background image

Politechnika Śląska

              Gliwice, 2006/2007

Wydział: Automatyki, Elektroniki i Informatyki

Semestr: 6 (letni)

Kierunek: Automatyka i robotyka

Podstawy Automatyki

– laboratorium

Ćw 5. Regulacja PID.

Data ćwiczeń laboratoryjnych:

28.03.2007

Grupa: 1
Sekcja: 3

Skład osobowy sekcji:
Zięba Andrzej
Bojko Marcin

background image

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia była analiza własności układów regulacji oraz wskazanie możliwości 

poprawy jego działania poprzez dobór odpowiednich regulatorów. Badany był wpływ typu oraz 
nastaw regulatora dobieranych według: kryterium M

max

, metody Zieglera-Nicholsa (Z-N), metody 

QDR oraz zadanego zapasu fazy.

2. Program ćwiczenia:

Rysunek 1: Zamknięty układ regulacji.

A. Część pierwsza – porównanie działania układów z regulatorami dobieranymi według 

różnych kryteriów.

Przeprowadź analizę zamkniętego układu regulacji przedstawionego na rysunku 1. z 

obiektem o transmitancji:  s=

k

as1sT

1



1sT

2

; gdzie : k=3, T

1

=

5, T

2

=

7.6 , a=1.

1. Zakładając K

r

(s) = 1 zbadać własności obiektu regulacji K(s).

1.1.

Wykreślić charakterystykę Nyquista układu otwartego – zaznaczyć zapas amplitudy oraz 
zapas fazy.

1.2.

Wykreślić odpowiedź skokową układu zamkniętego.

1.3.

Wykreślić przebieg wskaźników częstotliwościowych M(ω) i q(ω).

2. Zbadać wpływ nastaw regulatora P.

2.1.

Dobrać k

r

 korzystając z:

a) kryterium M

max

;

b) zapasu fazy (przyjąć Δφ = π/6);
c) metody Zieglera-Nicholsa;
d) metody QDR.

2.2.

Dla poszczególnych układów regulacji wykreślić:

a) charakterystykę Nyquista;
b) odpowiedź skokową;
c) przebieg wskaźników częstotliwościowych.

Poszczególne charakterystyki należy przedstawić w sposób zbiorczy porównując je z 
odpowiednimi charakterystykami układu bez regulatora (punkt A.1).

2.3.

Na podstawie otrzymanych wyników wskazać „optymalną” nastawę regulatora i 
uzasadnić swój wybór.

3. Zbadać wpływ nastaw regulatora PI.

W tym celu należy dobrać nastawy regulatora wykorzystując poszczególne kryteria  
(2.1 a,b,c,d) i wykreślić komplet charakterystyk (2.2 a,b,c). Na podstawie otrzymanych 
wyników wskazać „optymalną” nastawę regulatora i uzasadnić swój wybór.

4. Zbadać wpływ nastaw regulatora PID.

W tym celu należy dobrać nastawy regulatora wykorzystując poszczególne kryteria  
(2.1 a,b,c,d) i wykreślić komplet charakterystyk (2.2 a,b,c). Na podstawie otrzymanych 
wyników wskazać „optymalną” nastawę regulatora i uzasadnić swój wybór.

background image

B. Część druga – porównanie działania układów z regulatorami P, PI, PID.

Przeprowadź analizę zamkniętego układu regulacji przedstawionego na rysunku 1. z 

obiektem o transmitancji:  s=

k

1sT

1

n

1sT

2

; k =3, T

2

=

7.5 , T

1

=

0.1⋅T

2

=

0.75 , n=5.

1. Zakładając K

r

(s) = 1 zbadać własności obiektu regulacji K(s).

1.1.

Wykreślić charakterystykę Nyquista układu otwartego.

1.2.

Wykreślić odpowiedź skokową układu zamkniętego.

1.3.

Wykreślić przebieg wskaźników częstotliwościowych.

2. Dobrać nastawy regulatorów P, PI, PID według metody Zieglera-Nicholsa.

2.1.

Dla poszczególnych układów regulacji wykreślić:

a) charakterystykę Nyquista;
b) przebiegi wskaźników: nadążania i regulacji.

Zbadać wpływ regulatorów P, PI, PID na zapas stabilności oraz przebiegi wskaźników 
częstotliwościowych. Poszczególne charakterystyki należy przedstawić w sposób 
zbiorczy porównując je z odpowiednimi charakterystykami układu bez regulatora (B.1).

2.2.

Wykreślić odpowiedzi skokowe układów z regulatorami P, PI, PID i porównać z 
odpowiedzią skokową układu zamkniętego bez regulatora (B.1.2) – co daje pojawienie 
się kolejnych elementów w regulatorze.

2.3.

Dla każdego typu regulatora porównać odpowiedzi skokowe układów przy nastawach 
Zieglera-Nicholsa i nastawach dobranych w oparciu o inne kryterium (2.1 a,b,d) – czy 
można polepszyć działanie układu odchodząc od nastaw Zieglera-Nicholsa.

