3. Regulační obvody


3.1 Regulace nadrže s odčerpáváním

U regulačního obvodu s regulovanou soustavou - nadrž s odčerpáváním provedeme jeho analýzu s dvoupolohovým regulátorem a analogovým regulátorem typu P, viz obr. 3.1

Obr. 3.1 Zjednodušené schéma regulačního obvodu pro nádrž s odčerpáváním

Matematický model
V souladu s výsledky dříve řešenéhoho příkladu matematický model regulované soustavy nádrže s odčerpáváním v oblasti komplexní proměnné má tvar [viz vztah (22) a obr. 3.1]

(3.1)

a) Dvoupolohový regulátor

Budeme předpokládat nejjednodušší dvoupolohový regulátor, který je realizován solenoidovým ventilem. Jeho činnost lze popsat vztahy (obr. 3.2)

(3.2)
kde hwje požadovaná výška hladiny [m],
h- šířka hystereze dvoupolohového regulátoru [m],
q1m- maximální přítok [m3s-1].
Je zřejmé, že regulace může být účinná pouze pro :

(3.3a)

tj.

(3.3b)

Protože se jedná o nelineární regulační obvod, analýzu jeho vlastností provedeme číslicovou simulací

Obr. 3.2 Dvoupolohová regulace výšky hladiny: blokové schéma regulačního obvodu - (a),statická charakteristika dvoupolohového regulátoru - (b).

b) Analogový regulátor typu P

Analogový regulátor proporcionálního typu je nejjednodušší spojitý regulátor, který
v našem případě můžeme v oblasti komplexní proměnné popsat rovnicemi (obr. 3.3)

(3.4a)

(3.4b)

kde E(s) je obraz regulační odchylky,
kR - zesílení regulátoru [m2s-1].

Obr. 3.3 Blokové schéma regulačního obvodu s analogovým regulátorem typu P

Pro regulační obvod na obr. 3.3 platí

(3.5a)

(3.5b)

resp.

(3.6a)

(3.6b)

kde T1 je časová konstanta [s].

Jako poruchovou veličinu budeme uvažovat odčerpávané množství q2(t).
Ze vztahu (3.6a) je zřejmé, že počáteční výška h0 má vliv pouze na přechodný proces, protože platí (obr.3.4).

(3.7)

Z tohoto důvodu se vliv počteční výšky h0 (počátení podmínky) často při analýze
a syntéze regulačních obvodů neuvažuje.

Obr. 3.4 Přechodná složka způsobená počátení výškou h0

Protože úkolem regulace je udržovat výšku hladiny h(t) na požadované konstantní výšce hw , pro ustálený stav platí

(3.8)

tj.

(3.9)

Ze vztahu (3.9) vyplývá, že při použití proporcionálního regulátoru (regulátoru typu P) v regulačním obvodě zůstane trvalá regulační odchylka, jejiž velikost závisí na odčerpávaném množství q2(t), tj.

(3.10)

Pro skokovou změnu polohy

(3.11)

dostaneme

(3.12)

Trvalá regulační odchylka (3.12) bude tím menší, čím větší bude zesílení regulátoru kR.
Zesílení regulátotoru kR má vliv na dynamiku celého regulačního obvodu, viz vztah (3.6b).

Simulační model

Pro simulaci využijeme část schématu z příkladu nádrže s odčerpáváním (obr. 3.7).

a) Dvoupolohový regulátor {soubor NAD_O_RD.SIP}
Simulační schéma na obr. 3.7 doplníme o zapojení s dvoupolohovým regulátorem na obr.3.5.

Obr. 3.5 Simulační schéma dvoupolohového regulátoru

Obr. 3.6 Výsledky simulace regulačního obvodu s dvoupolohovým regulátorem

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
t12 = 80 s; q2u = 0,002 m3s-1; P = 0,5 m; h0 = 0,2 m; hmax = 0,3 m;
q1m = 0,003 m3s-1 ; h = 0,02 m; hw = 0,27 m.

