background image

 

1

 

 

 

Automatyka okrętowa – praca kontrolna 

 

  

Część 

Ι

 - zestaw MECH/V

ΙΙΙ

   

 

1)

 

Jakie własności cechują ciągłe regulatory P , PD ? 

2)

 

Przeanalizować własności elementu oscylacyjnego w zależności od wartości 

współczynnika tłumienia 

ξ

 . 

3)

 

Opisać metodę doboru nastaw wg Hanssena i Offereinsa oraz porównać tę metodę 

z regułą doboru nastaw wg Zieglera – Nicholsa . 

4)

 

Przedstawić schemat blokowy , zasadę działania , parametry charakteryzujące 

przebieg wielkości regulowanej oraz konkretną realizację techniczną i 

występujące w niej elementy dwustawnego układu regulacji ciśnienia . 

5)

 

Analogowe i cyfrowe sposoby pomiaru prędkości obrotowej . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ad 1)  Jakie własności cechują ciągłe regulatory P , PD ? 

Regulator  proporcjonalny  posiadający  algorytm  P  ,  jest  regulatorem 

konwencjonalnym ,  mającym ciągły sygnał wyjściowy . Jego sygnał wyjściowy jest 

background image

 

2

proporcjonalny  do  sygnału  wejściowego  .  Pracuje  on  zgodnie  z  prawem  regulacji  , 

które  można  przedstawić    u(t)=k

p

ε

(t)  .  Transmitancja  regulatora  proporcjonalnego 

wynosi  G

p

(s)=k

p

  .  Charakterystyka  skokowa  regulatora  proporcjonalnego  wygląda 

następująco : 

 

  

 

 

     u(t) 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Sygnał wyjściowy u(t) regulatora proporcjonalnego 

 

 

 

 

 

 

ε

(t) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      1(t) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Sygnał wejściowy 

ε

(t) 

 

Jedną  z  cech  regulatorów  proporcjonalnych  jest  to  ,  że  przy  współpracy 

regulatora  z  obiektem  inercyjnym  nie  jest  on  w  stanie  sprowadzić  błędu  ustalonego 

do  zera  .  Wadą  regulatorów  typu  P  jest  konieczność  kompromisowego  dobierania 

wartości  współczynnika  wzmocnienia  .  Mały  współczynnik  wzmocnienia  powoduje 

długi  czas  regulacji  oraz  daje  duży  błąd  w  stanie  ustalonym  ,  natomiast  duży 

współczynnik wzmocnienia powoduje powstanie przebiegów silnie oscylacyjnych .  

Wymagania  dokładności  statycznej  (małego  błędu)  oraz  stabilność  układu 

automatycznej 

regulacji 

są 

wzajemnie 

sprzeczne 

Nastawa 

regulatora 

proporcjonalnego wynika więc bezpośrednio z kompromisu pomiędzy wymaganiami 

stabilności i dokładności w stanie ustalonym .  

background image

 

3

Regulatory  proporcjonalne  są  stosowane  do  regulacji  następujących  obiektów 

oraz układów : 

 

obiekty o niedużych wartościach stałych czasowych i małych opóźnieniach 

oraz stałych zakłóceniach działających na układ 

 

w układach gdzie dopuszczalny jest błąd w stanie ustalonym 

 

w układach regulacji kaskadowej jako regulatory pomocnicze 

 

elementy regulatorów o złożonych charakterystykach  

Podstawową zaletą regulatorów proporcjonalnych jest ich duża szybkość działania . 

Wielkością  jaką  charakteryzują  się  regulatory  typu  P  jest  współczynnik 

wzmocnienia k

p

 oraz zakres proporcjonalności wyrażony zależnością : 

x

p

=

1

k

p

100% 

Zakres proporcjonalności określa , przy jakim zakresie zmian sygnału uchybu (który 

jest  sygnałem  wejściowym  regulatora)  jest  zachowana  proporcjonalność  między 

wartością  sygnału  uchybu  ,  a  wartością  sygnału  wyjściowego  regulatora 

proporcjonalnego . 

 

Regulator proporcjonalno – różniczkujący ( PD ) . 

  

Regulator  o  algorytmie  PD  jest  konwencjonalnym  regulatorem  posiadającym 

ciągły  sygnał  wyjściowy  .  W  idealnym  regulatorze  PD  sygnał  wyjściowy  u(t)  jest 

proporcjonalny do sumy sygnału wejściowego 

ε

(t) oraz do pochodnej tego sygnału : 

u(t)=k

p

[

ε

(t)+T

d

( )

d t

dt

ε

]

 

k

p

 – współczynnik wzmocnienia 

T

d

 – czas różniczkowania regulatora 

Charakterystyka skokowa regulatora PD : 

 

 

 

 

        u(t) 

 

 

 

 

 

   

 

background image

 

4

 

 

 

 

k

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      t 

 

 

 

 

 

ε

(t) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      1(t) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      t 

 

Odpowiedź skokowa u(t) idealnego regulatora PD . 

