background image

 

 

Polit ec hnik a Lubels k a, Wy dz iał Mec hanic z ny

Katedra Automatyzacji

ul . Nadbystrzycka 36, 20-618 Lubl i n

tel ./fax.:(+48 81) 5384267 e-mai l :automat@pol l ub.pl ; wm.ka@pol l ub.pl

 

 

 

 

LABORATORIUM 

PODSTAW AUTOMATYKI 

 

 

 

Ćwiczenie nr A11 

 

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI MEMBRANOWEGO 

SIŁOWNIKA PNEUMATYCZNEGO Z 

USTAWNIKIEM POZYCYJNYM 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wydział Mechaniczny 

Sala 406  

background image
background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer. 20.02.11) 

 

Badanie właściwości membranowego siłownika pneumatycznego z 

ustawnikiem pozycyjnym 

Instrukcja ćwiczeniowa 

 

I. CEL ĆWICZENIA 

Zapoznanie  z  budową  układów  regulacji  automatycznej.  Porównanie  jakości  sterowania  w 

torze  otwartym  oraz  w  torze  zamkniętym  na  przykładzie  siłownika  pneumatycznego  z  ustawnikiem 

pozycyjnym. 

 

II. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE 

1. Membranowy siłownik pneumatyczny. Charakterystyka statyczna siłownika 

Podstawowym  elementem  stanowiska  laboratoryjnego  jest  membranowy  siłownik 

pneumatyczny.  Jest  to  siłownik  jednostronnego  działania  ze  sprężyną  powrotną  (rys.1a)  o  dużej 

powierzchni membrany (tłoka) i małym skoku (12.7mm). 

Teoretyczna  zależność  wysunięcia  tłoczyska  siłownika  y  od  ciśnienia  powietrza  p  została 

przedstawiona została na rys.1b. 

 

a)  

 

 

b) 

 

[MPa] 

 y(p

0     0.02                                  0.1 

12.7 

 
 
 
 
 
 

[mm] 

 

 

Rys.1. Membranowy siłownik pneumatyczny: a) schemat budowy, b) teoretyczna (idealna) 

charakterystyka statyczna 

 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

Dzięki  liniowej  charakterystyce  statycznej  (rys.1b)  siłownik  ten  może  być  wykorzystywany 

jako  układ  pozycjonujący 

  tzw.  proporcjonalny  napęd  liniowy.  Urządzenia  tego  typu 

wykorzystywane  są  między  innymi  w  układach  automatyki  do  sterowania  położeniem  zaworów 

regulacyjnych w rurociągach o dużym przekroju (np. w ciepłownictwie). 

Membranowy  siłownik  pneumatyczny  jest  w  istocie  przetwornikiem  jednej  wielkości 

fizycznej  (ciśnienia  powietrza)  na  inną  (położenie  liniowe).  W  związku  z  tym  niedokładności 

przetwarzania  mogą  być  scharakteryzowane  analogicznie  jak  w  przypadku  przetworników 

pomiarowych, tj. przez: błąd podstawowy, błąd niejednoznaczności oraz klasę dokładności (definicje 

pojęć  podano  w  dodatku  na  końcu  instrukcji).  Na  rys.2a.  przedstawiono  schemat  blokowy 

(przyczynowo-skutkowy)  siłownika  oraz jego  symbol  graficzny  gdy  rozpatrywany  jest  w  kontekście 

przetwornika wielkości fizycznych – rys.2b. 

 

a)  

 

 

siłownik 

 

b) 

 

 
 

 

Rys.2. Membranowy siłownik pneumatyczny ze sprężyną powrotną: a) schemat przyczynowo-

skutkowy (blokowy), b) symbol graficzny w zastosowaniach jako przetwornik ciśnienie położenie 

liniowe. 

