Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 8

wersja beta

---

Moduł 8 - Regulatory elektroniczne

Wykład 8. Regulatory elektroniczne

---

Wprowadzenie Określenia sterowanie i regulacja w potocznym użyciu są zbliżone do siebie i często są stosowane wymiennie jako bliskoznaczne. Układ sterowania bądź układ regulacji może być rozumiany jako wydzielony fizyczny obiekt, zawierający oprócz przekształtnika i odbiornika energii elektrycznej zestaw układów elektronicznych, przetwarzających sygnały zadające i pomiarowe tak, aby uzyskać poprawne działanie urządzenia. Podstawową cechą charakteryzującą układ sterowania jest obecność sprzężenia zwrotnego lub też jego brak. W przypadku występowania takiego sprzężenia mówi się o zamkniętym układzie sterowania, układzie regulacji lub o układzie regulacji automatycznej. W układach sterowania bez sprzężenia zwrotnego – zwanych też układami otwartymi – często występuje konieczność ręcznego nastawiania wielkości zadającej, aby skorygować odchyłki wielkości wyjściowej, występujące wskutek zmiany parametrów układu (tzw. „sterowanie ręczne”).

---

Jednym z najistotniejszych elementów układu sterowania jest regulator, który umożliwia poprawną i bezpieczną pracę urządzenia w stanie ustalonym i w stanach przejściowych (dynamicznych). Stosowanie w torze sterowania regulatora ma na celu uzyskanie nie tylko bezpiecznej (stabilne)j pracy układu, ale również odpowiedniej jakości nastawiania wielkości sterowanej i kompensacji zakłóceń.

---

Opracowanie właściwego układu sterowania lub regulacji urządzenia energoelektronicznego wymaga rozpoznania specyfiki rozlicznych rodzajów układów sterowania spotykanych w praktyce. Ze względu na rodzaj sygnału zadającego i sposób jego zmienności w czasie rozróżnia się następujące rodzaje sterowania: Sterowanie stałowartościowe, w którym nastawiana w większych odstępach czasu wartość wielkości regulowanej powinna być stabilizowana, przy przestrajaniu wielkości zadającej uchyb przejściowy powinien zanikać dostatecznie szybko. Sterowanie programowe. W którym o zmianach wielkości zadającej decyduje nadrzędny system sterowania, generujący funkcję (program) zmian stanu urządzenia. Dobrym przykładem są systemy sterowania całkowicie zautomatyzowanych linii obrabiarkowych, wykonujących detale o zadanym kształcie. Szczególnym typem prostego sterowania programowego jest sterowanie sekwencyjne, w którym kolejne operacje są powtarzane tak, jak np. przy napełnianiu i etykietowaniu pojemników. Sterowanie nadążane – zwane też często śledzącym – przeznaczone do możliwie wiernego odtwarzania chwilowych wartości stale zmieniającego się sygnału, który odtwarza przypadkowo zmieniający się stan obiektu, jak np. przy śledzeniu ruchu rakiety przez antenę radaru.

