T44 Regulacja ręczna i automatyczna

Podstawy Układ regulacji jest to zamknięty układ automatyki, posiadający ujemne sprzężenie zwrotne, którego zadaniem jest sterowanie procesem. Regulacja jest procesem celowego oddziaływania na wielkość regulowaną. W trakcie tego procesu wielkość regulowana jest przetwarzana w wielkość sprzężenia zwrotnego, która z kolei jest porównywana z wielkością zadaną - różnica pomiędzy ich wartościami (zwaną uchybem lub odchyłką regulacji) służy do wpływania na przebieg wielkości regulowanej w celu zbliżenia jej wartości do wartości wielkości zadanej.

Schemat blokowy układu sterowania przemysłowego Regulator automatyczny jest urządzeniem, którego zadaniem jest sterowanie procesem. W układach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym regulator wyznacza zadaną wartość wielkości sterującej na podstawie uchybu regulacji, czyli różnicy pomiędzy wartością zmierzoną a wartością zadaną tej wielkości . Celem użycia regulatora jest utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie, zwanym wartością zadaną. Regulator  umożliwia poprawną i bezpieczną pracę urządzenia w stanie ustalonym i w stanach przejściowych (dynamicznych). W regulatorach sygnał sterujący wytwarzany jest na podstawie uchybu regulacji, czyli różnicy między wartością zadaną sygnału regulowanego a wartością aktualnie zmierzoną. Najpowszechniej stosowanym regulatorem używanym w praktyce jest regulator PID (Proportional - Integral - Derivative), czyli regulator proporcjonalno - całkująco - różniczkujący. Stosowane są również wersje uproszczone regulatora PID składające się z wybranych elementów składowych tego regulatora (P, I, PI, PD).

Podział układów regulacji układy regulacji ręcznej - układy w których zadanie przynajmniej jednego elementu układu regulacji wykonywane jest przez człowieka układy regulacji automatycznej - układy działanie odbywa się bez ingerencji człowieka (pomijając ręczne wpisanie wartości zadanej). Z kolei układy regulacji automatycznej dzielą się na: - układy regulacji stałowartościowej - układy w których regulator ma za zadanie utrzymać wartość rzeczywistą wielkości regulowanej na poziomie wartości zadanej. - układy regulacji nadążnej - układy w których regulator zapewnia nadążanie wartości wielkości regulowanej za zmianami wartości zadanej.

Inne metody klasyfikacji układów regulacji: Podział ze względu na sposób działania układu - układy stabilizacji - w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą (w czasie) wartość wielkości wyjściowej mimo zmian wielkości wejściowej i działających na układ zakłóceń. - układy śledzące (nadążne) - działają w taki sposób, aby sygnał wielkości wyjściowej nadążał za zmianami wielkości wejściowej. Zmiany sygnałów wejściowych nie są znanie ani przewidywalne: są losową funkcją czasu. Układy te są również nazywanie serwomechanizmami. - układy programowalne - są odmianą układów śledzących z tą różnicą, że sygnał wejściowy jest z góry określoną (znaną) funkcją czasu. - układy optymalne - struktura i parametry regulatora określone są na podstawie obliczonego ekstremum przyjętego wskaźnika jakości. Przykładem takiego układu może być układ sterowania ciągiem silników tak, aby samolot osiągnął określony pułap, przy minimalizacji wskaźnika jakości, którym jest zużycie paliwa. - układy przełączające - regulacja odbywa się na zasadzie załączania lub wyłączania odpowiednich urządzeń procesu w odpowiedniej kolejności (sekwencji), a rolę regulatora pełni najczęściej układ logiczny. Rozróżnia się dwie grupy układów: kombinacyjne i sekwencyjne. Mówiąc krótko, układy kombinacyjne to takie, w których stan sygnałów wyjściowych w danej chwili zależy tylko od stanu sygnałów wejściowych w danej chwili. Układy sekwencyjne to takie, w których stan sygnałów wyjściowych w danej chwili zależy od stanu sygnałów wejściowych w danej chwili oraz od stanu sygnałów wyjściowych w chwili poprzedniej.

