Az olvasóink kilétét kutató kérdőíveink tanulsága szerint sok olyan látogatónk van, aki nem kifejezetten irányítástechnikai végzettségű. Nekik fog szólni ez a sorozat, mely a szabályozástechnika világába kíván vezetni lépésről lépésre. Ha ön képzett szakember, az első cikkek talán semmi hasznosat nem mondanak Önnek. A cikksorozat alapelve az érthetőség, ami előreláthatólag néhol a tudományosság rovására fog menni ;-))
Ezek miatt előre is elnézését kérjük.
Mi a szabályozás?
Az irányítás olyan módszere, ahol egy paramétert valamilyen értéken kívánunk tartani, és ezt úgy tesszük, hogy a szabályozott jellemzőt (Xs) mérjük, és ha az a kívánatos értéktől (alapérték, XA) eltér, beavatkozunk.
Ne keverjük össze a vezérléssel, ahol nem nézzük, mennyi a jellemző, (nincs visszacsatolás), hanem egy adott program szerint működtetünk eszközöket. Ilyen pl. a villanykapcsoló: Ha bekapcsoljuk, a lámpa világít, ha kell, ha nem.
Az 1. ábrán egy tartályban a folyadék szintjét szabályozzuk oly módon, hogy a befolyó vízbe egy szabályozó szelepet (LV) teszünk, a tartály szintjét egy szinttávadóval (LT) mérjük, a szelep és a távadó közé pedig egy szabályozót (LC) teszünk.
Ha a tartályban csökken a szint, egy picit nyitunk a szelepen. Igy zárul a szabályozókör.
Mi van a szabályozóban?
A 2. ábrán a szabályozó belseje látható. A legegyszerűbb esetben van itt egy alapjel képző potméter (Xa), egy különbségképző (K) és egy erősítő (E).
A különbségképző "kisebbítendő" bemenetére adjuk az alapjelet (Xa), azaz, hogy mekkora szintet szeretnénk tartani. A másik bemenetre kerül a "kivonandó", a szinttávadó jele, amit ellenőrző jelnek hívjunk szakemberek társaságában (Xe). A különbségképző kimenete az erősítő bemenetére megy, az erősítő kimenete pedig a szabályozó kimenete. Ennek neve végrehajtójel (Xv).
A szabályozó kimenetén tehát a hibajel (Xh=Xa-Xe) felerősített értéke jelenik meg. Mivel a végrehajtójel itt mindig arányos a hibajellel, ezt a szabályozót arányosnak (proportional) azaz P-tipusúnak hívjuk.
Az erősítővel beállíthatjuk, mennyire legyen érzékeny a szabályozásunk. Ha kicsire állítjuk, nagy hiba is csak kis szelepváltozást okoz. Ha nagyon feltekerjük, kis szintváltozásra is teljesen kinyit, vagy lezár a szelepünk, és a szint elkezd folyamatosan oszcillálni (csökken-nő). Hogy hol a beállítható határ? Később meglátjuk.
Vegyük észre, hogy ahhoz, hogy kimenő jelünk legyen, valamekkora hibajelre van szükség. (Ha hiba=0, a kimenet is 0 lesz, azaz a szelep lezár. A P-szabályzó mindig hagy egy kis hibát. Minél nagyobb az erősítés, a hiba annál kisebb.
Ha ebbe a hibába nem bírunk beletörődni, ki kell egészíteni a szabályozónkat. Az új alkatrész neve "integráló tag" lesz. Integrálni annyit tesz: gyűjtögetni. Így viselkedik pl. egy vízmedence. Ha állandó mennyiségű vizet engedünk bele, a szintje egyenletesen nő. Ha mondjuk a beadott víz térfogatáramát "bemenet"-nek, a szintet "kimenet"-nek nevezzük, akkor azt mondjuk, hogy a medence egy integráló tag. Ilyet lehet csinálni elektronikusan is.
Ha egy integráló tagra is rákapcsoljuk a hibajelet, akkor az ezt szépen gyűjtögeti, és állandó hibajelet feltételezve a kimenetét egyre növeli. A szabályozó kimenetét állítsuk elő az erősítő és az integráló tag kimenetének összegeként az "Ö" összegzővel, és máris kaptunk egy PI-szabályozót!
Miért jó ez? Láttuk, hogy a P-szabályozó hagy egy kis hibát. Az integráló tag ezt lassacskán gyűjtögeti, a kimenethez ez hozzáadódik és a szelepet apránként csak-csak beállítja úgy, hogy a hiba megszűnjön. Ehhez persze időre van szüksége. Ha a tartályból az elvételt állandóan változtatjuk, az integráló tagnak nem lesz ideje pontosan beállítani a szelepet.