 

 

 

 

u(t) 

 

 

 

    2k

p

A

t

T

d

 

 

 

     k

p

A

t

T

d

   

 

 

 

 

 

 

 

    0   

 

 

 

 

 

 

 

 

  T

d

  

 

 

 

 

ε

(t)   

 

      

ε

(t)=A

1

 

 

 

 

 

 

    0   

 

 

 

 

  t 

Odpowiedź regulatora PD na sygnał liniowo narastający . 

 

T

d

  –  czas  różniczkowania  –  jest  to  czas  który  określa  właściwości  części 

różniczkującej  regulatora  i  jest  liczbowo  równy  stałej  czasowej  różniczkowania  . 

Różniczkowanie  powoduje  wprowadzenie  do  sygnału  wyjściowego  regulatora 

składnika proporcjonalnego do szybkości zmian uchybu , a więc w przypadku stałej 

background image

 

5

szybkości  zmian  uchybu  sygnał  ulega  jak  gdyby  wyprzedzeniu  w  stosunku  do 

składnika  proporcjonalnego  w  sygnale  regulatora  ,  ponieważ  w  składniku 

proporcjonalnym uwzględnia się tylko aktualną wartość uchybu . 

Podstawową  zaletą  regulatora  PD  jest  poprawa  właściwości  dynamicznych 

regulatora  ,  wskutek  działania  elementu  różniczkującego  .  Dzięki  temu  działaniu 

regulator  skutecznie reaguje  na  pojawienie  się  zakłóceń  ,  co  eliminuje  powstawanie 

przebiegów  oscylacyjnych  .  Zapewniona  jest  równocześnie  dobra  regulacja  w 

szerokim  paśmie  częstotliwości  .  Regulator  PD  nie  jest  jednak  w  stanie  sprowadzić 

do  zera  uchybu  regulacji  ale  zmniejsza  przeregulowanie  i  skraca  czas  regulacji  . 

Stosowane  są  tego  typu  regulatory  do  regulacji  obiektów  o  średnich  wartościach 

stałych czasowych poddanych działaniu małych i szybkich zakłóceń . 

 

Ad 2 )  Przeanalizować własności elementu oscylacyjnego w zależności od wartości   

współczynnika tłumienia 

ξ

 . 

 

Ogólna  postać  równania  różniczkowego  ,  które  ułatwia  interpretację 

przebiegów przejściowych elementu oscylacyjnego jest następująca : 

d y

dt

2

2

2

+

ξω

0

dy

dt

+

ω

ω

0

2

0

2

y

k

x

=

 

przy czym 

ξ

 < 1 . Transmitancja wówczas ma postać : 

G s

y s

x s

k

s

s

( )

( )

( )

=

=

+

+

ω

ξω

ω

0

2

2

0

0

2

2

 

k – współczynnik proporcjonalności 

ω

  = 

1

1

T

  –  pulsacja  oscylacji  własnych  elementu  , 

ξ

  =

T

T

2

1

2

  –  zredukowany   

(względny) współczynnik tłumienia  

 T

1

 , T

– stałe czasowe elementu 

Charakterystyka statyczna elementu oscylacyjnego : 

 

 

 

 

 

 

 y 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

         x 

 

 

  

                                        Współrzędne odchyłek . 

 

 

 

 

   y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        C 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

0

 

                                      Współrzędne wartości absolutnych . 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe będzie mieć charakter oscylacyjny , jeżeli 

spełniony jest warunek : 

T

2

2

 

 

<  4T

1

2

 

lub co jest jednoznaczne : 

ξ

 < 1 

Odpowiedź  elementu  oscylacyjnego  na  wymuszenie  skokowe  1(t)x

st

  wygląda 

następująco :      

                 y 

 

    kx

st

 

 

 

 

 

 

 

 

      T 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Składowa ustalona przebiegu wynosi kx

st

 , a składowa przejściowa jest gasnącą 

sinusoidą , której okres jest stały i wynosi : 

T

=

2

1

0

2

π

ω

ξ

 

background image

 

7

W  przypadku  szczególnym  ,  kiedy 

ξ

  =  0  (  tzn.  T

2

  =  0  )  ,  występują  drgania 

zachowawcze  (  nie  tłumione  )  o  pulsacji 

ω

0

  .  Jeżeli  T

2

2

  >  4T

1

2

  ,  czyli 

ξ

  >  1  ,  to 

przebieg  y(t)  traci  charakter  oscylacyjny  .  Składowa  przejściowa  przebiegu  jest 

wówczas  sumą  dwóch  krzywych  wykładniczych  ,  zatem  y(t)  osiąga  aperiodycznie 

wartość ustaloną kx

st

 . 

