Reglarea bipozitionala a temperaturii

Reglarea bipozitionala a temperaturii

1. Scopul lucrarii

Sunt prezentate principalele detalii constructiv functionale ale sistemelor de reglare bipozitionala, precum si posibilitatile de implementare in cazul standului de laborator. Se ridica si se interpreteaza raspunsul sistemului la modificari de tip treapta ale marimii de referinta , urmarind influenta histerezisului si a valorii referintei.

2. Consideratii teoretice

In cazul reglarii automate a proceselor lente, sunt frecvent utilizate regulatoarele bipozitionale (sau tripozitionale). Datorita simplitatii lor constructive, pretului de cost scazut si performantelor de reglare acceptabile pe care le realizeaza, reprezinta o metoda eficienta in reglarea unor categorii de procese lente cu constante de timp de valori mari. In general reglarea bipozitionala este indicata pentru procese simple in care constanta de timp proprie (T_p) este mare si timpul mort (T_m) este relativ mic ( T_m / T_p <0.2 ).

In sistemele de reglare bipozitionala marimea de comanda poate avea numai doua valori. Elementul de executie produce de asemenea doua marimi de executie corespunzator celor doua valori ale comenzii. In cazul proceselor termice cu incalzire electrica celor doua marimi de executie le corespunde cuplarea si respectiv decuplarea alimentarii elementului de incalzire.

Figura 3.1.

Grupand elementul de executie, procesul si traductorul intr-un singur element ce corespunde partii fixate (H_f), schema simplificata a sistemului de reglare bipozitionala este cea din figura 3.1.

Din cele prezentate in lucrarea 2, privind descrierea elementelor componente ale sistemului de reglare, rezulta ca functia de transfer a partii fixate H_f va avea in acest caz forma:

care poate fi aproximata printr-o functie de transfer cu timp mort de ordinul I (fig.3.2. linie intrerupta):

Figura 3.2.      Figura 3.3.

Caracteristica statica a unui regulator bipozitional este prezentata in figura 3.3. Ea pune in evidenta o zona de insensibilitate 2δ.

Figura 3.4.

Elementul de incalzire este comandat prin releul de iesire al regulatorului bipozitional cu doua valori extreme ale tensiunii de alimentare (tensiunea de iesire din transformatorul de alimentare): valoarea maxima a sa, sau zero (conectarea sau deconectarea acesteia). Daca pentru o temperatura initiala a ciocanului de lipit egala cu cea a mediului ambiant (θ_a ) se conecteaza alimentarea sa, temperatura va creste exponential (curba 1-fig. 3.4), stabilizandu-se la o valoare stationara θ_s, dependenta de valoarea tensiunii de alimentare. Daca se asteapta atingerea regimului stationar si apoi se decupleaza alimentarea, temperatura va scadea exponential spre temperatura mediului ambiant (curba 2 - fig. 3.4).

Pe durata reglarii bipozitionale conectarea si deconectarea rezistentei de incalzire duce la cresterea sau descresterea exponentiala a temperaturii varfului letconului cu constanta de timp T_f , teoretic conform curbelor (1) la conectare si (2) la deconectare. Curbele reale dupa care evolueaza acum sistemul difera, deoarece in procesele reale modificarea parametrilor nu se face cu discontinuitati. Conectarea si deconectarea au loc la atingerea pragului de comutare (θ_r -δ si respectiv θ_r+δ ), in functie de marimea zonei de insensibilitate a regulatorului bipozitional (2δ ). Astfel temperatura va oscila in jurul valorii de referinta θ_r cu o amplitudine determinata de latimea zonei de histereza a regulatorului si de valoarea timpului mort (fig. 3.4). Valoarea fixata pentru temperatura de referinta este situata la jumatatea intervalului de variatie maxima a temperaturii θ_s ‑θ_a.

Din cauza timpului mort, semnalul reglat (temperatura) depaseste zona definita de histereza regulatorului, datorita faptului ca semnalul de executie se resimte in proces doar dupa un interval de timp corespunzator timpului mort. De aici rezulta ca oscilatiile marimii reglate ar exista chiar si in cazul unei zone nule de histereza.

Semnalul de comanda va prezenta in regim stationar o succesiune de impulsuri de durata si perioada (T) constante, determinate de valoarea temperaturii de referinta, de constanta de timp (T_f  ) si de constanta de timp mort (T_m ), precum si de latimea zonei de histereza a regulatorului. Amplitudinea oscilatiilor marimii reglate poate fi micsorata prin reducerea zonei de histereza. In acest caz insa, frecventa de conectare a regulatorului creste, putand duce la uzura contactorului. Frecventa de conectare este sensibil influentata si de constanta de timp a procesului: cu cat aceasta constanta de timp este mai mica, cu atat creste frecventa de conectare.

In cazul unei zone nule de histereza se poate arata usor ca perioada si amplitudinea oscilatiilor vor avea valorile:

Pentru a realiza o reglare bipozitionala buna este necesar ca θ_r sa aiba o valoare intre 20% si 80% din domeniul (θ_s -θ_a).

In cazul in care valoarea referintei este diferita de θ_a+(θ_s-θ_a ) rezulta o valoare medie a semnalului de iesire diferita de valoarea de referinta, existand deci o abatere stationara. Valoarea abaterii stationare este data, cu aproximatie, de relatia:

Figura 3.5.

In figura 3.5. se pot observa valorile medii ale parametrului reglat (linie intrerupta), pentru diferite pozitii ale lui θ_r in domeniul (θ_s -θ_a).

3. Consideratii de ordin practic

Realizarea practica a sistemului de reglare bipozitional se va face in doua variante: cu regulatorul GEFRAN1000 si cu calculatorul PC si placa de achizitie. Pentru realizarea acestei lucrari se vor folosi programele de achizitie si filtrare a marimii masurate dezvoltate in cadrul lucrarii precedente.