3. Kod źródłowy programu:

Część A:

close all;
clear all;

clc;
% Zdefiniowanie transmitancji obiektu:

s=tf('s');
K=3/(s+1)/(5*s+1)/(7.5*s+1);

% Zdefiniowanie transmitancji regulatorow:
k_kr=5.666666;      % wzmocnienie reg. P dla ktorego uklad znajdzie sie na granicy stabilnosci

T_kr=10.5;              % okres wystepujacych wowczas oscylacji niegasnacych
k_p=3;              % wzmocnienie procesu (uklad otwarty)

t1=14.38;               % czas po ktorym odpowiedz skokowa uzyska 63,2% wartosci w stanie ustalonym
t2=7.4764;              % czas po ktorym odpowiedz skokowa uzyska 28,3% wartosci w stanie ustalonym

T_p=1.5*(t1-t2);        % zastepcza stala czasowa
T0_p=t1-T_p;            % zastepczy czas opuznienia

    % P:
    Kr1=1.330;

    Kr2=2.075;
    Kr3=0.5*k_kr;

    Kr4=T_p/k_p/T0_p;
    % PI:

%     Kr1=1.07*(1+1/(s*25));
%     Kr2=1.12*(1+1/(s*10));

%     Kr3=0.45*k_kr*(1+1/(s*0.85*T_kr));
%     Kr4=(0.9*T_p/k_p/T0_p)*(1+1/(s*3.33*T0_p));

    % PID:
%     Kr1=3.7*(1+1/(s*10)+s*2);

%     Kr2=11.5*(1+1/(s*20)+s*5);
%     Kr3=0.6*k_kr*(1+1/(s*0.5*T_kr)+s*0.12*T_kr);

%     Kr4=1.2*T_p/k_p/T0_p*(1+1/(s*2*T0_p)+s*0.5*T0_p);
% Wykreslenie odpowiednich charakterystyk:

figure;
hold on;

nyquist(K);
nyquist(minreal(K*Kr1));

nyquist(minreal(K*Kr2));
nyquist(minreal(K*Kr3));

nyquist(minreal(K*Kr4));
figure;

hold on;
step(minreal(K/(K+1)));

background image

step(minreal(K*Kr1/(K*Kr1+1)));

step(minreal(K*Kr2/(K*Kr2+1)));
step(minreal(K*Kr3/(K*Kr3+1)));

step(minreal(K*Kr4/(K*Kr4+1)));
legend('Uklad bez regulatora','Kryterium M_{max}','Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}',...

       'Metoda Zieglera-Nicholsa','Metoda QDR',4);
figure;

hold on;
bodemag(minreal(K/(K+1)));

bodemag(minreal(K*Kr1/(K*Kr1+1)));
bodemag(minreal(K*Kr2/(K*Kr2+1)));

bodemag(minreal(K*Kr3/(K*Kr3+1)));
bodemag(minreal(K*Kr4/(K*Kr4+1)));

legend('Uklad bez regulatora','Kryterium M_{max}','Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}',...
       'Metoda Zieglera-Nicholsa','Metoda QDR',2);

xlim([10^(-3) 10^(2)]);
figure;

hold on;
bodemag(minreal(1/(K+1)));

bodemag(minreal(1/(K*Kr1+1)));
bodemag(minreal(1/(K*Kr2+1)));

bodemag(minreal(1/(K*Kr3+1)));
bodemag(minreal(1/(K*Kr4+1)));

legend('Uklad bez regulatora','Kryterium M_{max}','Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}',...
       'Metoda Zieglera-Nicholsa','Metoda QDR',2);

xlim([10^(-3) 10^(2)]);

Część B:

close all;
clear all;

clc;
% Zdefiniowanie transmitancji obiektu:

s=tf('s');
K=3/((0.75*s+1)^5)/(7.5*s+1);

% Zdefiniowanie transmitancji regulatorow - metoda Zieglera-Nicholsa:
k_kr=1.8538273;     % wzmocnienie reg. P dla ktorego uklad znajdzie sie na granicy stabilnosci

T_kr=12.4;              % okres wystepujacych wowczas oscylacji niegasnacych
Kr1=0.5*k_kr;

Kr2=0.45*k_kr*(1+1/(s*0.85*T_kr));
Kr3=0.6*k_kr*(1+1/(s*0.5*T_kr)+s*0.12*T_kr);

% Wykreslenie odpowiednich charakterystyk:
figure;

hold on;
nyquist(K);

nyquist(minreal(K*Kr1));
nyquist(minreal(K*Kr2));

nyquist(minreal(K*Kr3));
figure;

hold on;
bodemag(minreal(K/(K+1)));

bodemag(minreal(K*Kr1/(K*Kr1+1)));
bodemag(minreal(K*Kr2/(K*Kr2+1)));

bodemag(minreal(K*Kr3/(K*Kr3+1)));
legend('Uklad bez regulatora','Uklad z regulatorem P',...

