Suomen Automaatioseura ry REG 1/1 Hans Aalto Neste Jacobs Ab INTRODUKTION TILL REGLERTEKNIK Reglerteknik är ett delområde inom automationsteknik. För 50 år sedan bestod största delen av automationen av reglering (hålla ett visst värde). På den tiden intresserade man sig för att utveckla reglerteknisk praxis och teori. Människan bygger och använder allehanda tekniska system. Det äldsta tekniska systemet torde ha varit bostaden: ett tält, en kåta, ett rökpörte, ett stockhus, en gård, en skyskrapa, ett intelligent hus. Ett tekniskt system dimensioneras nuförtiden så, att det fungerar under vissa förhållanden. Att bygga ett modernt hus (det behöver inte ens vara ett s.k. intelligent hus) kräver mycket förhandsplanering och dimensionering - tält, kåtor och övriga historiska bostäder däremot inte. Som ett exempel kan vi ta uppvärmningssystemet i ett modernt hus. Det dimensioneras så, att det inomhus är behagligt varmt, trots att det är -35 grader kallt ute. I det fallet bör uppvärmningssystemet (oljebrännare, eluppvärmningssystem, värmepump, fjärrvärme) fungera med full effekt och tillföra inomhusutrymmena lika mycket värme som försvinner genom ytterväggarna. Reglerteknik innebär i stor utsträckning att upprätthålla det som är lämpligt och bekvämt. Inom en industrianläggning eller en process försöker man också upprätthålla en lämplig temperatur, tryck, flöde o.s.v. med hjälp av reglerteknik. Skalan är dock en annan än då det t.ex. gäller att upprätthålla behagliga förhållanden i hemmet. På svenska finns ordet lagom. Det betyder ungefär det samma som det finska ordet "sopiva", men har en mera vidsträckt betydelse, eftersom lagom också kan användas om sinnesnjutningar. För de svenska uttrycken vinet är lagom eller såsen är lagom finns inte någon exakt finsk översättning som skulle motsvara den svenska betydelsen som på ett vidsträckt och mångtydigt sätt även innefattar sinnesförnimmelser. I Sverige kunde man alltså säga, att man använder reglerteknik för att åstadkomma förhållanden som är lagom för människan, men också inom produktionsinrättningar, trafik o.s.v. På samma sätt används reglerteknik i Finland för att åstadkomma förhållanden som är lämpliga, bekväma och njutbara. Låt oss återgå till exemplet med huset, där det inomhus är lagom varmt, trots att det är -35 grader ute. Ifall temperaturen stiger till -20 och husets uppvärmning fortfarande fungerar för fullt, förstår man lätt, att temperaturen stiger också inomhus, eftersom värmeförlusten genom väggarna inte är lika stor när det blir varmare. Det betyder att värmeenergi ackumuleras inomhus och det gör att innertemperaturen stiger. Denna situation leder till två olägenheter: för det första är den ökade temperaturen (t.ex. 22 grader -> 27 grader) otrevlig redan i sig, och för det andra måste man göra något åt situationen: klä på sig filtstövlar och ytterrock och gå ut i pannrummet och minska på värmen. Suomen Automaatioseura ry, Asemapäällikönkatu 12 B, 00520 HELSINKI puh: 0201 981 220, fax: 0201 981 227, sähköposti: office@atu.fi, www.automaatioseura.fi
Suomen Automaatioseura ry REG 2/2 Senast i det här skedet lönar det sig att ta reglerteknik (eller automatisk reglering) i användning. Husets invånare får en användbar idé. Han planerar en elektronisk apparat, till vilken han kopplar en givare för utetemperaturen, så att givarens elektriska signal styr husets värmesystem i enlighet med följande tabell: Utetemperatur Den styrsignal som uppvärmningssystemet får (procentandel av maximiuppvärmningseffekten) 35 100 % 20 75 % 5 50 % 0 30 % +10 15 % +20 5 % Invånaren märker, att detta system ibland fungerar tillfredsställande, men för det mesta endast hjälpligt. Efter grundligt funderande märker han, att det är obehagligt kallt inne när det är blåsigt ute. Uppvärmningseffekterna (tabellens procenttal) bör alltså ökas när det blåser. Han ändrar alltså den elektroniska apparaten så att den även kan ta emot en elektrisk signal från en vindmätare och korrigera styrsignalen. Aptiten växer medan