PRIEMYSELN ELEKTROTECHNIKA Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI

  • Slides: 25
Download presentation
PRIEMYSELNÁ ELEKTROTECHNIKA Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice

PRIEMYSELNÁ ELEKTROTECHNIKA Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice

Nespojité regulačné obvody Úvod Bloková schéma regulačného obvodu s riadiacim počítačom.

Nespojité regulačné obvody Úvod Bloková schéma regulačného obvodu s riadiacim počítačom.

Nespojité regulačné obvody Nespojité regulátory Nespojitý regulátor je charakteristický tým, že jeho výstupný signál

Nespojité regulačné obvody Nespojité regulátory Nespojitý regulátor je charakteristický tým, že jeho výstupný signál (akčná veličina) nezávisí spojité na vstupnom signále (regulovanej veličine). Akčná veličina sa teda nemení spojité ale môže nadobudnúť iba obmedzeného počtu hodnôt , pričom zmena z jednej hodnoty na druhu prebieha skokom. Pre akčný člen nespojitého regulátora to znamená, že môže zaujímať iba dve alebo viac pevných polôh. Podľa počtu týchto polôh rozdeľujeme regulátory na dvojpolohové a viacpolohové. Nespojité regulátory patria pre svoju jednoduchú konštrukciu a cenovú dostupnosť medzi najrozšírenejšie regulátory. Sú založené na elektro-mechanickom princípe s kontaktnými spínačmi alebo sú elektronické príp. mikroprocesorové s bezkontaktnými spínačmi.

Nespojité regulačné obvody Číslicové spracovanie signálu V súvislosti s využívaním počítačovej techniky v riadení

Nespojité regulačné obvody Číslicové spracovanie signálu V súvislosti s využívaním počítačovej techniky v riadení procesov sa objavili niektoré nové problémy, ktoré bolo nutne treba riešiť: 1. Číslicové spracovanie signálu, 2. Číslicová filtrácia signálu, 3. Ukážky simulácie nespojitých obvodov. Ukážka výsledku vzorkovania signálu s rôznou periódou Ts Je zrejmé, že priebeh a tým aj vypovedajúca úroveň číslicového signálu bude závisieť na perióde vzorkovania Ts.

Nespojité regulačné obvody Číslicové spracovanie signálu Perióda vzorkovania musí byť volená s ohľadom na

Nespojité regulačné obvody Číslicové spracovanie signálu Perióda vzorkovania musí byť volená s ohľadom na rýchlosť priebehu (hodnoty časových konštánt) riadiaceho procesu. Shannon-ov vzorkovací teorém: pre periódu vzorkovania musí platiť, že frekvencia vzorkovania musí byť Aspoň 2 -krát väčšia ako je najmenšia perióda signálu. Ts – doba vzorkovania Tmin – najmenšia perióda signálu V praxi sa však doporučuje voliť periódu vzorkovania dvakrát až päťkrát menšiu ako to vychádza z rovnice pre vzorkovací teorém.

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia Spojité regulátory sa v praxi osvedčili natoľko, že realizácia

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia Spojité regulátory sa v praxi osvedčili natoľko, že realizácia ich funkcií bola prevedená i do číslicových algoritmov. Pri prevode funkcií boli spojité operácie (integrácia, derivácia) nahradené numerickými formulami. Príklad matematického popisu funkcie regulátora PI:

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia Príklad matematického popisu funkcie regulátora PI: Podobným spôsobom môžeme

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia Príklad matematického popisu funkcie regulátora PI: Podobným spôsobom môžeme odvodiť i algoritmus pre číslicovú variantu regulátora PID (nazýva sa niekedy aj PSD). Je treba si uvedomiť, že vlastne pribudol ďalší parameter regulátora, pretože akční zásah nezávisí iba na hodnotách zosilnenia a časovej integračnej konštanty, ale tiež na veľkosti periódy vzorkovania.

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia u e – regulačná odchýlka, u – akčný zásah

Nespojité regulačné obvody Číslicová regulácia u e – regulačná odchýlka, u – akčný zásah (výstup z reguátora) u Záznam regulačného pochodu s číslicovým regulátorom

Nespojité regulačné obvody Číslicová filtrácia signálu Merané signály bývajú v praxi často zhoršené tzv.