       'Uklad z regulatorem PI','Uklad z regulatorem PID',2);
xlim([10^(-2) 10^(2)]);

figure;
hold on;

bodemag(minreal(1/(K+1)));
bodemag(minreal(1/(K*Kr1+1)));

bodemag(minreal(1/(K*Kr2+1)));
bodemag(minreal(1/(K*Kr3+1)));

legend('Uklad bez regulatora','Uklad z regulatorem P',...
       'Uklad z regulatorem PI','Uklad z regulatorem PID',2);

xlim([10^(-2) 10^(2)]);
figure;

hold on;
step(minreal(K/(K+1)));

step(minreal(K*Kr1/(K*Kr1+1)));
step(minreal(K*Kr2/(K*Kr2+1)));

step(minreal(K*Kr3/(K*Kr3+1)));
legend('Uklad bez regulatora','Uklad z regulatorem P',...

       'Uklad z regulatorem PI','Uklad z regulatorem PID',4);
% Definicja nastaw regulatorow dla innych metod:

k_p=3;              % wzmocnienie procesu (uklad otwarty)
t1=11.4491;             % czas po ktorym odpowiedz skokowa uzyska 63,2% wartosci w stanie ustalonym

t2=6.298;               % czas po ktorym odpowiedz skokowa uzyska 28,3% wartosci w stanie ustalonym
T_p=1.5*(t1-t2);        % zastepcza stala czasowa

T0_p=t1-T_p;            % zastepczy czas opuznienia

background image

    % P:

    Kr1a=0.84;
    Kr1b=1.22;

    Kr1d=T_p/k_p/T0_p;
    % PI:

    Kr2a=0.767*(1+1/(s*25));
    Kr2b=0.915*(1+1/(s*10));

    Kr2d=(0.9*T_p/k_p/T0_p)*(1+1/(s*3.33*T0_p));
    % PID:

    Kr3a=1.125*(1+1/(s*10)+s*2);
    Kr3b=0.973*(1+1/(s*20)+s*5);

    Kr3d=1.2*T_p/k_p/T0_p*(1+1/(s*2*T0_p)+s*0.5*T0_p);
% Odpowiedzi skokowe:

% Regulatory P:
figure;

hold on;
step(minreal(K*Kr1/(K*Kr1+1)));

step(minreal(K*Kr1a/(K*Kr1a+1)));
step(minreal(K*Kr1b/(K*Kr1b+1)));

step(minreal(K*Kr1d/(K*Kr1d+1)));
legend('Metoda Zieglera-Nicholsa','Kryterium M_{max}',...

       'Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}','Metoda QDR',4);
% Regulatory PI:

figure;
hold on;

step(minreal(K*Kr2/(K*Kr2+1)));
step(minreal(K*Kr2a/(K*Kr2a+1)));

step(minreal(K*Kr2b/(K*Kr2b+1)));
step(minreal(K*Kr2d/(K*Kr2d+1)));

legend('Metoda Zieglera-Nicholsa','Kryterium M_{max}',...
       'Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}','Metoda QDR',4);

% Regulatory PID:
figure;

hold on;
step(minreal(K*Kr3/(K*Kr3+1)));

step(minreal(K*Kr3a/(K*Kr3a+1)));
step(minreal(K*Kr3b/(K*Kr3b+1)));

step(minreal(K*Kr3d/(K*Kr3d+1)));
legend('Metoda Zieglera-Nicholsa','Kryterium M_{max}',...

       'Zapewnienie zapasu fazy 30^{o}','Metoda QDR',4);

4. Realizacja zadań części pierwszej (A):

1. Badanie własności obiektu regulacji:
Ad 1.1.

Δφ = 60

o

ΔL = 15.1
Δk = 5.69

- 2

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

3

- 2

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

  S y s t e m :   K  

  G a i n   M a r g i n   ( d B ) :   1 5 . 1  

  A t   f r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 6  

  C l o s e d   L o o p   S t a b l e ?   Y e s  

  S y s t e m :   K  

  P h a s e   M a r g i n   ( d e g ) :   6 0  

  D e l a y   M a r g i n   ( s e c ) :   4 . 6 9  

  A t   f r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 2 2 4  

  C l o s e d   L o o p   S t a b l e ?   Y e s  

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

background image

Ad 1.2.

Ad 1.3.

Kolejno: wskaźnik nadążania M(ω); wskaźnik regulacji q(ω).

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

0 . 9

1

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

  S y s t e m :   u n t i t l e d 1  

  F r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 2 6 2  

  M a g n i t u d e   ( a b s ) :   1 . 0 3  

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

2. Wpływ nastaw regulatora P.

Ad 2.1. Nastawy regulatora:

a) Kryterium M

max

k

r

 = 1.330

b) Zapewnienie zapasu fazy Δφ = π / 6

k

r

 = 2.075

c) Metoda Zieglera-Nicholsa

k

r

 = 2.833

d) Metoda QDR

k

r

 = 0.858

Ad 2.2.a)

Bez regulatora:

    Δφ = 60

o

    ΔL = 15.1

      Δk = 5.69

a)   Δφ = 47.1

o

      ΔL = 12.6
      Δk = 4.27

b)   Δφ = 30.0

o

      ΔL = 8.73
      Δk = 2.73

c)   Δφ = 19.7

o

      ΔL = 6.02
      Δk = 2.00

d)   Δφ = 67.9

o

      ΔL = 16.4
      Δk = 6.61

Ad 2.2.b)

