criteriul modulului

Upload: alin-andrei

Post on 30-Oct-2015

480 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

Criteriul modulului

TRANSCRIPT

  • 1/8 In knowledge we trust. Part eta.

    Procese rapide. Criteriul modulului. Criteriul simetriei

    Acordarea unui regulator convenional PID presupune determinarea

    valorilor optime ale parametrilor si (factor de amplificare, constante de timp de integrare i derivare) care asigur pentru un proces dat comportarea dorit a SRA n raport cu referina i perturbaiile ce acioneaz asupra procesului.

    Procesele fr timp mort sunt de obicei caracterizate modele

    aproximative de tipul funcii de transfer cu una sau mai multe constante de timp. Cele mai ntlnite procese fr timp mort sunt procesele rapide, ale cror modele matematice prezint constante de timp cu valori mai mici dect 10 secunde (constante dominante) i constante parazite (n general cu cel puin un ordin de mrime mai mic decat constantele dominante):

    )1()1()(

    1

    sTsT

    KsH N

    kk

    PP (1)

    unde KP este factorul de amplificare al procesului, Tk reprezinta un

    numr de N constante de timp dominante, iar T este constanta parazita. HP(s) este rapid daca:

    }{min1.0..1,10

    kk

    k

    TTNksT

    (2)

    In cazul in care exista mai multe constante parazite intr-un proces,

    acestea se insumeaza, rezultand o singura constanta parazita globala. Constanta parazita reprezinta suma constantelor parazite ale unui proces.

    Procesele rapide pot fi, in general, descrise de modele matematice

    obtinute cu o buna precizie, astfel facand posibila utilizarea unor metode analitice de acordare a regulatoarelor pentru aceasta clasa de procese, cu rezultate bune. In acest capitol vor fi discutate doua metode de alegere si acordare a regulatoarelor pentru procese fara timp mort: criteriul modulului (in varianta Kessler) si criteriul simetriei.

  • 2/8 In knowledge we trust. Part eta.

    Criteriul modulului

    Criteriul modulului asigura o durata minima a regimului tranzitoriu.

    Conform acestei metode, parametrii de acord ai regulatoarelor se obtin pe baza parametrilor modelului procesului.

    Criteriul modulului: Daca se considera un proces rapid cu constanta parazita descris de

    (1) si (2), atunci se poate alege regulatorul:

    sTK

    sTsH

    P

    N

    kk

    R

    2

    )1()( 1 (3)

    care asigura performantele:

    T

    Tt

    v

    st

    t

    20

    8%3.4

    (4)

    Demonstratie: Pentru procesul descris de (1) si regulatorul descris de (3), functia

    de transfer pe calea directa a SRA este:

    sTsTsHsHsH PRd

    )1(21)()()( (5)

    De aici rezulta functia de transfer in bucla inchisa:

    121

    1)1(21

    1)( 220

    sTsTsTsTH

    HsHd

    d (6)

    Adica (forma standard de ordinul doi):

    121

    21

    2)(

    2

    2

    22

    2

    0

    sT

    s

    Tss

    sHnn

    n

    (7)

  • 3/8 In knowledge we trust. Part eta.

    In relatia (7) se pot identifica factorul de amortizare si pulsatia naturala a sistemului de ordinul doi:

    7.022

    21

    212

    21

    22

    T

    T

    T n

    n

    n

    (8)

    Valoarea factorului de amortizare de 0.7 corespunde unei valori a

    suprareglajului de aproximativ 4.3%. In cazul in care factorul de amortizare este cuprins intre 0.6 si 0.8,

    valoarea timpului tranzitoriu poate fi aproximata cu:

    ntt

    4 (9)

    Atunci, pentru functia in bucla de transfer in inchisa descrisa de (7),

    se poate aproxima valoarea timpului tranzitoriu tinand cont de (8):

    TT

    tn

    t 8)2/(144

    (10)

    Pentru sistemele de ordinul doi in forma standard, eroarea stationara

    este mereu egala cu zero (rezultat din teorema valorii finale): 01)0(0 stH (11)

    In cazul erorii la intrare rampa, tinand cont de (8):

    Tnv 22

    (12)

    Implementabilitate Regulatoarele proiectate prin criteriul modulului sunt implementabile

    numai daca procesul are o singura constanta dominanta. In cazul in care numarul constantelor dominante este cel putin doi, atunci este necesara adaugarea de elemente cu rol de filtrare in regulator, adica adaugarea de elemente de tip intarziere cu constante de timp mici, de ordinul constantelor parazite. De exemplu, pentru un proces cu doua constante dominante T1 si T2:

  • 4/8 In knowledge we trust. Part eta.

    )1(2)1)(1()( 21

    sTsTKsTsTsH

    FPR (13)

    In acest caz, in numitorul functiei de transfer pe care directa apare

    un termen suplimentar de forma: 1)()1)(1( 2 sTTsTTsTsT FFF (14)

    Deoarece atat T, cat si TF sunt foarte mici, produsul lor poate fi

    considerat neglijabil. Astfel, relatia (4.14) devine: 11)(1)( '2 sTsTTsTTsTT FFF (15)

    Adica sistemul prezinta o constanta parazita:

    FTTT ' (16)

    In acest caz, este necesara verificarea performantelor de regim

    tranzitoriu care depind de valoarea constantei parazite. Criteriul simetriei

    Criteriul simetriei asigura urmarirea referintelor de tip rampa in regim permanent. Conform acestei metode, parametrii de acord ai regulatoarelor se obtin pe baza parametrilor modelului procesului.