Obr. 3.7. Simulační schéma regulované soustavy - nádrže s odčerpáváním

Na základě výsledků simulace, viz obr. 3.6 lze učinit tyto závěry:

b) Analogový regulátor typu P{soubor NAD_O_RP.SIP}
Simulační schéma na obr. 3.7 doplníme o zapojení s analogovým regulátorem na obr.3.8.

Obr. 3.8 Simulační schéma analogového regulátoru

Obr. 3.9 Výsledky simulace regulačního obvodu s analogovým regulátorem

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
t1 = 30 s; t2 = 80 s; q2u = 0,002 m3s-1; P = 0,5 m; h0 = 0,2 m; hmax= 0,3 m;
q1m = 0,003 m3s-1; hw = 0,27 m; kR = 0,1m s-1.

Na základě obr. 3.9 můžeme zhodnotit analogovou regulaci:

3.2 Regulace nádrže s volným odtokem

Na základě linearizovaného modelu nádrže s volným odtokem z příkladu 2.3 navrhneme analogový regulátor typu P, který zajistí požadovanou výšku hladiny hw [m] s relativní trvalou regulační odchylkou k = 0,05 (5). Výsledek srovnáme na základě číslicové simulace s původním nelineárním modelem.

Obr. 3.10 Zjednodušené schéma regulačního obvodu pro nádrž s volným odtokem

Matematický model
Linearizovaný model nádrže s volným odtokem jako regulovaná soustava má tvar [viz příklad 2.3, vztahy (2.15),(2.22) a (2.26)]

(3.13a)

(3.13b)

(3.13c)

(3.13d)

Je zřejmé, že tento linearizovaný model platí pro pracovní bod (3.13d) a pro malé odchylky od něho. Regulační obvod s analogovým regulátorem typu P je na obr. 3.11.

Obr. 3.11 Blokové schéma regulačního obvodu

Přenos analogového regulátoru typu P je velmi jednoduchý

(3.14)

kde kR je zesílení regulátoru [m2s-1].

Na základě blokového schématu regulačního obvodu můžeme snadno určit přenos řízení

(3.15)

a obraz regulační odchylky

(3.16)

Na základě věty o koncové hodnotě můžeme ze vztahu (3.17) určit trvalou regulační odchylku pro hw(t) = hw = konst.

(3.17)

Vidíme, že trvalá regulační odchylka e() bude tím menší, čím větší bude zesílení regulátoru kR. Ke stejnému závěru jsme mohli dojít na základě přenosu řízení (3.15), protože v jeho čitateli vystupuje výraz

(3.18)

který je vždy menší než 1, tzn.

(3.19)

Obr. 3.12 Blokové schéma regulačních obvodů s nelineární a linearizovanou regulovanou soustavou

Určíme nyní zesílení regulátoru kR, které zajistí relativní trvalou regulační odchylku
k = 0,05 (5). Na základě vztahu (3.17) lze psát

(3.20)

resp. s využitím vztahu (3.13c) dostaneme

(3.21)

Protože reálná regulovaná soustava je nelineární, musíme použít ostrou nerovnost a pro k = 0,05 obdržíme

(3.22)

Simulační model
Blokové schéma regulačních obvodů s nelineární a linearizovanou soustavou je na obr. 3.12, ze kterého je zřejmé, že s výhodou můžeme použít většinu bloků ze simulačního schématu na obr 2.15. Výsledné simulační schéma je na obr. 3.13 , {soubor NAD_P_R.SIP}.

Simulační výsledky na obr. 3.14 ukazují na oprávněnost použití při návrhu regulačního obvodu linearizace ve zvoleném pracovním bodě, určeném výškou hladiny hu. Na základě vztahu (3.22) je zřejmé, že pro h > 0 pro zjištění K = 0,05 () musíme zesílení regulátoru u regulačního obvodu s nelineární regulovanou soustavou zvýšit.