man äter - d.v.s. kraven ökar i takt med att de uppfylls. Vår invånare märker, att det är alldeles drägligt inomhus, men inte skönt och behagligt (lagom). Ibland är det lite svalt inne, trots att utomhustemperaturen kompletterad med vindhastigheten för det mesta fungerar. Invånaren tar sig igen en grundlig funderare och märker, att inomhustemperaturen är något lägre än vad han skulle föredra när det är fuktigt och regnigt ute. Han ändrar igen sin elektroniska apparat så, att den ännu tar emot en elektrisk signal från en fuktighetsmätare, och samtidigt planerar och genomför han en korrigering av tabellens siffror: när det är fuktigt ute ökas uppvärmningseffekten en aning mera än siffrorna i tabellen. Men sedan en dag kommer invånarens gamla vän på besök. Han är automationsingenjör och medlem i Finlands Automationssällskap. Invånaren presenterar sitt system med tre kanaler för att reglera temperaturen inomhus (de tre kanalerna är de tidigare omnämnda utomhustemperatur, vindhastighet och fuktighet). Automationsingenjören beundrar vännens alster och berömmer det: Du har verkligen varit duktig och fått till stånd något och dessutom är du väl nöjd med ditt system! Visst, svarar vännen, men under vissa förhållanden är inte inomhustemperaturen ännu helt perfekt. Jag är övertygad om, att det finns någon fjärde faktor, som jag ännu bör mäta och ta i beaktande. Då får jag alldeles snart ett system med fyra kanaler! Vad säger du om det? Då drar automationsingenjören djupt efter andan. I sitt stilla sinne går han igenom sin och invånarens vänskap ända från barndomens lekar i sandlådan, skolåren, de gemensamma vandringarna under studieåren och flirt med flickor ända till åren då de stadgade sig och
Suomen Automaatioseura ry REG 3/3 bildade familj. Kommer han nu att fälla en bomb, som förstör denna gemensamma bakgrund och fortfarande varma vänskap? Nej, en riktig vän måste kunna höra sanningen: Vet du, jag måste säga dig, att du inte behöver fyra kanaler. En kanal är tillräckligt, om den fungerar enligt principen med återkoppling. Istället för att bygga upp ditt system med tre, fyra eller ännu flera faktorer lönar det sig för dig att göra så, att du styr ditt system med en enda signal, som bildas av skillnaden mellan den idealiska och faktiska uppmätta inomhustemperaturen. Det här betyder, att när temperaturen är under riktvärdet (till exempel 22 grader), eller det är onödigt svalt inomhus, så ökar din elektroniska enhet värmeeffekten. Motsvarande när temperaturen inne stiger över riktvärdet, minskas effekten. Det här fungerar alltid, oberoende av, vilken av dina faktorer - vind, blåst och annat, som du mycket riktigt upptäckt - påverkar temperaturen i ditt hus. Förändringar i utomhustemperaturen, blåst och fukt påverkar tillsammans och var för sig förr eller senare den temperatur som råder i ditt hus, men elektronikenheten eller regulatorn märker redan en liten förändring (till exempel att temperaturen sjunker till 21.9 grader) och gör genast en liten korrigering av uppvärmningseffekten, och om en liten stund är det igen 22 grader. Iden med det här är, att du inte behöver veta någonting alls om hur till exempel vindhastigheten påverkar inomhustemperaturen, d.v.s. hur mycket effekten bör ökas, när vinden ökar från mild sommarvind till höststorm, utan det här sköts elegant så att inomhustemperaturen mäts, jämförs med riktvärdet och pannrummet får en order baserad på temperaturskillnaden. Det här kallas för återkopplad reglering. Det var en verklig föreläsning! Jag tror att jag genast skall övergå till att använda återkopplad reglering. Men måste jag nu alltid nöja mig med 22 grader, som alltså mycket noga ställs in? Förstås inte, du utrustar förstås din regulator med en knapp, som gör det möjligt för dig att ställa in temperaturen i ditt hus så som du själv föredrar, om det sedan är 20, 22 eller 25 grader. Faktaruta: återkopplad reglering Inom reglertekniken tillämpas s.k. systemtänkande: Man beskriver de faktorer som studeras som lådor med en ingång ( input ) och utgång ( output ). Oftast vill man reglera utgången genom att göra ändringar i ingången. Systemet kan t.ex. vara ett hus, utgången den inomhustemperatur som råder i huset och ingången uppvärmningssystemets ventil i husets pannrum (den bestämmer, hur mycket hett vatten som från pannrummet leds ut till värmeelementen, d.v.s. hur mycket värmeeffekt som används). Framför lådan som avbildar detta system ritas en annan låda, regulatorn. Den är också ett system med ut- och ingång. Regulatorns utgång är en styrsignal, som kopplas direkt till det förstnämnda systemets ingång. Regulatorns ingång å sin sida är skillnaden mellan målsystemets utgång och riktvärdet för denna. När man ritar upp det här, märker man, att målsystemets utgång så att säga dras tillbaka bakåt. Man kan alltså med goda skäl använda ordet återkoppling eller mera exakt tala om ett återkopplat reglersystem. (kuva 1)
Suomen Automaatioseura ry REG 4/4 Om man vill betona det faktum, att de flesta målsystem i verkligheten drabbas av störningar, som väsentligt påverkar utgångssignalens värde, kan man rita ett systemschema, i vilket störningarna ingår. Det här betyder då, att målsystemet har flera ingångar: den egentliga ingången, till vilken man fortfarande kopplar regulatorns utgång, samt ingångar som används för att beskriva störningarna. I följande bild är systemet ett hus, utgångsvariabeln (som man vill reglera) husets inomhustemperatur och störningarna vindhastighet och utomhustemperatur. (kuva 2) Faktaruta: framkopplad reglering Framkopplad reglering används oftast som en hjälpfunktion vid återkopplad reglering. Återkopplad reglering fungerar så, att det först måste ske någon förändring i målsystemets utgång (t.ex. på grund av en störning), innan regulatorn kan utföra en korrigerande åtgärd. Mera teknisk sagt, det bör uppstå en regleravvikelse innan regulatorn utför en korrigerande åtgärd. Om målsystemet är långsamt i den bemärkelsen, att det dröjer länge, innan en förändring i ingången syns i utgången, kan det uppstå stora regleravvikelser innan de korrigeras. Dessa avvikelser kan minskas om man använder framkoppling Om den störning som påverkar målsystemet kan mätas, kan man planera och bygga hjälpsystem, som räknar ut vilken faktor, som skall adderas till regulatorns styrsignal för att i stort sett korrigera störningens inverkan på målsystemet. När det gäller uppvärmningen av småhus vet man till exempel, att om vindmätaren visar 5 m/s så måste ventilen i pannrummet öppnas med 2 % för att inomhustemperaturen skall hållas något så när konstant. Orden i stort sett ovan är viktiga: man vet av erfarenhet, att man inte kan göra upp fullständigt exakta beräkningsscheman och att framkoppling utan återkoppling inte fungerar vidare bra. Som ett systemschema kan framkoppling beskrivas på följande sätt: (kuva 3) Faktaruta: korseffekter Det är inte alltid så, att regulatorn påverkar endast ett objekt (eller målsystem) utan den påverkar också annat. Omvänt kan man säga, att målsystemet kan få styrsignaler (med eller mot sin vilja) även av andra regulatorer än sin egen. Låt oss beakta ett enkelt system eller en gammaldags badrumsdusch med skilda kranar för varmt och kallt vatten. Nuförtiden tillverkar ett finländskt företag kombinationskranar, i vilka regleringen av duschvattnet fungerar som en dröm, så i det avseende är exemplet närmast
Suomen Automaatioseura ry REG 5/5 akademiskt. Låt oss alltså anta, att den person som står i duschen skilt måste vrida på varmoch kallvattenskranarna när han/hon vill påverka vattnets temperatur och flöde. Vi föreställer oss, att personen redan står under duschen och vattnet rinner. Han/hon bestämmer sig för att vattnet skall vara varmare: vrider alltså på varmvattenskranen. Vattnets temperatur är nu lagom, men aj, det kommer för mycket vatten, det sticker i huden, nu måste jag minska vattenmängden! Så vrider han ner kallvattnet, vilket mycket riktigt minskar vattenmängden, men "aj! vattnet blev alldeles för varmt! Varför gick det så