CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

1

Capitolul 2: Configuratii de sistem de reglare automata

2.1. Tipuri de SRA

SRA se pot clasifica in:

- sisteme de rejectie a perturbatiilor (cu referinta fixa); SRA asigura

functionarea procesului intr-un regim stationar fixat prin “yr = ct”, indiferent

de actiunea perturbatiilor aditive “v(t)”.

- sisteme de urmarire – functia de reglare are ca efect final urmarirea cat mai

fidela de catre marimea masurata a marimii de referinta.

In cazul in care marimile perturbatoare sunt accesibile masurarii, functia de

reglare se poate realiza prin elaborarea unor comenzi in functie de perturbatie,

rezultand un SRA cu actiune directa (figura 2.1.)

Daca se urmareste atat compensarea actiunii perturbatiei cat si realizarea functiei

de reglare in raport cu referinta “yr(t)” se poate alcatui o structura de sistem de

reglare combinata (Figura 2.2.)

RA

T

P u

v1 v2

y

v

Figura 2.1. SRA cu actiune directa

T

RA P

Reglare

perturbatie

Filtru

perturbatie

+

+

+

-

v

y

yr

Figura 2.2. SRA combinat (reglare dupa referinta si perturbatie)

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

2

O asemenea structura permite realizarea functiei de reglare pe baza unor

decizii elaborate atat in functie de eroarea )(tε , cat si functie de perturbatia

)(tV (accesibila masurarii).

O structura de SRA cu larga aplicabilitate este structura de sistem de

reglare in cascada (Figura 2.3.).

Admitand ca procesul condus este decompozabil in subprocese

interconectate cauzal, cu variabile intermediare accesibile masurarii se poate

alcatui o structura de reglare in cascada folosind un numar de regulatoare egal

cu numarul variabilelor masurate din proces.

Cele doua subprocese sunt conectate cauzal, marimea de executie (unica)

determinand cauzal evolutia variabilei intermediare "z1", care la randul ei

determina cauzal evolutia variabilei de iesire din proces.

Regulatorul RA1 este destinat reglarii variabilei "z1" si compensarii

actiunii perturbatiei "v1", iar regulatorul principal RA2 are rolul de a asigura

realizarea functiei de reglare in raport cu referinta "yr", furnizand in acest scop

referinta pentru regulatorul secundar RA1. Cele doua regulatoare din cadrul

acestei structuri functioneaza in regim de urmarire.

Procesele supuse automatizarii evolueaza cel mai adesea intr-un "context

perturbator" cu pronuntate incertitudini, ceea ce impune adaptarea unor structuri

de sisteme evoluate de conducere adaptiva si optimala.

In continuare vom prezenta o serie de consideratii privind relajul automat in

functie de configuratia buclei de reglare pe un exemplu concret de reglare

nivelului intr-un rezeror.

yr RA2 RA1 EE P1 T1 T2 P2

y2

y1

u1

z1 z2 y1

v1 v2

+ + -

-

Figura 2.3. Structura de reglare in cascada a doua variabile z1 si z2

y2

m u2 ε

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

3

2.2. Exemple de sisteme de reglare/comanda a nivelului

Comanda neautomata (in bucla deschisa), Figura 2.4. presupune existenta unui

operator uman care pe baza indicatiilor aparatului de masura LT actioneaza

manual asupra ventilului care comanda aerul comprimat al servomotorului cu

membrana al vanei de reglaj al debitului de intrare Qi. Operatorul va trebui sa

mentina nivelul prescris indiferent de sarcina Qe.

LT

Qi

Qe

Figura 2.4. Comanda neautomata a nivelului

Reglarea « Tot sau Nimic » este cel mai simplu tip de bucla de reglare (Figura

2.5.) Nivelul este sesizat de un traductor de nivel cu contact iar servomotorul

vanei de admisie a apei in rezervor este actionat pneumatic prin intermediul unui

electroventil, electroventil actionat la randul lui de contactul traductorului. Drept

urmare vana va fi complet inchisa sau complet deschisa in functie de semnul

erorii. Considerand ca ventilul de reglaj al nivelului LCV este de tipul cu

actionare la deschidere (normal inchis NI) si daca nivelul initial este cel

prestabilit, vana va fi inchisa. Daca nivelul scade, contactul traductoirului se

inchide, electro ventilul se alimenteaza si se produce aplicarea aerului

comprimat la LCV care va deschide 100%. Nivelul va creste si in momentul

cand va fi atins nivelul prestabilit, atunci se da comanda de inchidere a vanei dar

aceasta se face cu o intarziere sau defazaj de ½ T, unde T este perioada ciclului

de inchidere-deschidere a vanei. Forma semnalelor u si εH nu este real

sinusoidala insa este un semnal periodic.

In cazul reglajului « tot sau nimic », parametrul reglat, nivelul, va oscila intre

doua valori. Reglajul la valoarea de referinta nu se realizeaza decat prin

existenta unei benzi de insensibilitate.

