background image

Ostatnia aktualizacja: 03-04-23

 M. Tomera

  R E G U  L A T O R Y

1. WPROWADZENIE

Regulator automatyczny jest urz!dzeniem, którego zadaniem jest sterowanie procesem .  W uk"adach
z  ujemnym  sprz#$eniem  zwrotnym  regulator  wyznacza  zadan!  warto%&  wielko%ci  steruj!cej    na
podstawie  uchybu  regulacji,  czyli  ró$nicy  pomi#dzy  warto%ci!  pomierzon!  a  warto%ci!  zadan!  tej
wielko%ci  .  Na rysunku  1  przedstawiono  schemat  blokowy  uk"adu  sterowania  przemys"owego,  który
sk"ada  si#  z  regulatora  automatycznego,  urz!dzenia  wykonawczego,  obiektu  i czujnika  (element
pomiarowy).  Sygna"  wyj%ciowy  z  regulatora  podawany  jest  na  urz!dzenie  wykonawcze,  takie  jak
zawór,  silnik  elektryczny,  si"ownik  hydrauliczny  lub  pneumatyczny.  Urz!dzenie  wykonawcze
dokonuje  przestawienia  punktu  pracy  obiektu,  stosownie  do  sygna"u  steruj!cego  po  to  aby  sygna"
wyj%ciowy pokrywa" si# z sygna"em zadanym.

Czujnik lub element pomiarowy jest urz!dzeniem, które przetwarza zmienn! wyj%ciow! na inn!

odpowiedni!  zmienn!,  tak!  jak  przesuni#cie,  ci%nienie  lub  napi#cie,  które  mo$e  zosta&  u$yte  do
porównania  wyj%cia  z  wej%ciowym  sygna"em  zadanym.  Element  ten  znajduje  si#  w  p#tli  sprz#$enia
zwrotnego uk"adu regulacji. Sygna" zadany równie$ musi by& przetworzony do tych samych jednostek
w jakich jest sygna" sprz#$enia z czujnika lub elementu pomiarowego.

Sygna"

zadany

Wzmacniacz

Wykonawczy

sygna" uchybu

Wykrywacz uchybu

Urz!dzenie

wykonawcze

Obiekt

Czujnik

Wyj%cie

Regulator automatyczny

u(t)

e(t)

r(t)

y(t)

Rys. 1. Schemat blokowy uk"adu sterowania przemys"owego.

2. KLASYFIKACJA REGULATORÓW PRZEMYS!OWYCH

Najbardziej  znanym  regulatorem  u$ywanym  w  praktyce  jest  regulator  PID,  w  którym  w  nazwie
znajduj!  si#  litery  pochodz!ce  od  rodzajów  sterowania  jakie  on  w  sobie  zawiera:  proporcjonalne  P
(ang.  proporcjonal),  ca"kuj!ce  I  (ang.  Integral),  ró$niczkuj!ce  D  (ang.  Derivative).  Stosowane  s!
równie$ wersje uproszczone regulatora PID sk"adaj!ce si# z wybranych elementów sk"adowych tego
regulatora (P, I, PI, PD). Regulatory przemys"owe w zale$no%ci od rodzaju sterowania klasyfikowane
s! nast#puj!co:

1. Regulator dwupo"o$eniowy
2. Regulator proporcjonalny  P
3. Regulator ca"kuj!cy  I
4. Regulator proporcjonalno-ca"kuj!cy  PI
5. Regulator proporcjonalno-ró$niczkuj!cy  PD
6. Regulator proporcjonalno-ca"kuj!co-ró$niczkuj!cy  PID

W  wi#kszo%ci  regulatorów  przemys"owych  jako  'ród"a  mocy  wykorzystywane  s!:  napi#cie,  olej  lub
gaz.  W  zale$no%ci  od  rodzaju  'ród"a  mocy  regulatory  mog!  by&  klasyfikowane  jako  pneumatyczne,
hydrauliczne  lub  elektroniczne.  Rodzaj  u$ytego  regulatora  zale$y  od  natury  obiektu,  warunków

background image

Regulatory automatyczne

2

operacyjnych uwzgl#dniaj!cych bezpiecze(stwo, koszt, dost#pno%&, niezawodno%&, dok"adno%&, wag#
i rozmiar.

3. RODZAJE REGULATORÓW

3.1. REGULATOR DWUPO!O"ENIOWY

W uk"adach sterowania dwupo"o$eniowego, element wykonawczy  ma tylko dwa  ustalone  po"o$enia,
które  w  wielu  przypadkach  polegaj!  na  za"!czeniu  lub  wy"!czeniu  urz!dzenia.  Sterowanie
dwupo"o$eniowe  jest  stosunkowo  proste  i  niedrogie  i  z  tych  powodów  jest  szeroko  stosowane
zarówno w uk"adach sterowania przemys"owego jak i gospodarstwa domowego.

Sygna"  wyj%ciowy  z  regulatora  oznaczany  jest  zazwyczaj  jako  u(t),  natomiast  wej%ciem  do

regulatora jest wykonawczy sygna" uchybu e(t). W sterowaniu dwupo"o$eniowym sygna" wyj%ciowy
u(t)  przyjmuje  jedn!  z  dwu  warto%ci:  maksymaln!  lub  minimaln!;  w  zale$no%ci  od  tego  czy  sygna"
wykonawczy uchybu jest dodatni lub ujemny.

>

<

=

0

)

(

0

)

(

)

(

2

1

t

e

U

t

e

U

t

u

dla

dla

(1)

gdzie 

1

  oraz 

2

  s!  sta"ymi.  Minimalna  warto%&

1

  jest  zazwyczaj  równa  zero  lub 

2

U

.

Dwupo"o$eniowe  regulatory  s!  zazwyczaj  urz!dzeniami  elektrycznymi  w  których  najcz#%ciej
elektryczny  solenoid  steruje  zaworem.  Pneumatyczne  regulatory  dwupo"o$eniowe  z  bardzo  du$ym
wzmocnieniem  zachowuj!  si#  jak  regulatory  dwupo"o$eniowe  i  czasami  nazywane  s!
dwupo"o$eniowymi regulatorami pneumatycznymi.

u(t)

e(t)

U

1

U

2

e(t)

U

1

U

2

strefa

nieczu"o%ci

u(t)

(a)

(b)

Rys. 2. Schemat blokowy regulatora dwupo"o$eniowego, (a) bez strefy nieczu"o%ci, (b) ze stref! nieczu"o%ci.

Na  rysunku  2(a)  i  2(b)  pokazane  zosta"y  schematy  blokowe  regulatora  dwupo"o$eniowego.  Zakres,
który  musi  zosta&  pokonany  przez  wykonawczy  sygna"  uchybu,  aby  pojawi"o  si#  prze"!czenie,
nazywany  jest stref!  nieczu"o%ci.  Strefa  nieczu"o%ci  zaznaczona  zosta"a  na  rysunku  2(b).  Taka  strefa
nieczu"o%ci powoduje, $e regulator utrzymuje sta"! warto%& wyj%ciow!, a$ wykonawczy sygna" uchybu
przekroczy  nieznacznie  warto%&  zero.  W  pewnych  przypadkach,  strefa  nieczu"o%ci  jest  wynikiem
tarcia lub luzów w uk"adzie. Bardzo cz#sto wprowadza si# tak! stref#, aby zabezpieczy& uk"ad przed
zbyt cz#stymi operacjami prze"!cze( mechanizmu.