Bez regulatora:

    y

ust

 = 0.750

    y

p

 = 0.193

    t

r

 = 37.4 s

a)   y

ust

 = 0.800

    y

p

 = 0.270

    t

r

 = 42.2 s

b)   y

ust

 = 0.861

    y

p

 = 0.419

    t

r

 = 56.7 s

c)   y

ust

 = 0.894

    y

p

 = 0.546

    t

r

 = 71.6 s

d)   y

ust

 = 0.720

    y

p

 = 0.159

    t

r

 = 38.4 s

- 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

- 5

- 4

- 3

- 2

- 1

0

1

2

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

0

0 . 5

1

1 . 5

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

background image

y

ust

 – wartość odpowiedzi skokowej w stanie ustalonym

y

p

 – wartość przeregulowania odpowiedzi skokowej

t

r

 – czas regulacji – czas po którym |y(t) - y

ust

| < y

ust

 · 1%

Ad 2.2.c)

            Wskaźnik nadążania:

Bez regulatora:

    M

max

 = 1.03

    ω

r

 = 0.262 

rad

/

s

a)   M

max

 = 1.30

    ω

r

 = 0.310 

rad

/

s

b)   M

max

 = 2.03

    ω

r

 = 0.389 

rad

/

s

c)   M

max

 = 3.11

    ω

r

 = 0.449 

rad

/

s

d)   M

max

 = 0.92

   

 

ω

r

 = 0.238 

rad

/

s

             

             Wskaźnik regulacji:

Bez regulatora:

    q

max

 = 1.58

    ω

r

 = 0.326 

rad

/

s

a)   q

max

 = 1.83

    ω

r

 = 0.377 

rad

/

s

b)   q

max

 = 2.52

    ω

r

 = 0.418 

rad

/

s

c)   q

max

 = 3.52

    ω

r

 = 0.477 

rad

/

s

d)   q

max

 = 1.49

   

 

ω

r

 = 0.346 

rad

/

s

             

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

3

3 . 5

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

3

3 . 5

4

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

Ad 2.3.
a) Kryterium M

max

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Uchyb regulacji stanowi 20.0% wymuszenia.

Przeregulowanie względne to 33,75%

Czas regulacji jest o 4.8 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 42.2 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.3 i jest optymalna, ω

r

 = 0.310 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.244 

rad

/

s

.

b) Zapewnienie zapasu fazy równego 30

o

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Uchyb regulacji stanowi 13.9% wymuszenia.

Przeregulowanie względne to 48.66%

Czas regulacji jest o 19.3 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 56.7 s).

Wartość M

max

 wynosi 2.03 i jest zbyt duża, ω

r

 = 0.389 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.285 

rad

/

s

.

c) Metoda Zieglera-Nicholsa:

Nie zapewnia spełnienia wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Uchyb regulacji stanowi 10.6% wymuszenia.

Przeregulowanie względne to 61.07%

Czas regulacji jest o 34.2 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 71.6 s).

Wartość M

max

 wynosi 3.11 i jest zbyt duża, ω

r

 = 0.449 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.323 

rad

/

s

.

d) Metoda QDR:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji – najwyższe wartości ponieważ nastawa wzmocnienia jest 
najmniejsza.

Uchyb regulacji stanowi 28.0% wymuszenia.

Przeregulowanie względne to 22.08%

Czas regulacji jest o 1.0 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 38.4 s).

Wartość M

max

 wynosi 0.92 i jest zbyt mała, ω

r

 = 0.238 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.214 

rad

/

s

.

Wybór optymalnej nastawy:

k

r

 = 1.330 (z kryterium M

max

).

Uzasadnienie:

Nastawa wynikająca z metody Zieglera-Nicholsa jest nieodpowiednia ze względu na nie 

spełnienie wymagań związanych z wartościami zapasu fazy i wzmocnienia. Dodatkowo wartość 
przeregulowania jest zbyt duża i mogłaby w pewnych warunkach doprowadzić do zniszczenia 
obiektu. Czas regulacji jest zbyt długi (niemalże dwa razy większy niż w przypadku układu bez 
regulatora).

Nastawa wynikająca z metody QDR jest nieodpowiednia ze względu na duży uchyb 

regulacji w stanie ustalonym oraz najniższą wartość pulsacji dla której zakłócenia są tłumione.

Nastawa wynikająca z zapewnienia żądanego zapasu fazy została odrzucona ze względu 

na zbyt wielkie przeregulowanie (prawie 50%), co jest równoważne zbyt wysokiej wartości M

max

.

