Regulatoare analogice

REGULATOARE ANALOGICE

1. OBIECTIVUL LUCRARII

cunoasterea rolului si locului regulatorului in cadrul unui sistem de reglare automata ;

familiarizarea cu principalele tipuri de regulatoare intalnite in practica : electonice si pneumatice, unificate si specializate, continue (analogice) si discontinue (bipozitionale, tripozitionale, numerice) ;

cunoasterea principiului de functionare al regulatoarelor uzuale ;

cunoasterea fizica a elementelor componente ale regulatoarelor electronice si pneumatice ;

insusirea tehnicii de manipulare a regulatoarelor uzuale ;

intelegerea si interpretarea corecta a raspunsului in timp al regulatoarelor de tip P, PI, PD, PID .

2. NOTIUNI RECAPITULATIVE DE BAZA

2.1. REGULATOARE ANALOGICE UZUALE

Regulatorul este dispozitivul de comanda al unui SRA, avand rolul de a genera semnalul de comanda pentru dispozitivul de executie, prin prelucrarea corespunzatoare a informatiei primite de la dispozitivul de masurare, referitoare la valoarea curenta a marimii reglate.

Principial, regulatorul contine doua blocuri mai importante (fig.1):

elementul de comparatie EC, care compara semnalul de reactie x_r cu semnalul de referinta x_i, generand abaterea x_a=x_i - x_r ;

blocul de calcul BC, care genereaza comanda automata x_ca , ca rezultat al prelucrarii abaterii x_a dupa un anumit algoritm prestabilit.

Fig.1. Schema de principiu a unui regulator.

In cazul regulatoarelor de tip PID, comanda se obtine prin multiplicarea, integrarea si derivarea abaterii :

,

unde K_p este factorul de proportionalitate, T_i constanta de integrare, T_d constanta de derivare.

In cazurile particulare T_i = ∞ , respectiv T_d = 0 , algoritmul de comanda PID devine PD, respectiv PI.

La regulatoarele electronice cu componente discrete si la regulatoarele pneumatice, blocul de calcul BC are o structura inchisa, fiind format dintr-un element de comparatie ∑₁, un simplificator A cu factor de amplificare mare si un bloc de reactie acordabil BRA, prevazut cu comutatoare pentru modificarea convenabila a celor trei parametrii de acordare.

Notand cu K factorul de amplificare al amplificatorului A si cu Y_r(s) functia de transfer a blocului de reactie acordabil BRC, blocul de calcul BC va avea functia de transfer :

Deoarece K >>1, rezulta :

,
relatie ce evidentieaza rolul si importanta blocului de reactie acordabil BRC in stabilirea algoritmului de comanda .

In cazul regulatoarelor de tip PID, blocul de calcul are functia de transfer:

.

In practica, in locul factorului de proportionalitate K_p se utilizeaza frecvent banda de proportionalitate B_p , un parametru de acordare invers proportional cu K_p si este exprimat in procente :.

In functie de pozitia comutatorului de referinta CR, regulatorul poate functiona cu referinta interna (x_ii), sau cu referinta externa (x_ie). Referinta interna poate fi stabilita la valoarea dorita prin modificarea pozitiei δ_ii a unui cursor amplasat, de obicei , pe fata frontala a regulatorului.

In functie de pozitia comutatorului de comanda CC, regulatorul functionea-za in regim AUTOMAT, sau in regim MANUAL. In primul caz comanda este obtinta prin prelucrarea abaterii x_a dupa legea (1), iar in al doilea caz, comanda este proportionala cu pozitia δ_c a unui buton de comanda manuala, amplasat pe fata frontalaa regulatorului.

In afara celor doua comutatoare, mai exista un comutator DIRECT-INVERS pentru stabilirea sensului corect de variatie a comenzii x_c in raport cu reactia x_r (K_p<0 pentru sens DIRECT, K_p>0 pentru sens INVERS).

In regim manual, semnalul de comandǎ poate fi modificat in sens crescǎtor, respectiv descrescǎtor, prin apǎsarea unuia dintre cele douǎ butoane cu autorevenire situate la partea inferioarǎ a panoului frontal, sub scala indicatoare a semnslului de comandǎ (fig.2) . Cu ajutorul comutatoarelor A-M si I-E poate fi stabilit regimul de lucru automat sau manual, respectiv de referintǎ internǎ sau externǎ . Butoanele de echilibrare "ech" si "x 10"sunt utilizate in cadrul operatiei de conectare, fǎrǎ soc, a referintei interne in locul celei externe, sau invers.

Fig. 2. Panoul frontal al regulatorului ELC 1132.

In tabelul 1 sunt prezentate domeniile in care pot fi modificati de parametrii de acordare ai regulatoarelor din clasa ELC 1130 .