    Criteriul simetriei se aplica de obicei in cazul proceselor care prezinta

    constanta parazita si un numar de poli in origine, de forma:

    N

    kk

    PP

    sTsT

    KsH

    1)()1(

    )( (17)

    unde KP este factorul de amplificare al procesului, Tk reprezinta un

    numr de N constante de timp dominante, iar T este constanta parazita. Criteriul simetriei: Daca se considera un proces rapid cu constanta parazita si poli in

    origine descris de (17), atunci se poate alege regulatorul:

  • 5/8 In knowledge we trust. Part eta.

    NsTK

    TsNTsH

    P

    N

    kk

    N

    R 21

    8

    14)(

    (18)

    care asigura performante bune la intrare rampa (eroare la rampa

    egala cu zero) si performante satisfacatoare la intrare treapta. Analiza: Fie N = 1. Pentru procesul descris de (17) si regulatorul descris de

    (18), functia de transfer pe calea directa a SRA este:

    )1(814)( 22

    sTsTsTsH d (19)

    De aici rezulta functia de transfer in bucla inchisa:

    148814)( 22330

    sTsTsTsTsH (20)

    Functia de transfer in bucla inchisa contine trei poli si un zero,

    putand fi pusa sub forma:

    ))(2(

    )()( 220 psss

    zsz

    p

    sHnn

    n

    (21)

    unde

    T

    z41

    , 5.0 ,

    Tn 21

    i

    T

    p21

    .

    La intrare treapta, acest regulator introduce un suprereglaj de

    aproximativ 43%, mult mai mare decat in cazul criteriului modulului. EXERCITIUL 1. Se considera un proces caracterizat prin modelul:

    )18)(12)(11.0(100)(

    ssssH P

    Se cere: a) Structura sistemului de reglare automata b) Legea de reglare astfel incat sa se obtina un raspuns in bucla

    inchisa caracterizat prin %5 , sec2.1tt , 0st si sec3.0v .

  • 6/8 In knowledge we trust. Part eta.

    Rezolvare: a) Se alege o structura de reglare standard cu un grad de libertate: Se aduce procesul la forma poli-zerouri-amplificare si se analizeaza

    constantele de timp. Se observa ca procesul prezinta doua constante de timp dominante T1 = 2sec si T2 = 8sec, precum si o constanta parazita T = 0.1sec (de un ordin de marime mai mica decat cea mai mica constanta dominanta). Cele doua constante de timp dominante sunt mai mici decat 10s, asadar procesul este rapid.

    b) Conform analizei de proces efectuata la pasul anteior, se poate

    aplica criteriul modulului, in urma caruia s-ar obtine urmatoarele perfomante:

    sec3.0sec2.01.020

    sec2.1sec8.01.08%5%3.4

    v

    st

    tt

    Aceste performante corespund cerintelor de proiectare. In acest caz,

    regulatorul va avea forma:

    ssssH R 20

    )12)(18()(

    Acest regulator este de tip PID, in varianta ideala. Se pot alege cei

    trei parametri de acord, incepand cu constantele de timp (8 si 2 vor reprezenta Ti si Td; in practica, se alege Ti mai mare decat Td):

    Ti = 8sec Td =2sec de unde rezulta valoarea factorului de amplificare: KR = 0.05

    )(sH R )(sH P r u y

    -

  • 7/8 In knowledge we trust. Part eta.

    Conform alegerii facute, regulatorul PID este considerat in forma sa serie. Se observa ca acesta este neimplementabil, componenta derivativa necesitand filtrare. Asadar, forma legii de reglare, in varianta cu filtrare este:

    1

    111)(

    sTsT

    sTKsH

    d

    d

    iRR

    cu 1 pozitiv.

    Alegerea coeficientului de filtrare La alegerea coeficientului de filtrare se va tine cont de faptul ca

    produsul Td este de cel putin un ordin de marime mai mic decat restul constantelor de timp din sistem. Asadat, acest produs este asemanator unei constante parazite. In aceste conditii, noua constanta parazita a sistemului devine:

    21.0' dTTT

    Din conditiile de timp tranzitoriu si eroare la intrare rampa rezulta:

    sec1.04sec4.016

    sec3.02sec2.18

    '

    '

    TTt

    v

    t

    de unde se poate alege care satisface ambele conditii. Se alege = 0.025. Atunci, legea de reglare cautata devine:

    105.012

    81105.0)(

    s

    ss

    sH R

    EXERCITIUL 2. Se considera un proces caracterizat prin modelul:

    )12.0(42)(

    sssH P

    Se cere: a) Structura sistemului de reglare automata b) Legea de reglare astfel incat sa se obtina un raspuns in bucla

    inchisa ce prezinta eroare zero la intrare rampa 0v .

  • 8/8 In knowledge we trust. Part eta.

    Rezolvare: a) Se alege o structura de reglare standard cu un grad de libertate: Se aduce procesul la forma poli-zerouri-amplificare si se analizeaza

    constantele de timp. Se observa ca procesul prezinta o constanta de timp dominanta T1 = 4sec, precum si o constanta parazita T = 0.2sec. Constanta de timp dominanta este mai mica decat 10s, asadar procesul este rapid.

    Putem aplica criteriul simetriei, in urma caruia se obtine eroare zero

    la intrare rampa 0v , ceea ce corespunde cerintelor de proiectare. In acest caz, regulatorul va avea forma:

    ss

    sTKTsTsH

    PR 64.0

    418.08

    14)( 21

    Acest regulator este de tip PI. Se pot calcula cei doi parametri de

    acord astfel: Ti = 0.8sec KR =5

    )(sH R )(sH P r u y

    -