Zajecia laboratoryjne nr 6, Politechnika Poznańska, Mechatronika, Semestr 01, Wprowadzenie do mechatroniki - ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POLITECHNIKA POZNA
Ń
SKA
LABORATORIUM MECHATRONIKI
Konspekt:
Układ automatycznej regulacji
połoŜenia na przykładzie pneumatycznego
napędu pozycjonującego – konspekt ćwiczenia
1.
Sterowanie, regulacja, zarz
ą
dzanie – ogólne poj
ę
cia i definicje.
Aby maszyny i urządzenia mogły pracować automatycznie (samoczynnie), wyposaŜa się je w
urządzenia sterujące, regulujące i zarządzające. Tworzą je mechaniczne, elektryczne, pneumatyczne i
hydrauliczne elementy napędowe i sterujące.
Sterowanie
– proces celowego oddziaływania sygnałów sterujących na przyrządy, urządzenia
techniczne lub maszyny robocze. Dla sterowania charakterystyczny jest otwarty układ przepływu
sygnałów, które działają na obiekt bez bieŜących pomiarów i korekcji procesu sterowania.
RozróŜnia się następujące rodzaje sterowań:
·
sterowanie analogowe
, w którym sygnał sterujący ma charakter ciągły. Przykład: krzywka,
przekładnia, wzmacniacz operacyjny, ściemniacz pokojowy (pozwalający w sposób „płynny”
zmieniać natęŜenie światła),
·
sterowanie binarne
, w którym sygnał sterujący ma charakter binarny (dwuwartościowy, 0 lub
1), przykład: przekaźnik, wyłącznik światła w pokoju,
·
sterowanie cyfrowe
, w którym sygnał sterujący ma charakter cyfrowy (kodowany binarnie),
przykład: mikroprocesor, przetwornik analogowo-cyfrowy,
·
sterowanie kombinacyjne
– sygnał sterujący powstaje z powiązania (kombinacji) kilku
sygnałów np. zabezpieczenie tokarki: jeŜeli osłona jest zamknięta i uchwyt zaciśnięty to
spełnione są warunki do jej uruchomienia,
·
sterowanie sekwencyjne
– poszczególne czynności sterujące odbywają się krok po kroku.
Rozpoczęcie kolejnego kroku jest uzaleŜnione od czasu lub stanu procesu, przykład: układ
automatycznego rozruchu „gwiazda/trójkąt” silnika trójfazowego,
·
stałoprogramowe
– brak moŜliwości modyfikacji programu np. układ stykowo-przekaźnikowy
realizujący określony program, prosty termometr elektroniczny,
·
programowalne
– wyposaŜone są w pamięć elektroniczną umoŜliwiającą programowanie i
modyfikację ustawień np. sterownik PLC, telefon komórkowy.
Regulacja – jest działaniem, polegającym na takim oddziaływaniu na wielkość regulowaną
mierzoną na bieŜąco, aby dąŜyła ona do wielkości zadanej.
RozróŜniamy:
·
regulacj
ę
stałowarto
ś
ciow
ą , której zadaniem jest utrzymanie danej wielkości na stałym,
załoŜonym poziomie wartości, np. regulacja temperatury w piecu
regulacj
ę
nad
ąŜ
n
ą, w której zadaniem jest śledzenie zmian sygnału zadanego i korygowanie
danej wielkości zgodnie z tą zmianą, np. regulacja toru lotu rakiety
Układy regulacji dzieli się według sposobu przetwarzania sygnałów: jeŜeli oddziaływanie na proces
odbywa się w sposób analogowy , to uwaŜa się, Ŝe jest to regulacja ciągła (analogowa), jeŜeli
stosowane jest działanie dwuwartościowe (binarne) – regulacja dwustawna (binarna), w przypadku
przetwarzania cyfrowego – regulacja cyfrowa.
Zarządzanie – przedsięwzięcia powodujące, Ŝe sterowany proces przebiega w poŜądany sposób. Na
ogół przewiduje się tu teŜ współdziałanie człowieka.