Jeżeli  T

2

2

  =  4T

1

2

  ,  czyli 

ξ

  =  1  ,  występuje  tzw.  tłumienie  krytyczne  .  Jest  to 

również przebieg aperiodyczny , podobnie jak dla przypadku T

2

2

 > 4T

1

2

 .  

W  przypadku  kiedy  nie  występują  przebiegi  oscylacyjne  ,  tzn.  dla 

(

)

T

T

2

2

1

2

4

1

ξ

 , elementy traktuje się jako inercyjne drugiego rzędu . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   t 

 

Odpowiedzi elementu oscylacyjnego w zależności  

od współczynnika tłumienia 

ξ

 . 

 

 

 

Ad  3  )    Opisać  metodę  doboru  nastaw  wg  Hanssena  i  Offereinsa  oraz  porównać  tę 

metodę z regułą doboru nastaw wg Zieglera – Nicholsa . 

 

  

ξ

 > 1 

  

ξ

 

 1 

 

ξ

 = 1 

background image

 

8

Metody  ścisłej  analizy  teoretycznej  ,  które  umożliwiają  wyznaczenie 

dowolnych  właściwości  układu  automatycznej  regulacji  ,  nie  nadają  się  do 

wyznaczania  wartości  nastaw  regulatorów  uniwersalnych  .  Podstawowym 

problemem  dotyczącym  doboru  parametrów  regulatorów  jest  taki  dobór  wartości 

nastaw  ,  przy  których  uzyskujemy  zadowalające  działanie  układu  .  Najbardziej 

rozpowszechnionymi  metodami  są  metoda  Zieglera  –  Nicholsa  oraz  metoda 

Hanssena i Offereinsa .  

Stosując metodę Zieglera – Nicholsa , regulator połączony z obiektem ustawia 

się na działanie proporcjonalne (P) . Działanie całkujące i różniczkujące powinny być 

wyłączone przez nastawienie T

i

 = 

 oraz T

d

 = 0 . Następnie zwiększając stopniowo 

wzmocnienie k

p

 regulatora  doprowadza się układ do granicy stabilności , czyli aż do 

wystąpienia  oscylacji  niegasnących  w  układzie  .  Notując  wartość  współczynnika 

wzmocnienia  regulatora  k

kr

  ,  przy  którym  powstają  oscylacje  ,  oraz  okres  t

osc

  tych 

oscylacji , przyjmuje się odpowiednio : 

 

dla regulatora typu P – k

p

 = 0,5 k

kr

 

 

dla regulatora typu PI – k

p

 = 0,45 k

kr

 , T

i

 = 0,85 t

osc

 

 

dla regulatora typu PID – k

p

 = 0,6 k

kr

 , T

i

 = 0,5 t

osc

 , T

d

 = 0,12 t

osc

 

Metoda  Zieglera  –  Nicholsa  ma  ścisły  związek  z  korekcją  charakterystyk 

dynamicznych  .  Uzależnia  ona  zalecaną  wartość  wzmocnienia  regulatora  od 

wzmocnienia  krytycznego  układu  bez  korygowanych  charakterystyk  dynamicznych 

oraz  punkty  załamań  charakterystyki  dynamicznej  regulatora  od  wartości 

częstotliwości  krytycznej  układu  bez  korekcji  .  Zaletą  tej  metody  są  obliczone 

wartości nastaw które gwarantują stabilność układu regulacji .  

Metoda doboru nastaw regulatorów według Hannsena i Offereinsa ściśle opiera 

się na metodzie Zieglera – Nicholsa . Zasadniczą różnicą jest pominięcie w metodzie 

Hannsena i Offereinsa pomiaru okresu oscylacji .  

