7. Regulatoare automate

Transcript

1 7. Regulaoare auomae 7.. Caracerisici generale Regulaorul auoma (RA) ese blocul principal din cadrul dispoziivului de auomaizare. Regulaorul auoma are rolul de a prelua semnalul de eroare, (obţinu în urma comparaţiei mărimii de inrare y r şi a mărimii măsurae y, în elemenul de comparaţie) şi de a elabora la ieşire un semnal de comandă u penru elemenul de execuţie. y r exern ER inern + ECP _ y + ECS _ A RC EA A CM M u RA - regulaor auoma A - amplificaor RC - reea de corecie ER - elemen de prescriere a referinei EA - elemen de comanda manuala penru acordarea paramerilor RA ECP - elemen de comparaie principal ECS - elemen de comparaie secundar CM - bloc de comanda manuala Srucura de bază a unui regulaor auoma Regulaoarele auomae sun prevăzue cu un comuaor de recere de pe regim cu referinţǎ inernǎ pe regim cu referinţǎ exernǎ. Referinţa exernă se poae realiza : - prinr-un bloc specializa, - de la un regulaor auoma (monaj în cascadă) - de la un calculaor de proces. Trecerea de pe un regim de lucru pe alul se poae face manual (la aprecierea operaorului) sau auoma. Comuarea de pe un regim pe alul rebuie să se facă fără a se provoca şocuri pe canalul referinţei. Penru a realiza aces lucru rebuie prevăzue siseme de memorare a referinţei şi o semnalizare a modului de lucru.

2 7.2. Clasificare regulaoarelor Clasificarea RA dupa: ipul aciunii caracerisicile consrucive sursa de energie exerna agenul puraor de semnal RA cu aciune coninua RA unificae RA direce RA elecronice RA liniare: P, I, PI, PD, PID RA specializae RA indirece RA pneumaice RA neliniare: bipoziionale, ripoziionale RA hidraulice RA discree RA cu impulsuri modulae RA numerice După ipul acţiunii realizae: - regulaoare cu acţiune coninuă, la care eroarea şi comanda u variază coninuu în imp. În funcţie de legea de dependenţă înre inrare şi ieşire, regulaoarele po fi liniare, sau neliniare. Regulaoarele coninue liniare sun de ipul P, PI, PID, ec., şi cele neliniare po fi bipoziţionale sau ripoziţionale; - regulaoare cu acţiune discreă sun acele regulaoare auomae la care mărimea de ieşire u ese formaă înr-o succesiune de impulsuri, mărimea de inrare (eroare fiind o mărime coninuă. Impulsurile de la ieşirea blocului de reglare discreă po fi modulae în ampliudine sau duraă sau codificae, în aces caz regulaorul discre fiind de ip numeric. După srucura consrucivă: - regulaoare unificae, la care aâ mărimile de inrare câ şi mărimea de ieşire au aceeaşi naură fizică şi aceeaşi gamă de variaţie. Semnalele se numesc unificae, puând fi de ipul : 0,2 0, dan/cm 2, 2 0 ma c.c., 5 ma c.c., 0 0,5 V c.a., penru procese lene, şi V c.c., ma c.c., penru procese rapide. Regulaoarele unificae au avanajul ipizării, al inerschimbabiliăţii (elemenele componene po fi conecae în mod diferi) şi permi reglarea mărimilor de naură fizică diferiă; - regulaoare specializae sun desinae în exclusiviae reglării unei singure mărimi specifice dinr-o insalaţie ehnologică, având o consrucţie specifică. 2

3 Clasificarea RA dupa: ipul aciunii caracerisicile consrucive sursa de energie exerna agenul puraor de semnal RA cu aciune coninua RA unificae RA direce RA elecronice RA liniare: P, I, PI, PD, PID RA specializae RA indirece RA pneumaice RA neliniare: bipoziionale, ripoziionale RA hidraulice RA discree RA cu impulsuri modulae RA numerice După sursa de energie exerioară soliciaă de regulaoare: -regulaoare direce, aunci când nu ese necesară o sursă de energie exerioară, ransmierea semnalului realizându-se pe seama energiei din proces preluaă de raducorul de reacţie, -regulaoare indirece care folosesc o sursă de energie exerioară. Regulaoarele indirece realizează performanţe de reglare superioare celor direce. După agenul purăor de energie: - elecronice, la care mărimile de inrare şi de ieşire sun de naură elecrică (curenţi sau ensiuni); - pneumaice, u şi sun presiuni de aer; - hidraulice, la care inrarea ese o deplasare iar ieşirea u ese presiunea unui lichid. După vieza de răspuns a procesului condus : - regulaoare penru procese rapide, folosie penru reglarea mărimilor din insalaţii ehnologice care au consane de imp mici (de ordinul secundelor) - regulaoare penru procese lene, penru conducerea insalaţiilor ehnologice cu consane mai mari. După sensul mărimi de comandă în rapor cu paramerul măsura: - regulaoare cu acţiune direcă - regulaoare cu acţiune inversă 3