 

2.  Układ  sterowania  położeniem  zaworu  z  wykorzystaniem  membranowego  siłownika 

pneumatycznego 

Rozpatrzmy  zastosowanie  omawianego  siłownika  w  kontekście  manualnego  sterowania 

położeniem  trzpienia  zaworu  grzybkowego  (tj.  pozycjonowania  zaworu)  -  rys.3a.  Schemat  blokowy 

tego układu przedstawia rys.3b. 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

 

                                      a) 

 

reduktor 

ciśnienia 

kompresor 

manometr 

 

 

                                       b) 

 

 

 

y

0

 

 

 

 

y

0

 

[MPa] 

 y(p

0     0.02                                  0.1 

12.7 

 
 
 
 
 
 

[mm] 

[MPa] 

 p (y

0

0                                            12.7 

0.1 

 
 
 
 

0.02 

y

0

 [mm] 

     

Rys.3. Układ sterowania położeniem zaworu: a) budowa układu, b) schemat blokowy.  

 

Obiektem  sterowania  O  jest  siłownik  wraz  z  trzpieniem  i  grzybkiem  zaworu.  W  tym 

kontekście celem sterowania jest takie oddziaływanie na obiekt regulacji O aby wielkość sterowana y 

(aktualne  położenie  trzpienia)  była  równa  wartości  zadanej  y

0

  (określonej  np.  przez  technologa). 

Człowiek (operator) pełni tutaj rolę elementu sterującego ES i na podstawie znanego sobie algorytmu 

decyzyjnego generuje sygnał sterujący p (ciśnienie powietrza) oddziałujący na obiekt sterowania O

ES 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

Struktura  logiczna  przedstawiona  na  schemacie  z  rys.3b  nosi  nazwę  układu  sterowania  w  torze 

otwartym (wyjaśnienie nazwy w dalszej części tekstu). 

Podstawowym zadaniem teorii sterowania jest eliminowanie udziału człowieka w procesach 

decyzyjnych  (tu  sterowaniu)  i  zastępowanie  go  urządzeniami  działającymi  w  sposób  automatyczny 

(automatycznymi  elementami  sterującymi).  W  jaki  sposób  zatem  zastąpić  operatora  urządzeniem 

automatycznym w przedstawionym powyżej kontekście sterowania? 

Najpierw  należy  określić  formułę,  przepis  lub  wzór,  zgodnie  z  którym  powinien  działać 

element  sterujący  ES.  Ze  schematu  blokowego  na  rys.3b  wynika,  że  blok  ES  realizuje  działanie  o 

ogólnej postaci: 

p(y

0

) – wykres ze znakiem zapytania na rys.3b. 

(1) 

Czy poszukiwaną zależność (1) można określić na podstawie znanej charakterystyki obiektu 

sterowania: 

y = y(p)  – patrz wykres na rys.3b ? 

(2) 

Otóż tak – wystarczy znaleźć zależność odwrotną do (2) z tym, że na osi poziomej (argument 

funkcji)  nie  będzie  wielkości  sterowanej  y  (tu  położenia  trzpienia  zaworu)  a  wartość  zadana  y

0

  (tj. 

żądane położenie tłoczyska siłownika) – wykres p(y

0

) na rys.4. 

 

 

 

 

y

0

 

[MPa] 

 y(p

0     0.02                                  0.1 

12.7 

 
 
 
 
 
 

[mm] 

[MPa] 

 p (y

0

0                                            12.7 

0.1 

 
 
 
 

0.02 

y

0

 [mm] 

 

Rys.4. Schemat blokowy układu sterowania w torze otwartym. Wykresy charakterystyk regulatora oraz 

obiektu sterowania (siłownika pneumatycznego).  

 

Jeżeli  znana jest już  formuła  według  jakiej  działać  ma  element  sterujący  ES  (tzw.  algorytm 

sterowania) to wystarczy zbudować urządzenie zwane sterownikiem automatycznym, które algorytm 

ten będzie realizować w sposób całkowicie zautomatyzowany.  W dyskutowanym przypadku będzie to 

ES 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

przetwornik  zadanego  położenia  y

0

  (wartości  zadanej  położenia  tłoczyska)  na  ciśnienie  p  (sygnał 

sterujący) o charakterystyce liniowej według wykresu z rys.4. 