Tabelul 1

Pentru realizarea algoritmului de comanda PID, regulatoare electronice integrate contin circuite de insumare, de comparare, de integrare si de derivare. Regulatorele ELC 1130 functioneaza de regula cu semnal unificat 4..20 mA. Prin conectarea unor rezistente de 250 Ω intre bornele de intrare, curentul de referintǎ si curentul de reactie sunt convertiti in tensiuni in gama 1..5 V. Daca semnalele de referinta si de reactie sunt curenti in gama 2..10 mA, atunci rezistentele conectate la bornele de intrare trebuie sa fie de 500 Ω. Semnalul de comanda de la iesirea regulatorului este generat totdeauna de un etaj final de putere.

CONTINUTUL SI DESFASURAREA LUCRARII DE LABORATOR

Lucrarea va fi efectuata etapizat, pe baza punctelor prezentate in cele ce urmeaza.

3.1. Identificarea tuturor tipurilor de regulatoare din dotarea laboratorului (electronice si pneumatice, unificate si specializate, continue si bipozitionale) si punerea in evidenta a elementelor principale ale acestora.

3.2. Programarea algoritmului de reglare la regulatorul electronic ELC 1132. Cu regulatorul nealimentat, se vor programa, sub supravegherea cadrului didactic, urmatorii algoritmi :

a.) P : B_p=100%

b.) PI : B_p=200% , T_i=10s

c.) PD : K_p=5 , T_d=20s

d.)PID : B_p=50% , T_i=30s , T_d=10s

K_p=10 , T_i=2min , T_d=1min .

Pentru fiecare caz in parte se vor scrie ecuatiile si functiile de transfer corespunzatoare canalelor x_i-x_c si x_r-x_c .

3.3. Experimentarea in regim MANUAL a regulatorului ELC 1132 .

Cu regulatorul in regim MANUAL (comutatorul A-M in pozitie M), se alimenteaza cu energie panoul cu aparatele utilizate la studiul regulatorului electronic cu circuite integrate ELC 1132 (fig. 3).

Modificarea manuala a semnalului de comanda r_c (curent in gama 4..20 mA) se face prin apasarea unuia dintre butoanele cu autorevenire situate la partea inferioara a panoului frontal. Variatia semnalului de comanda x_c     de la iesirea regulatorului va fi urmarita procentual pe scala orizontala a regulatorului si la aparatul inregistrator de tip I potentiometru automat.

Prin apasarea butonului de comanda manuala din dreapta (stanga) panoului frontal al regulatorului se obtine o crestere (scadere) a semnalului de comanda, cu viteza constanta. O aseamenea variatie a comenzii este realizata prin integrarea in timp a unui semnal constant pozitiv, respectiv negativ.

Fig. 3. Stand pentru studiul regulatorului ELC 1132.

3.4. Determinarea caracteristicilor statice x_c=f(x_r) ale regulatorului de tip proportional.

Se scrie mai intai expresia caracteristicii statice a unui regulator proportional sub forma x_c=ax_r+b , evidentiindu-se dependenta constantelor a si b de x_io si x_co .

Cu regulatorul nealimentat, se elimina componenta derivatoare prin extragerea fisei modului D si se reduce efctul componentei integratoare prin introducerea fisei modulului I in pozitia "x10" si aducerea butonului constantei T_i la valoarea maxima. Se alimenteaza regulatorul, in regim manual, si se stabileste semnalul de comanda la o anumita valoare x_co (de exemplu 50%). Se verifica daca regulatorul este conectat pe referinta interna (comutatorul I-E in pozitia I), apoi se fixeaza aceeasi valoare (de exemplu, 60%) pentru referinta si reactie. Se trece regulatorul pe AUTOMAT si se modifica semnalul de reactie x_r de-o parte si de alta a valorii initiale, determinandu-se astfel cca. 8-10 puncte ale caracteristicii statice. Operatia va fi efectuata pentru doua valori ale factorului de proportionalitate, de exemplu pentru K_p=1 si K_p=2, apoi se schimba pozitia comutatorului DIRECT-INVERS si se repeta experimentul.

Datele obtinute vor fi centralizate in 4 tabele de tipul celui de mai jos :

Unul dintre cele 4 tabele va fi completat cu inca doua linii in care se vor trece valorile in mA ale semnalelor x_c si x_r , tinandu-se seama de faptul ca intrarile x_i si x_r varieaza in gama 2..10 mA, iar iesirea x_c in gama 4..20 mA.

Cele patru caracteristice statice vor fi trasate grafic pe hartie milimetrica, in acelasi sistem de coordonate. Se vor face aprecieri asupra liniaritatii caracteristicilor determinate experimental si asupra valorilor reale ale factorului de proportionalitate.

