Základní pojmy o regulaci - Rutar

Obsah:
Základní pojmy o regulaci
-regulace
-regulovaná soustava
-regulátor
Regulace (základní pojmy)
Jednoduchý regulační obvod
-blokové schéma a veličiny regulačního obvodu
-jednotlivé členy regulačního obvodu
Regulace ruční a automatická
-ruční regulace (příklady, obrázky, schémata)
-automatická regulace (příklady, obrázky, schémata)
Druhy regulací
-na konstantní nastavenou hodnotu
-programová
-vlečná a servomechanizmy
-spojitá a nespojitá
-lineární a nelineární
Přechodová charakteristika
-charakteristika statická, dynamická, přechodová
Rozdělení regulovaných soustav
-statické regulované soustavy
-nultého řádu
-prvního řádu
-druhého řádu
-vyšších řádů
-s dopravním zpožděním
-astatická regulovaná soustava
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 1
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 1

2 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Základní pojmy o regulaci
Regulace
-nastavení a udržování určité veličiny na zvolené hodnotě a to i při působení různých poruch
-nastavení a udržování hodnot regulované veličiny na žádaných hodnotách
-udržování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek zjišťovaných měřením
-druh řízení, při kterém se porovnává skutečný účinek řízení s očekávaným účinkem a okamžitý rozdíl
bezprostředně určuje velikost řídícího zásahu.
Příklad:
regulace výšky hladiny v nádrži:
-výšku vodní hladiny měříme
-pomocí ventilu řídíme množství vody přitékající do nádrže
-po vyhodnocení měření ventilem řídíme průtok
Regulovaná soustava (RS)
- člen (zařízení), na kterém provádíme regulaci
-člen (zařízení), které regulujeme
-člen (zařízení), ve kterém regulací dosahujeme
žádané hodnoty X z AČ
Přítok vody
Akční veličina Y
Ventil
(AČ)
Poruchová veličina Z
Regulovaná
soustava (RS)
Měření výšky hladiny
Nádrž
(regulovaná
soustava RS)
Odtok vody
z nádrže
Regulovaná veličina X
X regulovaná veličina
-veličina, která je ovlivňována (měněna, regulována, požadována)
Y akční veličina
-veličina, kterou můžeme regulovanou veličinu X ovlivňovat (měnit, regulovat)
Z poruchová veličina
-soubor veličin (vlivů), které působí na regulovanou soustavu, ovlivňují ji působením různých poruch
Příklad:
V zásobníku vyhřívaném plynovým hořákem s odběrem vody udržujeme konstantní teplotu:
Z1 Z2 Z3 Z4
Z1 : tlak plynu
Z2 : výhřevnost plynu
Y Přítok plynu Zásobník Čidlo teploty X Z3 : teplota okolí
TUV
Z4 : množství odebrané vody
Regulátor (R)
-zařízení, které samočinně provádí regulaci (reguluje)
-soubor členů (zařízení), které upravují velikost X na žádanou hodnotu
Příklad:
Poruchová veličina Z
Řídící veličina W
Regulátor
(R)
W řídící veličina
-veličina, kterou nastavujeme (požadujeme, řídíme) dle našich požadavků na vstupu celé RS
2 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Akční veličina Y
Regulovaná veličina X