 

Regulator typu PI nastawia się w następujący sposób : 

 

nastawić czas całkowania T

i

 = 

 ( max ) 

background image

 

9

 

doprowadzić  układ  do  granicy  stabilności  i  określić  k

pkryt

  ,  zwiększając 

współczynnik wzmocnienia regulatora k

p

 

 

przyjąć nastawę k

p

 = 0,45 k

pkryt

 

 

zmniejszać  czas  całkowania  T

i

  do  wartości  T

ikryt

  ,  przy  której  występuje 

niestabilność układu 

 

nastawić T

i

 = 3 T

ikryt

 

 

W przypadku regulatora typu PID należy : 

 

wykonać wszystkie czynności jak dla regulatora PI 

 

zwiększać czas różniczkowania T

d

 do wartości T

dmax

 , przy której występuje 

maksymalne tłumienie  

 

nastawić 

T

T

d

d

=

max

3

 

 

ustawić czas całkowania T

i

 = 4,5 T

d

 

 

zmniejszyć k

p

 aż do uzyskania pożądanego tłumienia 

 

Ad 4 )  Przedstawić schemat blokowy , zasadę działania , parametry charakteryzujące 

przebieg wielkości regulowanej oraz konkretną realizację techniczną i występujące w 

niej elementy dwustawnego układu regulacji ciśnienia . 

 

Regulacja  dwupołożeniowa  jest  to  taka  regulacja  ,  której  sygnał  błędu 

przerabiany jest na sygnał sterujący obiektem który przyjmuje tylko dwie wartości .  

Przykładem  układu  regulacji  ciśnienia  z  wykorzystaniem  regulacji 

dwupołożeniowej  jest  układ  regulacji  ciśnienia  pary  w  kotle  .  Charakterystyczną 

cechą  takiego  sposobu  regulacji  jest  wykonywanie  przez  wielkość  regulowaną  ,  w 

tym  przypadku  ciśnienie  pary  ,  ciągłych  oscylacji  wokół  wartości  zadanej  (y

0

)  . 

Wykonywane  oscylacje  nie są objawem  utraty  stabilności  przez  układ  ,  a  amplituda 

tych oscylacji nie zależy od wartości zadanej . 

Przebieg wielkości regulowanej y(t) w układzie regulacji dwupołożeniowej : 

background image

 

10 

y

u

 

 

 

y

2

 

y

0

 

y

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   t 

y

0

 – wartość zadana 

y

1

 – minimalna wartość ciśnienia pary – następuje załączenie palnika 

y

2

 – maksymalna wartość ciśnienia pary – następuje wyłączenie palnika 

Przebieg  y(t)  składa  się  z  kolejnych  odcinków  odpowiedzi  elementu 

inercyjnego na wymuszenie skokowe , którymi są załączenia i wyłączenia palnika .  

 

 W  układzie  regulacji  ciśnienia pary  w  kotle  elementem  dwustawnej  regulacji 

jest  palnik  załączający  się  okresowo  ,  to  znaczy  w  przypadku  nadmiernego  spadku 

ciśnienia pary . Rolę regulatora spełnia w tym układzie przekaźnik dwupołożeniowy , 

który powoduje załączenie i wyłączenie palnika przy odpowiednich ciśnieniach pary . 

   x 

 

 

 

 

 

x

max 

 

 

 

 

     x

max

 

 

 

        1      

 

 

 

1  

 

 

  2 

 

x

min

   

 

 

 

    y  x

min

 

 

 

 

 

       y 

 

 

       y

0

 

 

 

 

 

      y

0

  

Charakterystyki statyczne regulatorów dwupołożeniowych : a) idealnego 

 

 b) z histerezą ; 1 – zestyk zamknięty , 2 – zestyk otwarty 

Przebieg sygnału wyjściowego regulatora dwupołożeniowego : 

   x 

background image

 

11 

 

 

 

 

 

 

 

  t

a

 

 

t

b

 

 

 

 

x

max

 

 

x

min

   

 

 

 

 

 

 

 

 

     t 

 

 Schemat blokowy przedstawiający układ regulujący ciśnienie pary w kotle : 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      A 

 

 

 

     R 

 

 

 

 

W  przedstawionym  wyżej  układzie  znajduje  się  element  który  dokonuje 

pomiaru  wielkości  regulowanej  (  ciśnienie  pary  w  kotle  )  .  Sygnał  wysyłany  z  tego 

elementu  trafia  do  przetwornika  ,  gdzie  zostaje  zamieniony  na  sygnał 

znormalizowany . 