Nespojité regulačné obvody Číslicová filtrácia signálu Merané signály bývajú v praxi často zhoršené tzv. šumom, t. j. náhodným rušivým signálom o frekvencii vyššej ako je frekvencia užitočného signálu. Skreslenie signálu šumom a vzorkovaním

Nespojité regulačné obvody Číslicová filtrácia signálu Príklad jednoduchého filtra pre potlačenie signálu o vyšších

Nespojité regulačné obvody Číslicová filtrácia signálu Príklad jednoduchého filtra pre potlačenie signálu o vyšších frekvenciách, ktorý je matematický popísaný diferenciálnou rovnicou sústavy 1. radu. y. M – meraná hodnota y. F – filtrovaná hodnota TF – časová konštanta filtra Exponenciálny filter y. Fn – nová filtrovaná hodnota (v aktuálnom čase t) y. Fs – filtrovaná hodnota o periódu späť (v čase t - TS) KF – koeficient filtrácie

Nespojité regulačné obvody Ukážky simulácie nespojitých obvodov Perióda vzorkovacej funkcie T = 5 Perióda

Nespojité regulačné obvody Ukážky simulácie nespojitých obvodov Perióda vzorkovacej funkcie T = 5 Perióda vzorkovania Ts = 0, 5 Perióda vzorkovania Ts = 1. 25 Vzorkovanie zašumeného signálu Perióda vzorkovania Ts = 0, 2 Filtračná konštanta KF = 0, 5 Perióda vzorkovania Ts = 1, 25 Filtračná konštanta KF = 0, 1

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor Je najjednoduchším nespojitým regulátorom. Ak poklesne skutočná hodnota regulovanej

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor Je najjednoduchším nespojitým regulátorom. Ak poklesne skutočná hodnota regulovanej veličiny y pod žiadanú hodnotu yw, nadobudne akčná veličina určitú pevnú hodnotu xmax. Ak však skutočná hodnota prekročí regulovanú žiadanú hodnotu yw, nadobudne akčná veličina inú pevnú hodnotu xmin spravidla nulovú. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Membrána Pevný kontakt Pohyblivý kontakt Nastavenie yw Železná doštička magnet Dvojpolohový regulátor

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor Vlastnosti regulátora môžeme vyjadriť pomocou jeho statických charakteristík. Dvojpolohový

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor Vlastnosti regulátora môžeme vyjadriť pomocou jeho statických charakteristík. Dvojpolohový regulátor Charakteristika dvojpolohového regulátora a) S nulovou hysteréziou, b) teoretická charakteristika s hysteréziou h c) Reálna charakteristika s hysteréziou h Hysterézia síce odstráni nežiaduce skokové zmeny hodnoty výstupnej veličiny dvojpolohového regulátora, ale súčasne, je príčinou zníženia presnosti regulácie a vzniku pásma kolísania regulovanej veličiny.

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu kontaktné relé.

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu kontaktné relé. Regulačný obvod pre reguláciu teploty Priebeh regulovanej a akčnej veličiny pri regulácií jednokapacitnej statickej sústavy dvojpolohovým regulátorom

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu y yh

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu y yh h w T yd 0 t Aby sme mohli posúdiť kvalitu regulácie zavedieme tieto charakteristické veličiny regulačného pochodu: Yk (h)– rozsah v ktorom regulovaná veličina periodicky kmitá, T – doba trvania kmitu u nespojitého regulátora, f – počet zapnutí/ vypnutí za jednotku času. akční veličina x t Možný priebeh regulovanej veličiny y(t) pri riadení na konštantnú hodnotu s priebehom akčnej veličiny

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu Zo vzťahu

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou 1. radu Zo vzťahu pre výpočet frekvencie spínania je zrejmé, že pri zmenšovaní hysterézie h alebo pri skracovaní doby nábehu Tn sa frekvencia spínania zvyšuje, a to nepriaznivo ovplyvňuje životnosť regulátora. Vlastnosti sústavy nemajú vplyv na šírku pásma kmitania regulovanej veličiny. Priebeh regulovanej a akčnej veličiny pri regulácií jednokapacitnej statickej sústavy dvojpolohovým regulátorom

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou vyššieho radu Kmitanie regulovanej

