För att få ett effektiv driftsätt kan det ibland behövas avancerad styrning.

Transkript

1

2 För att få ett effektiv driftsätt kan det ibland behövas avancerad styrning. Används för att reglera en process. T.ex. om man vill ha en bestämd nivå, eller ett speciellt tryck i en rörledning kanske. Ett Börvärde. Områdena där man använder reglering är många och blir bara fler. Med god kunskap om reglerteknik tillsammans med gott process kunnande kan man optimera driften.

3 Om vi tar ett exempel på reglering av vätskenivån i en tank. Förr styrdes processer med relä teknik. Följden blev att processer blev inte så exakta som man kanske skulle vilja och materielen slets onödigt fort. För 20 år sen byggde man regulatorer med hjälp av elektronik. Ventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

4 I dag är i princip alla regulatorer byggda som program i en dator. Ett känt exempel på reglerfel är flyplanet JAS-Gripen där regulatorer hela tiden måste korrigera rodren för att stabilisera planet så att det går att manövrera. Om regulatorn i flygplanet inte fungerar blir planet manöverodugligt med känt resultat som följd. Ventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

5 För att kunna reglera en process måste processen kunna påverkas. Vätskenivån regleras genom att påverka en reglerventil. Det som vi kan påverka reglerventilen med kallas styrsignal. Dessa problem finns i vattentorn, bufferttankar, ångpannor m.m. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

6 Men för att kunna veta hur mycket vi ska påverka processen så måste man mäta svaret (respons) från den process som ska regleras. Detta kallas för processens utsignal, mätsignal, processvärde eller ärvärde. Vanligast är att använda utsignal som term. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

7 Vätskenivån är alltså processens utsignal (ärvärde). Vi har hjälp av en givare som kan mäta nivån (nivågivare). Nivån påverkas av ett varierande utflöde som vi antar att vi inte kan påverka. Variationerna i utflödet brukar kallas för processens störning. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

8 Vi vill nu hålla nivån i tanken så nära en önskad nivå, det s k börvädet,trots variationer i utflödet så är det regulators uppgift är att styra processen så att utsignalen hålls nära börvärdet. Börvärdet är något som vi (operatören) bestämmer. För att bestämma börvärde kräver god processkännedom. Börvärdet är det värde som vi önskar att utsignalen skall vara. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde

9 Man använder ofta blockschema för att beskriva olika delprocessers inverkan och det ger också en bra överblick. Regulatorn använder återkoppling(feedback). Det vill säga, värdet på utsignalen används för att räkna ut styrsignalen. Återkoppling är den grundläggande principen inom reglerteknik. Reglerteknik kan sägas handla om hur mätningar från givare kan användas för att automatiskt göra förändringar i processen. Störning Börvärde Styrsignal Ställdon Process Givare Utsignal

10 Det är viktigt att veta att pilarna kan symbolisera olika saker t ex elektriska signaler, tryck, flöden och temperatur. Pilarna till regulatorn är normalt elektriska signaler, pilarna till processen är flöden och pilen ut från tanken är den fysiska vätskenivån i tanken. Störning Börvärde Styrsignal Ställdon Process Givare Utsignal Börvärde Utflöde Styrsignal Inflöde Ställdon Tank Nivå Givare Uppmätt nivå Regulator

11 En regulator får information om den aktuella nivån genom nivågivarens uppmäta signal, jämför den med det börvärde vi valt. Utifrån denna information skall regulatorn bestämma styrsignalen, d v s ventilläget. För låg nivå ökar ventilläget (lägre än börvärdet) och hög nivå minska ventilläget (högre än börvärdet). Regulatorn ska alltså bestämma hur mycket ventilläget ska ändras. Börvärde Störning Styrsignal Ställdon Process Givare Utsignal

12 Reglerventiler används för att styra vätske-eller gasflöden. Andra vanliga styrdon eller ställdon är motorer eller pumpar. Ofta så är ställdon feldimensionerade, detta medför att processen inte kan styras effektivt. Ett exempel är doserpumpar som inte kan pumpa tillräkligt små flöden. Andra fysiska problem kan vara att ventilen är sliten och glapp i lager. De är också oftast att ventilens egenskap som spelar in på hur bra regleringen blir. Oftast så är egenskapen olinjär vilket leder till att regleringen fungerar bra i vissa flöden och dåligt i andra.

13 Regulatorn - Ett datorprogram För att få grepp om hur en regulator fungerar så kan man förklara det så här. Ett styrsystem matas med ett stickprov (sampel) av processens utsignal (givarsignalen). Detta görs genom att från givaren går det en elektrisk förbindelse (4-20mA strömsignal) till styrsystemet. Styrsystemet är försett med en analogt ingångskort (AI) som omvandlar den analoga mätsignalen till digital signal som datorn kan tolka. 0;or och 1;or.