Wadą nastawy wynikającej z kryterium M

max

 jest stosunkowo duża wartość uchybu w 

stanie ustalonym. W przypadku sterowania procesami w których dokładność musiałaby być 
większa należałoby wykorzystać nastawy zapewniające ją (nastawy wynikające z zapasu fazy bądź 
Zieglera-Nicholsa). Jednakże w procesach w których wymagana jest stosunkowo duża dokładność 
stosuje się regulatory PI bądź PID.

background image

3. Wpływ nastaw regulatora PI.

Ad 3.1. Nastawy regulatora:

a) Kryterium M

max

k

r

 = 1.070 T

c

 = 25,000

b) Zapewnienie zapasu fazy Δφ = π / 6

k

r

 = 1.120 T

c

 = 10,000

c) Metoda Zieglera-Nicholsa

k

r

 = 2.550 T

c

 = 8,925

d) Metoda QDR

k

r

 = 0.772 T

c

 = 13,402

Ad 3.2.a)

Bez regulatora:

    Δφ = 60

o

    ΔL = 15.1

      Δk = 5.69

a)   Δφ = 46.5

o

      ΔL = 13.1
      Δk = 4.52

b)   Δφ = 30.0

o

      ΔL = 10.2
      Δk = 3.24

c)   Δφ = 6.56

o

      ΔL = 2.50
      Δk = 1.33

d)   Δφ = 48.7

o

      ΔL = 14.6
      Δk = 5.37

Ad 3.2.b)

Bez regulatora:

    y

ust

 = 0.750

    y

p

 = 0.193

    t

r

 = 37.4 s

a)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.150

    t

r

 = 84.7 s

b)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.410

    t

r

 = 60.1 s

c)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.790

    t

r

 = 213 s

d)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.170

    t

r

 = 36.6 s

- 4

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

- 7

- 6

- 5

- 4

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

1 4 0

1 6 0

1 8 0

2 0 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

1 . 6

1 . 8

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

background image

y

ust

 – wartość odpowiedzi skokowej w stanie ustalonym

y

p

 – wartość przeregulowania odpowiedzi skokowej

t

r

 – czas regulacji – czas po którym |y(t) - y

ust

| < y

ust

 · 1%

Ad 3.2.c)

            Wskaźnik nadążania:

Bez regulatora:

    M

max

 = 1.03

    ω

r

 = 0.262 

rad

/

s

a)   M

max

 = 1.30

    ω

r

 = 0.268 

rad

/

s

b)   M

max

 = 1.98

    ω

r

 = 0.274 

rad

/

s

c)   M

max

 = 9.26

    ω

r

 = 0.417 

rad

/

s

d)   M

max

 = 1.23

   

 

ω

r

 = 0.215 

rad

/

s

             

             Wskaźnik regulacji:

Bez regulatora:

    q

max

 = 1.58

    ω

r

 = 0.326 

rad

/

s

a)   q

max

 = 1.81

    ω

r

 = 0.338 

rad

/

s

b)   q

max

 = 2.41

    ω

r

 = 0.299 

rad

/

s

c)   q

max

 = 9.59

    ω

r

 = 0.417 

rad

/

s

d)   q

max

 = 1.72

   

 

ω

r

 = 0.275 

rad

/

s

             

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

Ad 3.3.
a) Kryterium M

max

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 15%

Czas regulacji jest o 47.3 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 84.7 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.3 i jest optymalna, ω

r

 = 0.268 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.209 

rad

/

s

.

b) Zapewnienie zapasu fazy równego 30

o

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 41%

Czas regulacji jest o 22.7 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 60.1 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.98 i jest zbyt duża, ω

r

 = 0.274 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.196 

rad

/

s

.

c) Metoda Zieglera-Nicholsa:

Nie zapewnia spełnienia wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 79%

Czas regulacji jest o 175.6 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 213 s).

Wartość M

max

 wynosi 9.26 i jest zbyt duża, ω

r

 = 0.417 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.288 

rad

/

s

.

d) Metoda QDR:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 17%

Czas regulacji jest o 0.8 sekundy krótszy niż w układzie bez regulatora (wynosi 36.6 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.23 i jest bliska optymalnej, ω

r

 = 0.215 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.170 

rad

/

s

.

Wybór optymalnej nastawy:

k

r

 = 0.772 T

c

 = 13,402   (z metody QDR).

Uzasadnienie:

Nastawa wynikająca z metody Zieglera-Nicholsa jest nieodpowiednia ze względu na nie 

spełnienie wymagań związanych z wartościami zapasu fazy i wzmocnienia. Dodatkowo wartość 
przeregulowania jest zbyt duża i mogłaby w pewnych warunkach doprowadzić do zniszczenia 
obiektu. Czas regulacji jest zbyt długi (ponad pięć razy większy niż w przypadku układu bez 
regulatora).

Nastawa wynikająca z kryterium M

max

 została odrzucona z powodu długiego czasu 

regulacji.

Nastawa wynikająca z zapewnienia żądanego zapasu fazy została odrzucona ze względu 

na zbyt wielkie przeregulowanie (ponad 40%), co jest równoważne zbyt wysokiej wartości M

max

.

