Automatyka w inżynierii środowiska

Automatyka winżynieriiśrodowiskaWykład 1

Wstępne informacje• Podstawa zaliczenia wykładu: kolokwium – 21.01.2012• Obecność na wykładach: zalecana.• Zakres tematyczny przedmiotu: (10 godzin wykładów)• Standardowe algorytmy regulacji i sterowania• Regulatory w inżynierii środowiska• Charakterystyka i zasady doboru regulatorów cyfrowych• Programowanie sterowników swobodnie programowalnych• Rozdzielnice zasilająco-sterujące w systemach automatyki• Komputerowe systemy telemetrii i nadrzędnego sterowania• Komputerowe systemy zarządzania infrastrukturą techniczną wbudynkach• Komputerowe systemy zarządzania energią

LITERATURA1. Kowal J.: Podstawy automatyki. Kraków 20032. Chmielnicki W.: Regulacja automatyczna urządzeń ciepłowniczych. Warszawa 1997.3. Zawada B.: Układy sterowania w systemach wentylacji i klimatyzacji. Warszawa 2006.4. Syposz J., Jadwiszczak P.: Zintegrowane systemy zarządzania energią w budynkach.PAN. 20075. Praca zbiorowa.: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik. C.F.Muller. 2002.6. Lewermore G.J.: Building Energy Management Systems. New York, London 2000.

Standardowe algorytmyregulacji i sterowania

Rodzaje regulacji• Regulacja stałowartościowa polega na utrzymaniu stałejwartości wielkości regulowanej. Wartość zadana pozostajena stałym poziomie niezależnie od zakłóceń działających naukład (jest zdeterminowana w = const). Działanie układuregulacji automatycznej prowadzi do eliminowania wpływuzakłóceń na wielkość regulowaną.• Jest to najczęściej stosowany rodzaj regulacji.

Regulacja stałowartościowa•Regulacja temp. w pomieszczeniuz 1 z 2 z 32Tz 5z 4yw1u3

Regulacja stałowartościowa• Regulacja temperatury powietrza nawiewanego.z 1z 2+5y4T23u1y mw

Przykład regulacji stałowartościowej•Regulacja poziomu wody w zasobnikuu1wyz 1P 124h3z 2 V 2

Przykład regulacji stałowartościowej•Regulacja temperatury wody w zasobniku(podgrzewaczu pojemnościowym).

Regulacja programowa• Regulacja programowa utrzymuje zmienną w czasiewartość wielkości regulowanej zgodnie z zadanymprogramem zmiany wartości zadanej (w=w(t)).• Typowym przykładem regulacji programowej wsystemachogrzewania pomieszczeń jest okresowe obniżanietemperatury powietrza do poziomu temperatury dyżurnej wgodzinach nocnych lub wdni wolne od pracy.

Regulacja programowa temperaturyogrzewanych pomieszczeńNOCpraca instalacjiogrzewaniaz osłabieniemDZIEŃnormalna pracainstalacjiogrzewaniaNOCpraca instalacjiogrzewaniaz osłabieniemt i °C+20+130:00 7:00 17:00 24:00czas

Okresowe osłabienia instalacji OWKPRACA 17.00OGRZEWANIE DYŻURNE7.00 PRACATi °C+20+13Qco100%83%OSZCZĘDNOŚĆ120%PRACA(20°C)WYCHŁADZANIEPODTRZYMANIE(+13°C)ROZGRZEWANIEPRACA(20°C)

Okresowe osłabienia instalacji OWKRzeczywisty przebieg procesuTemperaturazadana+20°CPrzy umiarkowanejtemp. zewnętrznejTemperaturadyżurna +13°CProgramoptymalnyPrzy niskiejtemperaturzezewnętrznejLiniazałączeniarozgrzewaniaKoniec okresuzajętościOkres braku zajętościNajdłuższy okresrozgrzewaniaPoczątekokresuzajętości

Optymalizacja czasu włączenia i wyłączeniaogrzewania• τ=f (?)ObecnośćOptymalnyczas startuOptymalnyczas stopuOszczędnośćenergiiNocNocCzas

Regulacja stałowartościowa sekwencyjna• Regulacja stałowartościowa sekwencyjna stosowana jestwprzypadku gdy dla utrzymania stałej wartości wielkościregulowanej konieczna jest współpraca regulatora zdwomalub więcej elementamiwykonawczymi.y=t iTu chu gyw

Regulacja nadążna(kompensacyjna)• Regulacja nadążna ma za zadanie nadążne korygowaniewartości wielkości regulowanej stosownie do aktualnejwartości zadanej, która zmienia się w sposóbniezdeterminowany, tzn. trudny do przewidzenia (w=w(?))• Wogrzewaniach wodnych temperatura czynnika grzejnegozasilającego instalację wewnętrzną tzco (jako wielkośćregulowana y) w procesie regulacji nadąża za zmianamitemperatury powietrza zewnętrznego tzew (wartością zadanąw)• Regulacja ta potocznie jest nazywana regulacją pogodową

Regulacja nadążna (pogodowa?)y' = t w6T1wu 2y mTt zco3y574

Wykres regulacji jakościowej c.o.t zco [°C]9080706050t zco =f(t zew )403020100- 20 -10 0 10t zew [°C]

Regulacja nadążna kaskadowa• Regulacja nadążna kaskadowa stosowana jest doregulacji temperatury wsystemach wentylacji iklimatyzacjiw celu uzyskania wysokiej jakości regulacji poprzezkompensację własności dynamicznych obiektu regulacji.• Wprocesie regulacji zakłada się kaskadowe działanie dwuregulatorów, regulatora głównego (wiodącego) orazregulatora pomocniczego (nadążnego).• Obydwa regulatory w regulatorach cyfrowych mogą byćzaprogramowane wjednym urządzeniu.