Kellene valami, ami észrevenné, hogy a szint változik, és azonnal ugrasztaná a szelepet, mégpedig annál nagyobbat lökne rajta, minél gyorsabban változik a szint. A differenciáló tag pont ilyen. Úgy viselkedik mint a lakosság infláció idején: Ha nem emelkednek az árak, mindenki nyugton van. Ha az áremelkedés lassú, de folyamatos, a nép is folyton morog. Ha az áremelkedés túl gyors, nagy felzúdulás keletkezik. Tehát nem a változás nagysága, hanem a sebessége számít.
Ha még egy ilyen differenciáló tagot is teszünk a szabályozónkba, PID-szabályozót kapunk. Ezzel már a szabályozási feladataink túlnyomó részét megoldhatjuk. A P-tag a hiba nagyságára figyel, az I-tag próbálja a hibát 0-ra csökkenteni, a D-tag pedig azonnal ugrik, ha a szabályozott jellemző (Xs) változik.
Angol szakkifejezések:
| szabályozó: | controller |
| bemenet: | input |
| kimenet: | output |
| alapjel: | setpoint (SP) |
| szabályozott jellemző: | process value (PV) |
Most, hogy tudjuk, mi a PID szabályozó, gondolkodjunk el azon, mit akarunk szabályozni! Nyilván máshogy kell szabályozni egy 10.000 köbméteres víztározó szintjét mint az otthoni WC öblítő tartályét. Vagy nem?
Azt a készüléket, technológiai berendezést aminek egy jellemzőjét szabályozni akarjuk szakasznak nevezzük. Szakasz tehát a tartály, amiben szintet tartunk, a kemence, aminek a hőmérsékletét szabályozzuk, stb...
Minden szakasz más és más, ezért a szabályozót mindig máshogy kell beállítani. Ha a szakaszok viselkedését jól megnézzük, 5 féle magatartással találkozunk:
1. Az arányos:
Ilyen pl. egy kétkarú emelő. Ha a karok aránya 1:2, és a rövidebbiket 10 N erővel nyomjuk, a hosszabb kar végén mindig ennek felét (kb. 5 N) mérjük. Ha a kimenet (a hosszabb karon mért erő)és a bemenet (a rövid karra adott erő) értékét az idő függvényében ábrázoljuk, a szakasz átmeneti függvényét kapjuk. (1. ábra)
Nagyon fontos jellemző az átviteli tényező (A), ami azt jelenti, hogy a kimenet hányszorosa a bemenetnek.
2. A tároló:
Ilyen például egy gázzal töltött palack, leánykori nevén nyomástartó edény. Ha egy "üres" palackba bekötünk egy fix nyomású csövet és a betáp szelepet kinyitjuk, közben a palack nyomását regisztráljuk, a jobboldali ábrához hasonló grafikont kapunk, mely szintén átmeneti függvény. A tárolónak legjellemzőbb adata az időállandója (T1), ami az az idő, mialatt a palack nulláról a végleges nyomás 63%-ára felmegy.
3. Az integráló:
Ez a jól ismert nyitott víztartály. Ha egyenletes a vízbeadás, egyenletesen nő a szint. Az átmeneti függvény a jobboldalon látható. Az integráló tagot az ismétlési idő (Ti) jellemzi, ami az az idő, míg egységnyit ugró bemenet hatására a kimenet nulláról emelkedve egységnyi lesz. (Ezt akkor tudjuk értelmezni, ha ugyanolyan dimenziójúak. Nem tudunk ugyanis m3/h-t összehasonlítani cm-rel...)
4. A differenciáló:
Az iparban ez elég ritka, például a kerékpár generátort (helytelenül:dinamó) szokták említeni. Ha a bemenő jel a forgórész szögelfordulása (Nem a fordulatszám!) a kimenő jel pedig a leadott feszültség, akkor ez egy differenciáló szakasz. Lényeg, hogy a kimenő jel nagysága a bemenő jel változási sebességével arányos. (4. ábra) A differenciáló tag jellemzője a differenciálási idő (Td), ami azt jelenti, mekkora idő alatt kell egységnyit változni a bemenő jelnek ahhoz, hogy egységnyi kimenő jelet produkáljon.
5. A holtidős:
Ez azt jelenti, hogy a bemenő jel bizonyos késéssel, de ugyanúgy jelenik meg a kimeneten. Tipikusan ilyen a szállítószalag. (5. ábra) Fő paramétere a holtidő (Th).
Ezen viselkedésminták (szakszóval:tagok) kombinálásával leképezhetjük a legtöbb szakasz viselkedését, meghatározhatjuk fő paramétereit. Ez azért fontos, mert a szabályozót ennek megfelelően kell majd beállítani. Legtöbbször elég 1-2 tagot kombinálni, nehéz esetekben többet is kell. A jövő héten azzal foglalkozunk, melyik gombot hová tekerjük.