Zaměníme-li regulátory typu P za regulátory typu I v obou regulačních obvodech, trvalé regulační odchylky budou nulové.

Obr. 3.13 Simulační schéma regulačních obvodů s nelineární a linearizovanou regulovanou soustavou

Obr. 3.14 Výsledky simulace činností regulačních obvodů s nelinární a linearizovanou regulační soustavou.

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
t1 = 10 s; hw = 0,1 m; P = 0,5 m; hu = 0,2 m; kR = 0,2 m s-1; a = 0,0044 .

3.3 Regulace pohybu manipulátoru

Manipulátor je tvořen otočným sloupem 3, který je otáčen elektromotorem 1 přes čelní ozubené soukolí (viz obr. 3.15).Sloup unáší výsuvné rameno 4, které je vysouváno a zasouváno elektromotorem 2 přes ozubený hřeben a pastorek. Výsuvné rameno je možno považovat za tenkou homogenní tyč. Všechny součásti manipulátoru považujeme za dokonale tuhé.
Provedeme analytickou identifikaci manipulátoru a pro získaný matematický model navrhneme vhodný regulátor pro regulaci vysunutí ramena r(t) za předpokladu, že sloup se neotáčí, tzn. (t)=konst. Je použit stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený:

a) proudem kotvy i(t).
b) napětím kotvy u(t).

Indukčnost kotvy neuvažujeme.

Obr. 3.15 Zjednodušené schéma manipulátoru

Matematický model

a) Stejnosměrný motor řízený proudem kotvy
Matematický model stejnosměrného motoru s konstantním buzením řízený proudem kotvy má tvar [viz kapitola 2.5, vztahy (2.40), (2.42)]

(3.23)

kde (s) je obraz úhlu natočení motoru [rad], I(s) - obraz proudu kotvy A, J - celkový moment setrvačnosti [kg.m2], km - konstanta motoru [N.m.A-1], s - komplexní proměnná v Laplaceově transformaci.

b) Stejnosměrný motor řízený napětím kotvy
Matematický model stejnosměrného motoru s konstantním buzením řízený napětím má tvar [viz kapitola 2.5, vztahy (2.46), (2.48), (2.50), (2.51)]

(3.24)

kde (s) je obraz úhlu natočení motoru [rad], U(s) - obraz napětí kotvy [V], T1 - časová konstanta [s], k1 - koeficient přenosu motoru [rad.s-1.V-1].

c) Identifikace pohybu manipulátoru
Budeme řídit vysunutí ramene manipulátoru r(t) za předpokladu, že sloup se neotáčí, tzn. (t)=konst. Celkový moment setrvačnosti J je vlastně redukovaný moment na hřídel motoru, který vysunuje a zasunuje rameno. Redukovaný moment setrvačnosti určíme na základě rovnosti kinetických energií, která je dána vztahem

(3.25)

kde je úhlová rychlost [rad.s-1], Jm - moment setrvačnosti motoru [kg.m2], Jp - moment setrvačnosti pastorku [kg.m2], m - hmotnost výsuvného ramena [kg], D - průměr roztečné kružnice ramena [m].

Z toho plyne

(3.26)

Vysouvání a zasouvání ramena manipulátoru je prováděno elektromotorem přes ozubený hřeben a pastorek, proto vztah mezi natočením hřídele motoru a vysunutím ramena manipulátoru má tvar

(3.27)

Po použití Laplaceovy transformace dostaneme vztah

(3.28)

kde R(s) je obraz vysunutí ramena, (s) - obraz úhlu natočení výstupního hřídele motoru.