---

Ważnym ze względu na stopień trudności wyboru układu sterowania i metody jego projektowania jest podział na układy liniowe i nieliniowe. Konsekwencją braku liniowości jest nie podleganie układu zasadzie superpozycji (superpozycja polega na tym, że odpowiedź układu na sumę wymuszeń jest równa sumie odpowiedzi na każde z tych wymuszeń oddzielnie). Pewnym uproszczeniem w określeniu liniowości jest stwierdzenie liniowości charakterystyk statycznych obiektu sterowania poszczególnych bloków wchodzących w układ sterowania. Występowanie nieliniowości w układzie stanowi niekiedy utrudnienie w doborze metody sterowania, a także w zaprojektowaniu konkretnej struktury regulacji. Układy nieliniowe często można traktować jako liniowe w otoczeniu punktu pracy. W celu linearyzacji układu niekiedy stosuje się dodatkowe człony o nieliniowej charakterystyce odwrotnej, do charakterystyki sterowania. Istotne rozróżnienie wśród układów sterowania wynika z liczby wielkości regulowanych. Najczęściej są spotykane układy z jednym „wyjściem”, jednak niekiedy konieczne jest regulowanie niezależne kilku wielkości (np. w maszynie asynchronicznej jest regulowany strumień magnetyczny i prędkość obrotowa). Szczególne znaczenie praktyczne ma podział na sterownie ciągłe i dyskretne. Podział ten jest pokrewny innemu, wynikającemu ze sposobu technicznej realizacji, a mianowicie na układy analogowe i cyfrowe. Jeżeli układ sterowania jest zbudowany w taki sposób, że wszystkie sygnały sterujące są ciągłe i w obszarze zmienności bez ograniczeń co do przyjmowanych wartości i chwil, w których może dochodzić do zmiany, jest to układ sterowania ciągłego. Tego rodzaju układy sterowania są z zasady realizowane w technologii analogowej, charakteryzującej się budowaniem obwodów ze wzmacniaczami operacyjnymi. Inne rozwiązanie – które ze względu na liczne zalety użytkowe jest coraz szerzej wprowadzane do nowoczesnych urządzeń- polega na wykorzystaniu mikroprocesora, tj. układu cyfrowego, który w szeregu kolejno następujących po sobie operacji matematyczno-logicznych może przeliczyć komplet równań opisujących strukturę sterowania. Ponieważ sygnały pomiarowe muszą być przetworzone z ciągłych sygnałów analogowych, uzyskiwanych z układów pomiarowych, na cyfrowe, więc konieczne jest zastosowanie przetworników analogowo-cyfrowych. Cechą charakterystyczną układów cyfrowych jest przetwarzanie sygnałów w odniesieniu do ściśle określonych przedziałów czasu, w których występują zmiany ich wartości. Zastosowanie mikroprocesorów rozszerza znacznie możliwości realizacji cyfrowych układów sterowania w porównaniu z techniką budowania tych układów jako obwodów analogowych. Dzięki faktowi, że w tym przypadku struktura układu regulacji jest odwzorowana w algorytmie programu zapisanego w pamięci, z łatwością można ją zmienić w trakcie pracy (układy ze zmienną strukturą) lub dopasować nastawy do zmiennych parametrów obiektu i procesu sterowania (układy adaptacyjne).

---

Najprostszy układ regulacji to taki w którym występuje tylko jedna wielkość regulowana i w związku z tym jeden regulator. Schemat funkcjonalny takiego układu zawiera transmitancje obiektu regulacji oraz poprzedzającego go regulatora, objęte pętlą sprzężenia zwrotnego.

---

Transmitancje operatorowe oraz charakterystyki czasowe i amplitudowo-fazowe podstawowych członów układów regulacji. Człon proporcjonalny $G(s)=K$ 8.1 Człon całkujący $G(s)=\frac{K}{s{T}_i}$ 8.2

---

Człon inercyjny I rzędu $G(s)=\frac{K}{1+sT}$ 8.4 Człon inercyjny II rzędu $G(s)=\frac{K}{1+s{T}_1+(s{T}_2{)}^2}$ 8.5

---

Człon różniczkujący rzeczywisty $G(s)=\frac{K\cdot T_d\cdot s}{1+s{T}_d}$ 8.6 Człon opóźniający $G(s)=K\cdot e^{-s{T}_0}$ 8.7

---

Często w układach regulacji stosuje się popularną 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.

---

Niekiedy spotyka się również strukturę równoległą, 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 przedstawionego na slajdzie 6.

---

Szeroko stosowana metoda analizy i projektowania zamkniętego układu regulacji na podstawie transmitancji operatorowej polega na wyznaczeniu – na płaszczyźnie zespolonej – charakterystyk amplitudowo-fazowych odwzorowujących transmitancję widmową układu otwartego Parser nie mógł rozpoznać (błąd składni): {\displaystyle T_R(jω)\cdot T_0(jω)} .

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---