background image

Opracowanie: dr inż. Zbigniew Prajs 

POLITECHNIKA  

  

BIAŁOSTOCKA 

WYDZIAŁ  ELEKTRYCZNY 

KATEDRA  AUTOMATYKI  I  ELEKTRONIKI 

 

 

 

 

 

 

ĆWICZENIE  Nr 8 

 

Badanie układu regulacji dwustawnej 

Dobór nastaw regulatora dwustawnego 

 

 

 

 

 

 

 

Laboratorium z przedmiotu: 

 

A

UTOMATYKA

 

Kod: 

ENS1C300 023

3  

 

 

 
 
 

 

 

BIAŁYSTOK  2013 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

PRZED ĆWICZENIEM   

Należy  powtórzyć  podstawowe  wiadomości  z  zakresu  problematyki  regulacji 

z regulatorami  dwustawnymi  oraz  metodą  korekcji  właściwości  regulatora  w  celu  po-
prawy jakości procesu regulacji stałowartościowej. 

Realizowane cele 

1.

  Analiza  układu  regulacji  z  regulatorem  dwustawnym  o  charakterystyce  statycznej 

przekaźnikowej  oraz  obiektem  inercyjnym  z  opóźnieniem.  Układ  pokazany  jest  na 
rys.1. 

Przykładowe parametry obiektu oraz regulatora, przy czym U = 1, zamieszczone są 
w poniższej tabeli. 

Nr. 

10 

12 

16 

18 

20 

7.0 

9.0 

9.0 

6.0 

5.0 

T

o

 

2.0 

0,03 

0,04 

0,03 

0,04 

0,03 

2.

  Synteza struktury regulatora dwustawnego o właściwościach analogicznych do regu-

latora proporcjonalno-różniczkowego PD (rys. 2) 

y

e

 

ܭ

݁

ି்

ܶݏ

+ 1

 

 

u

 

Rys. 1  Schemat blokowy układu regulacji automatycznej 
z regulatorem dwustawnym 

-h 

e

 

ܭ

ܶ

ݏ

+ 1

 

 

u

 

-h 

Rys. 2  Schemat blokowy oraz transmitancja regulatora dwustawnego o właściwościach regulatora PD 

ܩ

ሺݏሻ ≅

1

ܩ

(

ݏ)

=

ܶ

ݏ + 1

ܭ

 

ܩ

ሺݏሻ = ܭ

ሺܶ

ݏ + 1ሻ 

ܭ

=

1

ܭ

 ,     

ܶ

=

ܶ

 

lub 

gdzie  

ܩ

(ݏ)

 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

3.

  Synteza struktury regulatora dwustawnego o właściwościach analogicznych do regu-

latora proporcjonalno-całkowo-różniczkowego PID (rys. 3) 

4.

  Zbadanie jak na własności układu regulacji wpływają zmiany strefy histerezy h oraz 

opóźnienia T

o

 (w granicach ± 50% ). 

PRZEBIG ĆWICZENIA: 

1.

  Zrealizować eksperyment symulacyjny w środowisku programu Simulink lub 20Sim 

(ControlLab  Products  B.V.).  Struktura  analizowanego  układu  oraz  środowisko  ba-
dawcze programu 20Sim zawarte są w plikach: Regulacja dwustawna.em oraz Regu-

lacja dwustawna.exp. Pliki te dostępne są na stronach internetowych K.A. i E. 

Należy  dokonać  analizy  układu  regulacji  z  regulatorem  dwustawnym  o  właściwo-
ściach przekaźnikowych, wyznaczając podstawowe parametry odpowiedzi w stanie 

ustalonym  dla  trzech  wartości  wielkości  zadanej:  ݕ݋  =  ܷ݉ܭ,  gdzie  ݉  =

 0,2 , 0,5 , 0,8. 

2.