3.5. Analiza componentei integratoare in regim stationar

Cu regulatorul nealimentat, se introduce fisa modului I in pozitia "x1". Se alimenteaza regulatorul, se stabileste x_c la 50% , se stabilesc x_i si x_r astfel incat x_a=x_i-x_r=10% , se fixeaza K_p la valoarea 1 si T_i la o anumita valoare (de exemplu, 25s), dupa care se trece regulatorul pe AUTOMAT si se urmareste la inregistrator variatia in timp a semnalului de comanda. Cu ajutorul unui cronometru se determina viteza de variatie a semnalului de comanda x_c (exprimata in % / s) si se compara cu expresia teoretica K_px_a / T_i (x_a constant). Cand x_c iese in afara domeniilor de lucru se trece regulatorul pe MANUAL si se readuce x_c la valoarea x_co=50%.

Se repeta experimentul pentru alta valoare a constantei de integrare T_i, apoi pentru x_a=10%. Se fac aprecieri si se interpreteza valorile obtinute.

3.6. Schimbarea referintei regulatorului

Cu regulatorul nealimentat, se introduce fisa modulului D in pozitia "x1". Dupa alimentarea regulatorului, se stabileste manual x_c la o valoare intermadiara din domeniu, se asigura x_a=0, apoi se trece regulatorul in regim AUTOMAT.

Pentru schimbarea corecta (fara soc) a referintei interne cu referinta externa, in conditiile in care nu este posibila masurarea precisa a acesteia din urma, se utilizeaza butonul "echilibrare". Prin mentinerea apasata a acestui buton, scala verticala din stanga panoului frontal al regulatorului nu va mai indica abaterea x_a=x_i-x_r , ci diferenta dintre referinta interna si cea externa. Asadar, in vederea trecerii regulatorului pe referinta externa, se apasa butonul de "echilibrare" si se modifica referinta externa pana cand acul indicator al scalei abaterii indica zero. Dupa eliberarea butonului de echilibrare se trece comutatorul referintelor I-E in pozitia E. Se observa ca abaterea x_a=x_i-x_r ramane zero, iar semnalul de comanda x_c ramane neschimbat.

Trecerea inversa, de pe referinta externa pe cea interna, se efectueaza similar, cu deosebirea ca de data aceasta se modifica referinta interna pentru a fi adusa la valoarea referintei externe.

In continuare, pentru comparatie se va modifica una dintre referinte si se va efectua comutarea referintelor, renuntandu-se la operatia de echilibrare. Efectul comutarii asupra semnalului de comanda va fi consemnat in referat.

Cu ajutorul butonului "x10" poate fi obtinuta o crestere de cca.10 ori a sensibilitatii aparatului care indica abaterea intre cele doua referinte.

3.7. Determinarea caracteristicilor dinamice ale regulatorului

Vor fi determinate experimental formele de variatie in timp ale marimii de comanda x_c(t) la o variatie de tip treapta a marimii de reactie x_r , in cazul regulatoarelor de tip P, PI, PD, PID. Pentru fiecare caz in parte se va proceda dupa modelul prezentat in continuare.

Cu regulatorul nealimentat, se stabileste structura dorita a acestuia si se fixeaza parametrii de acordare la valorile dorite. Dupa alimentare, se stabileste manual x_c la valoarea x_co =20% , se fixeaza x_i si x_r la aceeasi valoare (de exemplu, 50%), se trece comutatorul DIRECT-INVERS pe pozitia DIRECT, apoi se comuta regulatorul pe AUTOMAT. Se modifica brusc x_r , in sens crescator, cu 10% si se urmareste cu mare atentie modul de variatie in timp a marimii de comanda x_c , dupa care se traseaza grafic, calitativ, dependenta lui x_c de t.

Pentru cntinuarea experimentului, se trece regulatorul in regim MANUAL, se fixeaza x_c la 20% , se readuce x_r la valoarea lui x_i (x_a=0), se modifica convenabil algoritmul de comanda, se trece regulatorul pe AUTOMAT si se modifica x_r sub forma de treapta.

Pe baza caracteristicilor dinamice reprezentate grafic se vor formula concluzii privind :

modul in care fiecare parametru de acordare influenteaza intensitatea comenzii ;

ordinea temporala in care se manifesta preponderent fiecare dintre componentele proportionala, integratoare si derivatoare in cazul regulatoarelor de tip PI, PD, PID ;

asemanarile si deosebirile intre caracteristicile dinamice reale (determinate experimental) si cele ideale (determinate prin calcul pe baza modelului matematic (1)) ;

rolul, avantajele si dezavantajele fiecarei componente (P, I, D) in procesul efectiv de reglare.

INTREBARI DE CONTROL

1. Care este rolul regulatorului in cadrul unui SRA?

2. Scrieti ecuatia caracteristicii statice a unui regulator de tip proportional, stiind ca x_i, x_r, x_c sunt curenti in gama 4 . 20 mA, x_i =10 mA, x_c0=60%, Bp=50%.