 Jak  wynika  ze  schematu  blokowego  omawianego  układu  sterowania  (rys.4)  w  algorytmie 

realizowanym przez element sterujący ES nie jest uwzględniany sygnał o aktualnej wartości wielkości 

sterowanej y (położenie tłoczyska nie jest w ogóle monitorowane). A zatem proces sterowania (proces 

decyzyjny) odbywa się tylko na podstawie znanej charakterystyki obiektu y(p), a mówiąc precyzyjniej 

w  oparciu  o  zależność  „odwrotną”  p(y

0

)  zakodowaną  w  bloku  ES.  Taki  sposób  postępowania  nosi 

nazwę sterowania w torze otwartym (czyli sterowanie bez obserwacji wartości sterowanej) – rys.4. 

Koncepcja sterowania w torze otwartym jest względnie prosta w realizacji gdyż  z  założenia 

nie  wymaga  wykonywania  pomiarów  (obserwacji)  wielkości  sterowanej.  Jednak  brak  informacji  o 

stanie  obiektu  (wielkości  sterowanej  y)  niesie  ze  sobą  ryzyko  pojawienia  się  niezerowej  wartości 

błędu  sterowania  e,  czyli  różnicy  między  wartością  zadaną  y

0

  a  wielkością  sterowaną  y  (porównaj 

także z (4)): 

y

 y. 

(3) 

Sytuacja taka może mieć miejsce w przypadku zadziałania na obiekt  O innego czynnika niż 

sygnał  sterujący  p  i  mającego  wpływ  na  wartość  sygnału  sterowanego  y.  W  dyskutowanym 

przykładzie sterowania czynnikami takimi mogą być: 

 

zewnętrzna siła przyłożona do tłoczyska siłownika (składowa działająca równolegle do jego 

osi) – np. siła parcia dynamicznego cieczy na grzybek zaworu – rys.3a, 

 

tarcie w prowadnicy tłoczyska i uszczelnieniu trzpienia grzybka zaworu,  

 

zmiany współczynnika sprężystości sprężyny powrotnej (starzenie się elementów), 

 

inne czynniki zewnętrzne. 

W  kontekście  sterowania  położeniem  tłoczyska  wpływ  wymienionych  wielkości  jest 

oczywiście niepożądany a wielkości te noszą nazwę czynników zakłócających

Można  i  należy  eliminować  lub  przynajmniej  ograniczać  wpływ  zakłóceń  na  obiekt 

sterowania. Jednak nie jest to całkowicie możliwe ponieważ w praktyce nie da się odizolować obiektu 

sterowania od otoczenia (lub byłoby to zadanie nieopłacalne). 

 

3. Układ sterowania położeniem tłoczyska ze sprzężeniem zwrotnym 

Aby poprawić jakość sterowania (czyli wyzerować lub nie dopuszczać do pojawienia się błędu 

sterowania e) należy do struktury z rys.4 dodać tzw. tor sprzężenia zwrotnego – rys.5. 

 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

 

 

 

y

0

 

 

PP 

y

1

 

Tor SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO 

 

Rys.5. Schemat blokowy układu sterowania w torze zamkniętym.  

 

Sprzężenie  zwrotne  w  sterowaniu  polega  na  wykorzystaniu  w  algorytmie  decyzyjnym 

elementu  sterującego  (tu  regulatora  R)  informacji  o  aktualnym  stanie  obiektu  (także  o  stanach 

przeszłych)  a  mówiąc  ściślej  różnicy  między  wartościami  zadaną  y

0

  i  sterowaną  y  czyli  błędu 

sterowania e (3). Struktura, której schemat blokowy przedstawia rys.5, nosi nazwę układu sterowania 

w  torze  zamkniętym  lub  równoważnie  układu  regulacji  a  element  sterujący  nazywany  jest 

regulatorem  R.  Jeżeli  algorytm  regulatora  R  realizowany  jest  przez  urządzenie  automatyczne  (bez 

udziału człowieka) mówimy o układzie regulacji automatycznej

W  układach  regulacji  automatycznej  w  torze  sprzężenia  zwrotnego  stosuje  się  zwykle 

elektroniczny  przetwornik  pomiarowy  (blok  PP  na  rys.  5.)  wielkości  sterownej  y  na  sygnał 

elektryczny y

1

Element schematu blokowego 

 z rys. 5. to tzw. węzeł sumujący (sumacyjny). Realizuje on 

działanie sumy algebraicznej wartości sygnałów wchodzących do węzła (groty strzałek skierowane do 

węzła).  Wynik  dodawania  „przekazywany”  jest  do  kolejnych  elementów  układu  przez  sygnał 

wyjściowy z węzła (strzałka „wychodząca” z węzła). 