Jednoduchý regulační obvod
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 3
Skládá se z regulované soustavy (RS), tj. zařízení, na kterém se regulace provádí a regulátoru (R), který
regulaci uskutečňuje.
V blokovém schématu regulačního obvodu musí být vyznačeny směry šíření signálů šipkami.
řídící člen
-12V Uω
Uωž
Potenciometr---
žádané hodnoty
vstupní hodnoty
řídící hodnoty
diferenční člen
(porovnávací)
W
X
E=W-X
ústřední
člen
regulační
zesilovače
Měřící člen
regulátor Z Z poruchová Z
veličina
výkonný
člen
tyristory
regulovaná
soustava
regulovaná veličina
skutečná hodnota regulované soustavy
tachodynamo, proudový snímač, odměřování polohy
Veličiny regulačního obvodu:
W -řídící veličina (jm.hodnota, žádaná hodnota otáček), určuje skutečnou hodnotu regulované soustavy X.
X -regulovaná veličina (skutečná hodnota regulované soust.), regulací upravována na požadov.hodnotu.
E -regulační odchylka, E= W –X, na její velikosti závisí velikost regulačního zásahu.
Z -poruchová veličina, jsou to všechny vlivy, které se mají regulací potlačit
(způsobují kolísání regulované veličiny- změny či poruchy napájení, zátěže, přehřátí, mechanické vlivy).
Y -akční veličina (skutečná hodnota regulační soustavy), hodnota (energie), která vstupuje do RS, její velikost
je dána výstupním signálem akčního členu a provádí regulační zásah v RS
Členy regulačního obvodu:
Řídící člen (potenciometr, ventil)
-slouží k nastavení řídící veličiny obsluhou, vysílá do regulačního obvodu signál, který udává požadovanou
velikost otáček
Diferenční člen (porovnávací člen)
-porovnává signál žádané hodnoty otáček a skutečné hodnoty otáček E= W-X
Regulátor (soubor členů uskutečňujících regulaci)
-upravuje velikost E na hodnotu řídícího napětí pro akční člen (motor)
Ústřední regulační člen (soubor elektronických desek)
-nejdůležitější člen regulátoru, desky regulačních zesilovačů (PID)
-zesiluje, popř. matematicky zpracovává regulační odchylku E tak, aby z výstupu vycházel signál pro řízení
akčního členu (motoru)- napětí, impulsy pro tyristory…
Výkonový člen (stykač, relé, tyristory)
-výkonově zesílený signál regulační odchylky E z ústředního regulačního členu, který již plně a přímo ovládá
akční člen (el.motor),
Akční člen (nejčastěji el.motor)
-zařízení, kterým je možné provést zásah akční veličinou Y a tím odstranit vliv poruchových veličin Z
vstupujících do regulované soustavy.
Regulovaná soustava (RS) (pracovní mechanizmy stroje-otáčky upínací hlavy, pohyb saní soustruhu)
-zařízení, na kterém se regulace provádí, jehož některá veličina (regulovaná veličina)má být řízena nebo
regulována, na kterém se regulací dosahuje žádané hodnoty X.
Měřící člen (soubor zařízení ve zpětné vazbě podílející se na samočinné regulaci)
Snímač - snímá skutečnou velikost regulované veličiny (nejčastěji otáčky, pohyb, polohu)
. Převodník - zesiluje a převádí neel.signál ze snímače na unifikovaný el.signál, a zpracuje ho tak,
aby byl vhodný k porovnání s řídící veličinou.
X
akční
člen
Y
motor pracovní
mechanizmy
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 3
X

4 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Regulace ruční a automatická
Ruční regulace
-akční veličinu nastavujeme ručně
-okamžitou hodnotu regulované veličiny získáme vhodným měřením (teploměr, tlakoměr, vodoznak…)
-vhodným akčním členem měníme přítok energie (výkon plynového hořáku, výkon el.vařidlové desky atd.)
Jednoduchý příklad:
ruční regulace teploty vody
v akváriu
Příklad:
ruční regulace teploty vody
v zásobníku teplé užitkové vody (TUV)
Obsluha na základě zjištěné teploty
vody zvýší (sníží) výkon hořáku
regulací množství dodávky plynu
pomocí ventilu
Ruční ovládání
ventilu podle zjištěné
teploty na snímači
Automatická regulace (samočinná)
-akční veličinu nastavujeme regulátorem, člověk je nahrazen regulátorem
-regulátor samočinně udržuje nastavenou hodnotu teploty vody v zásobníku
přívod plynu Z
Akční člen
ruční ventil
Y
Regulovaná
soustava
zásobník TUV
Poruchová veličina
odběr teplé vody
přítok studené vody
teplota okolí apod.
X
Měřící člen
snímač teploty
-samočinné udržování hodnot regulované veličiny X podle daných podmínek a zjištěných hodnot měřením
Jednoduchý příklad:
Automatická regulace teploty vody v akváriu
Příklad:
automatická regulace teploty vody v zásobníku TUV
W
Řídící veličina
nastavená teplota
Y akční veličina, výstup z regulovaného ventilu
Regulátor
R
4 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
X
E
Y
zpětná vazba
skutečná hodnota
změřená teplota vody
přívod plynu Z
Akční člen
řízený ventil
Regulovaná
soustava
Zásobník TUV
Poruchová veličina
odběr teplé vody
přítok studené vody
teplota okolí apod.
X
Měřící člen
snímač teploty