Nastawa wynikająca z metody QDR jest najkorzystniejsza ze względu na czas regulacji, 

niezbyt wielkie przeregulowanie, wartości M

max

 oraz q

max

. Jej największą zaletą są stosunkowo duże 

zapasy fazy oraz wzmocnienia. Niestety nastawa ta charakteryzuje najgorszą charakterystyką 
tłumienia zakłóceń. Z tego powodu przy tak dobranej nastawie układ nie powinien być narażony na 
działanie zakłóceń o dużej amplitudzie i częstotliwości. Gdy warunki wymagałyby lepszych 
własności układu ze względu na tłumienie zakłóceń lepszą nastawą byłaby ta wynikająca z zapasu 
fazy.

background image

4. Wpływ nastaw regulatora PID.

Ad 4.1. Nastawy regulatora:

a) Kryterium M

max

k

r

 = 3.700 T

c

 = 10,000   T

d

 = 2,000

b) Zapewnienie zapasu fazy Δφ = π / 6

k

r

 = 11.500 T

c

 = 20,000   T

d

 = 5,000

c) Metoda Zieglera-Nicholsa

k

r

 = 3.400 T

c

 = 5,250   T

d

 = 1,260

d) Metoda QDR

k

r

 = 1.029 T

c

 = 8,049   T

d

 = 2,012

Ad 4.2.a)

Bez regulatora:

    Δφ = 60

o

    ΔL = 15.1

      Δk = 5.69

a)   Δφ = 46.7

o

      ΔL = ∞
      Δk = ∞

b)   Δφ = 30.0

o

      ΔL = ∞
      Δk = ∞

c)   Δφ = 24.3

o

      ΔL = ∞
      Δk = ∞

d)   Δφ = 53.8

o

      ΔL = ∞
      Δk = ∞

Ad 4.2.b)

Bez regulatora:

    y

ust

 = 0.750

    y

p

 = 0.193

    t

r

 = 37.4 s

a)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.240

    t

r

 = 13.1 s

b)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.390

    t

r

 = 13.0 s

c)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.530

    t

r

 = 41.9 s

d)   y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.170

    t

r

 = 34.4 s

- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

1 0

- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

5 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

1 . 6

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

background image

y

ust

 – wartość odpowiedzi skokowej w stanie ustalonym

y

p

 – wartość przeregulowania odpowiedzi skokowej

t

r

 – czas regulacji – czas po którym |y(t) - y

ust

| < y

ust

 · 1%

Ad 4.2.c)

            Wskaźnik nadążania:

Bez regulatora:

    M

max

 = 1.03

    ω

r

 = 0.262 

rad

/

s

a)   M

max

 = 1.30

    ω

r

 = 0.485 

rad

/

s

b)   M

max

 = 1.93

    ω

r

 = 2.02 

rad

/

s

c)   M

max

 = 2.42

    ω

r

 = 0.444 

rad

/

s

d)   M

max

 = 1.18

   

 

ω

r

 = 0.163 

rad

/

s

             

             Wskaźnik regulacji:

Bez regulatora:

    q

max

 = 1.58

    ω

r

 = 0.326 

rad

/

s

a)   q

max

 = 1.48

    ω

r

 = 0.737 

rad

/

s

b)   q

max

 = 2.14

    ω

r

 = 2.21 

rad

/

s

c)   q

max

 = 2.41

    ω

r

 = 0.480 

rad

/

s

d)   q

max

 = 1.28

   

 

ω

r

 = 0.365 

rad

/

s

             

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
M e t o d a   Q D R

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

Ad 4.3.
a) Kryterium M

max

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 24%

Czas regulacji jest o 24.3 sekundy krótszy niż w układzie bez regulatora (wynosi 13.1 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.3 i jest optymalna, ω

r

 = 0.485

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.479 

rad

/

s

.

b) Zapewnienie zapasu fazy równego 30

o

:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 39%

Czas regulacji jest o 24.4 sekundy krótszy niż w układzie bez regulatora (wynosi 13.0 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.93 i jest zbyt duża, ω

r

 = 2.02 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 1.55 

rad

/

s

.

c) Metoda Zieglera-Nicholsa:

Nie zapewnia spełnienia wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 53%

Czas regulacji jest o 4.5 sekundy dłuższy niż w układzie bez regulatora (wynosi 41.9 s).

Wartość M

max

 wynosi 2.42 i jest zbyt duża, ω

r

 = 0.444 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.339 

rad

/

s

.

d) Metoda QDR:

Zapewnia spełnienie wymagań związanych z zapasem fazy i zapasem wzmocnienia 
stawianych układowi regulacji.

Zerowy uchyb regulacji dla wymuszenia skokowego.

Przeregulowanie względne to 17%

Czas regulacji jest o 3.0 sekundy krótszy niż w układzie bez regulatora (wynosi 34.4 s).

Wartość M

max

 wynosi 1.18 i jest bliska optymalnej, ω

r

 = 0.163 

rad

/

s

.

Zdolność tłumienia zakłóceń o pulsacji mniejszej od 0.209 

rad

/

s

.

Wybór optymalnej nastawy:

k

r

 = 11.500 T

c

 = 20,000  T

d

 = 5,000   (z Δφ = 30

o

).

Uzasadnienie:

Nastawa wynikająca z metody Zieglera-Nicholsa jest nieodpowiednia ze względu na nie 

spełnienie wymagań związanych z wartościami zapasu fazy i wzmocnienia. Dodatkowo wartość 
przeregulowania jest zbyt duża i mogłaby w pewnych warunkach doprowadzić do zniszczenia 
obiektu. Czas regulacji jest zbyt długi.

