Práce s PID regulátorem – regulace výšky hladiny v nádrži
Cíl úlohy • Zopakování základní teorie regulačního obvodu a PID regulátoru • Ukázka praktické aplikace regulačního obvodu na regulaci výšky hladiny v nádrži • Demonstrace reálných prvků regulačního obvodu a jejich propojení • Praktické procvičení práce s průmyslovým PID regulátorem – uživatelské úrovně, zapojení do regulačního obvodu, první seřízení • Praktické procvičení různých metod seřízení PID regulátoru a porovnání kvality regulace • Ukázka odezvy regulačního obvodu vnesení „poruchy“ do regulované soustavy • Demonstrace funkce pohonu regulačního ventilu, diagnostika stavu pohonu • Demonstrace použití dataloggeru pro sběr provozních dat
Vysvětlení pojmů – opakování z předmětu AŘ Regulační obvod – Systém tvořený regulovanou soustavu , regulátorem, akčním členem a měřícím členem Regulovaná soustava – Systém jehož nějaký provozní parametr je automaticky udržován na žádané hodnotě vhodnými zásahy regulátoru Regulátor – Člen, který na základě okamžité hodnoty regulační odchylky řídí činnost akčního členu, tak aby hodnosta regulační odchylky byla nulová Akční člen – Člen, který na základě povelů z regulátoru (akční veličiny) přímo ovlivňuje parametr regulované soustavy Měřící člen – Člen který snímá okamžitou hodnotu regulované veličiny Žádaná/řídící veličina (w) – požadovaná hodnota řízeného provozního parametru (nastavena uživatelem) Regulovaná/řízená veličina (y) – skutečná hodnota řízeného parametru Regulační odchylka (e) – rozdíl mezi žádanou a regulovanou veličinou (ideál e = 0) Akční veličina (u) – udává velikost akčního zásahu akčního členu Poruchová veličina/y (d) – vyjadřuje nežádoucí a nepředvídatelné vlivy, které ovlivňují regulovanou veličinu Další podklady pro samostudium viz Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.
Topologie regulační obvodu
Více regulačních obvodech viz kap.7 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.
Regulační obvod – regulátor v širším smyslu
Aplikace regulačního obvodu v praxi – regulace výšky hladiny v nádrži
PID regulátor jako ústřední člen PID (proporcionálně – integračně – derivační) regulátor jako ústřední člen zajišťuje svým přenosem – kauzální závislost mezi vstupem (regulační odchylka - e) a výstupem (akční veličina - u) - takové nastavení akčního členu aby byla trvalá regulační odchylka pokud možno nulová. Při vzniku přechodového stavu vlivem změny hodnoty žádané veličiny w nebo vnesením poruch d zajišťuje PID regulátor to, aby byl návrat do ustáleného stavu pokud možno co nejrychlejší a bez překmitů. Chování PID regulátoru lez popsat vztahem: 𝑡
𝑢 𝑡 = 𝑟0 × 𝑒 𝑡 + 𝑟𝐼 × 0
𝑑𝑒(𝑡) 𝑒 𝜏 𝑑𝜏 + 𝑟𝐷 × + 𝑢0 𝑑𝑡
Kde konstanty regulátoru přestavují : r0 je proporcionální konstanta (zesílení) TI = r0/rI je integrační časová konstanta TD = rD/r0 je derivační časová konstanta
Kvalita regulace se odvíjí od správného nastavení konstant regulátoru, které je závislé na přenosu regulované soustavy. Více teorii PID regulátoru viz kap.6 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.
Provedení reálných PID regulátorů Průmyslové PID regulátory • • • • • • • •
Komerčně vyráběný přístroj na bázi číslicových obvodů Široce programovatelný na několika uživatelských úrovních Mimo základních PID funkce regulátor je regulátor vybaven celou řadou pomocných (alarmová, rampová, „auto-tune“, kontrola signálu, horní a dolní mez, atd.) Jsou používány pro jednodušší aplikace pro regulace jednoduchých systémů. Pokročilejší typy umožňují spolupráci s nadřízenými nebo podřízenými regulátory v rámci tzv. kaskádní regulace Pracují s normalizovanými signály (nejčastěji: napěťové 0-10V, proudové 4-10 mA) Komunikace s ostatními přístroji (PLC, dataloggery) pomocí protokolu RS232, EIA485, Modbuss případně USB Cena nejběžnějších modelů 5000 – 10 000 Kč
Více o reálných PID regulátorech viz Hlava, J., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2000). Prostředky automatického řízení II: Analogové a číslicové regulátory, elektrické pohony, průmyslové komunikační systémy 1. vyd. Praha: ČVUT.