Rozwa$, uk"ad sterowania poziomem cieczy w zbiorniku pokazany na rysunku 3, gdzie zawór

elektromagnetyczny zastosowany zosta" do sterowania przep"ywem wody.

h

V

q

i

Rys. 3. Uk"ad sterowania poziomem cieczy.

background image

Regulatory automatyczne

3

Taki  zawór  mo$e  by&  otwarty  lub  zamkni#ty.  Z  takim  dwupo"o$eniowym  sterowaniem,  pr#dko%&
przep"ywu wody jest sta"! dodatni! lub równ! zero. Jak zosta"o to pokazane na rysunku 4, wyj%ciowy
sygna"  przemieszcza  si#  pomi#dzy  dwoma  ograniczeniami  wymaganymi  do  tego  aby  element
wykonawczy  przesuwa"  si#  z  jednej  ustalonej  pozycji  w  drug!.  Zauwa$, $e  krzywa  wyj%cia  pod!$a
jedn!  z  dwóch  krzywych  ekspotencjalnych,  jedna  odpowiada  krzywej  nape"niania,  a  druga  krzywej
opró$niania  zbiornika.  Takie  oscylacje  wyj%ciowe  pomi#dzy  dwoma  ograniczeniami  s!  typowymi
charakterystykami odpowiedzi uk"adu sterowanego dwupo"o$eniowo.

t

h(t)

Strefa nieczu"o#ci

0

Rys. 4. Poziom h(t) w uk"adzie sterowania poziomem cieczy z rysunku 3.

Z rysunku 4 wida&, $e amplituda oscylacji wyj%ciowych mo$e zosta& zredukowana przez zmniejszenie
strefy nieczu"o%ci. Zmniejszenie strefy nieczu"o%ci powoduje zwi#kszenie liczby prze"!cze( na minut#
i w efekcie skrócenie czasu $ycia urz!dzenia.

3.2. REGULATOR PROPORCJONALNY  P

Dla  regulatora  proporcjonalnego,  zale$no%&  pomi#dzy  wyj%ciem  regulatora  u(t)  i  wykonawczym
sygna"em uchybu e(t)

)

(

)

(

t

e

K

t

u

p

=

(2)

Transmitancja regulatora proporcjonalnego

p

R

K

s

E

s

U

s

G

=

=

)

(

)

(

)

(

(3)

gdzie 

p

  jest  wzmocnieniem  proporcjonalnym.  Regulator  proporcjonalny  jest  w  istocie

wzmacniaczem z przestrajalnym wzmocnieniem.

3.3. REGULATOR CA!KUJ#CY  I

W  regulatorze  ze  sterowaniem  ca"kuj!cym,  warto%&  wyj%ciowa  regulatora  u(t)  jest  przyrostem
proporcjonalnym do wykonawczego sygna"u uchybu e(t).

)

(

)

(

t

e

K

dt

t

du

i

=

(4)

lub

=

t

i

dt

t

e

K

t

u

0

)

(

)

(

(5)

gdzie 

i

 jest przestrajaln! sta"!. Transmitancja regulatora ca"kuj!cego

s

K

s

E

s

U

s

G

i

R

=

=

)

(

)

(

)

(

(6)

background image

Regulatory automatyczne

4

3.4. REGULATOR PROPORCJONALNO-CA!KUJ#CY  PI

Sterowanie regulatora proporcjonalno-ca"kuj!cego zdefiniowane jest jako

+

=

t

i

p

dt

t

e

K

t

e

K

t

u

0

)

(

)

(

)

(

(7)

lub w postaci transmitancji





+

=

=

s

T

K

s

E

s

U

s

G

i

p

R

1

1

)

(

)

(

)

(

(8)

gdzie 

i

 nazywa si# czasem ca"kowania.

3.5. REGULATOR PROPORCJONALNO-RÓ"NICZKUJ#CY  PD

Sterowanie regulatora proporcjonalno-ró$niczkuj!cego zdefiniowane jest jako

dt

t

de

K

t

e

K

t

u

d

p

)

(

)

(

)

(

+

=

(9)

i w postaci transmitancji

(

)

s

T

K

s

E

s

U

s

G

d

p

R

+

=

=

1

)

(

)

(

)

(

(10)

gdzie 

d

 nazywane jest czasem ró$niczkowania.

3.6. REGULATOR PROPORCJONALNO-CA!KUJ#CO-RÓ"NICZKUJ#CY  PID

Po"!czenie  sterowania  proporcjonalnego,  ca"kuj!cego  i  ró$niczkuj!cego  nosi  nazw#  sterowania  PID.
To po"!czenie ma zalety ka$dego z trzech sk"adników. Równanie regulatora w postaci czasowej

dt

t

de

T

K

dt

t

e

T

K

t

e

K

t

u

d

p

t

i

p

p

)

(

)

(

)

(

)

(

0

+

+

=

(9)

lub w postaci transmitancji





+

+

=

=

s

T

s

T

K

s

E

s

U

s

G

d

i

p

R

1

1

)

(

)

(

)

(

(10)

gdzie 

p

  jest  wzmocnieniem  proporcjonalnym, 

i

  czasem  ca"kowania  oraz 

d

  czasem

ró$niczkowania. Schemat blokowy regulatora PID pokazany jest na rysunku 5.

K

p

(1 + T

i

s +T

i

T

d

s

2

)

T

i

s

U(s)

E(s)

Rys. 5. Schemat blokowy regulatora PID.

 ZAK!ÓCENIA W UK!ADZIE REGULACJI

Na  rysunku  6  przedstawiony  zosta"  uk"ad  zamkni#ty  regulacji  w  którym  uwzgl#dnione  zosta"y
zak"ócenia.  Kiedy  w  uk"adzie  liniowym  obecne  s!  dwa  wej%cia  (sygna"  zadany  i  zak"ócenia),  ka$de
z nich mo$e by& rozwa$ane oddzielnie. Wyj%cia odpowiadaj!ce ka$demu z sygna"ów z osobna mog!
by& dodawane w celu otrzymania kompletnego wyj%cia. Sygna"y wej%ciowe do uk"adu wprowadzane
s! na w#ze" sumacyjny ze znakiem plus lub minus.

background image

Regulatory automatyczne

5

G

1

(s)

Y(s)

E(s)

G

1

(s)

G

2

(s)

H(s)

Z(s)

Zak"ócenia

R(s)

Rys. 6. Schemat blokowy uk"adu zamkni#tego z uwzgl#dnieniem zak"óce(.