  Na  podstawie  wyznaczonych  w  p.1  parametrów  określić  nastawy  regulatora  dwu-

stawnego o właściwościach analogicznych do PD i PID. 

3.

  Dokonać analizę układów regulacji z udziałem tych regulatorów. 

4.

  Porównać odpowiedzi skokowe układów regulacji na wspólnym wykresie, jak i po-

przez stabelaryzowanie najczęściej stosowanych wskaźników: czas regulacji, przere-
gulowanie, uchyb ustalony, częstotliwość łączeń elementu przekaźnikowego. 

Rys. 3  Schemat blokowy i transmitancja regulatora dwustawnego o właściwościach regulatora PID 

ܩ

ሺݏሻ ≅

1

ܭ

ሺܩ

௞ଵ

ܩ

௞ଶ

 

ܩ

ሺݏሻ = ܭ

൬1 +

1

ܶ

ݏ

+

ܶ

ݏ൰ 

ܭ

=

ܶ

௞ଵ

+

ܶ

௞ଶ

ܭ

ሺܶ

௞ଵ

ܶ

௞ଶ

 

ܶ

=

1

ܶ

௞ଵ

+

ܶ

௞ଶ

  ,   

ܶ

=

ܶ

௞ଵ

ܶ

௞ଶ

ܶ

௞ଵ

+

ܶ

௞ଶ

 

lub 

gdzie  

e

 

1

ܶ

௞ଵ

ݏ

+ 1

 

 

u

 

-h 

1

ܶ

௞ଶ

ݏ

+ 1

 

 

ܭ

 

 

ܩ

௞ଶ

(ݏ)

 

ܩ

௞ଵ

(ݏ)

 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

5.

  Po wyborze regulatora sprawdź wpływ zmian parametrów układu, takich jak szero-

kości strefy histerezy h i czasu opóźnienia T

o

 na wskaźniki jakości regulacji. 

 

SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 

1.

  Wydruki: 

a)

  Schematów blokowych układów pomiarowych. 

b)

  Zarejestrowanych charakterystyk w układzie z regulatorem o charakterze prze-

kaźnikowym. 

c)

  Zarejestrowanej charakterystyki, na podstawie której określono dokładność dy-

namiczną regulacji ∆ݕ i okres oscylacji ܶ

݋ݏܿ

, niezbędne do doboru nastaw para-

metrów  członów  korekcyjnych  regulatora  dwustawnego  o  właściwościach  ana-
logicznych do PID. 

d)

  Zarejestrowanej charakterystyki w układzie z korekcją PD i PID. 

2.

  Wnioski  i  spostrzeżenia  z  przeprowadzanych  badań  odnośnie  porównania  wła-

sności regulacji bez korekcji oraz z zastosowaną korekcją.. 

 
 
LITERATURA 
 

1.

  Kaczorek  T.,  Dzieliński  A.,  Dąbrowski  W.,  Łopatka  R.:  Podstawy  teorii  sterowania. 

WNT, Warszawa 2005. 

2.

  Jędrzykiewicz  Z.:  Teoria  sterowania  układów  jednowymiarowych.  Uczelniane  Wy-

dawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2004. 

3.

  Brzózka J.: Regulatory i układy automatyki. MKOM, Warszawa, styczeń 2004. 

4.

  Gessing R.: Podstawy automatyki. Wydawnictwa Politechniki Śląskiej. Gliwice 2001. 

5.

  Luft  M.,  Łukasik  Z.:  Podstawy  teorii  sterowania.  Zakład  Poligrafii  Politechniki  Ra-

domskiej, Radom 1999. 

 

 

 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

Dodatek  A 

Charakterystyczne parametry procesu regulacyjnego z regulatorem dwustawnym 

o charakterystyce przekaźnikowej 

Przebieg  zmian  wielkości  regulowanej  oraz  wykres  stanów  regulatora  w  sposób 

orientacyjny przedstawiono na rys. 4.  