Do waŜniejszych zadań zarządzania naleŜą: nadzór, zabezpieczenie przed zagroŜeniami oraz
obróbka danych procesowych: analiza, prezentacja, meldowanie, zapisywanie, oddziaływanie,
zadawanie, przetwarzanie, przekazywanie i udostępnianie informacji.
1
·
2.
Podstawy i techniki regulacji
Zadaniem regulacji jest utrzymanie wybranych wartości wielkości regulowanej lub ich zmienianie
według przyjętego programu.
Regulacja jest procesem celowego oddziaływania na wielkość regulowaną. W tym celu przetwarzamy
wielkość regulowaną w wielkość sprzęŜenia zwrotnego, z którą porównujemy wielkość zadającą –
róŜnica pomiędzy ich wartościami słuŜy do wpływania na przebieg wielkości regulowanej w sensie
zbliŜania jej wartości do wartości wielkości zadanej. W przeciwieństwie do układu sterującego, w
układzie regulacji mamy zawsze do czynienia ze strukturą zamkniętą, ze sprzęŜeniem zwrotnym od
wielkości regulowanej. Przykładem moŜe być regulacja temperatury w czasie kąpieli pod prysznicem
– sprzęŜeniem zwrotnym jest informacja o aktualnej temperaturze, jeŜeli jest ona niewłaściwa,
sterujemy tak długo pokrętłami zaworu mieszającego aŜ uzyskamy oczekiwaną jej wartość. Strukturę
układu regulacji w postaci schematu blokowego przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Układ regulacji z regulatorem, urządzeniem wykonawczym, obiektem i przetwornikiem pomiarowym wg
Polskiej Normy PN-88/M-42000
x
z
(
t
)
x
(
t
)
t
r
t
(
s
)
t
u
Rys 3. Parametry odpowiedzi układu pozycjonującego:
t
r
– czas odpowiedzi tłoka,
t
u
– czas pozycjonowania,
δ
– dokładność pozycjonowania,
e
b
– przeregulowanie bezwzględne, – przyjęty zakres dokładności
pozycjonowania.
Rodzaje regulacji:
-
układy regulacji r
ę
cznej
– regulację wykonuje człowiek przykład: regulacja temperatury wody pod
prysznicem,
-
układy regulacji automatycznej
– regulacja bez udziału człowieka,
-
układy regulacji stałowarto
ś
ciowej
– regulator stara się utrzymać wartość rzeczywistą wielkości
regulowanej na poziomie wielkości zadanej, np. utrzymywanie stałej temperatury lub stałej prędkości,
2
 -
układy regulacji nad
ąŜ
nej
– regulator zapewnia nadąŜanie wartości wielkości regulowanej za
zmianami wartości zadanej, np. utrzymywanie zadanego toru lotu rakiety.
2.1 Człony układów regulacji
W automatyce, zachowanie się rzeczywistych elementów i urządzeń podzielono na kilka
podstawowych typów (członów), które charakteryzują określone parametry. RozróŜniamy następujące
człony:
Człon proporcjonalny (P) – charakteryzuje się tym, Ŝe jego sygnał wyjściowy
S
2
jest proporcjonalny
do sygnału wejściowego
S
1
(rys. 2). Stosunek
S
2
/
S
1
to współczynnik proporcjonalności (wzmocnienia).
Przykładami członów proporcjonalnych są: przekładnie zmieniające liczbę obrotów, moment
napędowy, wzmacniacze elektroniczne oraz większość sensorów – przetworników pomiarowych, np.
prądnica tachometryczna (rys. 3).
Rys. 2. Odpowiedź skokowa i symbol członu proporcjonalnego (P)
Rys. 3. Przykłady członów proporcjonalnych: przekładnia mechaniczna oraz charakterystyka przetwornika
pomiarowego
U
(
d
).
Człon inercyjny (PT) – charakteryzuje się tym, Ŝe jego sygnał wyjściowy
S
2
jest proporcjonalny do
sygnału wejściowego dopiero po pewnym czasie. Opisują go dwa parametry: współczynnik
proporcjonalności (wzmocnienia)
K
p
oraz stała czasowa
T
. (rys. 4). Przykładami członów inercyjnych
są urządzenia, w których następuje magazynowanie energii, np: rozpędzający się silnik elektryczny,
wzrastająca temperatura w czajniku po załączeniu grzałki, wzrost ciśnienia w zbiorniku po włączeniu
kompresora (rys. 5,6).