Rozwa$ony zostanie uk"ad pokazany na rysunku 6. Rozpatruj!c wp"yw oddzia"ywania zak"óce( Z(s)
mo$na  za"o$y&, $e  sygna"  zadany  jest  równy  zero,  wówczas  mo$na  obliczy&  sk"adow!  odpowiedzi
powodowan! tylko przez zak"ócenie. Odpowied' ta mo$e zosta& wyznaczona z zale$no%ci

)

(

)

(

)

(

1

)

(

)

(

2

1

2

s

H

s

G

s

G

s

G

s

Y

z

+

=

(11)

Z drugiej strony mo$na rozwa$y& odpowied' powodowan! przez sygna" zadany R(s) przy za"o$eniu,
$e zak"ócenia s! równe zero, wówczas t! sk"adow! mo$na obliczy& ze wzoru

)

(

)

(

)

(

1

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

s

H

s

G

s

G

s

G

s

G

s

Y

R

+

=

(12)

Odpowied' Y(s)  uwzgl#dniaj!ca  zarówno  oddzia"ywanie  sygna"u  zadanego  R(s)  jak  i  zak"óce( Z(s)
mo$e by& uzyskana przez dodanie dwóch powy$szych zale$no%ci (11) i (12)

)

(

)

(

)

(

s

Y

s

Y

s

Y

z

R

+

=

[

]

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

)

(

2

2

1

2

s

Z

s

R

s

G

s

H

s

G

s

G

s

G

+

+

=

(13)

W  przypadku  gdy 

1

)

(

)

(

1

>>

s

H

s

G

  oraz 

1

)

(

)

(

)

(

2

1

>>

s

H

s

G

s

G

.  W  tym  przypadku,  transmitancja

uk"adu zamkni#tego 

)

(

)

(

s

Z

s

Y

z

 staje si# prawie równe zero i wp"yw zak"óce( zostanie usuni#ty. Jest

to zaleta uk"adu zamkni#tego.

Z  drugiej  strony,  transmitancja  uk"adu  zamkni#tego 

)

(

)

(

s

R

s

Y

R

  staje  si#

)

(

1

s

H

  gdy

wzmocnienie 

)

(

)

(

)

(

2

1

s

H

s

G

s

G

  zwi#ksza  si#.  Oznacza  to,  $e  je%li

1

)

(

)

(

)

(

2

1

>>

s

H

s

G

s

G

  wówczas

transmitancja  uk"adu  zamkni#tego 

)

(

)

(

s

R

s

Y

R

  staje  si#  niezale$na  od 

)

(

1

s

G

  oraz 

)

(

2

s

G

  i  staje  si#

odwrotnie proporcjonalna do H(s) co powoduje $e zmiany w transmitancjach 

)

(

1

s

G

 oraz 

)

(

2

s

G

 nie

wp"ywaj!  na  transmitancj#  uk"adu  zamkni#tego 

)

(

)

(

s

R

s

Y

R

.  Stanowi  to  kolejn!  zalet#  uk"adu

zamkni#tego.  Mo$na "atwo  si#  zorientowa&, $e  transmitancja  uk"adu  zamkni#tego  z  jednostkowym
sprz#$eniem zwrotnym, H(s) = 1 prowadzi do zrównania wej%cia z wyj%ciem.

5. WP!YW RODZAJU REGULATORA NA JAKO$% STEROWANIA

background image

Regulatory automatyczne

6

5.1. UK!AD STEROWANIA Z REGULATOREM PROPORCJONALNYM  P

5.&.&. Uchyb w stanie ustalonym w odpowiedzi na sygna" zadany R(s)

Rozwa$ony zostanie uk"ad pokazany na rysunku 7 i zostanie wyznaczony uchyb w stanie ustalonym
pojawiaj!cy si# po podaniu wymuszenia skokowego na wej%cie. Transmitancja obiektu

1

)

(

+

=

Ts

k

s

G

(14)

natomiast transmitancja uchybowa

K

p

k

Ts + 1

Y(s)

Regulator

proporcjonalny

R(s)

Obiekt

Rys. 7. Uk"ad sterowania proporcjonalnego.

)

(

1

1

)

(

)

(

)

(

s

G

s

R

s

E

s

G

e

+

=

=

(15)

czyli uchyb

)

(

1

1

1

)

(

)

(

1

1

)

(

s

R

Ts

k

K

s

R

s

G

s

E

p

+

+

=

+

=

(16)

Na wymuszenie skokowe R(s) = R/s otrzymuje si#

s

R

k

K

Ts

Ts

s

E

p

+

+

+

=

1

1

)

(

(17)

t

y(t)

0

uchyb  ustalony

y(t)

r(t)

Rys. 8. Odpowied' skokowa uk"adu z rysunku 7.

Uchyb w stanie ustalonym

k

K

R

s

R

k

K

Ts

Ts

s

s

sE

t

e

e

p

p

s

s

t

u

+

=

+

+

+

=

=

=

1

1

1

lim

)

(

lim

)

(

lim

0

0

(18)

Uk"ady  bez  integratora  w  torze  bezpo%rednim  maj!  zawsze  w  odpowiedzi  skokowej  uchyb  w  stanie
ustalonym. Taki uchyb w stanie ustalonym czasami nazywany jest offsetem. Na rysunku 8 pokazana
jest odpowied' skokowa uk"adu z rysunku 7.

background image

Regulatory automatyczne

7

5.&.2. Uchyb w stanie ustalonym w odpowiedzi na sygna" zak"ócenia Z(s)

Rozwa$ony zostanie wp"yw zak"ócenia wiatrowego pojawiaj!cy si# w sterowaniu statkiem na kursie.
Rozwa$any  uk"ad  pokazany  zosta"  na  rysunku  9.  Regulator  proporcjonalny  wypracowuje  sygna"
zadany  Z(s)  (zadane  wychylenie  steru)  dla  statku  opisanego  tutaj  modelem  Nomoto  I  rz#du.
Oddzia"ywuj!ca si"a wiatru zosta"a oznaczona jako Z(s). Zak"adaj!c, $e sygna" zadany (kurs zadany)
jest równy zero R(s) = 0, transmitancja pomi#dzy Y(s) oraz Z(s) jest opisana zale$no%ci!

k

K

s

Ts

k

s

Z

s

Y

p

+

+

=

2

)

(

)

(

(19)

natomiast transmitancja uchybowa

k

K

s

Ts

k

s

Z

s

E

p

+

+

=

2

)

(

)

(

(20)

Uchyb  w  stanie  ustalonym  pojawiaj!cym  si#  w  wyniku  oddzia"ywania  zak"óce(  o  amplitudzie  Z
opisany jest wzorem

p

p

s

s

t

u

K

Z

s

Z

k

K

s

Ts

k

s

s

sE

t

e

e

=

+

+

=

=

=

2

0

0

lim

)

(

lim

)

(

lim

(21)

Uchyb w stanie ustalonym mo$e by& zmniejszany przez zwi#kszanie warto%ci wzmocnienia 

p

, lecz

wzrost tej warto%ci mo$e powodowa& wzrost oscylacji w odpowiedzi uk"adu.

K

p

Y(s)

Regulator

proporcjonalny

R(s)

Obiekt

k

s(Ts + 1)

Z(s)

E(s)

U(s)

Rys. 9. Schemat blokowy uk"adu sterowania z uwzgl#dnieniem zak"óce(.