Regulace posuvu ramena manipulátoru

a) Stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený proudem kotvy

Obr. 3.16 Blokové schéma regulované soustavy

Přenos regulované soustavy (motor + manipulátor, viz obr. 3.16)

(3.29)

Stupeń astatismu regulované soustavy je q = 2, tzn. jedná se o integrační soustavu druhého řádu bez setrvačnosti. Volíme proporcionální-derivační regulátor (PD regulátor), který v našem případě můžeme v oblasti komplexní proměnné popsat rovnicemi

(3.30)

kde E(s) je obraz regulační odchylky, Rw(s) - obraz požadovaného vysunutí ramena, R(s) - obraz skutečnoho vysunutí ramena, kp - zesílení regulátoru [A.rad-1], TD - derivační časová konstanta [s].
Hodnoty parametrů regulátoru kp a TD jsme určili na základě metody symetrického optima.

Obr. 3.17 Blokové schéma regulačního obvodu

b) Stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený napětím kotvy

Obr. 3.18 Blokové schéma regulované soustavy

Přenos regulované soustavy (motor + manipulátor, viz obr. 3.18)

(3.31)

Stupeń astatismu regulované soustavy je q = 1, tzn. jedná se o integrační soustavu se setrvačností prvního řádu. Volíme proporcionální regulátor (P regulátor), který v našem případě můžeme v oblasti komplexní proměnné popsat rovnicemi

(3.32)

kde E(s) je obraz regulační odchylky, Rw(s) - obraz požadovaného vysunutí ramena, R(s) - obraz skutečnoho vysunutí ramena, kp - zesílení regulátoru [V.rad-1].

Hodnotu parametru regulátoru kp jsme určili pomocí metody optimálního modulu.

Obr. 3.19 Blokové schéma regulačního obvodu

Simulační ověření

a)Motor řízený proudem kotvy {soubor RAPROUD.SIP}

Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.18 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.20.

Obr. 3.20 Simulační model regulačního obvodu

Popis modelu:
blok1-realizuje žádanou veličinu ve tvaru skokové změny z hodnoty 0 na
hodnotu Rw, která nastane v čase t = 0,
blok2-sumátor, na jeho výstupu je rozdíl mezi žádaným a skutečným vysunutím ramena manipulátoru,
bloky 3,4,5-regulátor s omezením na minimální a maximální hodnotu proudu,
bloky 6,7,8- regulovaná soustava, kde
bloky 9,10- přičtení počáteční hodnoty vysunutí ramena manipulátoru.

Výsledky číslicové simulace jsou na obr. 3.21. Cílem řízení bylo dosažení požadovaného vysunutí ramena manipulátoru. Vidíme, že po počátečních překmitech se rameno dostalo do požadované hodnoty 0,7m v čase t=19,55s. Maximální překmit k je 39 tzn., že rameno se vysunulo do polohy 0,9792m.

Obr. 3.21 časový průběh vysunutí ramena manipulátoru a řídicího proudu

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
m=96kg, l=1m, D=0,07m, JP=0,0006kg.m2, Jm=0,00046kg.m2, r0=0,3m, km=0,473N.m.A-1, Imax=13,6A, k=2,1142, T=0,2585s, kp=500, TD=0,175s.

b)Motor řízený napětím kotvy{soubor RANAPETI.SIP}
Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.19 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.22.

Obr. 3.22 Simulační model regulačního obvodu

Popis modelu:

blok1 - realizuje žádanou veličinu ve tvaru skokové změny z hodnoty 0 na
hodnotu Rw, která nastane v čase t = 0,
blok 2 - sumátor, na jeho výstupu je rozdíl mezi žádaným a skutečným vysunutí
ramena manipulátoru,
bloky 3,4 - regulátor s omezením na maximální hodnotu napětí,
bloky 5, 6, 7 -regulovaná soustava,
bloky 8, 9 -přičtení počáteční hodnoty vysunutí ramena manipulátoru.

