Reglarea Automata a Unui Motor de Curent Continuu

Cuprins

Introducere

Notiuni generale despre sisteme automate

Sisteme de reglare

Sisteme Continue

Sisteme numerice (PID)

Pwm

Motorul de curent continuu

Microcontrolere

Comunicare Seriala

Sistem de reglare a unui motor de curent continuu

Microcontrolerul PIC 16F4455

Convertor analog digital

Domeniul de reglare

Schema bloc a SRA

Standul experimental

Rezultate experimentale

Concluzii

Bibliografie

Anexe

Introducere

Un sistem este un ansamblu de elemente ce interacționează între ele și cu exteriorul, în vederea atingerii unei finalități (sens, obiectiv, scop).In cazul sistemelor reale interacțiunea se realizează prin intermediul fluxurilor de masă și energie, purtătoare de informație.Sistemul automat este un sistem tehnic cu ajutorul cărora se realizează supravegherea și comanda proceselor și instalațiilor tehnologice, fără intervenția directă a omului.Un sistem automat (SA) este alcătuit din două părți principale: procesul de automatizat (P) și dispozitivul de automatizare (DA).

Un sistem este caracterizat de trei tipuri de mărimi fizice, și anume: mărimi de intrare, mărimi de stare și mărimi de ieșire. Mărimile de intrare sunt independente de sistem și influențează din exterior starea și evoluția sistemului. Mărimile de stare sunt dependente de mărimile de intrare și au rolul de a caracteriza starea internă curentă a sistemului. Mărimile de ieșire sunt dependente de mărimile de stare, uneori și direct de mărimile de intrare, și au rolul de-a transmite în exterior (sistemelor învecinate) informație referitoare la starea curentă a sistemului. Mărimile de stare ale unui sistem au două proprietăți esențiale: de mediere a transferului intrare-ieșire (I-E) si de acumulare într-o formă concentrată a întregii informații privind evoluția anterioară a sistemului, adică a istoriei trecute a sistemului.

Sistemele pot fi împărțite în clase și categorii de sisteme cu trăsături și comportamente asemănătoare, cum ar fi de exemplu: sistemele continue și discrete, sistemele liniare și neliniare, sistemele cu și fără memorie, sistemele staționare și nestaționare, sistemele monovariabile și multivariabile, sistemele cu parametri concentrați și distribuiți, sistemele cu și fărăr timp mort, sistemele deterministe și stochastice, sistemele deschise și închise.

Sistemele automate se pot clasifica după mai multe criterii, astfel:

– după natura elementelor din componența dispozitivului de automatizare și a semnalelor de comunicație între acesta, sistemele automate pot fi: electronice, pneumatice, hidraulice, mecanice și mixte. Când sistemul automat conține elemente de natură diferită, interconectarea acestora se face prin intermediul elementelor convertoare;

– după gradul de universalitate a elementelor din componența dispozitivului de automatizare, sistemele automate pot fi unificate sau specializate. Sistemele unificate conțin elemente universale ce funcționează cu semnal unificat(standard), cum ar fi: 4 … 20 mA c.c., tensiune în gama 1 … 5 V, semnal pneumatic în domeniul 0,2 … 1,0 bar. Sistemele automate specializate sunt utilizate în cazul unor automatizări de mai mică amploare, când nu se pune problema transmiterii semnalelor la distanță;

– în raport cu funcția îndeplinită, sistemele automate se clasifică în:

a)sisteme automate de supraveghere , prin măsurare și/sau semnalizare;

b)sisteme automate de protecție care au ca scop oprirea parțială sau totală a procesului (instalației), atunci când un parametru iese în afara domeniului admisibil de funcționare, afectând calitatea produsului finit și/sau securitatea instalației respective.;

c)sisteme automate de comandă directă, după un program prestabilit; – sisteme automate de reglare ce au ca scop aducerea și menținerea valorii ieșirii procesului la o valoare dorită (referință), în condițiile modificării în timp a valorii referinței și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului reglat;

d)sisteme automate de conducere (prin supraveghere, protecție, comandă, reglare).