5.&.3. Regulator P w uk"adzie sterowania obiektem bezw"adno#ciowym

Rozwa$ony  zostanie  uk"ad  pokazany  na  rysunku  10.  W  tym  przypadku,  transmitancja  uk"adu
zamkni#tego

p

p

K

Js

K

s

Z

s

Y

+

=

2

)

(

)

(

(22)

St!d pierwiastki równania charakterystycznego

0

2

=

+

p

K

Js

(23)

znajduj!  si#  na  osi  urojonej  i  odpowied'  skokowa  b#dzie  oscylacyjn!  o  sta"ej  amplitudzie,  jak
pokazano to na rysunku 11.

K

p

Y(s)

Regulator

proporcjonalny

R(s)

Obiekt

1

Js

2

Rys. 10. Uk"ad sterowania proporcjonalnego w uk"adzie z obiektem bezw"adno%ciowym.

background image

Regulatory automatyczne

8

y(t)

t

&

0

Rys. 11. Jednostkowa odpowied' skokowa uk"adu z rysunku 10.

5.2. REGULATOR CA!KUJ#CY  I

W  uk"adzie  z  regulatorem  proporcjonalnym  zastosowanym  do  sterowania  obiektem,  którego
transmitancja nie zawiera integratora  1/s,  w  odpowiedzi  na  wymuszenie  skokowe  pojawia si#  uchyb
w stanie  ustalonym  (offset).  Je%li  regulator  b#dzie  zawiera"  sterowanie  ca"kuj!ce  to  ta  sta"a  warto%&
mo$e zosta& usuni#ta.

W  sterowaniu  obiektem  przy  u$yciu  regulatora  ca"kuj!cego,  sygna"  sterowania,  sygna"

wyj%ciowy jest obszarem znajduj!cym si# pod krzyw! wykonawczego przebiegu czasowego sygna"u
uchybu.  Sygna"  sterowania  u(t)  w  przypadku  regulatora  ca"kuj!cego  mo$e  mie&  niezerow!  warto%&,
kiedy sygna" wykonawczy uchybu e(t) jest zerem, jak pokazano to na rysunku 12(a). Taka sytuacja nie
jest mo$liwa w przypadku regulatora  proporcjonalnego,  gdzie  niezerowy  sygna"  sterowania  wymaga
niezerowego sygna"u wykonawczego uchybu. Na rysunku 12(b) przedstawiono krzyw! e(t) w funkcji t
i odpowiadaj!ca krzywa u(t) w funkcji czasu t kiedy regulator jest typu proporcjonalnego. Sterowanie
ca"kuj!ce  zastosowane  do  usuwania  uchybu  w  stanie  ustalonym  mo$e  prowadzi&  do  oscylacyjnej
odpowiedzi,  wolno  zanikaj!cych  drga(  lub  nawet  do  drga(,  których  amplituda  narasta;  obie  te
sytuacje s! niepo$!dane.

e(t)

e(t)

u(t)

u(t)

t

t

t

t

(a)

(b)

Rys.  12.  Przebiegi  sygna"u  uchybu  e(t)  i  sygna"u  steruj!cego  u(t);  (a)  krzywe  ilustruj!ce  niezerowy  sygna"

steruj!cy,  gdy  sygna"  wykonawczy  uchybu  jest  równy  zero  (sterowanie  ca"kuj!ce),  (b)  krzywe
pokazuj!ce  zerowe  sterowanie,  kiedy  sygna"  wykonawczy  uchybu  jest  równy  zero  (sterowanie
proporcjonalne).

background image

Regulatory automatyczne

9

5.2.&. Sterowanie obiektem typu inercja I rz'du

Rozwa$ony zostanie uk"ad pokazany na rysunku 13. Zastosowany tutaj zosta" regulator ca"kuj!cy.

K

i

s

1

Ts + 1

Y(s)

Regulator

ca"kuj!cy

R(s)

Obiekt

Rys. 13. Schemat blokowy uk"adu sterowania ca"kuj!cego.

Transmitancja uk"adu zamkni#tego

(

)

i

i

K

Ts

s

K

s

R

s

Y

+

+

=

1

)

(

)

(

(24)

natomiast transmitancja uchybowa

(

)

(

)

i

K

Ts

s

Ts

s

s

R

s

E

+

+

+

=

1

1

)

(

)

(

(25)

Je%li uk"ad jest stabilny, uchyb w stanie ustalonym w odpowiedzi na wymuszenie skokowe mo$e by&
wyznaczony przez zastosowanie twierdzenia o warto%ci granicznej

(

)

(

)

0

1

1

1

lim

)

(

lim

)

(

lim

0

0

=

+

+

+

=

=

=

s

K

Ts

s

Ts

s

s

s

sE

t

e

e

i

s

s

t

u

(26)

W  tym  uk"adzie  (rys.  13)  sterowanie  ca"kuj!ce  eliminuje  uchyb  w  stanie  ustalonym  pojawiaj!cy  si#
w odpowiedzi na wymuszenie skokowe. Jest to wa$ne polepszenie jako%ci sterowania w stosunku do
sterowania proporcjonalnego (rys. 7).

5.2.&. Sterowanie obiektem typu ca"kuj(cego z inercj(

Je%li  regulator  ca"kuj!cy  zostanie  zastosowany  do  sterowania  statkiem  na  kursie  (lub  do  sterowania
innym obiektem zawieraj!cym biegun w zerze) jako pokazano to na rysunku 14, wówczas uk"ad staje
si# niestabilny poniewa$ równanie charakterystyczne

0

2

3

=

+

+

k

K

s

Ts

i

(27)

ma  pierwiastki  z  dodatnimi  cz#%ciami  rzeczywistymi.  Takie  uk"ady  niestabilne  nie  mog!  by&
stosowane w praktyce.

K

i

s

Y(s)

Regulator

ca"kuj!cy

R(s)

Obiekt

k

s(Ts + 1)

Z(s)

E(s)

U(s)

Rys. 14. Schemat blokowy uk"adu sterowania ca"kuj!cego obiektem ca"kuj!cym z inercj!.

5.3. UK!AD STEROWANIA Z REGULATOREM PROPORCJONALNO-CA!KUJ#CYM  PI

Aby  wyeliminowa&  sta"!  warto%&  uchybu  w  uk"adzie  z  rysunku  9  b#d!c!  wynikiem  dzia"aj!cych
zak"óce(, nale$y regulator proporcjonalny przez regulator proporcjonalno-ca"kuj!cy PI.

background image

Regulatory automatyczne

10

Je%li sterowanie ca"kuj!ce dodawane jest do regulatora, wówczas tak d"ugo jak d"ugo wyst#puje

sygna" uchybu podawane jest sterowanie w celu wyeliminowania tego uchybu w takim przypadku gdy
rozwa$any uk"ad sterowania jest stabilny.

