1

INGINERIA REGLARII AUTOMATE

Prof. dr. ing. Ioana MIHU

As. Drd. Monica VOINESCU

2

INGINERIA REGLARII AUTOMATEObiectivele cursului: Introducere in problematica automatizari proceselor industriale; cunoasterea elementelor de baza privind principiile, metodele de calcul si

structurile de baza ale ingineriei reglarii automate, astfel incit sa se asigure pregatirea teoretica, sistemica si orientat- aplicativa de specialitate

Continutul cursului:• Introducere

– intelegerea principiului reglarii: reglare manuala, reglare automata;– sistem de comanda si sistem de reglare automata (SRA) – principiul reactiei negative (feedback); scheme bloc ale SRA, marimi si elemente caracteristice;– rolul si functiile echipamentelor de automatizare (traductoare, elemente de executie, regulatoare)– Structuri speciale de sisteme de reglare automata.

• Caracterizarea matematica a comportarii statice si dinamice a elementelor si sitemelor de reglare automata;

• Proiectarea SRA– Formularea problemei proiectarii SRA. Etapele proiectarii unui SRA.– Indici de calitate ai SRA. Evaluarea performantelor in regim tranzitoriu si stationar. – Regulatoare conventionale; influenta parametrilor de acord ai regulatorului asupra performantelor SRA– Proiectarea sistemelor de reglare automata pe baza functiilor de transfer-metoda alocarii polilor.– Proceduri de sinteza in frecventa– Alegerea si acordarea regulatoarelor pentru structuri conventionale de SRA.– -alegerea si acordarea regulatoarelor pentru procese rapide.– -alegerea si acordarea regulatoarelor pentru procese lente– -acordarea asistata de calculator

• Principalele probleme privind implementarea legilor de reglare – Structura generala a regulatoarelor– Principii constructive si functionale– Structuri de regulatoare cu amplificatoare operationale

• Structuri speciale de SRA– -structuri de reglare in cascada, dupa perturbatii si referinta, structura de reglare inainte, structura de reglare cu predictie .

Bibliografie: curs - I. Dumitrache – INGINERIA REGLARII AUTOMATE, Editura “Politehnica”, 2005 - I. Mihu – note curs, prezentare ppt - format electronic, laborator – I. Mihu, s. a. – Indrumar laborator: Ingineria Reglarii Automate, editura Printech 2007

3

INTRODUCERE• Automatizarea reprezina, indubitabil, un factor esential al societatii

moderne. Virtual, orice sistem cu care venim in contact incorporeaza tehnologii avansate de automatizare. Astfel, de la echipamentele simple domestice de control a temperaturii si umiditatii in incaperi de locuit, la sisteme complexe de automatizare a avioanelor, automobilelor, combinatelor chimice, centralelor termoelectrice si nucleare, a proceselor complexe de fabricatie, etc. identificam o gama variata de sisteme de conducere dintre cele mai performante.

• Complexitatea proceselor industriale corelata cu cerinte inalte de performanta, impun automatizarea ca o necesitate obiectiva in contextul globalizarii economiei si a pietelor de procese si produse.

• Procesele tehnologice complexe pot fi conduse numai apeland la sisteme de conducere ce includ mii de bucle de reglare, cel mai adesea intr-o puternica interactiune.

• In afara aplicatiilor industriale, sistemele de reglare (conducere) reprezinta elemente centrale in functionarea sistemelor biologice, sistemelor de comunicatie, sistemelor economice si chiar a interactiunilor umane. Intr-adevar, daca se analizeaza atent, automatica (automatizarea) se regaseste intr-o forma sau alta in orice aspect al vietii.

4

INTRODUCERE

• Proiectarea si functionarea unor procese automatizate astfel incat sa fie mentinute specificatiile dorite, ca de exemplu profitabilitatea, calitatea, siguranta, optimizarea consumurilor energetice, impact asupra mediului, presupune o stransa colaborare intre experti din diferite domenii.

• Principalele domenii care interactioneaza pentru realizarea unor sisteme de conducere automata a proceselor industriale sunt:– teoria sistemelor,– tehnologia prelucrarii si transmiterii informatiilor,– ingineria reglarii/conducerii, – calculatoare, – instrumentatie, etc.

5

INTRODUCERE

• Ingineria reglarii (conducerii) este una din cele mai provocatoare si interesante domenii ale ingineriei moderne.

• Ingineria reglarii automate reprezinta o componenta de baza a domeniului larg ce vizeaza automatizarea proceselor.

• Aceasta incorporeaza concepte, modele, metode, tehnici si tehnologii din diverse discipline, reprezentand un domeniu interdisciplinar cu larg spectru aplicativ.

6

INTRODUCERE

• Ingineria reglarii (conducerii) este responsabila cu proiectarea, implementarea si mentinerea unei solutii de automatizare.

• Proiectarea unui sistem de reglare in practica necesita un efort ciclic, in care se itereaza modelare, proiectare, simulare, testare si implementare.

• Orice SRA este orientat pe aplicatie, instalatia tehnologica fiind cea care determina arhitectura si componentele SRA.