În figura 1.1 este reprezentat schematic un proces supus reglării automate, punându-se în evidență mărimile de intrare (c, v1,v2) și de ieșire (y).

Fig.1.1. Mărimile fizice asociate unui proces reglat (P).

Mărimile de intrare ale unui proces sunt de două tipuri: comenzi și perturbații. Prin intermediul comenzilor se poate interveni asupra procesului astfel încât acesta să evolueze după o traiectorie dorită. Perturbațiile acționează arbitrar asupra procesului având drept consecință devierea procesului de la traiectoria dorită.

Reglarea este operația de menținere a mărimii de ieșire a unui proces la o valoare cât mai apropiată de cea a unei mărimi de referință, în condițiile modificării în timp a mărimii de referință și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului reglat, (fig.1.2). Problema reglării constă în elaborarea unei comenzi (c) asupra procesului reglat (P), astfel încât mărimea de ieșire a procesului (y) să urmărească cât mai aproape o mărime de referință dată (r), în condițiile acțiunii perturbațiilor (v1 și v2) asupra procesului. Comanda este elaborată de către un element decizional, numit regulator, după un algoritm adecvat (lege de reglare), pe baza valorii curente a mărimii reglate (ieșirea procesului- y), a referinței (r) și a perturbațiilor măsurate (v1).

1.2. Sisteme de reglare

Un Sistem de Reglare Automată (SRA) este un sistem tehnic cu ajutorul căruia se urmărește aducerea sau menținerea valorii mărimii de ieșire dintr-un proces la o valoare de referință în mod automat, fără intervenția omului, pe baza unei legi de reglare. Un SRA este format dintr-un dispozitiv de automatizare (DA) și procesul de automatizat (P), (fig.1.2).

Fig.1.2. Schema bloc simplificată a unui SRA (a – după efect, b – după cauză):

DA – Dispozitiv de Automatizare, P – Proces, u – mărime de execuție.

Dispozitivul de automatizare are rolul de a primi informație referitoare la starea curentă a procesului reglat (P), și de a genera comenzi convenabile asupra procesului, în vederea menținerii sau aducerii stării acestuia într-o anumită stare dorită (de referință).

Dispozitivul de automatizare cuprinde în structura sa traductorul (T) – ce furnizează informația cu privire la starea curentă a procesului, prin măsurare, regulatorul (R) – ce generează comenzile astfel încât să se îndeplinească obiectivul reglării (menținerea sau aducerea stării curente a unui proces la o anumită stare de referință) și elementul de execuție (EE) – ce are rolul de a aplica comanda regulatorului în proces (fig.1.3).

Fig.1.3. Schema bloc detaliată a unui SRA (a – după efect, b – după cauză):

R – Regulator, EE – Element de Execuție, T – Traductor, P – Proces, r – referință, c – comandă, u – mărime de execuție, m – măsură, y – ieșire, v1, v2 – perturbații.

Sistemul de reglare realizează, în cazul ideal, condiția de reglare y(t) ≡r(t), oricare ar fi intrarea de referință r(t) și perturbațiile v1(t) și v2(t). Problema reglării poate fi descompusă în problema rejecției efectului perturbațiilor și problema urmăririi referinței. Problema rejecției exacte exprimă cerința ideală ca în ipoteza r(t)≡0 și v2(t)≡0 să avem y(t) ≡ 0, oricare ar fi v1(t). Problema urmăririi exacte exprimă cerința ideală ca în ipoteza v1(t)≡0 și v2(t)≡0, să avem y(t) ≡ r(t), oricare ar fi r(t). În aplicațiile practice, problema reglării trebuie relaxată, în sensul înlocuirii condiției rigide ca mărimea reglată (y) să urmărească exact mărimea de referință (r), cu condiția ca ieșirea să urmărească referința cu un anumit grad de precizie. Un SRA poate funcționa pe baza a două principii de reglare, și anume principiul reglării după cauză și principiul reglării după efect, ale căror enunțuri sunt prezentate în paragraful 1.1. În funcție de principiul reglării, care stă la baza legii de reglare, un SRA poate avea cele două tipuri de structuri prezentate în figurile 1.2 a și b și detaliat în figurile 1.3 a și b.