Na  rysunku  15  przedstawiony  jest  regulator  proporcjonalno-ca"kuj!cy  steruj!cy  obiektem

ca"kuj!cym  z  inercj!.  Transmitancja  pomi#dzy  Y(s)  oraz  Z(s)  (przy  za"o$eniu R(s)  =  0)  jest  opisana
zale$no%ci!

i

p

p

T

K

ks

K

s

Ts

sk

s

Z

s

Y

+

+

+

=

2

3

)

(

)

(

(28)

Przy braku sygna"u zadanego, sygna" uchybu wyznaczany jest ze wzoru

)

(

)

(

2

3

s

Z

T

K

ks

K

s

Ts

sk

s

E

i

p

p

+

+

+

=

(29)

Je%li uk"ad sterowania jest stabilny, wówczas pierwiastki równania charakterystycznego

0

2

3

=

+

+

+

i

p

p

T

K

ks

K

s

Ts

(30)

maj!  ujemne  cz#%ci  rzeczywiste  i  wówczas  uchyb  w  stanie  ustalonym  mo$e  by&  wyznaczony
z twierdzenia o warto%ci granicznej.

0

lim

)

(

lim

)

(

lim

2

3

0

0

=

+

+

+

=

=

=

s

Z

T

K

k

K

s

Ts

sk

s

s

sE

t

e

e

i

p

p

s

s

t

u

(31)

Czyli uchyb w stanie ustalonym w wyniku oddzia"ywania skokowych zak"óce( w uk"adzie z rysunku
15  mo$e  by&  wyeliminowany  w  przypadku  zastosowania  regulatora  proporcjonalno-ca"kuj!cego  PI.
Dodanie sterowania ca"kuj!cego do regulatora proporcjonalnego powoduje podniesienie rz#du uk"adu
z  drugiego  na  trzeci.  St!d  uk"ad  sterowania  mo$e  sta&  si#  niestabilny  dla  du$ych  warto%ci
wzmocnienia 

p

 pierwiastki równania charakterystycznego mog! mie& dodatnie cz#%ci rzeczywiste.

(Uk"ad drugiego rz#du jest zawsze stabilny je%li wszystkie wspó"czynniki s! dodatnie).

Y(s)

Regulator

PI

= 0

Obiekt

K

p

(1 +

)

1

T

i

s

k

s(Ts + 1)

Z(s)

E(s)

Rys. 15. Schemat blokowy uk"adu sterowania z uwzgl#dnieniem zak"óce(.

5.4. REGULATOR PROPORCJONALNO-RÓ"NICZKUJ#CY  PD

5.4.&. Sterowanie ró)niczkuj(ce

Sterowanie ró$niczkuj!ce dodane do regulatora proporcjonalnego powoduje, $e regulator ma wi#ksz!
wra$liwo%&.  Zalet!  u$ycia  sterowania  ró$niczkuj!cego  jest  to,  $e  reaguje  ono  na  przyrost  zmian
uchybu  wykonawczego  i  wyznacza  odpowiedni!  poprawk#  na  sterowanie,  która  zabezpiecza  przed
powstaniem  zbyt  du$ej  amplitudy  oscylacji  sygna"u  wykonawczego  uchybu.  Czyli  sterowanie
ró$niczkuj!ce  uprzedza  sygna"  wykonawczy  uchybu,  inicjuje  wcze%niejsz!  akcj#  korekcyjn!  co
powoduje  wzrost stabilno%ci  uk"adu.  Chocia$  sterowanie  ró$niczkuj!ce  nie  wp"ywa  bezpo%rednio  na
uchyb w stanie ustalonym, to wprowadza t"umienie do uk"adu i pozwala na u$ycie wi#kszej warto%ci
wzmocnienia K, którego zwi#kszenie poprawia dok"adno%& w stanie ustalonym.

Poniewa$ sterowanie ró$niczkuj!ce reaguje na pr#dko%& zmian uchybu wykonawczego, a nie na

sam uchyb, wi#c sterowanie ró$niczkuj!ce nigdy nie wyst#puje samodzielnie w uk"adach sterowania.

background image

Regulatory automatyczne

11

Jest  ono  zawsze  u$ywane  w  kombinacji  ze  sterowaniem  proporcjonalnym  lub  proporcjonalno-
ca"kuj!cym.

5.4.2. Sterowanie obiektem  inercyjnym

Zmodyfikowany  zostanie  uk"ad  z  rysunku  10,  zamiast  regulatora  proporcjonalnego  u$yty  zostanie
regulator  proporcjonalno-ró$niczkuj!cy  PD  o  transmitancji 

(

)

s

T

K

d

p

+

1

.  Sygna"  wyj%ciowy

(steruj!cy) z regulatora jest proporcjonalny do 

 +

.

e

T

e

K

d

p

. Sterowanie ró$niczkuj!ce w istocie ma

dzia"anie  uprzedzaj!ce,  na  podstawie  pomiaru  pr#dko%ci  uchybu  przewiduje  du$e  przeregulowania
w czasie i wytwarza stosown! kontrreakcj# zanim te du$e oscylacje si# pojawi!.

Rozwa$ony zostanie uk"ad sterowania z rysunku 16.

K

p

(1+T

d

s)

Y(s)

Regulator

PD

R(s)

Obiekt

1

Js

2

Rys. 16. Sterowanie proporcjonalno-ró$niczkuj!ce uk"adem z obiektem bezw"adno%ciowym.

y(t)

t

0

Rys. 17. Odpowied' skokowa uk"adu z rysunku 16.

Transmitancja uk"adu zamkni#tego opisana jest wzorem

(

)

p

d

p

d

p

K

s

T

K

Js

s

T

K

s

R

s

Y

+

+

+

=

2

1

)

(

)

(

(32)

Równanie charakterystyczne

0

2

=

+

+

p

d

p

K

s

T

K

Js

(33)

ma dwa pierwiastki w lewej pó"p"aszczy'nie dla dodatnich warto%ci J,

p

 oraz 

d

. Wi#c sterowanie

ró$niczkuj!ce  wprowadza  t"umienie  do  uk"adu.  Typowa  odpowied' y(t)  na  wymuszenie  skokowe
pokazana zosta"a na rysunku 17. Jasno wida&, $e nast!pi"a poprawa krzywej odpowiedzi w stosunku
do tej pokazanej na rysunku 11.

5.4.3. Sterowanie w uk"adzie z obiektem II rz#du

Kompromis  pomi#dzy  akceptowaln!  odpowiedzi!  przej%ciow!  i  dopuszczalnym  uchybem  w  stanie
ustalonym mo$e by& uzyskany przez zastosowanie sterowania proporcjonalno-ró$niczkuj!cego.

background image

Regulatory automatyczne

12

Rozwa$ony zostanie uk"ad pokazany na rysunku 18. Transmitancja zamkni#ta tego uk"adu

(

)

(

)

k

K

s

k

T

K

Ts

k

s

T

K

s

R

s

Y

p

d

p

d

p

+

+

+

+

=

1

1

)

(

)

(

2

(34)

Równanie charakterystyczne

(

)

0

1

2

=

+

+

+

k

K

s

k

T

K

Ts

p

d

p

(35)

Wspó"czynnik t"umienia 

ζ

 dla tego uk"adu

kJ

K

k

T

K

p

d

p

2

1

+

=

ζ

(36)

Mo$liwe  jest  uczynienie  zarówno  uchybu  w  stanie  ustalonym  na  wymuszenie  liniowo  narastaj!ce  i
maksymalne  przeregulowanie  na  wymuszenie  skokowe  odpowiednio  ma"ymi  przez  takie  dobranie
parametrów 

p

 i 

d

, aby 

ζ

 zawiera"o si# w przedziale pomi#dzy 0.4 oraz 0.7.