Rysunek  powyższy  ilustruje  dwa  regularne  przebiegi  oscylacyjne  odpowiedzi  sko-

kowych wokół wartości wielkości zadanej ݕ

݋

= ݉ݕ

ݑ

(0 < ݉ ≤ 1) , przy czym ݕ

ݑ

 oznacza 

wartość ustaloną odpowiedzi obiektu na skokowe wymuszenie ݑ(ݐ) = ܷ ∙ ૚(ݐ) regulato-
ra,  wynoszącą  ݕ

ݑ

= ܭܷ.  Przebiegi  te  wynikają  z  własności  inercyjnych  obiektu  (stała 

czasowa  T)  i opóźnienia  transportowego  T

o

,  występującego  w  układzie  otwartym,  sze-

rokości  strefy  histerezy  h  regulatora  oraz  wartości  wymuszenia  skokowego,  w  tym 
przypadku  wielkości  zadanej  ݕ

݋

  dla  dwóch  wartości  współczynnika  ݉  = ݉

1

  i  ݉  = ݉

2

 

1

< ݉

2

). 

Parametrami charakterystycznymi przebiegu czasowego wielkości regulowanej są: 

1)

  Czas narastania odpowiedzi 

ݐ

1

= ܶ

݋

+ ܶ ln

ݕ

ݑ

ݑ

݉

− ℎ

ܶ

݋

ܶ

ݕ

ݑ

(1 − ݉) − ℎ

 . 

y(t) 

T

o

T

o

T

o

t

1

y

o

+h 

y

- h

y

o

 = y

y

o

 = m

2

y

u

u(t)

y

o

 = m

1

y

u

t

2

T

os

T

osc 

y

min

 

y

max

∆y

U

 

U

 

Rys. 4.  Przebieg zmian wielkości regulowanej dla dwóch wartościach wielkości zadanej y

o

 oraz 

wykres stanów pracy regulatora dwustawnego o charakterze przekaźnikowym (sygnał u(t)). 

T

 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

2)

  Czas opadania odpowiedzi 

ݐ

2

= ܶ

݋

+ ܶ ln

ݕ

ݑ

ݑ

(1 − ݉) − ℎ]݁

ܶ

݋

ܶ

 ݕ

ݑ

݉

− ℎ

 . 

3)

  Okres oscylacji ustalonych wokół wielkości zadanej 

ܶ

݋ݏܿ

= ݐ

1

+ ݐ

2

 . 

4)

  Dokładność dynamiczna regulacji 

∆ݕ = ݕ

݉ܽݔ

− ݕ

݉݅݊

= ݕ

ݑ

(1 − ݁

ܶ

݋

ܶ

) + 2ℎ ∙ ݁

ܶ

݋

ܶ

 . 

 

5)

  Wartość średnia oscylacji 

ݕ

śݎ

=

ݕ

݉ܽݔ

+ ݕ

݉݅݊

2

= ݕ

ݑ

[0,5 + (݉ − 0,5)݁

ܶ

݋

ܶ

] . 

6)

  Średni uchyb regulacji 

݁

śݎ

= ݕ

śݎ

+ ݕ

݋

= ݕ

ݑ

(0,5 − ݉) (1 − ݁

ܶ

݋

ܶ

) . 

Z powyższych zależności i przebiegu odpowiedzi można sformułować następujące 

wnioski: 

a)

  Wartość średnia ݕ

śݎ

 może być większa, równa lub mniejsza od wartości wielkości 

zadanej ݕ

݋

, zależnie od tego czy ݉  <  0,5, ݉ = 0,5 lub ݉  >  0,5; Dla ݉ = 0,5  war-

tość średnia odpowiedzi wynosi ݕ

݋

= 0,5ݕ

ݑ

b)

