„Windup” w układach regulacji Automatyka Wykład 17 „Windup” w układach regulacji

Ograniczenie sygnału sterującego umax v umin

Zjawisko „windup” W większości stosowanych układów regulacji sygnał sterujący u(t) posiada górne oraz dolne ograniczenie. Może ono wynikać np. z fizycznych właściwości urządzenia nastawczego. Najprostszym takim urządzeniem jest zawór, który znajduje się w stanie górnego nasycenia w momencie, w którym jest całkowicie otwarty, natomiast, analogicznie, gdy jest zamknięty, znajduje się on w stanie dolnego nasycenia. Innym przykładem może być samolot, w którym sterowanie lotem odbywa się za pomocą odpowiedniego ułożenia powierzchni lotnych (tzw. lotek), jednakże zmiana położenia może odbywać się tylko w pewnym zakresie. Rozważmy teraz układ (rys. 1) w którym sygnał sterujący u(t) posiada górne i dolne ograniczenie.

Rys. 1. Model układu regulacji z nasyceniem sygnału sterującego umax umin

Ograniczenie sygnału sterującego powoduje znaczne zwiększenie przeregulowania, a także wydłużenie czasu regulacji (czasu, po którym układ osiąga stan ustalony). Zjawisko to określane jest w literaturze jako „windup” (przeciąganie). a b c t h

Inny przypadek powstawania zjawiska windup’u, to sytuacja w której ograniczona została szybkość zmian sygnału sterującego. Ograniczenie to może wystąpić, np. w przypadku, gdy regulator wystawia sygnał zmieniający się z szybkością większą niż fizyczna możliwość prędkości otwierania lub zamykania zaworu. Oba przypadki są przykładem na to jak negatywny wpływ na działanie układu regulacji ma zjawisko „windup”, dlatego też niezbędne jest jemu przeciwdziałanie. W literaturze spotyka się różne metody mające na celu zapobieganie całkowaniu (działaniu całkującemu) regulatora gdy jego sygnał wyjściowy znajduje się w stanie nasycenia. Wszystkie one jednak wymagają ingerencji w strukturę regulatora, gdyż tylko to zapewnia odpowiednią jego prace.

Mechanizm powstawania zjawiska „windup” W większości układów regulacji sygnał sterujący u posiada dolne oraz górne ograniczenie wynikające np. z fizycznych właściwości elementów układu. Dojście sygnału wyjściowego z regulatora v do ograniczenia nie ma wpływu na jego działanie całkujące, toteż zmiana znaku uchybu regulacji e(t) nie powoduje natychmiastowego odejścia od ograniczenia. Mechanizm powstawania zjawiska „windup” w tym przypadku przedstawiony został na rys. 3 dla układu jak na rys. 2. Rys. 2. Schemat układu obrazującego wpływ zmiany uchybu na pracę regulatora przy ograniczeniu amplitudy sterowania

Rys.3.

Rysunek 3 pokazuje, że ograniczenie amplitudy sygnału wyjściowego z regulatora nie ma wpływu na prace regulatora. Zmiana znaku uchybu regulacji powoduje zmianę sygnału sterującego dopiero po czasie nasycenia. Metody antiwindup W literaturze spotyka się różne metody przeciwdziałania wpływowi działania członu całkującego regulatora w chwili, gdy układ znajduje się w stanie nasycenia. Większość z nich działa tylko w przypadku ograniczenia amplitudy sygnału wyjściowego z regulatora v gdyż to ograniczenie występuje prawie zawsze. 1. Wyłączenie działania całkującego sygnałem członu całkującego Metoda ta polega na wyłączeniu działania całkującego regulatora w chwili, gdy sygnał części całkującej regulatora dochodzi do ograniczenia. Rysunek 4 przedstawia w postaci schematu ideę tego rozwiązania.

Rys. 4. Regulator z wyłączaniem działania całkującego sygnałem członu całkującego

2. Wyłączenie działania całkującego Metoda ta polega na wyłączeniu działania całkującego w regulatorze w chwili, gdy jego sygnał wyjściowy dochodzi do ograniczenia (rys. 5) Rys. 5. Regulator z wyłączaniem działania całkującego

3. Ograniczenie sygnału wyjściowego z regulatora przez oddziaływanie na udział składowej całkowej Metoda ta polega na uruchomieniu silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego w torze działania całkującego w chwili, gdy sygnał wyjściowy regulatora dojdzie do ograniczenia. Schemat takiego układu przedstawiony jest na rys 6. Rys.6. Regulator z oddziaływaniem na udział składowej całkowej