Výsledky číslicové simulace jsou na obr. 3.23. Cílem řízení bylo dosažení požadovaného vysunutí ramena manipulátoru. Vidíme, že po počátečním překmitu se rameno dostalo do požadované hodnoty 0,7m v čase t=4,6s. Maximální překmit vysunutí ramena k je 5,5 tzn., že rameno se vysune na hodnotu 0,739m.

Obr. 3.23 časový průběh vysunutí ramena manipulátoru a řídicího napětí

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
m=96kg, l=1m, D=0,07m, JP=0,0006kg.m2, Jm=0,00046kg.m2, r0=0,3m, km=0,473N.m.A-1, km=0,473N.m.A-1, Umax=149V, k=2,1142, T=0,372s, kp=24,4.

3.4 Regulace pohybu manipulátoru

Manipulátor je tvořen otočným sloupem 3, který je otáčen elektromotorem 1 přes čelní ozubené soukolí (viz obr. 3.24).Sloup unáší výsuvné rameno 4, které je vysouváno a zasouváno elektromotorem 2 přes ozubený hřeben a pastorek. Výsuvné rameno je možno považovat za tenkou homogenní tyč. Všechny součásti manipulátoru považujeme za dokonale tuhé.

Provedeme analytickou identifikaci manipulátoru a pro získaný matematický model navrhneme vhodný regulátor pro regulaci natočení sloupu (t) za ředpokladu, že rameno je ve střední poloze a nepohybuje se, tzn. r(t)=0.5l=konst. Je použit stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený:

a) proudem kotvy i(t)
b) napětím kotvy u(t)

Indukčnost kotvy neuvažujeme.

Obr. 3.24 Zjednodušené schéma manipulátoru

Matematický model

a) Stejnosměrný motor řízený proudem kotvy
Matematický model stejnosměrného motoru s konstantním buzením řízený proudem kotvy má tvar [viz kapitola 2.5, vztahy (2.40),(2.42)]

(3.33)

kde (s) je obraz úhlu natočení motoru [rad], I(s) - obraz proudu kotvy A, J - celkový moment setrvačnosti [kg.m2], km - konstanta motoru [N.m.A-1], s - komplexní proměnná v Laplaceově ransformaci.

b) Stejnosměrný motor řízený napětí kotvy
Matematický model stejnosměrného motoru s onstantním buzením řízený napětím má tvar [viz kapitola 2.5, vztahy (2.48), (2.50), (2.51)]

(3.34)

kde (s) je obraz úhlu natočení motoru [rad], U(s) - obraz napětí kotvy V, T1 - časová konstanta [s], k1 - koeficient přenosu motoru [rad.s-1.V1.]

c) Identifikace pohybu manipulátoru
Budeme řídit natočení sloupu manipulátoru t za předpokladu, že rameno je ve střední poloze a neotáčí se, tzn. r(t)=0,5l=konst. Celkový moment setrvačnosti J je vlastně redukovaný moment na hřídel motoru, který otáčí sloupem. Redukovaný moment setrvačnosti určíme na základě rovnosti kinetických energií, která je dána vztahem

(3.35)

kde je úhlová rychlost [rad.s-1], Jm - moment setrvačnosti motoru [kg.m2], Jp - moment setrvačnosti pastorku [kg.m2], Jk - moment setrvačnosti ozubeného kola [kg.m2], m - hmotnost výsuvného ramena [kg], z1,z2 - počet zubů.

Z toho plyne

(3.36)

Sloup se otáčí přes čelní ozubené soukolí, proto vztah mezi úhlem natočení výstupního hřídele motoru a úhlem natočení sloupu je popsán

(3.37)

Po použití Laplaceovy transformace dostaneme vztah

(3.38)

kde A(s) je obraz úhlu natočení sloupu,(s) - obraz úhlu natočení výstupního hřídele motoru.