Druhy regulací
Regulace na konstantní nastavenou hodnotu
-nejjednodušší a nejčastější způsob regulace
-řídící veličina je nastavena na konstantní hodnotu (velikost)
-regulovaná veličina má mít v čase konstantní velikost
Příklad:
-nastavení termostatu na žehličce,
-el.ohřívači vody (bojleru),
-pokojového termostatu…
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 5
w
y
w = konst.
y = konst.
Regulace programová
-způsob regulace, při kterém vyžadujeme, aby se regulovaná veličina měnila ve velikosti a čase
-tuto závislost vyjadřujeme vztahem w = f (t)
w
Příklad:
-nastavení pokojového programového termostatu
na změnu teploty v místnosti pro režim den – noc
teplota den
teplota noc
y
teplota denní
t
t
t
noční pokles
t
Regulace vlečná a servomechanismy
vlečná regulace
-řídící veličina není konstantní, ale nemění se v závislosti na čase, ale v závislosti na jiné fyzikální veličině
Příklad: -regulace teploty prostředí v závislosti na vlhkosti vzduchu
servomechanismus
-řídící veličina se nemění v závislosti na čase ani v závislosti na jiné fyzikální veličině
-je měněna ručně – člověk se stává součástí regulačního systému
( servus = otrok, služebník)
Příklad: -posilovač řízení u automobilu (servořízení)
Spojitá regulace
-signály se v regulačním obvodu mění spojitě, plynule
-dosáhne se vysoké kvality regulace, používají se tzv. regulátory spojité
-nevýhodou je vyšší energetická náročnost akčních členů a vyšší cena
Nespojitá regulace
-využívá se v případě, že výstupní signál má velký výkon
-nenáročná regulace, zahrnuje v sobě impulsní a číslicovou regulaci
Příklad: -regulace teploty žehličky bimetalovým nespojitým regulátorem
Lineární a nelineární regulace
-lineární regulace, regulační obvod obsahuje pouze lineární členy (lineární charakteristiku má např. rezistor)
-nelineární regulace, regulační obvod obsahuje nelineární členy
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 5

6 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Přechodová charakteristika
-regulovaná soustava (RS) je jediným členem regulovaného obvodu, který nelze zvolit (je prostě daná)
-(lze jen částečně ovlivnit její vlastnosti)
-je proto důležité abychom regulovanou soustavu správně identifikovali (si popsali, definovali)
-k identifikaci se nejčastěji používá tzv. přechodová charakteristika
obecně: každá charakteristika graficky zobrazená je závislost obyčejně dvou veličin
statická charakteristika
-závislost dvou různých veličin na sobě, bez ohledu na časový průběh změn (VA charakteristika diody)
dynamická charakteristika
-závislost veličiny na čase t
přechodová charakteristika
-pro správné posouzení nebo srovnání vlastností různých regulovaných soustav
-graficky vyjadřuje změnu regulované veličiny X v závislosti na čase t, když se změní působení jiné veličiny
-(např. akční veličiny Y)
Příklad:
vytápění místnosti plynem
Y
60° 50°
Otočení ovládacího
30°
ΔY = 20°
prvku o 20°
0°
30°C
15°C
0°C
X
ustálený
stav
přechodový
děj
25°C
odezva na skokovou změnu
-přechodové charakteristiky zjišťujeme měřením
-pak je pro zjednodušení nahrazujeme přímkou (linearizace)
-přitom musíme brát v úvahu vlastnosti regulované soustavy
-ty rozdělujeme do dvou skupin: statická a astatická regulovaná soustava
t
ΔX = 10°C
ustálený
stav
6 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
t
X regulovaná veličina, teplota v místnosti
Z poruchová veličina, ochlazování vlivem venkovní teploty
Y akční veličina, úhel pootočení ventilu
Y1
X1
X1
Y
X
X
Y2
t
X2
t
X2
t