Jeżeli  potrzebujemy  zrealizować  działanie  odejmowania  wartości  dwóch  sygnałów  to 

stosujemy także węzeł sumujący 

 ale przy grocie sygnału odjemnika piszemy znak „

” (minus). 

Zatem węzeł z rys. 5. realizuje następujące działanie: 

e’ y

   ( y

1

) = y

 y

1

 . 

(4) 

Należy podkreślić, że sygnał uchybu e zdefiniowany w sposób (3) nie jest tożsamy z sygnałem 

e’  (4)  z  rys.5,  albowiem  z  reguły  nie  dysponujemy  idealnymi  przetwornikami  pomiarowymi  (PP). 

Zatem regulator R realizuje algorytm sterowania nie na podstawie wielkości sterowanej y a w oparciu 

o  sygnał  y

1

,  którego  wartość  w  stanach  nieustalonych  może  w  ogólności  różnić  się  od  aktualnej 

wartości sygnału sterowanego (np. y

1

 może być „opóźniony” względem y). Z punktu widzenia jakości 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

regulacji  różnica  ta  jest  niepożądana  (dla  przykładu  wyobraźmy  sobie  kierowanie  samochodem  na 

podstawie obrazu z kamery celowo „opóźnionego” w przekazie o kilka sekund). 

UWAGA! W teorii sterowania sygnał uchybu jest zdefiniowany zgodnie z (4).  

Równanie  bloku  regulatora  R  w  układzie  regulacji  z  rys.5.  p=p(e)  nie  jest  tożsame  z 

algorytmem  elementu  sterującego  ES  w  układzie  sterowania  w  torze  otwartym  (1)  –  rys.4,  gdyż 

sygnałem  wejściowym  do  regulatora  R  jest  błąd  regulacji  e  a  nie  wartość  zadana  y

0

.  Typowe 

algorytmy realizowane przez tzw. regulatory klasyczne to: 

 

dwupołożeniowy (dwustawny), 

 

dwupołożeniowy z histerezą, 

 

trójpołożeniowy (trójstawny), 

  proporcjonalny P, 

  proporcjonalno-całkujący PI,  

  proporcjonalno-różniczkujący PD,  

  proporcjonalno-całkująco-różniczkujący PID, 

Więcej  informacji  o  budowie  układów  regulacji  automatycznej  można  znaleźć  w  literaturze 

przedmiotu (patrz wykaz literatury). 

 

4. Ustawnik pozycyjny dla siłowników pneumatycznych 

 

Dla  potrzeb  precyzyjnego  pozycjonowania  tłoczysk  siłowników  pneumatycznych  stosuje  się 

specjalizowane  regulatory  zwane  ustawnikami  pozycyjnymi.  Są  to  urządzenia  pneumatyczno-

mechaniczne zawierające w sobie następujące elementy (porównaj także rys.5 i 6): 

  regulator R o działaniu proporcjonalno-całkującym PI, 

 

węzeł sumacyjny obliczający błąd regulacji e (na schemacie p

e

),   

  przetwornik  pomiarowy  y

p

y

  zamieniający  położenie  (wysunięcie)  tłoczyska  siłownika  na 

tzw. standardowy sygnał pneumatyczny p

y

 = 0.02   0.1MPa (zależność liniowa). 

Ustawnik  pozycyjny  jest  zasilany  jedynie  sprężonym  powietrzem  (nie  ma  podzespołów 

elektrycznych).  Schemat  blokowy  jego  wewnętrznej  struktury  przedstawia  rys.6 (elementy  otoczone 

linią przerywaną). 