Rys 4. Odpowiedź skokowa i symbol członu inercyjnego
3
Rys. 5. Przebieg zmiany ciśnienia w zbiorniku
ciśnieniowym
Rys. 6. Przebieg ogrzewania wody w zbiorniku
Człon oscylacyjny – jak sama nazwa wskazuje, sygnał wyjściowy
S
2
takiego członu ma charakter
oscylacyjny (pojawiają się drgania) (rys. 7). Opisują go pulsacja drgań swobodnych ω
0
oraz
współczynnik tłumienia
D
. JeŜeli
D
=0 oscylacje są nietłumione, dla zakresu 0<
D
<1 – tłumione, a dla
D
>1 człon zachowuje się jak człon inercyjny drugiego rzędu (rys. 8). Z członem oscylacyjnym mamy
do czynienia w sytuacjach, kiedy wymuszenie ma charakter skoku jednostkowego, np. podczas
wspomnianego rozruchu silnika połączonego z maszyną elastycznym sprzęgłem, często pojawiają się
drgania tłumione. Innym przykładem moŜe być pozycjonowanie stołu obrabiarki, w którym podczas
rozruchu oraz wyhamowania mogą pojawić się drgania (rys. 9).
Rys. 7. Odpowiedź skokowa i symbol członu oscylacyjnego
Rys. 8. Odpowiedź skokowa członu oscylacyjnego
dla róŜnych wartości wsp. tłumienia
D
Rys. 9. Przykład obiektu o charakterystyce
oscylacyjnej
Człon całkujący (I) – w członie tym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do całki sygnały
wejściowego (rys. 10). Parametr charakterystyczny tego członu to stała czasowa całkowania
T
i
, która
określa czas, po którym sygnał wyjściowy osiąga wartość wymuszenia skokowego. Człony całkujące
tworzą obiekty, w których zachodzi przemiana: prędkości ruchu w przemieszczenie, przyspieszenia w
prędkość, liczby obrotów na kąt, przepływu pewnego medium na wysokość poziomu napełnienia
zbiornika, prądu elektrycznego na ładunek zgromadzony w kondensatorze, częstotliwości impulsów na
stan licznika zliczającego te impulsy (rys 11).
4
Rys. 10. Odpowiedź skokowa oraz symbol członu całkującego
Rys. 11. Obiekty o charakterystyce całkującej
Człon róŜniczkujący (D) – w członie tym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do pochodnej sygnału
wejściowego względem czasu. Pod pojęciem pochodnej rozumie się stromość przebiegu sygnału, jego
wznoszenie. Na wymuszenie skokowe odpowiedzią członu jest pojedynczy impuls (rys. 12). Człony
róŜniczkujące wykorzystywane są np. w postaci wzmacniaczy operacyjnych, do przekształcania
sygnałów analogowych generowanych przez róŜne sensory. JeŜeli sensor mierzy przemieszczenie, to
człon D dostarczy sygnał prędkości tego przemieszczania lub proporcjonalny do niej, np. mierzona
jest droga w
mm
, a człon D podaje na wyjściu informacje o prędkości (pochodna drogi po czasie), ale
w
m
/
s
, więc oprócz operacji róŜniczkowania sygnał musiał być przemnoŜony przez wartość 0,001.
Rys. 12. Odpowiedź skokowa oraz symbol członu róŜniczkującego
Człon opóźniający (
T
t
) – charakteryzuje się tym, Ŝe odpowiedź pojawia się na jego wyjściu nie w
chwili wymuszenia, ale dopiero po pewnym czasie, nazywanym czasem opóźnienia (zwłoki)
T
t
. (rys.
13) Przykładem takiego członu moŜe być komputer, którego czas zwłoki zaleŜny jest od ilości
przetworzenia danych. Innymi przykładami mogą być: pomiar grubości walcowanego materiału,
pomiar stęŜenia kwasu w wodzie podczas procesu mieszania itp. (rys. 14).
Rys. 13. Odpowiedź skokowa oraz symbol członu opóźniającego
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]