Acest tip de reglaj este prezinta dezavantajul ca sistemul reglat este la limita de

stabilitate si poate fi folosit in special pentru procese lente, cum ar fi sistemele

electrice de incalzire.

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

4

LT

Qi

Qe

u

LCV

ΕH

ΝΙ

εHu

ι

Ι

D

D

Ι

Figura 2.5. Reglarea tot sau nimic a nivelului

a. schema technologica cu automatizari

b. Variatia comenzii si a erorii regulatorului

Reglarea continua de tip proportional

Este cel mai frecvent mod de reglare si se poate realiza in doua variante :

A) Reglare directa (Figura 2.6. - A)

Traductorul LT urmareste nivelul si produce un semnal proportional cu acesta

pentru actionarea ventilului de reglare . De exemplu daca Qe creste, H scade,

semnalul de la LT se reduce si daca LCV este de tipul normal deschis (ND),

ventilul de reglare se va deschide mai mult marind debitul de apa introdus in

rezervor Qi. Cand se ajunge la echilibru Qi=Qe, nivelul se stabilizeaza si

semnalul de la traductor ramane constant. Se obtine un echilibru masic dar cu

pretul abaterii nivelului de la valoarea initiala. Pentru a readuce H la vechea

valoare este necesar fie sa se deschida mai mult ventilul fie sa se adauge mai

multa apa pe o alta cale in rezervor, dar in ambele cazuri traductorul sesizeaza o

variere a nivelului de lichid in rezervor , deci semnalul emis de LT va creste si

va comanda inchderea ventilului. Daca alimentarea suplimentara se suprima ,

alimentarea si consumul nu mai sunt egale (ventilul se va inchide) si H va

scadea din nou.

In concluzie, la o perturbatie (modificarea) pe debitul de iesire al rezervorului,

reglajul proportional direct va realiza numai o noua stare de echilibru cu eroare

stationara.

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

5

LT

Qi

Qe

u

LCV

εH

H

t

I/P

ND

H

εS

LT

Qi

Qe

u

LCV

εH

H

t

I/P

NI

H

εS

LIC

K εS

Figura 2.6. Reglarea de volum P a nivelului : A. reglare direct ; B reglare

indirecta sau prin regulator (I/P convertor curent presiune)

B. Reglarea indirecta (prin regulator)- Figura 2.6. - B

Introducerea regulatorului automat de nivel LIC elimina dezavantajele

sistemului precedent. in sensul ca reglajul se face dupa marimea de referinta.

Regulatoarele pot fi cu actionare directa ( daca uε↑↑ ↑⇒ ↑ ) sau actionare

inversa ( daca uε↑↓ ↑⇒ ↓ ). Alegerea tipului de actionare a comenzii se face in

functie de tipul ventilului normal inchis (NI) sau normal deschis (ND). Tipul de

vana se alege in functie de pe de alta parte din considerente de asigurare a

sigurantei in functionare la pierderea presiunii aerului instrumental (de

comanda). In majoritatea situatiilor este rational sa se aleaga un ventil normal

inchis.

In figura 2.6. B o scadere a lui H conduce la o scadere a semnalului in LIC, dar

vanei NI i se va cere o crestere a semnalului de presiune de aer comprimat

pentru a creste Qi, deci LIC va fi cu actiune inversa. Tot cu actiune inversa va fi

LIC si daca vana de reglaj va fi amplasata pe iesirea rezervorului deci pe Qe.

Daca vana este pe Qi si este ND atunci LIC este cu actiune directa.

Reglajul proportional stabilizeaza marimea reglata cu o eroare stationara a carei

valoare este proportionala cu factorul de amplificate al sistemului in bucla

deschisa.

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

6

Reglajul se poate imbunatati daca se introduce o componenta derivativa si

integrala.

Precizia reglarii automate poate deasemenea fi imbunatatita daca se incearca

mentinerea unei balante masice intre Qi si Qe, unul dintre semnale fiind folosit

ca si marime de referinta (Qe)

Reglajul cu compensarea perturbatiilor (Figura 2.7.)

In cazul ideal varierea lui Qe va conduce la modificarea lui Qi care va egala

imediat pe Qe. Rolul traductorului de debit FT2 este de a asigura un semnal de

corectie a perturbatiei astfel incat Qe va fi corectat inainte ca procesul sa fie

perturbat efectiv. In cazul real exista o intarziere de la sesizarea modificarii lui

Qe pana la modificarea corespunzatoare a lui Qi. Acest lucru conduce la o

stabilizare a semnalului cu o eroare stationara.