14 I regulatorn jämförs mätvärdet av processens utsignal med det önskade värdet (börvärdet) och en styrsignal beräknas. Beräkningen av styrsignalen görs i regulatorn (ett datorprogram). Styrsignalen skickas till ett analogt utgångskort (AO) som omvandlar signalen som regulatorn räknat ut till en elektrisk signal. (ma) Från AO kortet går en förbindelse till processens ställdon som ställs in på det värde som regulatorn räknat ut. Styrsystemet inväntar nästa tidpunkt för när en styrsignal skall beräknas och då börjar om från början.

15 Den främsta fördelen med att använda datorn som regulator är ekonomiska. I samma dator kan hundratals regulatorer arbeta parallellt. Tiden mellan två styrsignalsberäkningar kallas samplingstid. För att få en bra reglering så är det viktigt att samplingstiden är kort jämfört med processens svarstid.

16 Det största problemet med att reglera en process är att alla processer är dynamiska. Det vill säga att det tar ett en viss tid innan en förändring syns fullt ut. Om man trycker ner gaspedalen när man åker bil så tar det en viss tid innan man har kommit till en ny hastighet.

17 er_pid Regulatorn består av 3 delar, en Proportionell del, en Integrerande del och en Deriverande del. P, I, D. Alla delar kan användas separat eller tillsammans i olika kombinationer.

18 er_p Enklaste varianten är P- regulator. P-regulatorn har bara en parameter att ställa in, förstärkningen K. Hur fort styrsignalen ska påverka för att komma nära börvärdet igen. P-regulatorn ställs in i antal gånger, 1-3ggr reglerfelet är vanliga inställningar. Reglerfel Reglerfel Reglerfel K Reglerfel Reglerfel

19 er Snabbt svar Börvärde Börvärde Långsamt svar Börvärde

20 er_p P-reglering är ofta tillräckligt för nivåreglering i bufferttankar, vars uppgift är att tjäna som mellanlager för att jämna ut variationer i processflöden. Ett problem med P-regulatorn är att den kan inte ge en signal vid exakt börvärde, den måste alltid ha ett reglerfel. Är det dåprocesser där en god nivåreglering är viktig, såär enpregulator kanske inte tillräcklig. Reglerfel Reglerfel Reglerfel K Reglerfel Reglerfel

21 er_i För att kvarstående reglerfel skall bli noll behövs en funktion i regulatorn som kan ge en styrsignal även då reglerfelet är noll (Börvärde). Detta går om regulatorn innehåller en så kallad integrator. Att integrera betyder att man summerar eller samlar ihop något och det som en integrator gör i en regulator är en slags summering av reglerfelen. I-delen ställs in i hur lång tid bakåt den ska räkna reglerfelen. K I I I I I Börvärde

22 er_pi Två parametrar: Förstärkningen, K och Integraltiden, Ti. PI är en vanlig kombination av regulator typ som används i industriella sammanhang. Rätt inställd ger den inga svängningar i motsats till relästyrning och den löser problemet med det kvarstående reglerfelet som en p- regulator orsakar. Med en PI-regulator klarar man reglera de flesta snälla processer om inte höga krav på snabb reglering föreligger. Börvärde Reglerfel Reglerfel Reglerfel Reglerfel

23 er_pi Inställning av PI regulatorn

24 er_d Ibland kan man inte uppnå önskad snabbhet med en PI-regulator utan att regleringen blir svängig. Detta kan avhjälpas med att även ha en del i regulatorn som beräknar hur snabbt reglerfelet förändras. Det kan vara förnuftigt att öka styrsignalen mycket om reglerfelet ökar snabbt. Deriverande term. D-delen.

25 er_d För att beräkna derivatan av reglerfelet i en regulator kan man ta skillnaden mellan de två sista reglerfelen och dividera med tidsskillnaden. Jämfört med PI-regulatorn har nu ytterligare en parameter tillkommit. Tdsom bestämmer hur stor inverkan deriveringen skall ha på styrsignalen. Det är i tid man ställer in D-delen.

26 er_pid PID- regulatorn ger oftast en bättre reglering än PI. Är regleringskraven måttliga duger dock oftast en PI och om processen påverkas av mycket mätbrus eller har lång dödtid är en PI-regulator att föredra. Tre parametrar: K, Ti och Td. Det gäller att hitta en vettig avvägning mellan snabbhet och stabillitet. Ju snabbare man gör regleringen ju större svängningar (slängigare).

27 er_pid Inställningen av en regulator är inte helt lätt. Finns en massa tumregelmetoder som bygger på enkla experiment på den process som ska regleras, sedan bestäms regulator parametrarna utifrån en tabell. Lambdametoden är en sån. Men den enklaste manuella inställningen är att ställa Ti på en hög tid och därefter ställa in förstärkningen K till en hyfsad snabbhet. Därefter ställer man ner tiden tills regleringen ser bra ut. Varefter man ställer ner Tikan man även behöva minska förstärkningen K.

28 er_pid Källförteckning: Svenskt Vatten Tillämpad reglerteknik och mikrobiologi i kommunala reningsverk