W ramach prowadzonych zajęć laboratoryjnych z przedmiotu „Sterowanie Analogowe", studenci wykonują obowiązkowo sześć ćwiczeń laboratoryjnych. Są to:
- Identyfikacja modeli analogowych procesów przemysłowych,
- Badanie jakości i dokładności sterowania,
- Stabilizacja i korekcja liniowych układów regulacji,
- Zastosowanie sterowników PID w serwomechanizmach prądu stałego,
- Badanie przekaźnikowych układów sterowania,
- Komputerowe wspomaganie analizy i syntezy układów sterowania.
Organizacja zajęć na laboratorium jest następująca:
- wprowadzenie – 2 godz.
- ćwiczenie nr 1 – 2 godz.
- ćwiczenie nr 2 – 2 godz.
- ćwiczenie nr 3 – identyfikacja modelu (2 godz.) i realizacja algorytmów sterowania (2godz.)
- ćwiczenie nr 4 – identyfikacja modelu (2 godz.) i realizacja algorytmów sterowania (2 godz.)
- ćwiczenie nr 5 – 2 godz.
- ćwiczenie nr 6 – 2 godz.
- ćwiczenie nr 7 – zadanie projektowe.
Laboratorium (sala 530) wyposażone jest w 7 stanowisk dla ćwiczeń nr 1 i 2, w 2 stanowiska dla ćwiczenia nr 4 oraz pojedyncze stanowiska dla ćwiczeń nr 3, 5 i 6.
Celem ćwiczenia nr 1 jest ilustracja częstotliwościowych i czasowych metod identyfikacji obiektów dynamicznych. W procesie identyfikacji badane są następujące modele obiektów dynamicznych układ inercyjny pierwszego rzędu, układ inercyjny pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym, układ drugiego rzędu, układ niemnimalnofazowy oraz układ całkujący.
W ćwiczenia nr 2 badane są stany ustalone i stany przejściowe w układzie sterowania, w którym obiekty zidentyfikowane w ćwiczeniu nr 1 są sterowane przy pomocy sterownika proporcjonalnego. Badania dotyczą, zatem wpływu wzmocnienia takiego sterownika na wskaźniki opisujące dokładność sterowania oraz jakość odpowiedzi skokowej. Ponadto przeprowadzana jest prosta synteza sterowników proporcjonalnych, zapewniająca układowi zamkniętemu narzucone wartości wskaźników sterowania w zakresie stabilności, dokładności lub szybkości.
Stanowisko laboratoryjne dla ćwiczeń 1 i 2 wyposażone jest w:
- zestaw analogowych modeli procesów przemysłowych (ZAMPP), zawierający obiekty dynamiczne oraz miernik przesunięcia fazowego;
- wielofunkcyjny zestaw pomiarowy METEX typu MS-9140 lub MS-9150, złożony z generatora sygnałów periodycznych, częstościomierza, uniwersalnego miernika oraz zasilacza;
- oscyloskop dwukanałowy model GW GOS-622 20MHz lub LG OS-9020 20MHz lub
- oscyloskop cyfrowy Agilent InfiniiVision X 2004.
Ćwiczenie nr 3 dotyczy korekcji układu regulacji (sterowania) przy użyciu sterowników z rodziny PID. Badania, w swoim podstawowym zakresie, dotyczą stanu ustalonego oraz stanów przejściowych w układach sterowania obiektami całkująco-inercyjnymi oraz dwuinercyjnymi. Modele te odwzorowują zatem dwie istotne klasy obiektów spotykanych w wielu przemysłowych dziedzinach. Ponadto bada się zastosowanie w układzie sterowania pomocniczego statycznego sprzężenia korekcyjnego, obejmującego fragment sterowanego obiektu. Rozważane są proste reguły strojenia sterowników PID, pozwalające jednak na zapewnienie układowi zamkniętemu założonych projektowych wymagań, wyznaczonych specyfikacjami dotyczącymi stabilności, dokładności oraz szybkości sterowania. Uzupełniającym celem ćwiczenia jest badanie prostych metod identyfikacji sterowanych obiektów dynamicznych na podstawie pomierzonych parametrów częstotliwościowych oraz czasowych charakterystyk odpowiednich zamkniętych układów sterowania, w których użyto proporcjonalnego sterownika o znanym wzmocnieniu. Metody te oparto o analityczne formuły opisujące własności członów dynamicznych drugiego rzędu (por. Ćwiczenie 1).
Stanowisko laboratoryjne ćwiczenia 3 wyposażone jest w:
- model układu regulacji, zawierający obiekt dynamiczny, przy czym każdy z członów tego obiektu może być zamknięty indywidualną pętlą sprzężenia zwrotnego, korekcyjnego o regulowanych współczynnikach sprzężenia;
- regulatory typu PID, opisany transmitancją, ze zmiennym skokowo współczynnikiem wzmocnienia statycznego oraz zmienianych płynnie czasach zdwojenia oraz wyprzedzenia;
- wielofunkcyjny zestaw pomiarowy SEUNG JI SJ-9300, złożony z generatora sygnałów periodycznych, częstościomierza, uniwersalnego miernika oraz zasilacza;
- oscyloskop dwukanałowy typu GW GOS-622 20MHz.