Nastawa wynikająca z metody QDR została odrzucona ze względu na zbyt długi czas 

regulacji i najgorsze własności tłumienia zakłóceń w paśmie podrezonansowym.

Nastawa wynikająca z kryterium M

max

 jest stosunkowo dobra (czas regulacji, wielość 

przeregulowania) jednakże za optymalną nastawę przyjęto tą wynikającą z żądania zapasu fazy 
równego 30

o

. Zdecydowało o tym wyborze szerokie pasmo tłumienia zakłóceń pomimo większego 

przeregulowania na odpowiedź skokową.

background image

5. Realizacja zadań części drugiej (B):

1. Badanie własności obiektu regulacji:
Ad 1.1.

Δφ = 44.9

o

ΔL = 5.36
Δk = 1.85

Ad 1.2.

Ad 1.3.

    Wskaźnik nadążania M(ω):

         Wskaźnik regulacji q(ω):

- 2

- 1

0

1

2

3

- 2

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

  S y s t e m :   K  

  G a i n   M a r g i n   ( d B ) :   5 . 3 6  

  A t   f r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 5 1  

  C l o s e d   L o o p   S t a b l e ?   Y e s  

  S y s t e m :   K  

  P h a s e   M a r g i n   ( d e g ) :   4 4 . 9  

  D e l a y   M a r g i n   ( s e c ) :   2 . 4 4  

  A t   f r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 3 2 1  

  C l o s e d   L o o p   S t a b l e ?   Y e s  

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

1 . 6

1 . 8

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

  S y s t e m :   u n t i t l e d 1  
  F r e q u e n c y   ( r a d / s e c ) :   0 . 4 2  
  M a g n i t u d e   ( a b s ) :   1 . 7 5  

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

1 0

2

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

3

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

2. Porównanie regulatorów P, PI, PID – nastawy według metody Zieglera-Nicholsa.

a) Regulator P:

k

r

 = 0.927

b) Regulator PI:

k

r

 = 0.834 T

c

 = 10,54

c) Regulator PID:

k

r

 = 1.112 T

c

 = 6,200  T

d

 = 1,488

Ad 2.1.a)

Bez regulatora:

Δφ = 44.9

o

ΔL = 5.36

  Δk = 1.85

Z regulatorem P:
   Δφ = 50.7

o

   ΔL = 6.02
   Δk = 2.00

Z regulatorem PI:  

Δφ = 36.4

o

   ΔL = 5.31
   Δk = 1.84

Z regulatorem PID:

Δφ = 40.5

o

   ΔL = 7.37
   Δk = 2.34

Ad 2.1.b)

            Wskaźnik nadążania:

Bez regulatora:

M

max

 = 1.75

ω

r

 = 0.420

Z regulatorem P:
   M

max

 = 1.52

   ω

r

 = 0.407

Z regulatorem PI:  

M

max

 = 1.94

   ω

r

 = 0.357

Z regulatorem PID:

M

max

 = 1.47

   ω

r

 = 0.402

           

- 2

- 1

0

1

2

3

- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

1 0

N y q u i s t   D i a g r a m

R e a l   A x i s

Im

a

g

in

a

ry

 A

x

is

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

1 . 6

1 . 8

2

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I D

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

 

             Wskaźnik regulacji:

Bez regulatora:

q

max

 = 2.52

ω

r

 = 0.455

Z regulatorem P:
   q

max

 = 2.31

   ω

r

 = 0.444

Z regulatorem PI:  

q

max

 = 2.66

   ω

r

 = 0.390

Z regulatorem PID:

q

max

 = 2.07

   ω

r

 = 0.546

           

             

Jeżeli obiekt regulacji można w dostatecznym stopniu aproksymować obiektem o 

transmitancji będącej iloczynem opóźnienia, wzmocnienia i inercji pierwszego rzędu (jak w 
przykładzie) wówczas wpływ typu regulatora z nastawami dobranymi przy pomocy metody 
Zieglera-Nicholsa jest następujący (odnośnie zapasów stabilności i wskaźników 
częstotliwościowych):

Zapas wzmocnienia wynosi około Δk = 2 (około 6 dB) dla wszystkich typów regulatorów. 
Zapas ten  równy jest 2 dla regulatora typu P – wynika to bezpośrednio z zastosowanej 
metody.

Zapas fazy jest wynikiem ustawienia danego zapasu wzmocnienia w układzie regulacji.

Wartość maksymalnego modułu jest najniższa dla układu z regulatorem PID z czego można 
wnioskować że w układzie tym będą występować najmniejsze oscylacje i przeregulowanie. 
W układzie z regulatorem PI mamy sytuację odwrotną, to znaczy największą wartość 
maksymalnego modułu.

Częstotliwość rezonansowa charakterystyk nadążania jest najwyższa dla układu z 
regulatorem PID a najniższa dla układu z regulatorem PI. Zaletom zastosowania regulatora 
P jest najszersze pasmo nadążania.