Rozdělení regulovaných soustav
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 7
Statické regulované soustavy
-po poruše se samy ustalují na nové hodnotě, která odpovídá dané změně, regulace nečiní velké potíže
-rozdělují se dále na soustavy nultého, prvního, druhého a vyšších řádů
Statická soustava nultého řádu
-na skokovou změnu akční veličiny Y reaguje veličina regulovaná X okamžitě (skokem)
-nového ustáleného stavu dosáhne okamžitě, skokem
Příklad:
Na potenciometr přivedeme napětí, na jeho výstupu se příslušné napětí objeví okamžitě, dle natočení hřídele
Y
X
t
t
Statická soustava prvního řádu
-na skokovou změnu akční veličiny Y reaguje veličina regulovaná X okamžitě
-nového ustáleného stavu dosáhne ale až po nějaké době
Příklad:
Náhle zvětšíme přítok vody do nádrže
-skokově změníme hodnotu vstupní akční veličiny Y
-se zvyšováním hladiny v nádrži roste odtok (tlak na jejím dně se zvětšuje)
-nového ustáleného stavu není dosaženo ihned, ale až později
Y1
X1
Y
X
Y2
t
X2
t
Y2
Y1
U1
X1
X2
U2
Skoková změna na vstupu
vyvolá okamžitou změnu
na výstupu
X1 hladina při přítoku Y1
X2 hladina při přítoku Y2
Statická soustava je nádrž proto, neboť při skoku vstupní veličiny Y z akčního členu výstupní regulovaná
veličina X trvale nenarůstá a sama dosáhne nového ustáleného stavu.
Soustava prvního řádu proto, neboť hladina začne stoupat okamžitě po skokové změně na vstupu
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 7

8 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Statická soustava druhého řádu
-vznikne zapojením dvou soustav prvního řádu za sebou
Příklad: Přítok
Dvě nádrže spojené za sebou
vody
Y
X
t
t
Přítok
Y
páry
V nádrži se míchá
přitékající voda
s topnou párou
X
Teplota vody
v druhé nádrži
Míchá se ohřátá voda
z první nádrže
s vodou z druhé nádrže
Statická soustava je nádrž proto, neboť při skoku vstupní veličiny Y z akčního členu výstupní regulovaná
veličina X trvale nenarůstá a sama dosáhne nového ustáleného stavu.
Soustava druhého řádu proto, neboť skoková změna na vstupu celé soustavy se projeví v druhé nádrži
opožděně, tedy teplota vody v ní bude stoupat se zpožděním
Statická soustava vyšších řádů
-vznikne zapojením více soustav prvního řádu za sebou, neboť v praxi se vyskytují i soustavy, které bychom
mohli modelovat více nádržemi zapojenými za sebou
Statická soustava s dopravním zpožděním
-akční člen zabezpečující přítok energie do soustavy je umístěn ve větší vzdálenosti od regulované soustavy
Příklad:
Nádrž s vodou, která má akční člen na vstupu umístěný ve velké vzdálenosti od nádrže
-po skokové změně Y na vstupu přijde zvýšený přítok vody do nádrže až po určité době (zpoždění TZ)
Y1
X1
Y
X
TZ
8 Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy)
Y2
t
X2
t
Y1
Y2
AČ
X1
X2

Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 9
Astatická regulovaná soustava
-po změně akční veličiny Y soustava nedosáhne nového ustáleného stavu, regulační odchylka se stále zvětšuje
-po poruše se soustavy samy neustalují, regulace je složitá, někdy vůbec nemožná (záplavy, plnění přehrady,...)
Příklad:
Vodní nádrž s konstantním odtokem pomocí čerpadla
-nádrž, ze které se odebírá neměnné (konstantní) množství vody čerpadlem
-jestliže při ustálené hladině náhle zvětšíme přítok vody, hladina bude trvale stoupat
-na základě vlastnosti soustavy nedosáhne nového ustáleného stavu
Y1
X1
Y
X
Y2
t
X2
t
Y2
Y1
AČ
X1
X2
čerpadlo
konstantní
výtok
Rutar Jaromír, Automatizace – Regulace (základní pojmy) 9