Reglering Läran om återkopplade automatiska system och handlar om hur mätningar från givare kan användas för att automatisk göra förändringar i processen. Regulator eller reglerenhet används för att optimera drift i en process. I princip alla regulatorer byggda som datorer. T.ex. om man vill ha en bestämd nivå, eller ett speciellt tryck i en rörledning. Med god kunskap om reglerteknik tillsammans med gott process kunnande kan man optimera driften.
Relä Förr styrdes processer med relä teknik, relä är enklaste regulator och har två värde på styrsignaler-har självsvängiga utsignaler Följden blev att processer blev inte så exakta som man kanske skulle vilja och materielen slets onödigt fort. Men de är störningssäkra och används fortfarande i kärnkraftverk.
För att kunna reglera en process måste processen kunna påverkas. Vätskenivån regleras till ex genom att påverka en reglerventil. Vi påverkar mekaniska delen som ventilöppningen men syftet är att påverka kemiska och biologiska processer i reningsverk. Det är lättare att styra pump än mikroorganismer! Det som vi kan påverka reglerventilen med kallas styrsignal.
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. Om vi tar ett exempel på reglering av vätskenivån i en tank. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde
Syftet är att hålla vätskenivå i en tank så konstant som möjligt trotts förbrukningen varierar. Reglerenheten ska bestämma hur stor inflöde till tanken ska vara genom att påverka en Pump eller reglerventil som styr inflöde till tanken. Det behövs en eller fler givare som informerar regelenheten om aktuell nivå i tanken och hur stort utflödet är.
Nivågivaren visar vätskenivån som är processens utsignal (ärvärde). Variationerna i utflödet brukar kallas för processens störning. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde
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 att styra processen så att utsignalen hålls nära börvärdet. Börvärdet är något som vi (operatören) bestämmer. Börvärdet är det värde som vi önskar att utsignalen skall vara. Reglerventil Nivågivare Inflöde Tank Varierande utflöde
Regulator Man använder ofta blockschema för att beskriva olika delprocessers inverkan som ger 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. Störning Börvärde Styrsignal Ställdon Process Givare Utsignal
Regulator 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 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
Regulator 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 hur mycket ventilläget ska ändras. Låg nivå ökar ventilläget (lägre än börvärdet) Hög nivå minska ventilläget (högre än börvärdet). Störning Börvärde Styrsignal Ställdon Process Givare Utsignal
Reglerventiler används för att styra vätske- eller gasflöden. Andra vanliga styrdon eller ställdon är motorer eller pumpar. Fysiska problem som ventilernas egenskap påverkar hur bra regleringen blir.
Regulator 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.
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.
Regulator Tiden mellan två styrsignalsberäkningar kallas samplingstid. För att få en bra reglering så är det viktigt att samplingstiden är kort jämfört med processens svarstid. Den främsta fördelen med att använda datorn som regulator är ekonomiska. I samma dator kan hundratals regulatorer arbeta parallellt.
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.
Regulatorer_P Enklaste varianten är P- regulator. Variation i styrsignal (utsignal) är proportionell mot reglerfelet (insignal i 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. Skillnad mellan börvärde och ärvärde kallas för reglerfel. K
Regulatorer Snabbt svar Börvärde Börvärde Långsamt svar Börvärde
Regulatorer_P P-reglering är ofta tillräckligt för nivåreglering i bufferttankar, som funkar 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. Har vi en processer där en god nivåreglering är viktig, så är en P- regulator inte tillräcklig. K
Regulatorer_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. En regulator som utsignalen är integralen av felet. Att integrera betyder att man summerar eller samlar ihop något och det som en integrator gör i en regulator är en summering av reglerfelen. Används för att eliminera kvarstående fel vid störningar och börvärde ändringar. I I-regulator måste ett regelfel ligga på en viss tid innan utsignal hinner ändra sig. I I I K I I Börvärde
Regulatorer_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 processer om inte höga krav på snabb reglering föreligger. Börvärde
Regulatorer_PI Inställning av PI regulatorn
Regulatorer_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. Utsignalen är derivatan av insignalen. Deriverande term. D-delen. Används för att förbättra stabilitet och/ eller snabbhet. Används aldrig ensamt.
Regulatorer_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. Td som bestämmer hur stor inverkan deriveringen skall ha på styrsignalen.
Regulatorer_PID PID- regulatorn ger oftast en bättre reglering än PI. För att regulator fungera väl måste de tre parametrar: K, Ti och Td ställas in på lämpliga värde. Det gäller att hitta en vettig avvägning mellan snabbhet och stabillitet. Ju snabbare man gör regleringen desto större svängningar (slängigare). 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. Tiden mellan förändrade styrsignalen tills att det sker respons från utsignal kallas dödtid.
Regulatorer_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. Samband mellan ut och insignal i PID: 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 Ti kan man även behöva minska förstärkningen K.
Källförteckning: Svenskt Vatten Tillämpad reglerteknik och mikrobiologi i kommunala reningsverk