Regulace posuvu ramena manipulátoru

a) Stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený proudem kotvy

Obr. 3.25 Blokové schéma regulované soustavy

Přenos regulované soustavy (motor + manipulátor, viz obr. 3.25)

(3.39)

Stupeń astatismu regulované soustavy je q = 2, tzn. jedná se o integrační soustavu druhého řádu bez setrvačnosti. Volíme proporcionálně-derivační regulátor (PD regulátor), který v našem případě můžeme v oblasti komplexní proměnné popsat rovnicemi

(3.40)

kde E(s) je obraz regulační odchylky, Aw(s)- obraz požadovaného vysunutí ramena, A(s) - obraz skutečnoho vysunutí ramena, kP - zesílení regulátoru [A.rad-1, TD - derivační časová konstanta [s].
Hodnoty stavitených parametrů kp a TD jsme určili na základě metody symetrického optima.

Obr. 3.26 Blokové schéma regulačního obvodu

b) Stejnosměrný motor s konstantním buzením řízený napětím kotvy

Obr. 3.27 Blokové schéma regulované soustavy

Přenos regulované soustavy (motor + manipulátor, viz obr. 3.27)

(3.41)

Stupeń astatismu regulované soustavy je q = 1, tzn. jedná se o intagrační soustavu se setrvačností prvního řádu. Volíme proporcionální regulátor (P regulátor), který v našem případě můžeme v oblasti komplexní proměnné popsat rovnicemi

(3.42)

kde E(s) je obraz regulační odchylky, Aw(s) - obraz požadovaného vysunutí ramena, A(s) - obraz skutečnoho vysunutí ramena, kP - zesílení regulátoru [V.rad-1].
Hodnotu stavitelného parametru kp jsme určili pomocí metody optimalního modulu.

Obr. 3.28 Blokové schéma regulačního obvodu

Simulační ověření

a) Motor řízený proudem kotvy {soubor SLPROUD.SIP}
Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.26 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.29.

Obr. 3.29 Simulační model regulačního obvodu

Popis modelu:
blok1-realizuje žádanou veličinu ve tvaru skokové změny z hodnoty 0 na
hodnotu Aw ,která nastane v čase t = 0,
blok 2-sumátor, na jeho výstupu je rozdíl mezi žádaným a skutečným otočením
sloupu manipulátoru,
bloky 3,4-regulátor s omezením na maximální hodnotu proudu,
bloky 5, 6, 7-regulovaná soustava, kde
bloky 8, 9-přičtení počáteční hodnoty natočení sloupu manipulátoru.

Simulační výsledky na obr. 3.30. Cílem řízení bylo dosažení požadovaného natočení sloupu manipulátoru. Vidíme, že po počátečních překmitech se sloup dostal do požadované hodnoty 1,047rad v čase t=12,6s. Maximální překmit je k = 24,5 ,což odpovídá natočení sloupu o úhel 1,3032rad..

Obr. 3.30 Časový průběh žádaného a skutečného natočení sloupu a řídicího proudu.

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
m=96kg, l=1m, z1=20, z2=120, JS=0,232kg.m2, JP=0,0006kg.m2, JK=0,00025kg.m2, Jm=0,00046kg.m2, 0=0,628rad, km=0,473N.m.A-1, Imax=13,6A, k=2,413, kp=500, TD=0,1s.

b) Motor řízený napětím kotvy {soubor SLNAPETI.SIP}
Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.28 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.31.

Obr. 3.31 Simulační model regulačního obvodu

Popis modelu:
blok1-realizuje žádanou veličinuve tvaru skokové změny z hodnoty 0 na
hodnotu Aw, která nastane v čase t = 0,
blok 2-sumátor, na jeho výstupu je rozdíl mezi žádaným a skutečným otočením
sloupu manipulátoru,
bloky 3,4,5-egulátor s omezením naminimální a maximální hodnotu napětí,
bloky 6,7,8-regulovaná soustava,
bloky 9,10-přičtení počáteční hodnoty natočení sloupu manipulátoru.

