parametri Archives - Automatika.rs

Inicijalno podešavanje PID regulatora

Milica Đekić — Sun, 20 Jan 2013 23:00:00 +0000

Zamislimo da ste Vi vodeći konfiguracioni inženjer u nekom velikom projektu vezanom za automatizaciju i da je potrebno da podesite početne parametre PID regularora. Želite da upravljate svim tim na način da širok spektar operatera može da podesi neke od osnovnih kontrola u automatski režim sa očekivanjem da će povratna sprega dobro funkcionisati bez nekih značajnih oscilacija.

Sledeća tabela nudi neke vremenski testirane podrazumevane vrednosti za proporcionalno vreme, integralno vreme i diferencijalno vreme koje će raditi u većini uobičajenih situacija kao početne vrednosti za vreme inicijalnog start-up procesa. Ukoliko Vaš upravljači sistem koristi neke druge konstante za podešavanje, kao što su reset za inicijalnu aktivnost, moraćete da izvršite konverziju.

Vrednosti za kontrolu protoka i nivoa će skoro uvek funkcionisati. U nekoliko slučajeva, vrednost za proporcionalno dejstvo od 0,8 za kontolu protoka može da bude suviše agresivan i trebao bi da bude umanjen za vrednosti ili sprege koje imaju tendenciju da osciluju.

Vrednosti proporcionalnog dejstva za pritisak i temperaturu mogu da zahtevaju povećanje u zavisnosti od opsega inženjerskih jedinica regulatora. Ukoliko regulator ima širok spektar i ako je čvrsta kontrola zahtevana u oblasi setpoint-a, onda je moguće zahtevati veće proporcionalno dejstvo kako bi se vrednost zadržala u blizini setpoint-a. Ovo je zato što proporcionalno dejstvo utiče na grešku kao procenat na opseg inženjerske jedinice. Tako, odstupanje od 1,0 u odnosu na setpoint je samo 0,2% od opsega – proporcionalno dejstvo od 2,0 će rezultirati na pomeraj ventila od svega 0,4%. U ovom slučaju, proporcionalno dejstvo od 5,0 ili čak 10,0 bi moglo da bude mnogo prikladije.

Temperatura je jedina promenjiva kod koje diferencijalno dejstvo treba da se primeni sa sigurnošću u opštem slučaju. Uopšteno, diferencijalno dejstvo je rezervisano za povratnu mernu spregu. Protoci, nivoi i pritisci normalno ne pate od ovih destabilizujućih karakteristika. S druge strane, procesne temperature se obično mere indirektno uz pomoć uređaja u termostatima, pošto postoje izvesni zastoji u merenju kao posledica unutrašnjih termalnih zastoja. Diferencijalno dejstvo u ovom slučaju može da pomogne, jer je njegova svrha da obrne upravljačko dejstvo, baš kao što proporcionalna vrednost čini trajektoriju reverznom i vraća vrednost na setpoint posle vršenja diferenciranja od stepoint-a. Mala količina diferenciranja je u ovom slučaju preporučljiva.

Diferencijalno dejstvo je potpuno neprikladno za procesne promenjive sa šumom, što je često slučaj sa protokom i nivoom i ponekad pritiskom. Diferencijalno dejstvo u slučaju promena šuma mogu da proizvedu velika zavrtanja ventila, u zavisnosti od vrednosti proporcionalnog dejstva i diferencijala. U slučaju merenja sa šumom, rešenje koje se uvek preporučuje je filtriranje proporcionalne vrednosti. Međutim, ovo obično može da dovede do veštačkih zastoja merenja i daljeg degradiranja performansi povratne sprege.

Preporučeno integralno vreme za temperaturu može da se poveća za povratnu spregu sa značajnim mrtvim vremenom procesa i zastojom – na primer, za upravljanje destilacijom kolone temperature sa refluksiranim protokom ili toplotom parnog kotla.

Baš kao što je to uvek slučaj, sve što je potrebno je da koristite svoje inženjersko iskustvo i procenu kada je reč o ovom tipu projekta, što bi trebalo da Vam da dobru osnovu za konfigurisanje vrlo značajog PID upravljačkog algoritma.

Postoji nekoliko metoda za podešavanje PID povratne sprege. Najefikasnija metoda podrazumeva u opštem slučaju razvoj nekih oblika procesnih modela i biranje P, I i D dejstva zasnovanog na parametrima dinamičkog modela.

Standardne metode za podešavanje PID regulatora su:

Ručno podešavanje,
Ziegler–Nichols podešavanje,
Podešavanje pomoću softverskih alata,
Cohen–Coon podešavanje.

Izbor metode će u mnogome zavisiti od toga da li ili ne povratna sprega može da se odvoji da radi “offline” u slučaju podešavanja i vremena odziva sistema. Ukoliko sistem može da se odvoji da radi offline, najbolji metod podešavanja najčešće podrazumeva odskočnu promenu na ulazu sistema, merenje izlaza kao funkcije od vremena i korišćenje ovih odziva za utvrđivanje kontrolnih parametara.