K

p

(1 +T

d

s)

Y(s)

Regulator

PD

R(s)

Obiekt

k

s(Ts + 1)

E(s)

Rys. 16. Uk"ad sterowania proporcjonalno-ró$niczkuj!cego obiektem ca"kuj!cym z inercj!

5.5. REGULATOR PROPORCJONALNO-CA!KUJ$CO-RÓ%NICZKUJ$CY  PID

Na rysunku 17 przedstawiony zosta" uk"ad sterowania obiektem przy u$yciu regulatora PID. Je%li da
si#  wyznaczy&  model  matematyczny  obiektu,  wówczas  mo$liwe  jest  zastosowanie  ró$nych  technik
projektowania  do  okre%lenia  takich  parametrów  regulatora,  które  pozwol!  na  uzyskanie  zadanych
wymaga( dotycz!cych odpowiedzi przej%ciowej uk"adu zamkni#tego i uchybu w stanie ustalonym.

Y(s)

R(s)

K

p

(1 +

1

T

i

s

Obiekt

E(s)

+T

d

s)

Rys. 17. Uk"ad sterowania proporcjonalno-ca"kuj!co-ró$niczkuj!cego obiektem

Je%li  obiekt  jest  z"o$ony  i  jego  model  matematyczny  nie  mo$e  by& "atwo  okre%lony,  wówczas
analityczne  wyznaczenie  parametrów  regulatora  nie  jest  mo$liwe.  Wówczas  stosowane  s!  metody
eksperymentalnego strojenia parametrów regulatora.

6. POMIARY  W!ASNO$CI  DYNAMICZNYCH  OBIEKTÓW  REGULACJI  METOD*

SKOKU JEDNOSTKOWEGO

Optymalne  nastawy  regulatorów  opracowywane  s!  zazwyczaj  w  postaci  tabel,  wykresów,  wzorów
empirycznych  zwykle  dla  obiektów  podzielonych  na  dwie  klasy:  obiekty  statyczne  i  obiekty
astatyczne, których charakterystyki aproksymuje si# nast#puj!cymi transmitancjami:

 obiekty statyczne

1

)

(

+

=

Ts

Ke

s

G

sT

o

(37)

 obiekty astatyczne

Ts

e

s

Ke

s

G

sT

sT

o

o

=

=

)

(

T

K

1

=

(38)

background image

Regulatory automatyczne

13

Sposób wyznaczania parametrów modelu KT,

o

 odwzorowuj!cego obiekt na podstawie odpowiedzi

na skok jednostkowy pokazano na rysunku 18.

K

y(t)

t

T

o

T

Nachylenie R=

K

T

u

y(t)

t

T

o

t

y

=

t

y

u

=

y

t

(a)

(b)

Rys.  18. Sposób  okre%lenia  parametrów  KT,

o

T

  na  podstawie  odpowiedzi  skokowej  (jednostkowej)  procesu.

(a) dla obiektu statycznego, (b) dla obiektu astatycznego.

7. STROJENIE REGULATORÓW PID

Sterowanie  proporcjonalne  z  nastaw! K

p

  ma  wp"yw  na  zmniejszanie  czasu  narastania  i  b#dzie

zmniejsza"o  uchyb  w  stanie  ustalonym,  lecz  nigdy  nie  b#dzie  go  eliminowa"o.  Sterowanie  ca"kuj!ce
z nastaw! K

i

  ma  wp"yw  na  eliminowanie  uchybu  w  stanie  ustalonym,  lecz  pogarsza  odpowied'

w stanie przej%ciowym. Sterowanie ró$niczkuj!ce z nastaw! K

d

 ma wp"yw na zwi#kszenie stabilno%ci

uk"adu, zmniejszaj!c przeregulowanie i poprawiaj!c odpowied' przej%ciow!. Wp"yw nastawy ka$dego
sterowania K

p

K

d

 oraz K

i

 na uk"ad zamkni#ty zebrany zosta" w tabeli 1.

Tabela 1.  Nastawy parametrów wed"ug zasad Zieglera-Nicholsa,

Czas narastania

Przeregulowanie

Czas ustalania

Uchyb w stanie

ustalonym

K

p

Zmniejszenie

Zwi#kszenie

Ma"a zmiana

Zmniejszenie

K

i

Zmniejszenie

Zwi#kszenie

Zwi#kszenie

Eliminacja

K

d

Ma"a zmiana

Zmniejszenie

Zmniejszenie

Ma"a zmiana

Zwi!zki  te  nie  zawsze  s!  dok"adnie  takie  jak  podane  w  tabeli  1,  faktycznie  zmiana  jednej  z  tych
zmiennych  mo$e  powodowa&  zmian#  pozosta"ych.  Z  tego  powodu  tabela  ta  powinna  by&  u$ywana
jako odniesienie przy okre%laniu warto%ci K

p

K

i

 oraz K

d

.

Na  bazie  obserwacji  eksperymentalnych  strategii  strojenia  regulatorów  PID  w  procesach

przemys"owych, Ziegler i Nichols zaproponowali dwie metody doboru  nastaw.  Metody  te  wymagaj!
pomiaru odpowiedzi uk"adu i s! powszechnie stosowane dla uk"adów typu 0 najcz#%ciej spotykanych
w  uk"adach  sterowania  (np.  sterowanie  poziomem,  temperatur!,  ci%nieniem,  przep"ywem,  itd.).
Metody  doboru  nastaw  opracowane  przez  Zieglera  i Nicholsa  opieraj!ca  si#  odpowiedzi  skokowej
i mo$liwe s! do zastosowania w tych uk"adach w których odpowied' skokowa uk"adu otwartego jest
bez  przeregulowa(  tak  jak  ta  pokazana  na  rysunku  18a.  Ziegler  i Nichols  opracowali  dwie  metody
strojenia regulatorów dla takich modeli.

7.1. PIERWSZA REGU!A. METODA BAZUJ#CA NA ODPOWIEDZI SKOKOWEJ.

Ziegler  i  Nichols  zauwa$yli,  $e  odpowied'  skokowa  wi#kszo%ci  uk"adów  sterowania  ma  kszta"t
podobny  do  tego  z  rysunku  18a.  Krzywa  ta  mo$e  by&  otrzymana  z  danych  eksperymentalnych  lub
symulacji dynamicznej obiektu.
Krzywa o kszta"cie S jest charakterystyczna dla uk"adów wy$szych rz#dów.

background image

Regulatory automatyczne

14

Transmitancja  (37)  aproksymuje  uk"ady  wy$szych  rz#dów  prostym  uk"adem  I  rz#du  z

dodatkowym opó'nieniem T

o

 wyra$onym w sekundach. Sta"e w równaniu (37) mog! by& okre%lone z

odpowiedzi  skokowej  procesu.  Je%li  styczna  narysowana  jest  w  punkcie  przegi#cia  krzywej
odpowiedzi, wówczas nachylenie linii jest wyznaczane ze wzoru R=K/T, a przeci#cie stycznej z osi!
czasu okre%la czas opó'nienia T

o

.