Există mai multe posibilități de clasificare a unui SRA, în funcție de criteriul adoptat, și anume:

1. După dependențele, în regim staționar, dintre mărimile de ieșire și de intrare ale elementelor componente se deosebesc:

-SRA liniare – când dependențele sunt liniare; din punct de vedere matematic sistemele liniare sunt descrise prin ecuații liniare;

-SRA neliniare – când cel puțin una din dependențe este neliniară; din punct de vedere matematic sistemele neliniare sunt descrise prin ecuații neliniare;

2. După caracterul prelucrării semnalelor se deosebesc:

-SRA continue – când toate mărimile care intervin sunt continue în timp;

-SRA discrete – când cel puțin una dintre mărimi are o variație discretă în timp;

3. După viteza de răspuns a procesului reglat la un semnal aplicat la intrare se deosebesc:

-SRA pentru procese rapide – când constantele de timp ale procesului nu depășesc 10 secunde (acționările electrice);

-SRA pentru procese lente – când procesul are constante de timp mai mari și, de cele mai multe ori au și timp mort;

4. După principiul de funcționare, pot fi:

-SRA după efect – care mențin sau aduc valoarea ieșirii procesului la valoarea mărimii de referință prin măsurarea permanentă a ieșirii și compararea valorii acesteia cu valoarea mărimii de referință;

-SRA după cauză – mențin sau aduc valoarea ieșirii procesului la valoarea mărimii de referință prin măsurarea permanentă a perturbațiilor și/sau a referinței astfel încât la modificarea perturbațiilor ieșirea să nu se modifice, iar la modificarea referinței ieșirea să devină egală cu aceasta;

5. După caracteristicile construcției dispozitivelor de automatizare se deosebesc:

-SRA unificate – când toate mărimile sunt semnale unificate, adică au aceeași gamă și aceeași natură. De exemplu, se folosesc semnale standardizate 4…20 mA, pentru semnale electrice, și 0,2…1 bar, pentru semnalele pneumatice.

-SRA specializate – nu folosesc semnale standardizate;

6. După agentul purtător de semnal se deosebesc:

-SRA electronice,

-SRA pneumatice,

-SRA hidraulice,

-SRA mixte.

7. În funcție de evoluția strategiilor de reglare, se disting:

-SRA convenționale având la bază strategii clasice de reglare

-SRA după efect – ce funcționează pe baza principiului reglării după efect;

-SRA după cauză – ce funcționează pe baza principiului reglării după cauză;

-SRA în cascadă – ce folosesc tehnica buclelor multiple, prin cuplarea regulatoarelor în cascadă;

-SRA mixte – au în structură atât SRA după efect cât și SRA după cauză;

-SRA avansate având la bază strategii clasice de reglare

-SRA cu decuplare – folosesc un dispozitiv, numit decuplor, pentru diminuarea interacțiunilor naturale ce apar între diferitele canale ale unui proces multivariabil; -SRA selective – se folosesc atunci când numărul agenților de reglare este mai mic decât numărul mărimilor reglate;

-SRA inferențiale – ce se folosesc atunci când o mărime ce trebuie reglată nu poate fi măsurată, dar poate fi estimată pe baza altor mărimi ce se pot măsura;

-SRA avansate având la bază strategii moderne de reglare

-SRA adaptive – folosesc metoda de identificare online a parametrilor procesului în scopul acordării regulatorului; primele tipuri de sisteme adaptive au fost folosite începând cu anul 1950 în industria aerospațială;

-SRA predictive – calculează mărimea de comandă astfel încât evoluția prezisă a ieșirii procesului, pe baza unui model al procesului reglat, să urmeze cât aproape o traiectorie impusă;

-SRA cu model intern – calculează mărimea de comandă pe baza unui model al procesului reglat;

-SRA avansate având la bază modele complexe

-SRA robuste – spre deosebire de SRA adaptive, SRA robuste nu permit adaptarea dinamică a parametrilor, ci regulatorul este proiectat offline ținând cont de anumite incertitudini de model;

-SRA neliniare – folosesc modele neliniare;

– SRA optimale – sunt sistemele de reglare la care semnalul de comandă se calculează prin optimizarea unei anumite funcții obiectiv;

-SRA avansate având la bază tehnici inteligente – folosesc diferite tehnici de reglare cum ar fi rețelele neurale, logica fuzzy, algoritmi genetici, probabilități etc.

-SRA inteligente au la bază tehnici avansate de procesare a informațiilor și a cunoștințelor, care integrează tehnicile neurale, tehnicile fuzzy, tehnicile inteligenței artificiale și programarea evoluționistă.

Regulatorul reprezintă elementul decizional din structura unui sistem de reglare automată. Rolul regulatorului este acela de a calcula eroarea sau abatere, prin compararea referinței (valoarea dorită pentru mărimea de ieșire a procesului) cu măsura (valoarea curentă a ieșirii procesului) si de a prelucra abaterea după un anumit algoritm și de a genera un semnal de comandă, astfel încât abaterea să fie cât mai mică, în cazul ideal egală cu zero. Un regulator este alcătuit din două blocuri funcționale (fig. 4.1), corespunzătoare celor două funcții realizate de acesta, și anume: – elementul de comparație aditivă (EC) care realizează compararea referinței/prescrierii (r) și a reacției/semnalului de măsură (m), rezultând abaterea/eroarea (e); – blocul de calcul (BC) care realizează prelucrarea abaterii (e) pe baza unui anumit algoritm, generând semnalul de comandă (c).

Fig.4.1. Schema bloc a unui regulator: EC – element de c, BC – bloc de calcul, R – regulator, r – referință (prescriere), m – măsură (reacție), e – eroare (abatere), c – comandă.

Blocul de calcul este realizat sub forma unei structuri cu reacție, ce are pe canalul direct un amplificator, iar pe canalul de reacție un bloc de reacție, în care este implementat algoritmul de reglare (fig. 4.2).

Fig.4.2. Schema bloc a blocului de calcul: BC – bloc de calcul, A – amplificator, BR – bloc de reacție, e – eroare (abatere), c – comandă.

Din punctul de vedere al energiei utilizate, regulatoarele pot fi electronice, pneumatice și hidraulice, amplificatorul din structura blocului de calcul, fiind de asemenea electronic, pneumatic sau hidraulic. În cazul regulatoarelor electronice amplificatorul din structura blocului de calcul este un amplificator operațional caracterizat printr-un factor de amplificare relativ mare, de ordinul miilor și un răspuns rapid, ce poate fi considerat fără inerție. Tinând cont de observațiile făcute anterior cu privire la amplificatorul din structura regulatorului electronic, funcția de transfer a regulatorului, fig. 4.2., se poate scrie:

(4.1)

în care – este funcția de transfer a regulatorului; C(s) – transformata Laplace a comenzii; E(s) – transformata Laplace a erorii; – factorul de amplificare al amplificatorului; – funcția de transfer a blocului de reacție.

În figura 4.3 este reprezentată schema funcțională a unui regulator standard. Prescrierea regulatorului poate fi locală (internă) sau externă, de la un element de comandă ierarhic superior. Traductorul de intrare (TI), încorporat în regulator, realizează conversia deplasării mecanice ( ) a unui buton, indicată pe o scală, de regulă în procente, în semnal unificat (r) de aceeași natură fizică cu semnalul de reacție (m). În cazul în care comutatorul AUTOMAT/MANUAL (CAM) este trecut în poziția M, regulatorul funcționează în așa numitul regim MANUAL, comanda (c) fiind generată cu ajutorul blocului de comandă manual (BCM). În cazul în care comutatorul AUTOMAT/MANUAL (CAM) este trecut în poziția A, regulatorul funcționează în așa numitul regim AUTOMAT, comanda (c) fiind generată în mod automat, pe baza unui algoritm de reglare. Cel mai cunoscut algoritm de reglare este algoritmul Proporțional-IntegralDerivativ (PID), ce calculează comanda regulatorului prin prelucrarea adecvată a erorii. Comanda regulatorului este proporțională cu abaterea, depinde de integrala abaterii și de derivata acesteia.