną zastosowane do doboru nastaw regulatora

w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.

3.3.2

Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiekt

u dla zakłócenia wywołanego

zwiększeniem odpływu cieczy (skokowa zmiana otwarcia zaworu VE1).
Określenie parametrów transmitancji zakłóceniowej G

(s)

Wykonać następujące czynności:

a) Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych

b) Wcisnąć przycisk Zakłócenie – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu

c) Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte

d) Na panelu HMI ustawić CV=50%

e) Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const.

f) Przełącznikiem P1 (rys.6) wprowadzić zakłócenie VE1

g) Poczekać na ustalenie się poziomu

h) Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia parametrów

założonej transmitancji:

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI







)

(

)

(

)

(



(7)



f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1. Wg danych katalogowych



f = 30.4 %

Na zarejestrowanym wykresie odczytać



PV i obliczyć w ten sposób wartość





3.3.3.

Wyznaczenie odpowiedzi skokowej obiektu wywołanej zmianą otwarcia

zaworu VE2 („zrzut” z pompy). Określenie parametrów transmitancji
zakłóceniowej G

(s)

Należy wykonać następujące czynności:

a)  Z głównego menu wizualizacji wybrać: Identyfikacja właściwości dynamicznych
b)  Wcisnąć przycisk Zakłócenie – zostanie ustawiona odpowiednia skala wykresu
c)  Sprawdzić, czy zawory VE1 i VE2 są zamknięte
d)  Na panelu HMI ustawić CV=50%
e)  Odczekać aż poziom wody się ustali, tzn. PV ≈ const
f)  Przełącznikiem P2 (rys.5) wprowadzić zakłócenie VE2
g)  Poczekać na ustalenie się poziomu
h)  Zapisać cały przebieg przejściowy, który posłuży do wyznaczenia transmitancji:







)

(

)

(

)

(



(8)



f- zmiana powierzchni przepływowej zaworu VE1, wg danych katalogowych



f = 30.4 %.

Z zarejestrowanego wykresu odczytać



PV i obliczyć podobnie jak w p.3.3.2 wartość k

Ćwiczenie PA7a

„Identyfikacja obiektu układu regulacji poziomu cieczy

w zbiorniku otwartym”

PODSTAWY AUTOMATYKI

4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA

Sprawozdanie winno zawierać takie elementy jak: opis przebiegu ćwiczenia ,

schematy, wykresy otrzymane z rejestratora z naniesioną obróbką danych, wykresy wykonane
na podstawie pomiarów itp. oraz odpowiedzi na pytania poniżej:

1) Określ parametry transmitancji obiektu stosując metodę siecznej oraz stycznej.

2) Określ przebieg odpowiedzi skokowej obiektu obliczony na podstawie przyjętych

transmitancji i dokonaj porównania z przebiegiem rzeczywistym.

3) Narysuj schemat blokowy badanego obiektu regulacji oraz przeprowadź jego analizę.

4) Narysuj charakterystykę statyczną obiektu i przeprowadź analizę właściwości

statycznych obiektu,

5) Określ na podstawie charakterystyki statycznej obiektu możliwe punkty pracy układu

regulacji

6) Porównaj wartość wzmocnienia obiektu k

otrzymaną z charakterystyki statycznej

obiektu oraz z charakterystyki skokowej. Skomentuj otrzymane wyniki.

7) Określ na podstawie schematu blokowego obiektu jaki winien być kierunek działania

regulatora w układzie zamkniętym.