7

SCURT ISTORIC• Antichitate – Ktesibios a inventat

ceasul cu apa

• Evenimente istorice care au condus la dezvoltarea teoriei conducerii:

– Revolutia industriala – J. Watt (& M.Boulton) inventeaza regulatorul cu bile pentru reglarea vitezei masinilor cu abur prin modificarea debitului de abur → a condus la analize formale ale sistemelor de conducere; de exemplu, A. Hurwitz analizeaza stabilitatea sistemelor utilizind ecuatii diferentiale.

– Cele doua razboaie mondiale prin cercetarile in domeniul sistemelor de ghidare automata si a sistemelor de fabricatie au contribuit la dezvoltarea teoriei conducerii

8

SCURT ISTORIC• In preajma celui de-al doilea razboi mondial apar lucrari importante (ale lui Bode,

Nyquist, Nichols, s.a.) in domeniul analizei sistemelor SISO. Aceste metode sunt cunoscute astazi sub denumirea generica de Teoria Conducerii Clasice.

• programele de cercetari spatiale din anii 60’-70’ au impus noi abordari (spatiul starilor) si tehnologii in automatizarea proceselor, punind bazele Teoriei Moderne a Conducerii.

• Evolutia automaticii este strans legata de evolutia tehnologiei in general si a stiintei calculatoarelor in particular, rezultate semnificative obtinandu-se in ultimele doua decenii, atat in plan conceptual, cat mai ales in cel aplicativ.

Ca urmare a dezvoltarii microelectronicii, a introducerii circuitelor electronice pe scara larga si foarte larga, a dezvoltarii de sisteme de operare in timp real, a progreselor semnificative realizate in domeniul interfetelor de proces, in domeniul elementelor de executie si al traductoarelor cu ridicat nivel de inteligenta, in domeniul procesoarelor de semnal si al microcontrolerelor , a fost posibila implementarea celor mai avansate strategii de conducere

9

SCURT ISTORICGeneratii de sisteme de conducere • Sisteme conventionale avand la baza strategii conventionale de

reglare (reglare PID, reglare in cascada, reglare directa);• Sisteme avansate de conducere avand la baza tehnici clasice

de conducere (ajustarea amplificarii, compensarea timpului mort, reglare prin decuplare, reglare selectiva etc);

• Sisteme avansate de conducere bazate pe tehnici noi (reglare predictiva, reglarea cu model intern, reglare adaptiva, control statistic al calitatii etc);

• Sisteme avansate bazate pe modele matematice complexe (control neliniar, control robust, control optimal);

• Sisteme avansate avand la baza tehnici inteligente (sisteme bazate pe cunostinte, tehnici fuzzy, tehnici neurale);

• Sisteme inteligente hibride avand la baza tehnici avansate de procesare a informatiilor si a cunostintelor ce integreaza tehnicile neurale, tehnicile fuzzy, tehnicile IA si programarea evolutionista.

10

Notiuni introductive, concepte, principii Sistem deschis (sistem de comanda)

• Exemplul 1. Controlul nivelului intr-un rezervor

– Intrarea- nivelul dorit– Iesirea – nivelul real– Sistemul de comanda – potentiometru, amplificator, motor, valva

11

Notiuni introductive, concepte, principii Sistem deschis (sistem de comanda)

• Exemplul 2. Controlul pozitiei unghiulare a unui lansator

de rachete:

– intrarea – pozitia unghiulara dorita– Iesirea – pozitia ungiulara reala– sistemul de comanda – potentiometru,

amplificator, motor

Potentiometru, amplificator,

motor

Lansator

Schena bloc a sistemului de control al rachetei

Vd VrM

12

Notiuni introductive, concepte, principii Sistem inchis ≡sistem de reglare autoamta ≡sistem cu

reactie

• Reglare: – Manuala

13

Notiuni introductive, concepte, principii Sistem inchis ≡sistem de reglare autoamta ≡sistem cu

reactie• Reglarea automata

– Reglarea nivelului

– Reglarea pozitiei ungiulare

14

Notiuni introductive, concepte, principii De ce sistem inchis ?

• Sistemul deschis nu poate corecta influenta perturbatiilor inerente mediului real

de exemplu,– sarcina (consumatorul) in cazul nivelului– calibrari incorecte si precizie scazuta a sensorilor– modele imprecise ale sistemelor conduse, etc.

• Sistemul inchis: mai putin sensibil la zgomote, perturbatii si schimbari ale mediului

15

Elementele si marimi caracteristice ale unui sistem de reglare automata (SRA)

• Elemente componente:– IT - Instalatia tehnologica (proces)– EE – element de executie: EA+OE– TR – traductor– RA – regulator automat

• Marimi caracteristice– r – referinta– y – iesirea →variabila masurata– Ε - eroarea– u – marimea de comanda– m – marimea de executie– z –variabile controlate (reglate)– w,v,p - perturbatii

• Schema bloc a unui SRA

reglare → reactie (feedback)

EE ITRA TR

ref+ ε u

+ z+

ymw v

p

0)(lim t

t

16

Problematica sistemelor de reglare (conducere)

• Problema centrala a conducerii este de a gasi o cale tehnica realizabila pentru a actiona asupra procesului astfel incit acesta sa se apropie cit mai mult de o anumita comportare dorita, asigurind astfel un anumit nivel de performanta. Aceasta comportare trebuie sa se realizeze in prezenta incertitudinilor asupra procesului si in prezenta unor perturbatii externe necontrolabile ce actioneaza asupra procesului.