 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

 

 

 

p

e

 

p

0

 

p

y

 

USTAWNIK POZYCYJNY 

y

0

 

 
 

p

y

 

 
 

y

0

 

p

0

 

p

0

 [MPa] 

 p

0

(y

0

0                                            12.7 

0.1 

 
 
 
 

0.02 

y

0

 [mm] 

p

y

 [MPa] 

 p

y

(y

0                                            12.7 

0.1 

 
 
 
 

0.02 

[mm] 

 

Rys.6. Schemat blokowy układu regulacji położenia tłoczyska siłownika pneumatycznego z 

zastosowaniem ustawnika pozycyjnego.  

 

Z  budowy  ustawnika  pozycyjnego  (rys.6.)  wynika,  że  sygnał  wartości  zadanej  położenia 

tłoczyska  siłownika  y

0

  musi  być  „dostarczony”  do  wejścia  wartości  zadanej  ustawnika  w  postaci 

sygnału  pneumatycznego  p

0

  =  0.02 

  0.1MPa.  Można  w  tym  celu  zastosować  przetwornik 

położenie ciśnienie  albo  generować  sygnał  p

0

  przy  pomocy  reduktora  ciśnienia  nastawianego 

manualnie zgodnie z charakterystyką p

0

(y

0

) widoczną na rys.6. 

 

III. PYTANIA KONTROLNE 

1.  Wyjaśnić różnice między sterowaniem w torze otwartym a sterowaniem w torze zamkniętym. 

2.  Narysować  schemat  blokowy  jednowymiarowego  układu  regulacji  automatycznej.  Nazwać 

wszystkie bloki oraz sygnały (legenda). Wyjaśnić role poszczególnych bloków. 

3.  Co to jest sprzężenie zwrotne w układach regulacji? 

4.  Wyjaśnić  przeznaczenie  i  sposób  działania  ustawnika  pozycyjnego  dla  siłownika 

pneumatycznego. 

 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

IV. LITERATURA 

  Tadeusz Kaczorek: Teoria sterowania i systemów 

  Tadeusz Kaczorek: Teoria układów regulacji automatycznej 

  Ryszard Gessing: Teoria sterowania 

 

Tadeusz Stefański: Układy liniowe: materiały pomocnicze do wykładów i ćwiczeń z teorii 

sterowania dla studiów zaocznych 

 

Zenon Jędrzykiewicz: Teoria sterowania układów jednowymiarowych 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

10 

V. PRZEBIEG ĆWICZENIA 

 

Ćwiczenia składa się następujących zasadniczych etapów: 

1.  Wyznaczenie  charakterystyki  statycznej  siłownika  y(p).  Obliczenie  błędu  podstawowego, 

histerezy oraz określenie klasy dokładności przetwarzania. 

2.  Wyznaczenie  błędu  sterowania  położeniem  tłoczyska  spowodowanego  działaniem  siły 

zewnętrznej w układzie sterowania w torze otwartym. 

3.  Budowa  układu  regulacji  automatycznej  położenia  tłoczyska  z  wykorzystaniem  ustawnika 

pozycyjnego. Wyznaczenie charakterystyki statycznej siłownika z ustawnikiem pozycyjnym. 

Obliczenie błędu podstawowego, histerezy oraz określenie klasy dokładności. 

4.  Wyznaczenie  błędu  sterowania  położeniem  tłoczyska  spowodowanego  działaniem  siły 

zewnętrznej w układzie sterowania w torze zamkniętym (z ustawnikiem pozycyjnym). 

5.  Porównanie  charakterystyk  statycznych  siłownika  oraz  jakości  (błędów)  sterowania  pozycją 

tłoczyska  w  torze  otwartym  oraz  zamkniętym  (z  ustawnikiem  pozycyjnym).  Sformułowanie 

wniosków. 

 

1a.  Zbuduj układ pomiarowy według poniższego schematu. 

 

reduktor 

ciśnienia 

kompresor 

manometr 

 

1b.  Włącz elektroniczny czujnik przemieszczenia tłoczyska siłownika naciskając prawy przycisk pod 

wyświetlaczem cyfrowym. 