här? Kom ihåg, att just innan personen bestämde sig för att minska vattenmängden var temperaturen lagom. Om man nu minskar mängden kallt vatten (som blandas med det varma i duschröret) stiger temperaturen på blandningen. I teknisk mening har vi ett system, som har två ingångar (kall- och varmvattenkranens position) och två utgångar (duschvattnets temperatur och mängd). Inom detta system finns det k o r s e f f e k t e r som gör, att detta system inte kan beskrivas med två lådor som är oberoende av varandra. Samtidigt blir regleringen svårare: om man endast reglerar temperaturen får man sannolikt ett dåligt värde på mängden. Man måste alltså reglera både temperaturen och mängden, d.v.s. man behöver två regulatorer. Dessa kan i princip fungera oberoende av varandra och parallellt, men funktionen förbättras, om man planerar en lite bättre reglerkonstruktion, dvs. några extra boxar i samband med regulatorn. De lådor som minskar korseffekterna är komponenter, som omvandlar regulatorns utgångssignaler, innan de förs vidare till kall- och varmvattensventilen. Men först måste man omdefiniera den roll regulatorernas utgångssignal har. Nu betyder inte utgångssignalen för duschvattnets temperaturregulator längre varmvattenventilens inställning eller signalen för vattenmängden kallvattenventilens inställning. Nu bestämmer man, att temperaturregulatorns utgångssignal är varmvattnets mängd i förhållande till det kalla vattnets mängd och mängdregulatorns utgångssignal den sammanlagda vattenmängden i duschen. När regulatorerna kopplas till kranarna, d.v.s. regulatorernas utgångssignaler överförs till kranarna via tre matematiska block (X = multiplikation, - = subtraktion samt addition av kompensationskonstanten 50 ), åstadkommer man en dämpning av korseffekterna, som i sin tur leder till en noggrannare reglering och dessutom gör, att regulatorerna är lättare att ställa in. (kuva 4) Faktaruta: Val av styrvariabler Ibland finns det rentav alltför många alternativ i styrobjektet (t.ex. produktionsprocesser) i den betydelsen, att om objektet beskrivs som en systemlåda så har det fler ingångar (input) än utgångar (output). Låt oss åskådliggöra detta med ett exempel, som i viss mån är imaginärt men fungerar bra. Vi föreställer oss ett rum i ett bostadshus. Rummets temperatur skall hållas på lagom nivå. På väggen finns en temperaturmätare (givare), och värmeeffekten kan styras med värmeelement
Suomen Automaatioseura ry REG 6/6 och en vädringslucka. Det är klart, att vi har en regulator för temperaturen, men skall regulatorns utgång nu kopplas till radiatorn eller vädringsluckan? Varken i detta fall (som på grund av vädringsluckan är fiktivt) eller i verkligheten avgörs frågan genom att singla slant, utan det finns systematiska metoder för valet. En viktig del av dessa metoder är att identifiera, vilka av systemets ingångar som mest påverkar den systemutgång som man har för avsikt att reglera. Teori och praktik har nämligen visat, att om man kopplar den ingång som har det största inflytande till regulatorn, samverkar regulatorn och systemet allra bäst. Detta exempel visar rätt tydligt, att värmeelementet i genomsnitt påverkar rumstemperaturen mera, så det lönar sig alltså att reglera temperaturen genom att styra radiatorn. Om vi nu föreställer oss en kall vinterdag och den situationen, att det är onödigt varmt i rummet, konstaterar man, att man skulle uppnå en större effekt (d.v.s. sänka temperaturen mera effektivt) genom att öppna vädringsluckan än genom att sänka radiatorns effekt. Det här är förstås ett specialfall - och med tanke på funktionen under hela året är en radiator ett bättre alternativ. Med specialarrangemang kan man förstås koppla regulatorns utgångssignal både till värmeelementen och till vädringsluckan. Då måste man klart och tydligt reservera en del av utgångssignalens funktionsområde för radiatorerna och en annan del för vädringsluckan och dessutom se till, att radiatorerna inte värmer samtidigt som luckan är öppen (man eldar för kråkorna).