4 7.3. Regulaoare elecronice Regulaoare coninue liniare Din punc de vedere consruciv regulaoarele auomae coninue se bazează pe uilizarea unor amplificaoare elecronice prevăzue cu circuie de corecţie pe inrare şi pe reacţie. Realizarea legilor de reglare de căre regulaoare va depinde de acese două elemene: amplificaoarele uilizae şi circuiele de corecţie. COR AU () AF (2) AU - preamplificaor (de ensiune) AF - amplificaor final (de puere) COR - reea de corecie Conecarea elemenelor de corecţie în regulaoarele elecronice coninue La regulaoarele coninue, din punc de vedere funcţional, mărimile de inrare şi de ieşire sun de ip coninuu (mărimi analogice), dependenţa () u() fiind realizaă coninuu. Regulaoarele liniare realizează o dependenţă liniară înre u() şi (). Tipurile de regulaoare coninue liniare sun: P, PI, PD, PID. A. Regulaor cu acţiune proporţională (P) La aces regulaor, înre mărimea de inrare () şi cea de comandă u() se sabileşe o relaţie de proporionaliae : u () = KR () unde ese facorul de amplificare al regulaorului. () u() curba ideala curba reala Regulaor proporţional: variaţia reapa la inrarea regulaorului proporţional; răspunsul la inrarea reapă a regulaorului proporţional 4

5 Uneori, în locul facorului de amplificare se foloseşe o consană denumiă banda de proporţionaliae a regulaorului, noaă BP. Când domeniul de variaţie al erorii ese egal cu domeniul de variaţie al mărimii de comanda u (regulaoare unificae), domeniul de proporţionaliae se deermină din relaţia: BP = 00 % [ ] Dacă domeniile de variaţie inrare-ieşire diferă, domeniul de proporţionaliae ese da de relaţia: BP 00 Domeniul = Domeniul u [%] Banda de proporţionaliae reprezină procenul din domeniul penru care regulaorul P produce o comandă egală cu 00 % din domeniul u. Regulaoarele sun prevăzue prin consrucţie cu posibiliaea ajusării, înr-o gama largă, a facorului BP (ex %). B. Regulaor cu acţiune proporţional- inegrală (PI) Aces ip de regulaor reprezină o combinaţie înre un regulaor proporţional şi unul inegral. Legea de reglare a regulaorului PI conţine un ermen care reprezină acţiunea proporţională P şi un ermen care asigură efecul inegraor: u () = KR() + () d, T sau i cu T I consana de imp de inegrare (TI = Ti KR) u () = KR () + () d T I Prima forma reprezină ipul legii de reglare realizae de majoriaea regulaoarelor PI indusriale. () u() α=arcg( /T I ) Regulaor de ip PI: variaţia reapă a inrării ; răspunsul la reapă al ieşirii regulaorului de ip PI 5

6 C. Regulaor cu acţiune proporţional - derivaivă (PD) Un asfel de regulaor inroduce o componenă proporţională, similară cu aceea a regulaorului PI şi o componenăa derivaivă D ulima componenă inroducând o proporţionaliae înre mărimea de ieşire u şi derivaa în imp a mărimii de inrare,. Legea de reglare PD se exprimă prin: d () u () = KR () + Td, sau d u () = KR () + T D d () d Td Coeficienul T D = se numeşe consană de imp de derivare a regulaorului. În unele consrucţii de regulaoare, modificarea lui modifică T D, asfel încâ produsul KR TD ramâne consan. Prin uilizarea unui regulaor PD se reduce duraa regimului ranzioriu. () u() Regulaor de ip PD : variaţia reapă a inrării ; răspunsul la reapă al ieşirii regulaorului de ip PD 6

7 D. Regulaor cu acţiune proporţional inegral - derivaivă (PID) Regulaoarele PID sun unele din cele mai complexe regulaoare indusriale, asigurând performanţe de reglare superioare. Ele înglobează efecele proporional P, inegral I şi derivaiv D expuse mai sus, conform legii de reglare: d ( ) u () = KR () + () d Td T + sau d i d ( ) u () = KR () + () TD T + I d () u() α=arcg( /T I ) Regulaor de ip PID : variaţia reapă a inrării: răspunsul la reapă al ieşirii regulaorului de ip PID Regulaoarele PID, de consrucţie mai complexă decâ cele de ip P, PI, PD au rei parameri ce po fi acordaţi:, T I şi T D. 7