• Formularea problemei reglarii: dandu-se procesul caracterizat printr-un model P, se cere un regulator caracterizat prin C , astfel incat evolutia marimilor reglate (de calitate) sa fie cea dorita in prezenta incertitudinilor de modelare si in prezenta perturbatiilor definite prin vectorul W.

• Concepte:– Comportare dorita → aceasta trebuie specificata ca parte a problemei de proiectare– fezabilitate → solutia trebuie sa satisfaca anumite constringeri, care pot fi de ordin tehnic, de mediu,

economic, sau de alta natura– Incertitudine → cunostintele asupra procesului sunt de obicei limitate si de precizie limitata– Actiune → solutia cere ca actiunea sa fie aplicata procesului, de regula via uneia sau mai multor variabile

care comanda elementul de executie– Perturbatii → asupra procesului, de obicei actioneaza si alte marimi, altele decit cele manipulate de

regulator– Comportare aproximativa → o solutie fezabila va fi rareori perfecta, intotdeauna va exista un anumit grad de

aproximare in obtinerea scopului specificat.– Masuratori → Aceasta sunt cruciale intr-un SRA pentru a furniza regulatorului date, cunostinte despre

starea procesului in vederea generarii comenzilor necesare rejectiei perturbatiilor si urmaririi referintelor.

17

Problematica sistemelor de reglare (conducere)

• Proiectarea unui SRA presupune o tratare holistica a tuturor componentelor hardware si software si a tuturor aspectelor functionale ale acestuia, si anume: instalatia tehnologica, senzori (traductoare), elemente de executie, obiective, comunicatii, arhitecturi si interfete, calculatoare, algoritmi, perturbatii si incertitudini.

• Atat problemele de analiza cat si cele de proiectare ale oricarui SRA se raporteaza la obiective impuse (cerinte de performanta) iar acestea presupun integrarea sistemica intr-o arhitectura optima a componentelor si functiilor mai sus mentionate.

18

Structuri de sisteme de reglare

• conventionale– Structura de reglare cu un singur grad de libertate

– Structura de reglare cu doua grade de libertate

C Pr u y

sn

2v 1v

+

++

-

py

rC Pr u Y

2v1v

+

-

py

yC

19

Structuri de sisteme de reglare

• Structura de SRA cu trei grade de libertate

rC

vP

vC

yC

Pr y

2v

1v

+ + +

-

20

Structuri de sisteme de reglare

– Structura de reglare in cascada

• avansate– Structura de reglare cu model intern (Internal Model Control)

rC 1C 2C 2P 1Pr y

3v 2v 1v

- -

C P

P

r u y

2v 1v

-

- +

21

Structuri de SRA adaptive

ProcesCondus(P)

Regulator(C)

ProiectareaRegulatorului

IdentificareaModeluluiProcesului

w

u

y

y~

I

k

k

reglare

adaptare

22

Etapele proiecatrii SRAEtapele dezvoltarii unei aplicatii de automatizare a proceselor industriale

reprezinta parcurgerea, intr-o maniera iterativa, a mai multor etape:

– caracterizarea matematica a procesului condus – determinarea modelului matematic; alegerea, dimensionarea si pozitionarea traductoarelor si a elementelor de executie

– stabilirea obiectivelor conducerii

– alegerea structurilor de reglare si proiectarea startegiilor de reglare

– simularea si testarea algoritmilor proiectati si analiza implementabilitatii acestora pe un suport hardware performant

– implementarea solutiei de automatizare pe procesul industrial si analiza performantelor obtinute in mediu real

23

Partea fixata – Obiectul Condus

• Traductoarele (senzorii). La alegerea unui traductor pentru SRA se iau in consideratie urmatoarele caracteristici:

– precizia de masurare (rezolutia raductorului);– liniaritatea caracteristicii statice a traductorului;– sensibilitatea traductorului si capacitatea de rejectie a

zgomotelor;– finetea si fidelitatea;– viteza de raspuns (dinamica traductorului);– compatibilitatea cu cerintele de mediu;– costul traductorului.

• Elemente de excutie. Pentru alegerea acestora se impune considerarea urmatorilor factori:

– cuplul sau forta dezvoltata de elementul de actionare;– liniaritatea caracteristicii statice a EE;– dinamica EE si compatibilitatea cu dinamica IT;– capacitatea organului de executie de a asigura fluxul de

energie necesar compensarii perturbatiilor ;– compatibilitatea EE cu mediul inustrial;– volumul ocupat de EE in corelatie cu puterea

dezvoltata;– costul si siguranta in functionare.

Obiectul Condus

EE IT Tu yz

p

m

Q

Proces Condus

w

u

y~

y

24