Z przebiegów wskaźnika nadążania można wnioskować o zerowym uchybie regulacji w 
stanie ustalonym dla układów z regulatorami PI i PID. Dla układu z regulatorem P uchyb ten 
nie jest zerowy.

Wnioskiem z przebiegu wskaźników regulacji jest fakt całkowitego tłumienia stałych w 
czasie zakłóceń dla układów z regulatorami PI i PID. Przy zastosowaniu regulatora 
proporcjonalnego zakłócenia nie są całkowicie tłumione w całym zakresie ich 
częstotliwości.

Najszerszym pasmem tłumienia zakłóceń charakteryzują się układy z regulatorami P i PID. 
Zakres tłumienia zakłóceń układu z regulatorem PI jest nieco mniejszy.

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1 0

0

1 0

1

0

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

3

M

a

g

n

it

u

d

e

 (

a

b

s

)

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I D

B o d e   D i a g r a m

F r e q u e n c y     ( r a d / s e c )

background image

Ad 2.2.

Bez regulatora:

    y

ust

 = 0.751

    y

p

 = 0.359

    t

r

 = 48.4 s

Z regulatorem P:
       y

ust

 = 0.736

    y

p

 = 0.324

    t

r

 = 41.9 s

Z regulatorem PI:
       y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.360

    t

r

 = 54.3 s

Z regulatorem PID:

    y

ust

 = 1.000

    y

p

 = 0.360

    t

r

 = 22.3 s

y

ust

 – wartość odpowiedzi skokowej w stanie ustalonym

y

p

 – wartość przeregulowania odpowiedzi skokowej

t

r

 – czas regulacji – czas po którym |y(t) - y

ust

| < y

ust

 · 1%

Część proporcjonalna (regulator P): 

Wiąże się bezpośrednio z ustawieniem w układzie zapasu wzmocnienia Δk = 2. 

Konsekwencje tej zmiany powodują zmianę: wartości uchybu w stanie ustalonym, wartości 
przeregulowania, czasu regulacji, czasu zanikania oscylacji. W pewnym stopniu (zależnym od 
dopasowania do układu inercyjnego I rzędu z opóźnieniem) przebieg regulacji jest normalizowany.

Część całkująca (regulator PI):

Całka wprowadza do układu astatyzm I rzędu (zerowy uchyb regulacji w stanie 

ustalonym dla wymuszenia skokowego). Zwiększa się oscylacyjność układu i czas regulacji.

Część różniczkująca (regulator PID):

Znacząco zmniejsza czas regulacji. Zwiększa szybkość reakcji układu na wymuszenie 

sterujące. Oscylacje są bardzo szybko tłumione.

Najkorzystniejsza regulacja zachodzi przy zastosowaniu regulatora PID.

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

U k l a d   b e z   r e g u l a t o r a
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I
U k l a d   z   r e g u l a t o r e m   P I D

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

background image

Ad 2.3.a) Regulatory P:

Ad 2.3.b) Regulatory PI:

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

0

0 . 5

1

1 . 5

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e

background image

Ad 2.3.c) Regulatory PID:

Dla wszystkich przypadków regulatorów dla badanego obiektu nastawy wynikające z 

metody Zieglera-Nicholsa są optymalne. Wynika to z faktu iż transmitancję obiektu regulacji 
można z dużą dokładnością aproksymować iloczynem transmitancji elementu inercyjnego I rzędu i 
opóźnienia. Najgorszym kryterium doboru nastaw w tym przypadku okazuje się kryterium bazujące 
na zapasie fazy równym 30

o

.

6. Wnioski:

Dobór nastaw regulatora zależy przede wszystkim od postaci transmitancji obiektu regulacji 
oraz narzuconych warunków regulacji (na przykład maksymalnego przeregulowania, które 
nie uszkodzi obiektu).

Metodę Zieglera-Nicholsa stosujemy kiedy transmitancję obiektu regulacji można z dużą 
dokładnością aproksymować iloczynem transmitancji elementu inercyjnego I rzędu i 
opóźnienia.

Metoda QDR charakteryzuje sie czterokrotnym zmniejszeniem amplitudy kolejnych 
oscylacji, .

Dla złożonych obiektów regulacji nie zawsze da się wyznaczyć zadowalające nastawy przy 
pomocy kryteriów zobrazowanych w tym sprawozdaniu. Jednakże istnieje wiele innych 
metod (np. bazujących na wskaźnikach całkowych) przy zastosowaniu których można 
otrzymać lepsze nastawy.

Często gdy w transmitancji obiektu regulacji znajduje się czynnik całkujący, aby uzyskać 
dobre parametry regulacji wystarcza regulator P bądź PD.

Bardzo często stosuje się aproksymacje złożonych obiektów regulacji znacznie prostrzymi 
uzyskując bardzo dobre parametry regulacji.

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

1 . 2

1 . 4

M e t o d a   Z i e g l e r a - N i c h o l s a
K r y t e r i u m   M

m a x

Z a p e w n i e n i e   z a p a s u   f a z y   3 0

o

M e t o d a   Q D R

S t e p   R e s p o n s e

T i m e   ( s e c )

A

m

p

lit

u

d

e


Document Outline