Za više informacija o PID regulatorima i njihovom podešavanju, pogledajte:

The post Inicijalno podešavanje PID regulatora appeared first on Automatika.rs.

Mikroprocesorski sistem za regulaciju temperature

administrator — Sat, 13 Jun 2009 21:39:53 +0000

Merenje temperature postavlja se kao najčešći i najvažniji zadatak pogonske kontrole bilo kakvog toplotnog procesa. Bolja regulacija temperature znači veću sigurnost, veću delotvornost i kvalitet konačnog proizvoda. Poslednjih godina je razvijeno mnogo različitih metoda za određivanje prihvatljivih parametara PI/PID regulatora. Metode se razlikuju u složenosti, fleksibilnosti i poznavanju procesa koji koristimo.

Sušenje voća podrazumeva dovođenje određene količine toplote potrebne za isparavanje i odvođenje vlage. Obično se pre sušenja voće mora na neki način pripremiti, što znači da je potrebno primeniti tehnološke postupke. Pod pojmom pripreme voća za dehidraciju podrazumeva se čitav niz različitih postupaka koji se sprovode u cilju dobijanja finalnog produkta što boljeg kvaliteta. Koji će se postupak primeniti zavisi od vrste voća.

2. REZULTATI SIMULACIJE

Model sistema je rađen u programskom paketu Matlab odnosno delu tog paketa, Simulink-u. Model se sastoji iz tri dela. Pri izboru regulatora odlučeno je za PI regulator jer poseduje osobine koje su dobre za regulaciju temperature. Proces regulacije temperature u ovom sistemu je spor, a D regulator reaguje samo na brze promene dok spore i dugotrajne promene ne prouzrokuju nikakvo dejstvo ovog regulatora i zato ga ne koristimo.

Na slici 2.1. je prikazan blok PI regulatora. Na ulaz PI regulatora se dovodi razlika zadate (željene) i merene temperature koja se dobija sa senzora. Na izlazu regulatora dobijamo signal koji dalje prosleđujemo na kolo za poređenje.

Slika 2.1. Blok PI regulatora realizovan u Matlab-u

Model pretvarača tj.bloka koji na izlazu daje PWM signal, je prikazan na slici 2.2.

Slika 2.2. Model pretvarača

Podešavanje napona na grejaču je realizovano preko bloka koji nam na izlazu daje PWM signal. PWM signal je dobijen poređenjem trougaonog signala periode 6 sekundi i signala faktora ispune koji je dobijen na izlazu PI regulatora.

Model grejača je prikazan na slici 2.3.

Slika 2.3. Model grejača

Rezulatati simulacije prikazani su na procesu gde je model grejača predstavljen funkcijom prenosa (izraz 1)

(1)

Savremena rešenja standardnih PI regulatora omogućavaju podešavanje svih parametara [2,3] koji određuju intenzitete pojedinih dejstava regulatora. Često se podešavanje vrednosti ovih parametara u konkretnoj regulacionoj petlji vrši na osnovu praktičnog iskustva, pošto kompletan proračun u većini slučajeva nije moguće izvršiti zbog nedovoljnog poznavanja strukture i parametara objekta upravljanja.

Rezultati simulacije su dobijeni na osnovu tri najčešće korišćene metoda za podešavanje parametara PI regulatora.

Izabrane metode su Ziegler – Nichols – ova metoda, metoda modulnog optimuma i metoda simetricnog optimuma.

Odzivi sistema prikazani su na slikama 2.1, 2.2. i 2.3. respektivno a vrednosti parametara PI regulatora podešeni po pomenutim metodama, u tabeli 2.1.

Za potrebe simulacije, kao referentna vrednost temperature, izabrana je temperatura koja iznosi 50o C a opseg temperature u kojem su prikazani rezulati je između 0 o C i 100 o C. U realnim uslovima taj opseg bi mogao biti manji ali je za simulaciju izabran širi opseg.

Tabela 2.1. Vrednosti parametara PI regulatora

Parametri	Metode za podešavanje parametara PI regulatora
Parametri	Ziegler-Nichols	Modulni optimum	Simetrični optimum	Izmenjen modulni optimum
Kp	2.7	1.5	2.5	1.5
Ki	0.003333	0.05	0.0104	0.0045

Slika 2.1. Odziv sistema dobijen na osnovu podešavanja parametara po Ziegler-Nichols-ovoj metodi

Odziv sistema prikazan na slici 2.1. je dobar jer nema preskoka i nema velikih oscilacija oko željene temperature ali ipak nije zadovoljavajući jer je dosta spor. Posmatrajući karakteristiku može se primetiti da se željena temperatura jako sporo postiže.