1c.  Używając  pokrętła  reduktora  ciśnienia  zmniejsz  ciśnienie  podawane  do  siłownika  do  0MPa  a 

następnie  ustaw  wartość  0.02MPa  (początek  użytecznego  zakresu  ciśnienia  sterującego  do 

siłownika). 

1d.  Po ustabilizowaniu się wskazań czujnika położenia tłoczyska naciśnij prawy przycisk czujnika. W 

ten sposób bieżąca pozycja zostanie przyjęta za y = 0 (wyświetlacz powinien wskazać 0.00mm). 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

11 

1e.  Używając pokrętła reduktora ciśnienia zwiększaj stopniowo ciśnienie wejściowe od 0.02MPa do 

0.1MPa z krokiem nie większym niż 0.01MPa. Po każdym kroku poczekaj na ustabilizowanie się 

położenia tłoczyska (charakterystyka w stanach ustalonych) i zanotuj wyniki pomiarów (p oraz y). 

UWAGA!  Nie  zmniejszaj  ciśnienia  wejściowego  przed  osiągnięciem  0.1MPa,  gdyż  może  to 

doprowadzić do błędu przy wyznaczaniu histerezy układu. Jeżeli wartość bieżącego kroku okazała 

się zbyt duża (>0.015MPa) rozpocznij doświadczenie od początku. 

1f.  Postępuj  analogicznie  jak  w  punkcie  1e,  tym  razem  zmniejszając  ciśnienie  od  0.1MPa  do 

0.02MPa. 

1g.  Sporządź wykres wyznaczonej zależności y(p). Wykorzystaj cały rozmiar arkusza papieru, tak aby 

oś położenia tłoczyska y była jak najdłuższa. Opisz osie i podaj jednostki (miana). 

1h.  Odczytaj z wykresu wymagane informacje i wyznacz błąd podstawowy, błąd histerezy oraz określ 

klasę dokładności badanego obiektu (patrz definicje na końcu instrukcji). Poproś prowadzącego o 

sprawdzenie wyników. 

 

2a.  Na  podstawie  charakterystyki  idealnej  siłownika  dobierz  i  ustaw  pokrętłem  reduktora  ciśnienie 

sterujące p dla wartości zadanej położenia siłownika y

0

 = 5mm. Zapisz położenie tłoczyska y

1

2b.  Wygeneruj  siłę  zakłócającą  zawieszając  ciężarek  na  dźwigni  powodującej  cofnięcie  tłoczyska 

siłownika (przy końcu dźwigni nacięty jest znak na ucho ciężarka). Zanotuj położenie tłoczyska 

y

2

, na które działa zewnętrzna siła oraz wskazanie manometru ciśnienia sterującego. 

2c.  Wyjaśnij  dlaczego  wartość  ciśnienia  w  cylindrze  siłownika  nie  zmieniła  się  pod  wpływem  siły 

zewnętrznej? 

2d.  Oblicz przemieszczenie tłoczyska spowodowane działaniem siły zakłócającej oraz względny błąd 

spowodowany zakłóceniem  y

Z1

%

100

1

2

1

y

y

y

y

Z

 ,  y – szerokość zakresu sygnału wyjściowego siłownika na podstawie jego 

charakterystyki teoretycznej (idealnej) – patrz także DODATEK na końcu instrukcji. 

3a.  Zbuduj  układ  sterowania  położeniem  tłoczyska  ze  sprzężeniem  zwrotnym,  stosując  ustawnik 

pozycyjny – rys. 6. Poproś prowadzącego o pomoc. 

3b.  Wyznacz  charakterystyki  rzeczywiste  układu  regulacji  y(p

0

)  analogicznie  jak  w  poleceniach 

1c 1f.  Zwróć  uwagę  na  to,  że  w  układzie  który  zbudowałeś,  manualny  reduktor  ciśnienia  pełni 

teraz  rolę  przetwornika  y

0

p

0

,  czyli  wartości  zadanej  położenia  tłoczyska  y

0

  na  sygnał  o  tym 

samym znaczeniu ale pod postacią ciśnienia p

0

 (patrz rys.6). Natomiast informacja o wysunięciu 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

12 

tłoczyska  „doprowadzona”  jest  do  przetwornika  pomiarowego  w  ustawniku  za  pośrednictwem 

cięgna i sprężyny. 