W  pierwszej  metodzie  wybór  parametrów  regulatora  opiera  si#  na  wspó"czynniku  zanikania

równym  w przybli$eniu  0.25.  Oznacza  to,  $e  dominuj!ca  sk"adowa  przej%ciowa  zanika  do  jednej
czwartej  swojej  warto%ci  maksymalnej  po  jednym  okresie  oscylacji  (rys.  19a).  Takie  zanikanie
odpowiada  wspó"czynnikowi 

ζ

  =  0.21  w uk"adzie  II  rz#du  i warto%&  ta  ustalona  zosta"a  na  zasadzie

kompromisu pomi#dzy szybk! odpowiedzi! i wystarczaj!cym zapasem stabilno%ci.

Autorzy  symulowali  równania  dla  ró$nych  uk"adów  na  komputerze  analogowym  i  stroili

parametry regulatorów, a$ uzyskali odpowiedzi przej%ciowe zanikaj!ce do 25% poprzedniej warto%ci
w jednym okresie. Metoda Zieglera-Nicholsa bazuj!ca na odpowiedzi skokowej daje dobre rezultaty
gdy spe"niony jest nast#puj!cy warunek :

6

.

0

15

.

0

o

<

<

T

T

.

&

t

0

 Okres

 0.25

osc

y(t)

t

T

(a)

(b)

Rys. 19. Przebiegi czasowe (a) kwadratowy wspó"czynnik zanikania, (b) uk"ad na granicy stabilno%ci

7.2. DRUGA REGU!A. METODA Z WYZNACZANIEM WZMOCNIENIA KRYTYCZNEGO

W drugiej metodzie kryterium strojenia parametrów opiera si# na ocenie uk"adu znajduj!cego si# na
granicy  stabilno%ci.  Ten  algorytm  strojenia  mo$e  by&  stosowany  dla  uk"adów  typu  0  posiadaj!cych
rz!d > 2. Mo$e by& równie$ zastosowana do samostrojenia regulatorów PID. Metoda ta mo$liwa jest
do  zastosowania  je%li  mo$liwe  jest  znalezienie  wzmocnienia  przy  którym  wykres  Nyquista  przecina
punkt krytyczny lub kiedy linia pierwiastkowa przecina o% liczb urojonych. Wzmocnienie to mo$e by&
znalezione  eksperymentalnie,  wymaga  si#  wówczas  zwi#kszania  wzmocnienia  w  uk"adzie
zamkni#tym  a$  na  wyj%ciu  pojawi!  si#  oscylacje  o  sta"ej  amplitudzie.  Jest  to  w  niektórych
zastosowaniach  praktycznych  bardzo  niebezpieczna  operacja.  Zwi#ksza  si#  wzmocnienie
proporcjonalne  a$  zauwa$y  si#  oscylacje  o  sta"ej  amplitudzie,  odpowiada  to  wzmocnieniu
krytycznemu  K

kr

  (rys.  20)  i  oscylacjom  o  okresie  T

osc

  (rys.  19b).  Okres  oscylacji  powinien  by&

mierzony kiedy amplituda oscylacji jest do%& ma"a.

Proces

K

kr

r(t)

e(t)

y(t)

u(t)

Rys. 20.  Okre%lenie wzmocnienia krytycznego i okresu oscylacji

Wzmocnienie statyczne dla p#tli otwartej uk"adu

( )

0

o

=

=

s

s

GH

K

background image

Regulatory automatyczne

15

Metoda  strojenia  bazuj!ca  na  wzmocnieniu  krytycznym  daje  dobre  rezultaty  gdy  spe"niony  jest
warunek:

20

2

o

<

<

kr

K

K

lecz  znów  odpowied'  uk"adu  zamkni#tego  zawiera  oscylacje.  Parametry  regulatora  zaproponowane
przez Zieglera i Nicholsa dla typowego regulatora pokazane s! w tabeli 2

Tabela 2.  Nastawy parametrów wed"ug zasad Zieglera-Nicholsa,

Optymalne warto%ci parametrów

Próba skokowa (RT

o

a=R/T

o

)

Granica stabilno%ci (K

kr

,,T

osc

)

Typ

regulatora

K

p

T

i

T

d

K

p

T

i

T

d

P

1/a

0.5K

kr

PI

0.9/a

3T

o

0.45K

kr

T

osc

/1.2

PID

1.2/a

2T

o

0.5T

o

0.6K

kr

T

osc

/2

T

osc

/8

7.3. Inne optymalne regu"y nastaw regulatorów PID

W  tabelach  3  i  4  zebrane  zosta"y  zasady  doboru  nastaw  regulatorów  dla  obiektów  statycznych  i
astatycznych opisanych transmitancjami (37) oraz (38) wed"ug kryteriów: 0% i 20% przeregulowania
oraz minimum ca"ki kwadratu uchybu.

Tabela 3. Optymalne nastawy regulatorów w przypadku obiektów statycznych z opó'nieniem (37), 

o

RT

a

=

Przeregulowanie 

%

0

Minimum czasu regulacji 

R

t

Przeregulowanie 

%

20

Minimum czasu regulacji 

R

t

dt

t

e

0

2

)

(

min

Typ

regulatora

K

p

T

i

T

d

K

p

T

i

T

d

K

p

T

i

T

d

P

0.3/a

0.7/a

PI

0.6/a

0.8T

o

+0.5T

0.7/a

T

o

+0.3T

1/a

T

o

+0.35T

PID

0.95/a

2.4 T

o

0.4 T

o

1.2/a

2.0 T

o

0.4 T

o

1.4/a

1.3 T

o

0.5 T

o

Tabela 4. Optymalne nastawy regulatorów w przypadku obiektów astatycznych z opó'nieniem (11)

Przeregulowanie 

%

0

Minimum czasu regulacji 

R

t

Przeregulowanie 

%

20

Minimum czasu regulacji 

R

t

dt

t

e

0

2

)

(

min

Typ

regulatora

K

p

T

i

T

d

K

p

T

i

T

d

K

p

T

i

T

d

P

o

37

.

0

T

T

o

7

.

0

T

T

PI

o

46

.

0

T

T

o

75

.

5

T

o

7

.

0

T

T

o

T

o

1

T

T

o

3

.

4

T

PID

o

65

.

0

T

T

o

T

o

23

.

0

T

o

1

.

1

T

T

o

T

o

37

.

0

T

o

36

.

1

T

T

o

6

.

1

T

o

5

.

0

T

background image

Regulatory automatyczne

16

Przyk"ad &

Rozwa$  uk"ad  pokazany  na  rysunku  21  w  którym  regulator  PID  zastosowany  zosta"  do
sterowania uk"adem. Regulator PID ma transmitancj#





+

+

=

s

T

s

T

K

s

G

d

i

p

R

1

1

)

(

(1.1)

Zastosuj regu"y Zieglera-Nicholsa do strojenia parametrów 

p

,

i

 oraz 

d

.