Celem ćwiczenia nr 4 jest zilustrowanie zasadniczych czynności związanych z projektowaniem i uruchamianiem układu sterowania, jakimi są:
- identyfikacja (określenie modelu matematycznego) sterowanego obiektu, zaprojektowanie algorytmu sterownika i symulacja układu sterowania dla uzyskanego w procesie identyfikacji modelu obiektu,
- implementacja zaprojektowanego algorytmu sterowania (fizyczna jego realizacja),uruchomienie układu sterowania obiektem rzeczywistym, analiza jakości procesu sterowania, mająca na celu ocenę zgodności wskaźników jakości tego procesu z odpowiednimi specyfikacjami.
Właściwym obiektem sterowanym jest w tym ćwiczeniu laboratoryjnym silnik prądu stałego; wielkościami sterowanymi są położenie osi sterowanej (zob. dalej) lub prędkości obrotów tej osi.
Stanowiska laboratoryjne dla ćwiczenia 4 wyposażone jest w:
- uniwersalny zestaw laboratoryjny Servo Funddamentals Trainer SFT 154 angielskiej firmy Feedback, zawierający: blok mechaniczny, zawierający obiekt sterowany wraz z odpowiednimi elementami pomiarowymi i wykonawczymi oraz blok analogowy, będący uniwersalnym układem elektronicznym, umożliwiającym implementację różnych wersji algorytmu PID.
- oscyloskop dwukanałowy GoldStar OS-3020 20MHz z pamięcią cyfrową;
- dwa woltomierze cyfrowe;
- zasilacz stabilizowany ZU-154;
- komputer klasy PC z oprogramowaniem umożliwiającym symulację układu sterowania.
Ćwiczenie nr 5 dotyczy przekaźników dwu- i trójpołożeniowych z histerezą, a także układów, w których zastosowano korekcyjne, podatne sprzężenie zwrotne. W takim rozwiązaniu możliwy jest ruch poślizgowy. W ćwiczeniu umożliwia się obserwację tego ruchu zarówno na płaszczyźnie fazowej jak i w dziedzinie czasu.
Stanowisko laboratoryjne dla ćwiczenia 5 wyposażone jest w:
- model układu regulacji, zawierający obiekt całkująco-inercyjny,
- regulator dwu i trójpołożeniowy o stałej amplitudzie skoku, zmiennej szerokości strefy histerezy oraz regulowanej płynnie strefie nieczułości regulatora trójpołożeniowego,
- układ korekcyjny, włączany w pętlę sprzężenia zwrotnego wokół regulatora,
- układ różniczkujący, umożliwiający analizę sygnału błędu „e" na płaszczyźnie fazowej.
- wielofunkcyjny zestaw pomiarowy SEUNG JI SJ-9300, złożony z generatora sygnałów periodycznych, częstościomierza, uniwersalnego miernika oraz zasilacza;
- dwa oscyloskopy dwukanałowe IWATSU SS-5702A 20MHz.
Celem ćwiczenia nr 6 jest projektowanie i uruchamianie podstawowych układów sterowania wykorzystując moduły układu ACs-1000. Materiały do obsługi układu zawierają przykładowe układy i ćwiczenia:
Podstawowym celem ćwiczenia nr 7 jest ugruntowanie wiadomości z zakresu projektowania (syntezy oraz symulacji) układów sterowania jedno- oraz wielowymiarowymi obiektami, opisywanymi odpowiednimi modelami liniowymi z czasem ciągłym. Rozważane są następujące zagadnienia:
- synteza sterowników (korektorów) w oparciu o całkowe kryteria jakości, w tym strojenie sterowników z rodziny PID z wykorzystaniem reguł Zieglera-Nicholsa,
- pozycjonowanie biegunów zamkniętego układu sterowania,
- synteza obserwatorów stanu (obserwatory o pełnym rzędzie oraz obserwatory zredukowane),
- synteza sterowana ze sprzężeniem od estymaty stanu,
- syntezy sterowania optymalnego ze względu na kwadratowe wskaźniki jakości.
Ćwiczenie polega na wykonaniu projektu (wyznaczenie struktury i parametrów układu oraz symulacja procesów sterowana) na podstawie danych (model sterowanego obiektu oraz cel sterowania) przygotowanych przez prowadzącego ćwiczenie. Obliczenia oraz eksperymenty symulacyjne realizowane są przy pomocy programu CC. Drugorzędnym, chociaż także istotnym, celem ćwiczenia jest, zatem zapoznanie się z zaawansowanymi możliwościami tego programu komputerowego wspomagania projektowania układów sterowania automatycznego.
Stanowisko laboratoryjne dla ćwiczenia 6 wyposażone jest w komputer klasy PC.
Dodatkowe materiały pomocnicze:
- skrypt do laboratorium
- oprogramowanie wspomagające identyfikację badanych modeli obiektów dynamicznych
- opis obsługi oscyloskopu z pamięcią cyfrową
Obsługa oscyloskopu cyfrowego Agilent InfiniiVision X2004: