Алгоритм автонастройки ПИД – регулятора основанный на методе Циглера - Николса

2.3.3 Определение оптимальных параметров ПИД – регулятора

 

После нахождения К_КР и Т_КР нам остается только подставить их в формулы указанные в таблице Циглера-Николся в строке с оптимальными настройками для ПИД-регулятора.

В общем виде блок-схему алгоритма автонастройки  регулятора можно представить как показано на рисунке 2.12.

 

Рисунок 2.12-Блок схема алгоритма автонастройки регулятора

2.4 Тестирование разработанного программного обеспечения

 

Основными компонентами WinCC[7] системы является программное обеспечение системы проектирования и системы исполнения. WinCC Explorer [Проводник WinCC] является ядром программного обеспечения системы исполнения. В WinCC Explorer [Проводнике WinCC] отображается структура всего проекта, и осуществляется управление проектом. Для разработки и создания проектов  cистема предоставляет специальные редакторы, обратиться к которым можно из WinCC Explorer [Проводника WinCC]. С помощью каждого из редакторов конфигурируется отдельная подсистема WinCC. С помощью программного  беспечения системы исполнения оператор может осуществлять контроль и оперативное управление процессом.

Для создания проекта в WinCC, нужно выполнить следующие действия:

 

а) Определить теги;

б) Создать и отредактировать кадры процесса

в) Протестировать кадры процесса с помощью имитатора.

 

Пользовательский интерфейс представляет собой окно как показано на рисунке 2.13

 

Рисунок 2.13-Окно в режиме «Схема»

 

В левой части окна представленно  меню, где можно переключаться  между отображением схемы САР  и графиком. Само отображение выбранного в меню пункта, происходит в правой части окна.

В режиме «Схема» (рисунок 2.13)  выбитрается передаточная функция объекта регулирования и подбираются ее динамические характеристики. Пользватель ограничен  в подборе динамических характеристик объекта. Ограничения указаны в скобках под полями ввода самих характиристик.

В режиме «График» (рисунок 2.14) отображается сам процесс регулирования в реальном времени. В нижней части окна расположено меню, где можно выбрать регулятор и подобрать его параметры и перекючаться между режиами регулирования (автоматический или ручной). Также в меню расположено переключатель, который замыкает или размыкает главную обратную связь.

 

Рисунок 2.14- Окно в режиме «График»

 

В верхней части графика расположено меню инструментов:

• -изменение масштаба;
• -масштаб по умолчанию;
• -изменение шкалы времени(рисунок 2.15);

  -активирование/деактивирование графика;

• -инструмента для вычисления длины интервалов (рисунок 2.16).

 

Рисунок 2.15-Окно выбора временного интервала

 

Рисунок 2.16-Инструмент вычисления длины интервала

 

 

 

 

Протестируем  резльтаты разработки.

1) Переходная характеристика объекта регулирования (разомкнута обратная сязь)

Рисунок 2.17- Переходная характеристика

2) Незатухающие колебания

Рисунок 2.18- Незатухающие колебания

3) Затухающие  колебания

Рисунок 2.19- Незатухающие колебания

 

4) Расходящиеся колебания

 

Рисунок 2.20- Расходящиеся колебани

5) Объект с П - регулятором в автоматическом режиме

Рисунок 2.21-П-регулирование

6)  Объект  с ПИ-регулятором в автоматическом  режиме

Рисунок 2.22-ПИ-регулирование

 

7) Объект с  ПИД - регулятором в автоматическом режиме

Рисунок 2.23-ПИД-регулирование

 

8) Реакция объекта на изменение уставки при ПИД - регулировании

 

Рисунок 2.24-Реакция на изменение уставки

 

Глава 3 Разработка методических указаний

3.1 Аспекты разработки лабораторной работы

 

27-летий J. G. Ziegler и 33-летний N. B. Nichols, проводившие испытания пневматических регуляторов в 1941 году в компании "Taylor Instruments" (г. Рочестер, штат Нью-Йорк) установили закономерность в переходных процессах. Она (закономерность) заключалась в том, что оптимальная зона пропорциональности П-регулятора, как правило, в два раза больше величины зоны пропорциональности, при которой в САР начинается автоколебательный процесс.

J. G. Ziegler и N. B. Nichols также определили  зависимость между периодом возникающих  автоколебаний и постоянными  времени интегрирования и дифференцирования.

Благодаря найденным соотношениям, появилась возможность быстро и  просто настраивать П-, ПИ- и ПИД-регуляторы, не прибегая к сложным математическим расчетам.

Ниже приводится последовательность испытания САР для определения  параметров настройки П-, ПИ- и ПИД-регуляторов  по методу Циглера (Зиглера) - Николса.

 

а) Выставляем время интегрирования и дифференцирования на ноль;

б) Выставляем узкую зону пропорциональности регулятора и наблюдаем как протекает переходный процесс в САР;

в) Постепенно увеличивая зону пропорциональности регулятора выходим на значение Ккр, при котором начинается автоколебательный процесс с постоянной амплитудой (см. рисунок 3.1);

г) Измеряем период колебаний Tкр;

д) Пользуясь таблицей (см. таблицу 3.1) вычисляем значения параметров настройки регулятора;

е) Выставляем полученные значения для зоны пропорциональности, постоянной времени интегрирования и постоянной времени дифференцирования;

ж) Проверяем работу регулятора и при необходимости осуществляем подстройку параметров.

 

Таблица 3.1 – Оптимальные настройки П-, ПИ-, ПИД- регуляторов

Тип регулятора	Коэффициент передачи	Постоянная времени интегрирования	Постоянная времени дифференцирования
П	0,5Kкp	-	-
ПИ	0,45 Kкр	0,83Ткр	-
ПИД	0,6 Kкр	0,5 Tкр	0,125 Tкр

 

Рисунок 3.1-График регулируемой величины

в режиме автоколебаний

 

Согласно J. G. Ziegler и N. B. Nichols, оптимальная настройка регулятора достигнута, когда величина каждой следующей полуволны перерегулирования меньше предыдущей на три-четверти (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2- График регулируемой величины

с оптимальной настройкой регулятора

3.2 Разработка методических указаний к лабораторной работы на тему: «Исследование режима автонастройки типовых  объектов регулирования»

 

Цель лабораторной работы: привитие навыков настройки параметров ПИД – регулятора методом  Циглера-Николса и исследование режима автонастройки типовых объектов регулирования.

 

Задание к  лабораторной работе:

_{3.1.1 Изучить методику настройки параметров регуляторов методом Циглера (J.} G. Ziegler) – Николса (N. B. Nichols).

3.1.2 Подобрать подходящий тип регулятора (П, ПИ или ПИД) и определить его оптимальные параметры.

3.1.3 Провести автоматическую настройку выбранного регулятора и сравнить с полученными результатами ручной настройки.

3.1.4 Объясните результаты полученных  графиков. Сделайте выводы.

 

Порядок выполнения лабораторной работы:

3.1.5 Запустите программное обеспечение SIMATIC Manager. Из меню Open откройте проект «PIDreg» и загрузите в контроллер командой  “PLC – Download”.

3.1.6 Запустите  программное обеспечение SIMATIC WinCC Explorer. Автоматически запустится проект «Test», если этого не произошло, то выполните команду File->Open, и в открывшемся диалоговом окне перейдя по адресу C:\Program Files\Siemens\WinCC\WinCCProjects\Test , выберите файл «Test.MCP».

3.1.7 В открывшемся  окне выберите передаточную функцию  и подберите ее динамические  характеристики согласно своему варианту (см. таблицу 3.2).

3.1.8 Перейдите  по вкладке «График» в левой  части окна.

3.1.9 Переключите режим настройки параметров регулятора в положение «Ручной» (рисунок 3.3).

 

Рисунок 3.3-Панель настроек

 

3.1.10 Выставьте  задание (уставку) согласно своему варианту (см. таблицу 3.2).

3.1.11 Время интегрирования и дифференцирования выставьте на ноль, пропорциональную составляющую на 1 (рисунок 3.3).

3.1.12 Переключатель  обратной связи «ОС» выставьте  в положение «OFF» (рисунок 3.3).

3.1.13 Запустите  систему переключив выключатель  в положение «1» и снимите  переходную характеристику  объекта регулирования. Остановить график можно нажав на красную кнопку «Stop» в верхней части графика (рисунок 3.4).

 

Рисунок 3.4-Панель инструментов

 

3.1.14 Верните положение переключателя  обратной связи в положение  «ON».

3.1.15 Постепенно увеличивая зону пропорциональности регулятора (рисунок 3.1.16 Найдите значение Кр=К_КР, при котором начинается автоколебательный процесс с постоянной амплитудой(рисунок 3.5).

 

Рисунок 3.5-Секция настройки параметров регулятора

 

3.1.17 С помощью инструмента измерения длины интервала, расположенного в верхней части окна ( ), измерьте период колебаний Tкр, как показано на рисунке 3.6. Для удобства можете воспользоваться инструментом изменения масштаба .

 

Рисунок 3.6- Измерение периода Т_КР

 

3.1.18 Пользуясь таблицей (см. таблицу 3.1) вычислите значения параметров оптимальной настройки регуляторов.

3.1.19 Поочередно для каждого регулятора выставьте полученные значения оптимальных настроек и снимите переходные характеристики.

3.1.20 Переключите режим настройки на автоматический.

3.1.21 Выберите П - регулятор и запустите систему.

3.1.22 Дождитесь когда система определит оптимальные настройки и начнет регулирование. Это займет несколько секунд в зависимости от характеристик объекта. Сделайте снимок переходной характеристики.

3.1.23  Проделайте пункт 3.1.22 для ПИ- и ПИД- регуляторов.

3.1.24 Сравните и объясните полученные результаты при ручной настройке параметров регулятора с результатами автоматической. Сделайте выводы.

 

Таблица 3.2-Варианты

		Последняя цифра зачетки
		Четная				Нечетная
	№	Объект	K	T1,c	T2,c	Объект	K	T1,c	T2,c
Предпоследняя цифра зачетки	1		1	5	8		4	13	-
	2		4.5	10	6		3.5	17	-
	3		0.05	15	-		4	5	9
	4		3	7	8		4	9	-
	5		2	6	-		2	8	6
	6		2.5	9	5		1	10	-
	7		5	3	-		3.5	7	6
	8		1.5	8	-		1.5	9	7
	9		5	6	7		3	5	-