Simulační výsledky na obr. 3.32. Cílem řízení bylo dosažení požadovaného natočení sloupu manipulátoru. Vidíme, že po počátečním překmitu se sloup dostal do požadované hodnoty 1,047rad v čase t=11,2s. Maximální překmit vysunutí ramena je 1,66 tzn., že sloup se natočí na odnotu 1,0644rad.

Obr. 3.32 Průběh žádaného a skutečného natočení sloupu a řídicího napětí.

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
m=96kg, l=1m, z1=20, z2=120, JS=0,232kg.m2, JP=0,0006kg.m2, JK=0,00025kg.m2, Jm=0,00046kg.m2, 0=0,628m, km=0,473N.m.A-1, Umax=149V, k1=2,1142, T1=0,372s, kp=3,814.

3.5 Regulace množství sypké hmoty v zásobníku

Na obr. 3.33 je zásobník, do kterého se přivádí množství sypké hmoty dopravníkem. Na dopravník se přivádí množství . Přeprava sypké hmoty se děje konstantní rychlostí na dráze L = 100 m.
Ze zásobníku se odvádí množství a uvnitř zásobníku je zásoba m(t)[kg]. Navrhněte vhodný číslicový i analogový regulátor pro regulaci množství zásoby m(t) v zásobníku a seřiďte ho metodou inverze dynamiky.
Jako poruchu uvažujte odváděné množství .

Obr. 3.33 Schéma regulované soustavy.

Matematický model dopravníku

Předpokládejme ustálený průtok M = M1. Změní-li se přiváděné množství M v bodě 0 o , pak množství M1 v bodě 1 se změní až za dobu danou dopravním zpožděním TD o .

Platí tedy

(3.43)

Dopravní zpoždění je dáno vztahem

(3.44)

Provedeme Laplaceovu transformaci vztahu (3.43) a obdržíme

(3.45)

Matematický model zásobníku

Předpokládáme ustálený stav: M1= M2 = konst. a konstantní zásobu m. Zvětší-li se přiváděné množství M1 bude M1>M2, a zásoba m trvale poroste. Zásobník by se přeplnil. Jestliže naopak bude M1<M2, zásobník se bude vyprazdńovat do doby, než se úplně vyprázdní. Rychlost nárůstku nebo úbytku zásoby bude úměrná rozdílu M1- M2. Změna zásoby se řídí zákonem o zachování hmotnostního průtoku tj. rovnicí kontinuity.

Dále budeme uvažovat pouze změny od ustáleného stavu:
Pro časovou změnu zásoby m platí

(3.46)

Po provedení Laplaceovy transformace vztahu (3.46) dostaneme:

(3.47)

Po dosazení vztahu (3.45) do (3.47) dostaneme

(3.48)

Obr. 3.34. Blokové schéma regulované soustavy

Volba regulátoru a jeho seřízení

a) analogový regulátor
Pro zadanou regulovanou soustavu volíme proporcionální regulátor (P).

(3.49)

kde kp je zesílení regulátoru [m2.s-1] , mz(s) - obraz požadované zásoby [kg], E(s) - obraz regulační odchylky [kg]. Regulační obvod s analogovým regulátorem je na obr. 3.35.

Obr. 3.35 Schéma regulačního obvodu s analogovým regulátorem

Optimální hodnotu zesílení regulátoru jsme určili na základě metody inverze dynamiky.

b)číslicový regulátor
Pro zadanou regulovanou soustavu volíme proporcionální regulátor (P) o přenosu

(3.50)

kde kp je zesílení regulátoru [m2.s-1] , mz(z) - obraz požadované zásoby [kg], E(z) - obraz regulační odchylky [kg]. Regulační obvod s analogovým regulátorem je na obr. 3.36.

Obr. 3.36 Schéma regulačního obvodu s číslicovým regulátorem

Simulační model

a) analogový regulátor {soubor ZASOBA.SIP}
Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.35 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.37.