Schemat układu kaskadowej regulacjitemperatury powietrza w pomieszczeniuwentylowanym• Temperatura powietrza nawiewanego tN (jako wielkość pomocnicza y1)utrzymywana jest przez regulator 1 na poziomie zadawanym przezregulator 2 nadążnie za aktualną wartością temperatury powietrzawywiewanego tW (główna wielkość regulowana y2).t WTt iTt Nu 11y 1u 22y 2w=t i

Przykład zastosowania regulacjikaskadowej• Wykres zależności temperatury powietrza nawiewanego odtemperatury powietrza wywiewanego stosowany w układachregulacji kaskadowejabt N [°C]30t N maxt N =f(±Δt)t Nt N max12t N mint N min-Δtt i+Δtt W [°C]-1K t i +1Kt W

RegulatoryRegulator w układzie regulacjizw e u yobiekt regulacjiurządzenie_regulatorwykonawczeobiektregulacjiy melementpomiarowyy

Kryteria podziału regulatorówBiorąc pod uwagę sposób dostarczenia energii potrzebnejdo napędu elementu wykonawczego wyróżnia się;–regulatory bezpośredniego działania, którecharakteryzują się tym, że energię potrzebną do napęduelementu wykonawczego pobierają zobiektu regulacji zapośrednictwem elementu pomiarowego (np. regulatorytemperatury, ciśnienia, przepływu itp.),–regulatory o działaniu pośrednim, zasilane w energiępomocniczą z obcego źródła (np. elektryczne,elektroniczne).

Kryteria podziału regulatorówRegulatory zasilane energią pomocniczą dzieli się na:-elektryczne i elektroniczne,-pneumatyczne-hydrauliczne,- mechaniczne.

Kryteria podziału regulatorówW zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżnia sięregulatory:- o wyjściu (sygnale) ciągłym (ciągła zależność pomiędzywielkością regulowaną y a odchyłką regulacji e wokreślonym zakresie nastaw wielkości regulowanej y,-owyjściu nieciągłym: dwustawne (załącz/wyłącz), trójstawne(otwórz/spoczynek/zamknij)- quasi-ciągłe (kombinacja regulatora trójstawnego zokreślonym napędem).Pod względem zmiany sygnału wyjściowego można podzielićregulatory na: analogowe i cyfrowe.

Sygnały (wejściowe/wyjściowe) regulatoraW regulatorach elektrycznych sygnały wprowadzane iwyprowadzane z regulatora dzielimy na sygnałyanalogowe Aoraz sygnały cyfrowe D.Wtechnice grzewczo-wentylacyjnej jako standardowe sygnałyanalogowe wejściowe iwyjściowe stosuje się:-napięcie ozakresie 0/2 do 10 V,-prąd0/4 do 20 mA,-ciśnienie (regulatory pneumatyczne) 0,2 do 1,0 barSygnały cyfrowe wejściowe iwyjściowe interpretowane sąjakoinformacja lub polecenie załącz/wyłącz.

Własności dynamiczne regulatorówPodstawowym kryterium podziału regulatorów sąich własnościdynamiczne, określające związek pomiędzy sygnałemwyjściowym a odchyłką regulacji jako sygnałemwejściowym.Ze względu na własności dynamiczne rozróżniamy regulatory:-proporcjonalne typu P,-całkujące typu I,-proporcjonalno-całkujące typu PI,-proporcjonalno-różniczkujące typu PD,-proporcjonalno-całkująco-różniczkujące typu PID.

Własności dynamiczne regulatorówCharakterystyka dynamiczna regulatora jest opisywana wpostaci transmitancji jako stosunek transformaty U(s)sygnału wyjściowego – wielkości sterującej u(t), dotransformaty E(s) sygnału wejściowego –uchybu regulacjie(t).G ( s)= rU ( s)E(s)

Charakterystyki dynamiczne regulatorów(graficzne – odpowiedzi na zakłócenie skokowe)PK puK ptPIKp⎛ ⎜1+⎝1T si⎟ ⎞⎠uK pT iK pt

Charakterystyki dynamiczne regulatorówPD K ( 1 T s)p+duK ptPID – idealnyKp⎛ 1⎟ ⎞⎜1+ + Tds⎝ Tis ⎠uK ptPID - rzeczywistyKp⎛ 1⎜1+⎝ Tis+Tds⎟ ⎞Ts + 1⎠uK pt

Charakterystyki dynamiczne regulatorówWielkości Kp, Ti, Td noszą nazwę nastaw dynamicznych regulatora.gdzie:Kp –współczynnik wzmocnienia,Xp= Kp1 ⋅100 [ % ]-zakres proporcjonalności,Ti – czas zdwojenia (całkowania),Td –czas wyprzedzenia (różniczkowania)T -nienastawialna stała czasowa ściśle określona dla rzeczywistegoregulatora typu PID.

Dziękuję za uwagę!