8 Regulaoare coninue neliniare A. Regulaoare bipoziţionale (regulaor de ipul «o sau nimic») Regulaoarele bipoziţionale sun frecven uilizae în sisemele de reglare unde nu se cer performanţe ridicae în ceea ce priveşe mărimea de ieşire din sisem y, accepându-se variaţii ale aceseia înre două limie a-priori fixae. Regulaoarele bipoziţionale se uilizează la reglarea proceselor care au o τ consană de imp dominană T PF şi impul mor τ mic, de obicei < 0,2. Dependenţa inrare-ieşire a unui regulaor bipoziţional: T PF u() u() +u m +u m 0 -u m - P 0 P -u m caracerisica ideală a unui regulaor bipoziţional; caracerisica reală a unui regulaor bipoziţional Caracerisica ideală a regulaorului, ca o caracerisică de ip releu ideal, um < 0 u () = Penru =0, ieşirea de comandă u a regulaorului poae fi ±u m. um > 0 Regulaoarele bipoziţionale se po realiza şi în variana în care salul mărimii de ieşire u să se încadreze înre două valori nesimerice în rapor cu nivelul zero. Se presupune de asemenea că regulaorul are o consană de imp proprie neglijabilă. În mod obişnui regulaoarele bipoziţionale au o caracerisică reală de ip releu, cu hiserezis: um penru < P si P < <+ P daca a recu prin p u () = + um penru > P si P < <+ P daca a recu prin + p Imposibiliaea obţinerii unor valori inermediare penru u înre u m şi + u m reprezină un dezavanaj al acesor regulaoare. 8

9 B. Regulaoare ripoziţionale Regulaorul ripoziţional oferă posibiliaea sabilirii unei valori suplimenare înre u m şi + u m penru mărimea de comandă. u() u() +u m +u m - P + - P 0 P - P 0 P - P -u m -u m Regulaor ripoziţional: caracerisica ideală; caracerisica reală um penru < P Dependenţa inrare-ieşire poae fi scrisă: u() = 0 penru P < <+ P + um penru >+ P Inervalul de variaţie a erorii ( p, + p) se numeşe zona moară a regulaorului. Penru unele realizări indusriale de regulaoare se realizează combinaţia înre un bloc cu caracerisica coninuă, ce funcţionează în regim de semnal mic şi un bloc de ip releu ce funcţionează la semnale mari, asigurând regimul de puere. 9

10 Regulaoare discree A. Regulaoare cu impulsuri Un regulaor funcţionând cu impulsuri nu primeşe eroare în mod coninuu, ci în mod discre. Prin eşanionare se preiau valorile insananee ale mărimii coninue () la inervale de imp fixe T, pe o duraă foare scură T, obţinându-se asfel semnalul discre ( k). Aces semnal consiuie inrarea în regulaor care, după prelucrarea erorii discree conform algorimului implemena prin srucura regulaorului, produce la ieşire o mărime de comandă u ( k), o sub formă de impulsuri, având aceeaşi frecvenţă /T cu cea a semnalului de la inrare. y r + _ RI E E * 2 u* u m ER EE P y Regulaor cu impulsuri(ri): E, E 2 : elemnee de eşanionare; ER elemen de reţinere; EE elemen de execuţie; P proces B. Regulaoare numerice Realizarea numerică a unei legi de reglare ese jusificaă în principal de urmăoarele considerene: precizia de realizare a legilor de reglare superioară regulaoarelor analogice posibiliaea de încadrare a regulaorului numeric inr-un SRA numeric complex în care să se realizeze şi funcţii de supraveghere, esări de limie, analize şi rapoare periodice, afişări grafice ale unor mărimi calculae sau de proces; penru procese lene, cu consane de imp mari, devine posibilă conducerea cu acelaşi regulaor numeric, în imp diviza, a mai mulor bucle de reglare; posibiliaea de inegrare a regulaorului numeric înr-un sisem ierarhiza, condus prin calculaor; posibiliaea modularizării prin program (sofware) a srucurilor de reglare (P,PI,PID, neliniare) a unor srucuri de reglare în cascadă, sau implemenarea unor algorimi de reglare evoluaţi (de exemplu conducerea dupa sare). 0

11 Eroarea * ese reprezenarea codificaă a erorii () obţinuă la mărimea y din proces, converiă numeric. Ca urmare a calculelor numerice ese realiza algorimul de reglare, obţinându-se valoarea numerică a semnalului de comandă u *. Aces semnal ese converi analogic şi menţinu în inervalul dinre două momene de eşanionare de un elemen de menţinere a valorii ER. I D * y r * u* u R EPN CN RA CN/A ER EE P + y* CA/N u m y Schema bloc a regulaorului numeric: EPN elemen de prescriere numerică a referinţei; CNcomparaor numeric; RA regulaor auoma; I inerfaţa; D display; ER elemen de reţinere; CA/N converor analog / numeric; CN/A converor numeric / analogic; EE elemen de execuţie; P proces La un sisem de reglare numerică apar o serie de blocuri specifice: blocul de calcul, care realizează algorimii de reglare prin prelucrarea erorii numerice * ( nt ); aces bloc realizează în principal operaţii de adunare, scădere, înmulţire, ransferuri, memorare. elemenul de prescriere numerică a referinţei; converoarele numeric/analogic şi analog/numeric; elemenul de comparaţie numerică, poae fi îngloba în blocul de calcul; afişarea grafică, prin inermediul inerfeţei I cu blocul de calcul şi cu secţiunea de memorie, a valorilor reprezenaive penru procesul de reglare.