Pentru prima varianta este necesara programarea regulatorului pentru o reglare ON/OFF. Aceasta se realizeaza prin prescrierea pentru constanta de timp de integrare _It, constanta de derivare _dt si ciclul de timp _Ct valoarea zero. In aceste conditii valoarea prescrisa pentru banda de proportionalitate defineste valoarea histerezei, in gama -199 / +999. Posibilitatile de programare ale regulatorului GEFRAN 100 sunt prezentate in manualul de utilizare al aparatului inclus in anexa 2. Este necesara de asemenea fie scurtcircuitarea iesirii DCG, fie comanda lui cu o valoare a tensiunii de peste 8V, acesta fiind inseriat cu releul de iesire al regulatorului.

Performantele reglarii bipozitionale pot fi observate urmarind evolutia temperaturii pe afisajul de pe panoul frontal al regulatorului. Prin utilizarea intrarii analogice a placii de achizitie cuplata prin amplificator la traductorul de temperatura poate fi citita temperatura si o reprezentare grafica a evolutiei acesteia pune in evidenta intr-un mod mai sugestiv rezultatele reglarii. Vizualizarea rezultatelor prin reprezentarea grafica a evolutiei iesirii (si eventual si a comenzii) pe un monitor, se poate realiza si prin conectarea ultimei variante de regulator GEFRAN 1000 la un calculator prin intermediul unei interfete seriale. Protocolul implementat permite atat vizualizarea valorilor unor parametrii cat si modificarea acestor valori acolo unde este posibil.

Functia unui regulator bipozitional poate fi usor implementata pe un calculator PC cu o placa de achizitie. Algoritmul bipozitional poate fi usor urmarit dupa schema din figura 3.6.

Placa de achizitie asigura atat citirea informatiei de temperatura prin una din intrarile analogice, cat si transmiterea comenzii. Considerand variabila TREF ca fiind valoarea de referinta prescrisa pentru temperatura reglata si notand cu DELTA latimea histerezei, rezulta valorile temperaturii maxime TMAX si minime TMIN din relatiile:

Valoarea referintei si a latimii histerezei se introduc de la tastatura.

Figura 3.6.

Cu CTR s‑a notat ceasul de timp real al sistemlui numeric cu care se asigura tactul de esantionare in executia algoritmului. Aceasta se poate realiza fie prin citirea ceasului calculatorului, fie prin utilizarea intreruperii de nivel 1C.

Comenzile CON si DECON sunt corelate cu operatiile de conectare respectiv deconectare a alimentarii rezistentei de incalzire. Pentru placa AD510 conectarea presupune transmiterea valorii 1 la canalul logic de iesire iar deconectarea transmiterea valorii 0 logic. Initializarea corecta a placii si comanda iesirilor numerice necesita cunoasterea adreselor porturilor (prezentate in anexa1) si a modului de functionare a interfetei paralele 8255 [Pet84-Vol I, pag93]. Pentru placa SUPER12 conectarea alimentarii elementului de incalzire presupune transmiterea la canalul analogic de iesire a unei valori intre 8-10V, iar deconectarea transmiterea unei valori de 0V. Transmiterea valorilor de tensiune la iesirea analogica (val) se realizeaza apeland subrutina dac(val).

Citirea informatiei de temperatura se realizeaza cu una din intrarile analogice. De regula rutina de citire a rezultatului conversiei poarta denumirea Adc(Rez,Ch_Nr) unde variabila Rez reprezinta numarul returnat in urma conversiei iar Ch_Nr numarul canalului de intrare la care este conectat traductorul de masura.

Modul de calcul al temperaturii in functie de rezultatul conversiei a fost prezentat si utilizat in lucrarea precedenta. Se vor folosi subrutinele scrise cu aceasta ocazie.

4. Desfasurarea lucrarii

Se vor realiza experimente de reglare bipozitionala cu regulatorul GEFRAN, cu placa de achizitie AD510 cuplata la releu si cu plca SUPER12 cuplata la DCG. Se va considera histereza 0C, respectiv 10C si doua valori ale referintei 100C si 250C . Se vor trage concluzii privind valoarea timpului mort echivalent si asupra raportului valoare referinta / temperatura maxima stationara. Se vor repeta experimentele pentru alimentare de 12V si respectiv 24V. Se vor trage concluzii asupra preciziei reglarii in ambele cazuri.

Pentru a evita incalzirea excesiva a varfului letconului pe timpul punerii la punct a variantei numerice, se va prescrie pentru regulatorul GEFRAN o tensiune de referinta de 200C si histereza 0, acesta deconectand alimentarea letconului daca temperatura creste peste valoarea referintei.

Aceste experimente vor fi completate de simularea sistemului de reglare bipozitional cu ajutorul modelului SIMULINK al procesului.

5. Continutul referatului

descrierea sumara a principiului reglarii bipozitionale;

confruntarea valorilor obtinute pentru abaterea stationara de reglare din relatia (3.4) cu cele masurate experimental;

schema SIMULINK pentru simularea sistemului de reglare bipozitionala.

6. Teme suplimentare

conectarea regulatorului GEFRAN 1000 la un calculator prin intermediul interfetei seriale, elaborarea unui program de citire a comenzii si iesirii procesului si reprezentarea grafica a acestor marimi.

Bibliografie

[Cal84] Calin Sergiu s.a. Reglarea numerica a proceselor tehnologice, E.T. Bucuresti, 1984.

[Pap78] Papadache I., Automatizari industriale, Editura Tehnica, Bucuresti, 1978.

[Pet84] Petrescu A. .a. Microcalculatoarele FELIX M18, M18B, M118, Editura Tehnica, Bucuresti, 1984.