Slika 2.2. Odziv sistema dobijen na osnovu podešavanja parametara po metodi modulnog optimuma

Posmatrajući karakteristiku sa slike 2.2. može se primetiti da je došlo do preskoka tj.odstupanja u odnosu na željenu vrednost temperature. Za neke određene procese to i nije tako veliki problem, ali ipak bi trebalo postići da preskok, ukoliko već postoji, bude što manji.

Slika 2.3. Odziv sistema dobijen na osnovu podešavanja parametara po metodi simetričnog optimuma

Brzina kojom se postiže željena temperatura kao na slici 2.3., je veća nego kod odziva dobijenog modulnim optimumom ali je i preskok značajno veći. Vrlo je bitno da i brzina i preskok budu uskladjeni da bi se postigla dobra regulacija temperature.

Za neke procese je prihavtljivo oscilovanje u temperaturi ±1oC i to se ne smatra velikim odstupanjem. Da bi se postiglo takvo ponašanje sistema tj. da bi se dobila preciznija regulaciju temperature uradjeno je nekoliko eksperimenata.

Slika 2.4. Odziv sistema dobijen na osnovu eksperimenta

Eksperimentalnim putem, menjanjem samo jednog parametra PI regulatora, korišćenjem parametara dobijenih po metodi modulnog optimuma, dobijen je manji preskok i samim tim i bolja regulacija temperature što je prikazano na slici 2.4.

Svaka od pomenutih metoda za podešavanje parametara PI regulatora, dala je relativno dobar rezultat. Medjutim, najbolji rezultat je dala malo izmenjena metoda modulnog optimuma, koja je dobijena eksperimentalnim putem. Promenjen je parametar integralnog dejstva kako bi preskok bio manji tj.manje odstupanje temperature. Preskok je manji nego po simetričnom i modulnom pravilu a brzina postizanja željene temperature je veća nego po Ziegler-Nichols-ovom pravilu. To su upravo faktori koji su vrlo važni za dobru regulaciju temperature.

3. REALIZACIJA HARDVERA SISTEMA

Osnovu sistema čini mikrokontroler ATmega8L-8PC koji je zadovoljio sve potrebe opisanog sistema[4]. ATmega8L-8PC je 8-bitni CMOS mikrokontroler male snage koji radi na bazi AVR RISC arhitekture.

Serijska komunikacija služi za vezu mikrokontrolera sa spoljašnjim ”svetom”, tj. sa nekim perifernim jedinicama. Serijska komunikacija se vrši pomoću RS-232 konektora (DB9 konektora) i kola za prilagođavanje naponskih nivoa MAX 232, koje je prikazano na slici 3.1.

Slika 3.1. MAX 232 serijska komunikacija

Pri realizaciji ovog sistema korišćen je temperaturni senzor PT100, koji sa konstantnim izvorom struje LM334 i operacionim pojačavačem čini senzorski deo uređaja [5] . Kolo sa PT100 temperaturnim senzorom je prikazano na slici 3.2.

Slika 3.2. Kolo sa PT100 temperaturnim senzorom

Prilikom razvoja uređaja često se javlja potreba za promenom delova koda mikrokontrolera. Ovaj mikrokontroler ima mogućnost programiranja bez potrebe da se vadi iz sistema pa se zato i nazivaju ISP ( In system programmable) mikrokontroleri. Programiranje se vrši preko konektora P7, prikazanog na slici 3.3.

Slika 3.3. Konektor za programiranje mikrokontrolera

Osnovu kola za napajanje Slika 3.4. čini regulator napajanja LM7805CT. On ima tri nožice i dolazi u TO-220 kućištu. Poseduje strujno ograničenje, termičko gašenje i zaštitu od kratkog spoja. Ako se obezbedi hlađenje ovog kola možemo postići i do 1A struje na izlazu.

Slika 3.4. Električna šema napajanja

Pored ovog kola imamo i relej u kombinaciji sa diodom koji nam služi da ukoliko dođe do greške pri uključivanju, odnosno da ukoliko bi se obrnuli krajevi ne dođe do pregorevanja nekih od komponenti.

Kada bi umesto releja stavili diodu, jaka struja od dva puta po 3-4A bi protekla kroz nju i imali bi velike gubitke na njoj, a to bi i smetalo upravljanju motora pošto ne bi moglo doći do rekuperacije struje ka bateriji. Generisana struja se nebi vraćala u bateriju nego u kondenzator koji je premali i ne bi mogao da primi tu količinu struje. C17 poboljšava stabilnost i reakciju u prelaznom režimu. LED1 je signalna dioda i govori da li je kolo u radnom režimu.

4. ZAKLJUČAK

Realizacijom ovako opisanog sistema se postiže dobra i precizna regulacija temperature. Vrlo bitna osobina mikroprocesorkog sistema za regulaciju temperature je univerzalnost. Uz određene promene ovaj sistem se može prilagoditi za različite procese, zavisno od potrebe.

Autor: Zorica Cvetinović

FTN- Novi Sad Katedra za elektroniku

The post Mikroprocesorski sistem za regulaciju temperature appeared first on Automatika.rs.