R(s)

K

p

(1 +

1

T

i

s

E(s)

+T

d

s)

Y(s)

1

s(s+1)(s+5)

PID

Rys. 21. Sterowanie obiektem przy u$yciu regulatora PID

Rozwi!zanie:  Zastosowana  zostanie  druga  metoda  Zieglera-Nicholsa.  Po  ustawieniu 

i

 = 

oraz 

d

= 0, transmitancja uk"adu zamkni#tego

( )(

)

p

p

K

s

s

s

K

s

R

s

Y

+

+

+

=

5

1

)

(

)

(

(1.2)

Poszukiwane  wzmocnienie  krytyczne 

kr

  stanowi  warto%&  przy  której  uk"ad  znajduje  si#  na

granicy  stabilno%ci.  Wyznaczenie  tej  warto%ci  mo$e  zosta&  dokonane  przy  u$yciu  kryterium
Routha. Dla równania charakterystycznego uk"adu zamkni#tego

0

5

6

2

3

=

+

+

+

p

K

s

s

s

(1.3)

tablica Routha jest nast#puj!ca

3

s

1

5

2

s

6

K

p

1

s

6

30

p

K

0

s

K

p

Na  podstawie  badania  wspó"czynników  pierwszej  kolumny  tablicy  Rutha,  wzmocnienie  przy
którym pojawiaj! si# drgania niegasn!ce K

p

 = 30, czyli wzmocnienie krytyczne

30

=

kr

K

(1.4)

Podstawiaj!c

kr

  do  równania  pomocniczego  w  wierszu  przy  s

2

  mo$na  wyznaczy&  okres

oscylacji w uk"adzie

0

6

2

=

+

kr

K

s

(1.5)

czyli

5

j

j

s

±

=

±

=

ω

(1.6)

St!d okres oscylacji

81

.

2

5

2

2

=

=

=

π

ω

π

osc

T

 [s]

(1.7)

Korzystaj!c z tabeli 2, wyznaczone warto%ci parametrów regulatora PID

18

6

.

0

=

=

kr

p

K

K

(1.8)

41

.

1

5

.

0

=

=

osc

T

T

i

 [s]

(1.9)

35

.

0

125

.

0

=

=

osc

T

T

d

 [s]

(1.10)

background image

Regulatory automatyczne

17

ZAGADNIENIA KONTROLNE

&. Co to jest regulator P? Zapisz jego transmitancj#.
2. Jaki wp"yw ma regulator P na uchyb w stanie ustalonym w zale$no%ci od typu obiektu?
3. Co to jest regulator PI? Zapisz jego transmitancj#.
4. Regulator PI  ma parametry K

p

  i  K

i

.  Podaj  wp"yw  regulatora  PI  na  uchyb  w  stanie  ustalonym.

Czy regulator PI zmienia typ uk"adu?

5. Podaj wp"yw regulatora PI na czas narastania i czas ustalania w uk"adzie regulacji.
6. Co to jest regulator PD? Zapisz jego transmitancj#.
7. Regulator PD ma parametry K

p

 i K

d

. Podaj wp"yw regulatora PD na uchyb w stanie ustalonym.

Czy regulator PD zmienia typ uk"adu?

8. Je%li  regulator  PD jest  tak  zaprojektowany,  $e  pierwiastki  równania  charakterystycznego  maj!

lepsze  t"umienie,  ni$  w  uk"adzie  oryginalnym  to  czy  wówczas  równie$  zostanie  zmniejszone
maksymalne przeregulowanie?

(Tak)     (Nie)

9. Podaj wp"yw regulatora PD na czas narastania i czas ustalania w uk"adzie regulacji.

&0. Co to jest regulator PID? Zapisz jego transmitancj#.

ZADANIA

Na  podstawie:  Kuo  B.  C.  Automatic  Control  of  Dynamic  Systems,  7th  ed,  Addison-Wesley  &  Sons
Inc.  (1995)

P

ROBLEM 

4-&8.

Rysunek  4P-18  przedstawia  uk"ad  sterowania  temperatur!  przep"ywu  powietrza.  Zbiornik  z  gor!c!
wod!  dostarcza  wody,  która  wp"ywa  do  wymiennika  ciep"a  w  celu  ogrzania  powietrza.  Czujnik
temperatury  mierzy  temperatur#  powietrza  na  wylocie  T

AO

  i  przesy"a  j!  do  uk"adu  porównuj!cego  z

temperatur! odniesienia T

r

. Uchyb temperatury T

e

 jest przesy"any do regulatora o transmitancji G

c

(s).

Wyj%cie  regulatora,  którym  jest sygna"  elektryczny  jest  przetwarzane  na sygna"  pneumatyczny  przez
przetwornik.  Wyj%cie  urz!dzenia  wykonawczego  steruje  pr#dko%ci!  przep"ywu  wody  zaworem
trójdrogowym. Rysunek 4P-18(b) przedstawia schemat blokowy uk"adu.

Zdefiniowane  zosta"y  nast#puj!ce  parametry  i  zmienne:  dM

w

  jest  przyrostem  przep"ywu

cieplnego  p"ynu   

u

K

dM

M

w

=

K

M

    =  0.054  kg/s/V,  T

w

  temperatura  wody 

w

R

w

dM

K

T

=

K

R

  =

65

°

C/kg/s, oraz T

AO

 jest temperatur! wyj%ciow! powietrza.

Równanie wymiany ciep"a pomi#dzy wod! i powietrzem

AO

w

AO

c

T

T

dt

dT

=

τ

,

c

τ

 = 10 s.

Równanie temperatury czujnika

s

AO

s

s

T

T

dt

dT

=

τ

,

s

τ

 = 2 s.

(a) Narysuj funkcjonalny schemat blokowy, który zawiera wszystkie transmitancje uk"adu.
(b) Wyprowad' transmitancj# T

AO

(s)/T

r

(s) kiedy G

c

(s) = 1.

(c) Dobierz typ regulatora PID i jego parametry

background image

Regulatory automatyczne

18

.

M

A

Czujnik

temperatury T

s

Ogrzane

powietrze T

AO

T

r

T

e

Regulator

Przetwornik

pneumatyczno-

elektryczny

u(t)

Zbiornik z

ciep"! wod!

Zawór

.

M

w

p(t)

Wymiennik

ciep"a

Pobór

powietrza T

Ai

Dmuchawa

(a)

Regulator

G

c

(s)

T

e

Przetwornik
elektryczno-

pneumatyczny

u

p(t)

Zawór

Wymiennik

ciep"a

dM

w

T

r

Wyj%ciowa

temperatura

powietrza T

A0

Czujnik

temperatury

T

s

(b)

Rys. 4P-18.

LITERATURA

&. Dorf R.C., R.H. Bishop, Modern Control Systems, Addison

Wesley Longman, Inc., 1998.

2. Franklin,  G  F,  Powell, J  D  &  Emami-Naeini,  A.  Feedback  Control  of  Dynamic  Systems,  3rd  ed,

Addison-Wesley, 1994.

3. Kuo B. C., Automatic Control of Dynamic Systems, 7

th

 ed, Addison-Wesley & Sons Inc., 1995.

4. Ogata K., Modern Control Engineering, Prentice Hall,2002.
5. Poradnik in$yniera automatyka, Warszawa, 1973.