Obr. 3.37 Simulační model regulačního obvodu

Obr. 3.38 Časový průběh hromadění zásoby pro z = 20 kg, časový průběh akční veličiny. Porucha začne působit v čase t = 900s.

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
mz = 20 kg, M2 = 0,02 kg.s-1, Mmax = 0,2 kg.s-1, Td = 50s, kp = 0,0074.

b)číslicový regulátor {soubor ZASOBAD.SIP}
Blokové schéma regulačního obvodu je na obr. 3.36 a jemu odpovídající simulační model je na obr. 3.39.

Obr. 3.39 Simulační model regulačního obvodu

Obr. 3.40 časový průběh hromadění zásoby pro z= 20 kg, časový průběh akční veličiny. Porucha začne působit v čase t = 900s.

Pro simulaci byly zvoleny tyto hodnoty:
mz = 20 kg, M2 = 0,02 kg.s-1,Mmax = 0,2 kg.s-1, Td = 50s, kp =0,0067, T = 10s.



3.6. Literatura k regulačním obvodům

BALATĚ, J., FARANA, R., SMUTNÝ, L. a VÍTEČEK, A. 1993. Die Anwendung des Simulationssystems SIPRO fürSteuerungslösungen energetischer Prozesse. Wissenschaftliche Berichte Hochschule für Technik, Wirtschaft und Sozialwessen Zittau/Görlitz: 1993, Heft 34, S. 76 - 80. (BRD) 1
BOLTON, W. 1992. Control engineering. New York: Longman Scientific & Technical, 1992.
FARANA, R.1996. Univerzální simulační program SIPRO 3.4. Uživatelská příručka. Ostrava: katedra ATŘ VŠB Ostrava, 1996. 33
JULIŠ, K. a BREPTA, R. 1987. Mechanika, II. díl. Dynamika. Praha: SNTL, 1987.
NOSKIEVIČ, J. 1987. Mechanika tekutin. Praha: SNTL, 1987.
NOSKIEVIČ, P. 1992. Simulace systémů. Ostrava: ES VŠB, 1992. 6
NOVÁK, V. a ZÍTEK, P. 1982. Praktické metody simulace dynamických systémů. Praha: SNTL/ALFA, 1982. 7
ONDRÁČEK, E. a JANÍČEK, P. 1990. Výpočtové modely v technické praxi. Praha: SNTL, 1990. 8
SOUKUP, J. 1990. Identifikace soustav. Praha: SNTL, 1990.9
VEJRAŽKA, F. 1991. Signály a soustavy. Praha: ČVUT, 1991.10
VITÁSEK, E. 1987. Numerické metody. Praha: SNTL, 1987. 11
FARANA, R. 1996. Univerzální simulační program SIPRO 3.4. Uživatelská příručka. Ostrava: katedra ATŘ VŠB Ostrava, 1996. 1212
VÍTEČEK, A., FARANA, R., KAČMÁŘ, D., NĚMEC, R. a SMUTNÝ, L. 1991. Počítačová podpora výukového procesu v oblasti automatizace. Simulační program SIPRO-VÝUKA. (Výzkumná zpráva). Ostrava: FS VŠB, 1991.13
VÍTEČEK, A., FARANA, R. a SMUTNÝ, L. 1992. Simulation Program SIPRO and Experience of its Application to the Teaching. In Sborník konference "CAE in ACT". Praha: ČVUT, květen 1992, s.17.-20. 14
VÍTEČEK, A. a WAWRZICZKOVÁ, M. 1988. Teorie automatického řízení. Ostrava: ES VŠB, 1988. 15
ZÍTEK, P. 1990. Simulace dynamických systémů. Praha: SNTL, 1990. 16
ZÍTEK, P. 1993. Základy automatického řízení. Praha: ČVUT, 1993.



Zpět na začátek stránkyZpět na začátek stránky