Лабораторная работа №5 «Исследование различных типов регуляторов»
Цель: настроить поддержание заданного уровня в баке разными видами регуляторов – с аналоговым и дискретным выходом. Сравнить регуляторы, выявив их основные положительные и отрицательные черты. Настроить регулятор с учётом возмущающего воздействия.
Введение
Блок BI200 предназначен для эмуляции показаний приборов, измеряющих параметры физического процесса заполнения бака жидкостью (температура и уровень в баке, налив из трубы возмущения и т.д.), он предоставляет возможность изменять параметры объектов, участвующих в процессе (высота бака, инерционность термопары и т.д.), подробное описание блока находится в руководстве по эксплуатации. Следует заметить, что при проведении работ без специальных указаний и/или осознания происходящего процесса не следует изменять положение ручек блока, это может привести к недостоверности результатов работы. Внешний вид блока показан на рисунке 41.
Рисунок 41 – Внешний вид блока
Характеристики выходов:
• XP7 I_VALVE налив моторезистора 0-1,25В;
• XP9 MIXER уровень в смесителе 0-2,5В;
• XP8 I_PUMP налив через АИ 0-1,25В;
• XP11 TEMP_STORAGE температура в баке 0-2,5В;
• XP10 STORAGE уровень в баке 0-2,5В;
• XP4 TEMP_SLIV температура датчика слива 0-2,5В;
• XP12 I_PERT налив из трубы возмущения 0-0,625В.
Характеристики входов:
• ХР1 дискретный вход управления задвижкой (открытие-закрытие);
• ХР5 аналоговый вход налива горячей воды.
Переключатели, задающие режим работы:
• SA1 – режим работы;
• SA2 – длина трубы;
• SA3 – инерционность термопары;
• SA4 – площадь дна бака;
• SA5 – возмущение;
• SA6 – площадь дна смесителя.
Схема технологического процесса, имитируемая блоком, представлена на рисунке 42.
Рисунок 42 – Схема технологического процесса, имитируемая блоком BI200
Управление:
• К1 – ручное управление задвижкой.
Имеется экран, отображающий показания датчиков, в зависимости от режима работы (режима отображения) отображает:
• 1 уровень бака;
• 2 температура смесителя;
• 3 температура бака;
• 4 температура датчика слива.
Моноблок MB100 предоставляет ценные для данной работы возможности:
• ввод аналоговых сигналов среднего и низкого уровня от датчиков, преобразующих физические величины в электрическое напряжение постоянного или переменного тока;
• ввод дискретных, частотных и числоимпульсных сигналов;
• вывод аналоговых сигналов;
• релейное и ПИД-регулирование (аналоговое и ШИМ).
Модуль PC100 в данной работе выступает в роли устройства передачи данных с моноблока на верхний уровень (компьютер).
Для целей регулирования можно использовать разные виды регуляторов и каждый из них обладает своими положительными и отрицательными сторонами.
Моноблок МВ100 позволяет использовать как регуляторы с аналоговым (пропорциональным) выходом – заполнение бака горячей водой, так и импульсным (ШИМ) выходом – заполнение бака холодной водой.
Для того чтобы приступить к конфигурированию и настройке регуляторов необходимо включить систему модулей в опрос, отобразить их в программе MWBridge и перейти к настройкам конкретного моноблока (МВ100).
Часто при регулировании одной величины (например, уровень жидкости в баке) на неё оказывает влияние не только переменная с помощью которого осуществляется регулирование (мощность налива жидкости из трубы или положение управляющей задвижки), но и некоторое другое возмущающее воздействие (дополнительная труба налива жидкости, не поддающаяся управлению, а лишь учёту).
Перед выполнением лабораторной работы проконсультироваться у преподавателя о положении ручек SA* для вашей работы.
Этапы настройки ПИД-регулятора:
Вычисление постоянной времени объекта регулирования.
Так как известно, что процесс нагревания можно в первом приближении характеризовать инерционным звеном первого порядка с запаздыванием, то для определения постоянной времени объекта интегрирования необходимо подать на объект управления ступенчатое возмущающее воздействие, по виду переходной характеристики, как это показано на рисунке 43 определить искомую величину.
Рисунок 43 – Определение постоянной времени объекта регулирования
Настройка пропорциональной компоненты ПИД-регулятора (коэффициент усиления).
Установить необходимое значение уставки. Значение зоны пропорциональности сделать равным 0.
В этом случае регулятор будет выполнять функции двухпозиционного регулятора.
После этого регистрируется переходная характеристика. Внешний вид переходной характеристики двухпозиционного регулятора представлен на рисунке 44.
Рисунок 44 - Внешний вид переходной характеристики двухпозиционного регулятора
Туст - уставка, задаваемая температура.
ΔТ – размах колебаний температуры.
Δt – период колебаний температуры.
Далее необходимо установить значение зоны пропорциональности равное размаху колебаний температуры. Это значение – первое приближение для зоны пропорциональности.
После следует проанализировать переходную характеристику и при необходимости скорректировать значение зоны пропорциональности.
Рисунок 45 – Возможные типы переходных характеристик при ненулевом значении зоны пропорциональности
Переходная характеристика типа 1
Значение зоны пропорциональности очень мало. Переходная характеристика далека от оптимальной, зону пропорциональности необходимо увеличивать.
Переходная характеристика типа 2
В переходной характеристике затухающие колебания (5-6 периодов). Если в дальнейшем предполагается использовать и дифференцирующую компоненту регулятора, то выбранное значение зоны пропорциональности является оптимальным. Для этого случая настройка зоны пропорциональности считается законченной
Если в дальнейшем дифференцирующая компонента использоваться не будет, то рекомендуется увеличить зону пропорциональности (до характеристик 3-4).
Переходная характеристика типа 3
В переходной характеристике небольшой выброс и быстрое затухание колебаний (1-2 периода). Этот тип характеристики обеспечивает хорошее быстродействие и быстрый выход на заданную температуру. В большинстве случаев его можно считать оптимальным.
Переходная характеристика типа 4
Температура плавно переходит к установившемуся значению без выбросов и колебаний. Этот тип также можно считать оптимальным, однако быстродействие регулятора несколько снижено
Переходная характеристика типа 5
Сильно затянутый переход к установившемуся значению, то есть зона пропорциональности велика. Динамическая и статическая точность очень малы.
Во всех рассмотренных случаях установившееся значение не совпадает со значением уставки.
Чем больше зона пропорциональности, тем больше остаточное рассогласование.
Длительность переходных процессов тем больше, чем выше зона пропорциональности.
Таким образом, нужно стремиться к как можно меньшей зоне пропорциональности.
Настройка интегральной составляющей (в данном типе регулятора подбирается автоматически).
На рисунке 46 представлены возможные типы переходных характеристик при различных значениях интегральной компоненты.
Рисунок 46 – Возможные типы переходных характеристик при различных значениях интегральной компоненты
После настройки пропорциональной компоненты получается характеристика 1. Интегральная компонента предназначена для того, чтобы убрать остаточной рассогласование между установившимся значением и уставкой.
Настройки интегрирующей компоненты следует начинать со значения Тинт=Δt.
Кривая 2 получается при чрезмерно большой величине постоянной времени интегрирования. Выход на уставку затянут - (3÷4τ).
Переходная характеристика типа 4 получается при слишком маленьком времени интегрирования. Если постоянную времени уменьшить еще больше, в системе могут возникнуть колебания.
Характеристика типа 3 – оптимальная.