3c.  Sporządź wykres wyznaczonej zależności y(p

0

) oraz oblicz błąd podstawowy, błąd histerezy oraz 

określ klasę dokładności badanego układu regulacji analogicznie jak w punktach 1g i 1h. Poproś 

prowadzącego o sprawdzenie wyników. 

 

4a.  Ustaw  pokrętłem  reduktora  wartość  ciśnienia  p

0

  odpowiadającą  wartości  zadanej  położenia 

siłownika y

0

 = 5mm (skorzystaj z wykresu z rys.6). Zapisz położenie tłoczyska y

3

4b.  Postępuj  analogicznie  jak  w  punkcie  2b  (zanotuj  y

4

  –  położenie  tłoczyska  pod  wpływem 

zakłócenia. 

4c.  Oblicz przemieszczenie tłoczyska spowodowane działaniem siły zakłócającej oraz względny błąd 

spowodowany zakłóceniem  y

Z2

%

100

3

4

2

y

y

y

y

Z

  , 

y  –  szerokość  zakresu  sygnału  wyjściowego  siłownika  na 

podstawie jego charakterystyki teoretycznej (idealnej). 

5.  Porównaj  wyznaczone  charakterystyki  statyczne  oraz  wartości  wszystkich  błędów  dla  siłownika 

sterowanego  w  torze  otwartym  oraz  z  zastosowaniem  ustawnika  pozycyjnego.  Która  koncepcja 

sterowania  (w  torze  otwartym  czy  zamkniętym)  cechuje  się  większą  powtarzalnością  i 

dokładnością? Uzasadnij odpowiedź. 

 

 

 

 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

13 

DODATEK 

Charakterystyka statyczna układu. Błąd podstawowy oraz histerezy. 

Klasa dokładności przetwornika 

 

 

Charakterystyką  statyczną  układu  (przetwornika)  nazywamy  zależność  funkcyjną  y(x)  w  stanach 

ustalonych,  gdzie  x  jest  wartością  sygnału  podanego  na  wejście  układu,  zaś  y  wartością  na  jego  wyjściu 
(odpowiedzią układu na sygnał x). 

Stan ustalony układu to taki stan,  w którym wartość sygnału wyjściowego  y nie zmienia się w czasie 

(na ogół wystarczy jeśli upłynęło dostatecznie dużo czasu od ostatniej zmiany wartości sygnału wejściowego x). 

Rys.1.  przedstawia  kilka  przykładowych  charakterystyk  statycznych.  Są  to  tzw.  charakterystyki 

idealne (teoretyczne), tzn. takie, których kształt wynika np. z założeń projektanta układu. W praktyce większość 
układów (przetworników pomiarowych), z którymi mamy do czynienia, wykazuje pewne odstępstwa od swoich 
charakterystyk idealnych. Szczególnie w układach mechanicznych krzywa y(x) przy narastaniu wartości sygnału 
wejściowego  nie  pokrywa  się  z  krzywą  „powrotną”,  tj.  dla  malejącego  x  (rys.2.).  Odstępstwo  tego  typu  od 
charakterystyki idealnej nazywamy histerezą lub równoważnie niejednoznacznością

 

y

x

o b i e k t

x

y

 

Rys.1. Przykład charakterystyk statycznych różnych układów (obiektów). 

 

 

y

x

Charakterystyka

idealna y(x)

Charakterystyka

rzeczywista

dla narastającego x

Charakterystyka

rzeczywista

dla malejącego x

 

Rys. 2. Charakterystyka idealna a rzeczywista (wykres poglądowy). 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

14 

Zjawisko histerezy występuje szczególnie silnie w układach mechanicznych zbudowanych z ruchomych 

części. Przyczynami niejednoznaczności są tarcie oraz odkształcanie sprężyste i niesprężyste elementów. 

Typowym  przykładem  obiektu  z  histerezą  jest  przekaźnik  elektromagnetyczny  (niejednoznaczność 

wprowadzona celowo) oraz jednostronny siłownik pneumatyczny ze sprężyną powrotną (niepożądana histereza) 
– rys.3. 