Provedení reálných PID regulátorů Příklady průmyslových PID regulátorů
Provedení reálných PID regulátorů Realizace PID regulátoru pomocí průmyslového počítače (PLC) • • • • • •
Funkce PID regulátoru je realizována pomocí vhodným naprogramováním této funkce do průmyslového počítače (PLC) Jeden takový přístroj pak může nahrazovat několik těchto PID regulátorů a řídit již poměrně složité procesy, včetně tzv. kaskádního řízení několika PID regulátorů Výhodou je jednodušší údržba a možnost pružnějších zásahů do systému Nevýhodou je složitější realizace díky vyšším nárokům na schopnosti programátora PLC Praktické aplikace: Výrobní linky, výrobní stroje, letectví, vojenská technika Cena nejběžnějších PLC - od 15 000 Kč Příklady PLC
Provedení reálných PID regulátorů Realizace PID regulátoru v rámci řídícího systému (I&C / MaR) velkých technologických celků • • • • •
Funkce PID regulátoru je realizována pomocí pomocí centrálního řídícího systému Přenos informace k akčním členům je realizován po průmyslové sběrnici stejně jako přenos informace o změně žádané hodnoty od obsluhy Jeden řídící systém zpravidla řídí celý složitý provoz a realizuje funkci mnoha PID regulátorů Provoz celého systému se řídí pomocí předefinovaných regulačních programů a algoritmů Praktická aplikace: Elektrárny, chemické závody, výrobní linky, řízení dopravy
Metody seřízení PID regulátoru • Seřízení regulátoru pomocí experimentálně zjištěného kritického zesílení a kritické frekvence (metoda Zieglera a Nicholse kritických parametrů) • Seřízení regulátoru podle přechodové charakteristiky soustavy (metoda Ziegleara a Nicholse přechodové charakteristiky) • Seřízení regulátoru pomocí metody relé • Seřízení regulátoru metodou „pokus-omyl“ • Seřízení regulátoru podle zvolených kořenů charakteristické rovnice uzavřeného regulačního obvodu • Seřízení regulátoru s využitím kompenzačního zařízení Více k metodám seřízení PID regulátoru viz kap.10 Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické.
Úkoly v rámci cvičení 1) Proveďte nastavení PID regulátoru (uvedení přístroje do provozu) 2) Uveďte zařízení do provozu sledujte funkci PID regulátoru. Proveďte několik změn žádané veličiny nebo poruchové veličiny a sledujete následnou přechodovou charakteristiku. 3) Proveďte seřízení PID pomocí metody „Ziegleara a Nicholse přechodové charakteristiky“ 4) Proveďte seřízení PID regulátoru pomocí metody „Pokus omyl“ Protokol z měření bude obsahovat: • Záznam přechodové charakteristiky z dataloggeru pro body 2 až 4 a výpis nastavených konstant regulátoru. • Slovní komentář hodnocení kvality regulace pro body 2 až 4. • V závěru bude provedeno zhodnocení a porovnání všech zaznamenaných nastavení PID regulátoru. Případě nevyhovujících výsledků bude provedeno jejich odůvodnění a budou navrženy postupy k dosažení lepší kvality regulace. Podklady pro cvičení: Hofreiter, M., & České vysoké učení technické v Praze. Strojní fakulta. (2012). Základy automatického řízení 1. vyd. V Praze: České vysoké učení technické. (lze vypůjčit v NTK) Uživatelská příručka k PID regulátoru Ht40B a dataloggeru Ht810 firmy HTH8 (budou k dispozici na cvičení v tištěné formě). http://www.hth8.cz/cs/41-pid-regulatory/5-ht40b.html http://www.hth8.cz/cs/56-dataloggery/63-ht810.html