Qi

Qe

FCV

I/P

NI

FIC

FT2

FT2

yr

Figura 2.7. Reglajul cu compensarea perturbatiilor

Reglarea in cascada isi propune mentinerea valorii de referinta a parametrului

reglat cu eliminarea perturbatiilor inainte de propagarea lor in sistem. Se

utilizeaza in acest scop doua sau mai multe regulatoare conectate in serie (sau in

cascada), fiecare regulator primind informatia de la o marime masurata si de la

la eventual regulator aflat in amonte de el. Realizarea unei astfel de structuri

presupune o descompunere a instalatiei in mai multe subprocese. Aceste

subprocese au constante de timp din ce in ce mai mici pe masura ce se afla mai

spre interiorul structurii de reglare.

In figura 2.8. se propune o structura in cascada cu doua regulatoare :

- regulator principal (de nivel) : LIC este cu actiune inversa deorece o crestere

a lui H trebuie sa-i corespunda o sadere a lui Qi

- regulator secundar (de debit) : FIC este tot cu actiune inversa aceasta actiune

fiind determinata de tipul vanei.

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

7

Qi

Qe

FCV

I/P

ND (NI)

FIC

FT2

yH

LT

uFIC

LIC

yr2=uLIC

yQi

LIC FIC H1 H2

yr1

uLIC=yr2 yQi yHuFIC

T mic T mare

Figura 2.7. Reglarea automata in cascada a nivelului

Comportarea reglajului incascada este similara cu cea a unui reglaj cu o singura

bucla de reglare, in sensul ca trebuie sa apara mai intai eroarea si apoi va fi

elaborata marimea de comanda care va incerca sa restaureze marimea masurata

la valoarea de refecrinta.

Functionarea se poate descrie dupa urmatoarea secventa : Cand debitul de iesire

Qe creste, nivelul H in rezervor scade si deci tensiunea de comanda la iesirea

regulatorului de nivel LIC, uLIC creste , adica creste marimea de referinta pentru

regulatorul din bucla interna FIC care va avea la randul lui la iesire o tensiune de

comanda uFIC care va scadea daca vana FCV este normal deschisa sau va creste

daca vana FCV este normal inchisa.

O precizie mai buna se obtine daca se introduce un semnal de masura direct

dupa perturbatie de la iesire, obtinandu-se astfel o reglare in cascada cu

compensarea perturbatiei cu legatura inainte. Legatura inainte este necesara pentru a minimiza variatiile parametrului reglat,

H ca urmare a modificarii sarcinii, Qe, deci a unui dezechilibru masic intre Qi si

Qe. Semnalul de compensare a perturbatiei Qi dat de traductorul de debit FT1 se

insumeaza cu iesirea regulatorului de nivel LIC si a semnalului de polarizare.

Orice abatere de debit de intrare este rezolvata pe bucla de stabilizare a debitului

ce include regulatorul de debit FIC.

Daca nivelul se afla la valoarea de referinta, eroarea este zero si regulatorul

proportional va furniza un semnal de 50%. LIC va fi cu actiune inversa, pentru a

furniza un semnal micsorat regulatorului FIC la un nivel mare. Semnalul la

traductorul debitului de iesire Qe, FT2 si uLIC se introduc in sumator. La valoarea

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

8

de referinta a nivelului, marimea de comanda a LIC nu trebuie sa modifice

referinta regulatorului de debit FIC. Pentru a realiza acest lucru, sumatorul va

trebui sa ignore semnalul de comanda de la LIC corespunzator nivelului de 50%.

Acest lucru se obtine folosind semnalul de polarizare (constant) de -50%.

FIC va rela pe Qi functie de yr2 indiferent de fluctuatiile intrarii.

Acest sistem isi gaseste aplicatia la reglarea nivelului in generatoarele de abur.

Qi

Qe

FCV

I/P

NI (ND)

FIC

FT1

yH

LT

uFIC

LIC

yr2

yQi

FT2

Σ

uLIC

yQe

polarizare

H

Figura 2.8. Reglarea automata in cascada a nivelului cu compensarea

perturbatiilor cu legatura inainte.

Reglarea numerica directa consta in inlocuirea regulatoarelor automate de tip

analogic cu o aparatura numerica (calculatoare numerice sau microcontrolere

nulerice). Acest lucru permite folosirea unor algoritmi evoluati de conducere si

comanda mai multor procese de catre un singur echipament.

Qe

FCV

I/P

LT

Unitatede

control

Unitate

Aritmetic si

Logica de

Memorie

CNA

CAN0 MUX

DMUX

CALCULATOR NUMERIC

Figura 2.9. Reglarea numerica directa

CURS 1 completare – Automatizare proceselor termoenergetice

9

Marimile masurate cu traductoare analogice sunt convertite in semnale

numerice prin CAN, convertorul analog numeric, selectarea unui canal pa CAN

unic facandu-se cu un multiplexor MUX aflat in subordinea unitatii de control.

Semnalul numeric este trecut apoi printr-un dispozitiv de extrapolare, de obicei

de ordinul zero, care retine valoarea marimii masurate intre doua momente de

esantionare. Dupa prelucrarea semnalelor conform legii de comanda, comanda

la ventilul de reglare se transmite prin CNA, convertorul numeric analogic si

prin demultiplexorul DMUX.