 

 

y 

(położenie kotwy) 

I 

(prąd cewki)

 

charakterystyka 

bez histerezy 

charakterystyka rz. 
dla narastającego I 

charakterystyka rz. 

dla malejącego I 

y    

(wysunięcie

       tłoczyska)

p 

(ciśnienie)

charakterystyka

idealna

charakterystyka rz.

dla narastającego p

charakterystyka rz.

dla malejącego p

 

Rys. 3. Charakterystyki statyczne przekaźnika elektromagnetycznego oraz siłownika pneumatycznego ze 

sprężyną powrotną (wykresy poglądowe). 

 

W  przetwornikach  pomiarowych  zjawisko  histerezy  jest  niepożądane,  gdyż  w  ich  przypadku  „z 

definicji”  wymagana  jest  jednoznaczność  przetwarzaniu  sygnału  wejściowego  na  wyjściowy  (np.  ciśnienia  na 
położenie kątowe wskazówki skali w przypadku manometru). 

Maksymalny błąd względny, wynikający z istnienia histerezy układu, nazywany jest błędem histerezy 

lub  błędem  niejednoznaczności  (czasami  także  strefą  nieczułości).  Jest  on  zdefiniowany  jako  stosunek 
największej  różnicy  dy   przebiegów  charakterystyk  rzeczywistych  dla  rosnącego  oraz  malejącego  sygnału 
wejściowego (różnicy mierzonej dla tej samej wartości sygnału wejściowego x) do szerokości przedziału sygnału 
wyjściowego  y  ( y  określany  na  podstawie  charakterystyki  idealnej)  -  rys.4.  Błąd  niejednoznaczności  jest 
liczbą nieujemną i jest wyrażany jest w procentach. 

 

y

x

charakterystyka

idealna

charakterystyka rz.
dla narastającego x

charakterystyka rz.

dla malejącego x

y

dy

Błąd niejednoznaczności

(błąd histerezy)

y

h

 = (  dy /  y ) * 100%

 

Rys.4. Sposób wyznaczania błędu histerezy (rysunek poglądowy – przeczytać defincję błędu!!!). 

 

 

Inną wielkością mówiącą o odchyleniu charakterystyki rzeczywistej od idealnej (teoretycznej) jest tzw. 

błąd  podstawowy,  zdefiniowany  jako  stosunek  największej  różnicy 

dy   pomiędzy  przebiegiem 

background image

Instrukcja ćwiczeniowa do stanowiska dydaktycznego w Laboratorium automatyki przemysłowej Katedry Automatyzacji PL 
Opracował dr Paweł Stączek (wer.21.02.12)

 

15 

charakterystyki  rzeczywistej  i  idealnej  (różnicy  mierzonej  dla  tej  samej  wartości  sygnału  wejściowego)  do 
szerokości  przedziału  sygnału  wyjściowego  y  ( y  określany  na  podstawie  charakterystyki  idealnej)  –  rys.5. 
Podobnie jak błąd histerezy, błąd podstawowy jest liczbą nieujemną i jest wyrażany w procentach. 

 

y

x

charakterystyka

idealna

charakterystyka rz.
dla narastającego x

charakterystyka rz.

dla malejącego x

y

dy

Błąd podstawowy

y

p

 = (  dy /  y ) * 100%

 

Rys. 5. Sposób wyznaczania błędu podstawowego (rysunek poglądowy – przeczytać defincję błędu!!!). 

 

Z  wartością  błędu  podstawowego  związane  jest  pojęcie  tzw.  klasy  dokładności.  Klasa  dokładności 

układu  (przetwornika)  to  najmniejsza  wartość  wybrana  z  poniższego  znormalizowanego  ciągu  liczb,  w  której 
zawiera się błąd podstawowy: 

0.01 

0.02 

0.05 

0.1 

0.2 

0.5 

1.0 

1.5 

2.0 

2.5 

5.0 

Dla przykładu urządzenie o błędzie podstawowym wynoszącym 0.37% ma klasę dokładności 0.5. Klasa 

dokładności charakteryzuje najczęściej przyrządy pomiarowe.