 Przykładem przetwornika może być urządzenie które składa się z czujnika w postaci 

rurki  Bourdona  i  przetwornika  pośredniego  ,  działającego  na  zasadzie  kompensacji 

sił.  Sygnałem wyjściowym jest siła proporcjonalna do mierzonego ciśnienia . Siła ta 

Palnik 

Kocioł 

Regulator 

   Pomiar ( czujnik ) 

  Przetwornik 

 Węzeł  porównujący 

 Zadajnik 

  Przełącznik rodzaju pracy 

background image

 

12 

przetwarzana  jest  w  przetworniku  pośrednim  na  sygnał  pneumatyczny  w  postaci 

ciśnienia  wyjściowego  z  przetwornika  .  Następnie  sygnał  ten  dochodzi  do  węzła 

porównującego . Zadaniem tego elementu jest zbadanie różnicy pomiędzy wartością 

zadaną  , a  wartością rzeczywistą  .  W  przypadku niższego  ciśnienia  pary  w  kotle od 

ciśnienia  zadanego  ,  regulator  powoduje  uruchomienie  palnika  .  Istnieje  również 

możliwość  wybrania  rodzaju  pracy  poprzez  specjalny  przełącznik  wyboru  rodzaju 

pracy ( ręczna lub automatyczna ) .  

 

Ad 5 )  Analogowe i cyfrowe sposoby pomiaru prędkości obrotowej . 

Pomiaru  prędkości kątowej  możemy  dokonać  za pomącą  czujników  ,  które  w 

zależności od rozwiązania ich konstrukcji mogą być tachometrami analogowymi lub 

cyfrowymi . 

1)

 

Analogowe czujniki prędkości obrotowej . 

a)

 

Tachometr pneumatyczny . 

W  tachometrze  tym  sygnałem  wyjściowym  jest  ciśnienie  powietrza  p

Tachometr  składa  się  z  cylindra  1  obracającego  się  dookoła  osi  2  .  W  cylindrze 

umieszczony  jest  tłoczek  3  pozostający  pod  działaniem  siły  odśrodkowej 

równoważnej siłą od ciśnienia przepływającego przez cylinder powietrza . Ciśnienie 

to  zależy  od  stopnia  przymknięcia  otworu  4  przez  tłoczek  i  jest  miarą  prędkości 

kątowej , z jaką obraca się cylinder . 

 

 

 

 

 

 

 

p

m

 = C 

ω

2

 

C – stała przyrządu 

b) Tachometr hydrauliczny . 

background image

 

13 

Na  podobnej  zasadzie  jak  tachometr  pneumatyczny  działa  również  tachometr 

hydrauliczny . Wielkością wejściową jest prędkość kątowa 

ω

 wałka 1 , a wyjściową 

ciśnienie  oleju  p

m

  .  Wałek  1  napędza  zębatą  pompę  olejową  2  i  obraca  element  3  . 

Wydajność  pompy  jest  proporcjonalna  do  prędkości 

ω

  ,  a  ciśnienie  p

m

  zależy  od 

otwarcia zaworu 4 . Otwarcie to uwarunkowane jest zrównaniem się sił działających 

na tłoczek 5 : siły odśrodkowej i siły od ciśnienia p

m

 . 

 

2)

 

Cyfrowe sposoby pomiaru prędkości obrotowej . 

 

W  cyfrowy  układ  pomiaru  prędkości  obrotowej  wyposażony  jest  cyfrowy 

regulator  prędkości  obrotowej  stosowany  na  spalinowych  silnikach  okrętowych  : 

regulator EGS 2000 . System pomiaru prędkości obrotowej Tacho jest wewnętrznym 

systemem  tego  regulatora  i  pozwala  na  pomiar  prędkości  kątowej  wału  silnika  . 

Umieszczony jest on bezpośrednio przy kole zamachowym silnika . System zawiera 

w sobie między innymi dwa czujniki indukcyjne zamocowane na wsporniku tak jak 

pokazuje to rysunek . Czujniki te reagują na przesuwające się zęby obracającego się 

koła  zamachowego  .  Pozostała  część  systemu  znajduje  się  w  jednostce  centralnej 

regulatora i zawiera układ elektroniczny którego zadaniem jest szybkie przetwarzanie 

sygnałów  wysyłanych  przez  czujniki  .  Umieszczenie  dwóch  czujników  przy  kole 

zamachowym  spowodowane  jest  stworzeniem  pewnej  rezerwy  w  postaci  jednego  z 

tych  czujników  .  Pomiaru  dokonuje  tylko  jeden  z  zamontowanych  czujników  . 

Rejestruje  on  przesunięcie  każdego  zęba  koła  zamachowego  i  wysyła  impulsy  do 

wejściowych  obwodów  tachometrycznych  w  jednostce  centralnej  .  Częstotliwość 

impulsów jest przetwarzana przez system EGS 2000 na prędkość obrotową . Odczyt 

prędkości może być dokonywany na wyświetlaczu jednostki sterującej .