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou vyššieho radu Kmitanie regulovanej veličiny sa neobmedzuje iba na pásmo vymedzené hysteréziou regulátora, ale jej kmitanie je omnoho väčšie o veľkosť doby presahu Tu. Až po uplynutí tejto doby sa začne regulovaná veličina zmenšovať. Podstatný vplyv na šírku pásma kmitania regulovanej veličiny Yk a tým aj na kvalitu regulačného pochodu má v tomto prípade regulovaná sústava. Šírka pásma kmitania reg. veličiny Yk. Dvojkapacitná sústava s dvojpolohovým regulátorom

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou vyššieho radu Doba rozbehu

Nespojité regulačné obvody Dvojpolohový regulátor v obvode s regulovanou sústavou vyššieho radu Doba rozbehu Tr – doba, za ktorú skutočná hodnota regulačného obvodu dosiahne žiadanej hodnoty. Túto dobu je možné ovplyvniť voľbou rozsahu akčnej veličiny. Priebeh regulovanej veličiny a akčnej veličiny pri rôznych hodnotách rozsahu akčnej veličiny

Nespojité regulačné obvody Spôsoby zlepšenia kvality regulačného procesu Zlepšenie kvality regulačného procesu znamená predovšetkým

Nespojité regulačné obvody Spôsoby zlepšenia kvality regulačného procesu Zlepšenie kvality regulačného procesu znamená predovšetkým zmenšenie jeho charakteristickej veličiny Yk. 1. 2. 3. 4. zmenšenie hysterézie h, Skrátenie doby presahu Tu, Predĺženie doby nábehu Tn, Zmenšenie rozsahu akčnej veličiny.

Nespojité regulačné obvody Trojpolohový regulátor Akčný člen trojpolohového regulátora môže zaujať tri pevné polohy.

Nespojité regulačné obvody Trojpolohový regulátor Akčný člen trojpolohového regulátora môže zaujať tri pevné polohy. Tretiu hodnotu akčnej veličiny treba vhodne zvoliť, pretože tým môžeme zlepšiť kvalitu regulačného pochodu v porovnaní s dvojpolohovým regulátorom. Charakteristika trojpolohového regulátora

Nespojité regulačné obvody Regulačný obvod s trojpolohovým regulátorom Pre skvalitnenie regulačného procesu môžeme použiť

Nespojité regulačné obvody Regulačný obvod s trojpolohovým regulátorom Pre skvalitnenie regulačného procesu môžeme použiť trojpolohový regulátor, u ktorého môžeme nastaviť celkom tri hodnoty akcnej veličiny. Priebeh regulovanej veličiny a akčnej veličiny při regulácií dvojkapacitnej sústavy trojpolohovým regulátorom s reguláciou trojuholník – hviezda - vypnuté

Nespojité regulačné obvody Resumé Všetky doteraz uvedené skutočnosti sa týkali tzv. dvojpolohových regulátorov bez

Nespojité regulačné obvody Resumé Všetky doteraz uvedené skutočnosti sa týkali tzv. dvojpolohových regulátorov bez spätnej väzby. Najdôležitejším parametrom, ktorý pri návrhu regulačného obvodu s nespojitým regulátorom musíme posúdiť, je veľkosť pásma Dy kolísania regulovanej veličiny y. Jedná sa vlastne o presnosť regulácie. Je treba zvážiť, aké sú praktické možnosti spresnenia procesu riadenia. Preukázalo sa, že: Najúčinnejším opatrením, ktoré vedie k zrušeniu pásma kolísania regulovanej veličiny, je zavedenie spätnej väzby z výstupu regulátora na jeho vstup. Výstupná veličina regulátora (akčná veličina regulačného obvodu) má i v tomto prípade impulzný charakter, ale jej frekvencia sa podstatne zvýši a pásmo kolísania sa výrazne zníži. Niekedy sa tento typ nespojitých regulátorov označuje ako regulátory s kvazispojitým chovaním.

Ukážky typických nespojitých regulátorov

Ukážky typických nespojitých regulátorov

Ukážky typických nespojitých obvodov

Ukážky typických nespojitých obvodov

ĎAKUJEM ZA VAŠU POZORNOSŤ Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice

ĎAKUJEM ZA VAŠU POZORNOSŤ Katedra teoretickej a priemyselnej elektrotechniky FEI TU Košice