  Średni uchyb regulacji ݁

śݎ

= 0 tylko od współczynnika proporcjonalności ݉ = 0,5 

i jest różny od zera w zależności od tego, czy  ten współczynnik ma wartość 

݉

< 0,5 i wówczas ݁

śݎ

> 0, lub ݉ > 0,5 i wówczas ݁

śݎ

< 0 .Uchyb nie zależy od sze-

rokości strefy histerezy regulatora; 

c)

  Czasy narastania ݐ

1

 i czas opadania ݐ

2

 są sobie równe tylko dla m = 0,5, a to ozna-

cza najkrótszy okres oscylacji ܶ

݋ݏܿ

, i co za tym idzie największą częstotliwość 

przełączania regulatora dwustawnego. 

 

 

background image

Badanie układu regulacji dwustawnej 

 

Kod: ENS1C300 023 

A

UTOMATYK

Ćwiczenie 8

 

Dodatek  B 

Dobór nastaw regulatorów dwustawnych  

Przy doborze nastaw członu korekcyjnego, umożliwiającego realizację regulatora o 

właściwościach  analogicznych  do  PD,  należy  kierować  się  zasadą  nastawiania  stosun-
kowo  dużych  wzmocnień  ܭ

݇

  członu  korekcyjnego,  przy  niewielkich  wartościach  jego 

stałej czasowej ܶ

݇

 w stosunku do stałej czasowej obiektu, czyli ܶ

݇

≪ ܶ. 

Osłabienie sprzężenia przez zmniejszenie ܭ

݇

, czyli zwiększenie wzmocnienia ܭ

݌

 regula-

tora  PD,  może  doprowadzić  do  niestabilności,  co  będzie  się  objawiać  przez  oscylacje 
o ograniczonej amplitudzie wartości średniej odpowiedzi ݕ

śݎ

Dobór  nastaw  regulatora  dwustawnego  z  korekcją  PID  można  przeprowadzić  spo-

sobem,  będącym  odpowiednikiem  metody  Zieglera-Nicholsa  dla  regulatorów  ciągłych 
[3]. 

Procedura postępowania jest następująca: 

1.

  Wyłączyć działanie korekcyjne, nastawić wielkość zadaną ݕ

݋

= 0,5ݕ

ݑ

2.

  Zarejestrować przebieg odpowiedzi układu ݕ(ݐ). 

3.

  Zmierzyć okres oscylacji ܶ

݋ݏܿ

 oraz dokładność dynamiczną regulacji ∆ݕ w stanie 

ustalonym. 

4.

  Wyznaczyć  nastawy  regulatora  dwustawnego  z  korekcją  dynamiczną  PID  we-

dług zależności 

ܭ

݌

=

0,75

∆ݕ

 ,         ܶ

ܫ

=

ܶ

݋ݏܿ

4∆ݕ

ݕ

ݑ

 ,        ܶ

ܦ

=

ܶ

݋ݏܿ

12

  . 

5.

  Wyznaczyć parametry członu korekcyjnego regulatora 

  ߜ =

ܶ

݇2

ܶ

݇1

> 1,       ܭ

݇

=

1

ܭ

݌

ߜ

+ 1

ߜ

− 1

,       ܶ

݇2

= ܶ

ܦ

(ߜ + 1),       ܶ

݇1

=

ܶ

݇2

ߜ

 ,    

Objawy nieprawidłowego doboru nastaw regulatora [3] 

 

 

Objawy 

Przyczyna 

Trwałe oscylacje wielkości regulowanej 

ܭ

݌

 oraz ܶ

ܦ

 za duże, ܶ

ܫ

 za małe 

Przeregulowanie 

ܭ

݌

 za duże, ܶ

ܫ

 oraz ܶ

ܦ

 za małe 

Przebieg aperiodyczny, silnie tłumiony 

ܭ

݌

 za małe, ܶ

ܫ

 za duże 

Oscylacje zanikające 

ܭ

݌

 za duże, ܶ

ܫ

ܶ

ܦ

  za małe