Inne metody klasyfikacji układów regulacji: Podział ze względu na liniowość układu - układy liniowe - można je opisać za pomocą równań liniowych algebraicznych, różniczkowych, różnicowych lub całkowych. Układy liniowe spełniają zasadę superpozycji. - układy nieliniowe - układ zawierający przynajmniej jeden element nieliniowy jest układem nieliniowym. W praktyce każdy układ jest nieliniowy, lecz w przybliżeniu zakłada się jego liniowość lub linearyzuje się jego nieliniową charakterystykę. Robi się to zwłaszcza gdy działanie procesu ogranicza się do niewielkiego obszaru wokół pewnego punktu pracy. Podział ze względu na charakter sygnałów - układy ciągłe - wszystkie sygnały (wejściowe i wyjściowe) są funkcjami ciągłymi w czasie i mogą przybierać dowolną wartość z obszaru swojej zmienności. Układy te opisuje się zwykle równaniami różniczkowymi. - układy dyskretne - układ jest dyskretny, jeżeli przynajmniej jeden jego sygnał ma charakter dyskretny, tzn. przyjmuje tylko określone wartości dla określonych argumentów. Układy takie opisuje się zwykle równaniami różnicowymi.

Inne metody klasyfikacji układów regulacji: Podział ze względu na charakter układu - układy statyczne (bezinercyjne) - wyjście w danej chwili czasu zależy tylko od wejścia (brak stanu nieustalonego). Układy te składają się tylko z elementów rozpraszających energię i opisuje się je równaniami algebraicznymi. - układy dynamiczne - układy, w których wyjście nie jest jednoznaczną funkcją wejścia i zależy dodatkowo od charakteru procesu przejściowego (inercyjności) i stanu układu w chwili początkowej. Opisuje się je równaniami różniczkowymi lub różnicowymi. Podział ze względu na liczbę wejść i wyjść układy jednowymiarowe - układy o jednym wejściu i jednym wyjściu. - układy wielowymiarowe - układy o wielu wejściach lub wielu wyjściach. Podział ze względu na charakter zmienności wymuszeń i parametrów - układy deterministyczne - układy, w których sygnały są zdeterminowanymi funkcjami czasu. - układy stochastyczne - układy, w których sygnały są wielkościami przypadkowymi (losowymi).

Inne metody klasyfikacji układów regulacji: Podział ze względu na zdolność do samoczynnego nastrajania - układy adaptacyjne - układy, mające zdolność do samoczynnego nastrajania parametrów (np. układu pomiarowego lub regulatora) do zmieniających się parametrów obiektu lub występujących zakłóceń. - układy zwykłe (nieadaptacyjne) - układy nie posiadające powyższej własności. Podział ze względu na zmienność struktury - układy o stałej strukturze - takie, które w czasie swojego działania nie zmieniają liczby sygnałów pomiędzy poszczególnymi członami. - układy o zmiennej strukturze - układy nie spełniające powyższej zasady. Inne - układ regulacji ekstremalnej - układ regulacji nadążnej - układ regulacji stałowartościowej - układ regulacji kaskadowej

Regulatory przemysłowe w zależności od rodzaju sterowania klasyfikowane są następująco: Regulatory o działaniu nieciągłym (przerywanym, przekaźnikowym, wielostawnym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób przełączny, czyli wielkość ta może  przyjmować tylko 2 lub kilka wybranych wartości. Regulatory nieciągłe zbudowane są przeważnie z układów stykowych, stykowo - przekaźnikowych lub układów elektronicznych z przerzutnikami. - regulator wielopołożeniowy (regulator dwu- i trójstawny)

Regulatory przemysłowe w zależności od rodzaju sterowania klasyfikowane są następująco: Regulatory o działaniu ciągłym (przekaźnikowym) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w sposób przełączny, czyli wielkość ta może  przyjmować tylko 2 lub kilka wybranych wartości. Regulatory nieciągłe zbudowane są przeważnie z układów stykowych, stykowo - przekaźnikowych lub układów elektronicznych z przerzutnikami. - regulator proporcjonalny P - regulator całkujący I - regulator proporcjonalno-całkujący PI - regulator proporcjonalno-różniczkujący PD - regulator proporcjonalno-całkująco-różniczkujący PID

Regulatory przemysłowe w zależności od rodzaju sterowania klasyfikowane są następująco: Regulatory o działaniu dyskretnym (cyfrowe) zmieniają wartość wielkości sterującej obiektem w podobny sposób jak regulatory nieciągłe - z tą różnicą, że zmiana wartości następuje tylko w wybranych chwilach czasu, a stopniowanie jest na tyle precyzyjne, że dla obiektu w praktyce niezauważalne. Działanie tych regulatorów opiera się na wykorzystaniu układów mikroprocesorowych lub komputerowych. Układ jest dyskretny, jeżeli przynajmniej jeden jego sygnał ma charakter dyskretny, tzn. przyjmuje tylko określone wartości dla określonych argumentów. Zazwyczaj układy takie opisuje się równaniami różnicowymi.

Struktury regulatorów Często w układach regulacji stosuje się strukturę, w której dzięki szeregowemu połączeniu regulatorów uzyskuje się wewnętrzną (podrzędną) i zewnętrzną (nadrzędną) pętlę regulacji. W układach energoelektronicznych zazwyczaj pętla wewnętrzna jest pętlą regulacji prądu wyjściowego przekształtnika, a pętla zewnętrzna dotyczy takich sterowanych wielkości jak, napięcie, prędkość obrotowa, strumień, temperatura itp. W połączeniu szeregowym członów wzmocnienie całkowite jest iloczynem wzmocnień cząstkowych poszczególnych członów. Rzadziej stosowaną strukturą jest struktura równoległa, w której z uwagi na człon wyboru "mniejszy niż" w każdej chwili działa tylko jedna pętla - z aktywnym regulatorem. Przy projektowaniu układu i doborze regulatorów każdą z tych struktur można sprowadzić do układu podstawowego.

Dobór nastaw regulatorów. Poza określeniem typu regulatora konieczne jest dobranie parametrów Kr, Ti  i Td (dla regulatora PID), co określane jest jako dobór nastaw. Kr - współczynnik proporcjonalności Ti - czas zdwojenia (czas całkowania) określa czas potrzebny na to, by przy wymuszeniu skokowym na wejściu regulatora uzyskać na jego wyjściu sygnał dwukrotnie większy od tego, który wynika ze współczynnika Kr Td - czas wyprzedzenia, to czas, po upływie którego od podania na wejście regulatora PD sygnału narastającego liniowo sygnał na wyjściu regulatora osiągnął dwukrotną wartość tej, która wynika z działania różniczkowego. Proces doboru nastaw, przy których uzyskuje się najkorzystniejsze z punktu widzenia przyjętego kryterium jakości przebiegi dynamiczne układu nazywany jest optymalizacją.   Dobrą jakość regulacji osiąga się dopiero przy właściwym doborze nastaw. Nastawy dobiera się tak, aby wielkość regulowana po skokowym wprowadzeniu nowej wartości zadanej osiągała możliwie szybko nową wartość. Warunkiem dobrze działającego regulatora jest możliwie niewielkie przeregulowanie i krótki czas oscylacji wartości regulowanej. Czas regulacji Ta jest przedziałem czasu od chwili podania wymuszenia do chwili pierwszego osiągnięcia wartości zadanej przez wielkość regulowaną.

Czas ustalania Tu jest przedziałem czasowym od chwili podania wymuszenia do chwili, od której wartość regulowana mieści się w przyjętym zakresie wartości - zazwyczaj jest to +/- 10% wartości ustalonej.