Регулятор к каким типам устройствам относится. Регуляторы. Автоматические регуляторы и законы регулирования

Опубликовано: Март 26, 2012

Автоматические регуляторы

Автоматически действующее устройство, предназначенное для регулирования какого-либо параметра объекта, называется автоматическим регулятором.

Автоматические регуляторы могут быть прямого (непосредственного) и непрямого (косвенного) действия (рис. 7).

Автоматическим регулятором прямого (непосредственного) действия называют простейший регулятор, чувствительный (первичный) элемент которого может непосредственно воздействовать на регулирующий (исполнительный) орган без усилительно-преобразующего устройства и дополнительного источника энергии. Такой регулятор работает исключительно за счет энергии самого регулируемого объекта.

Примером автоматического регулятора прямого действия может служить система стабилизации уровня воды в баке (рис. 8,6). Регулируемым объектом является бак 1, регулируемым параметром - высота уровня воды Н. Значение регулируемого параметра зависит от соотношения между величинами поступления воды Qi и ее расхода Q2. Стабилизация этого параметра достигается регулирующим органом - заслонкой 2, управляемой чувствительным элементом - поплавком 5 через рычаг 3 и задатчик 4.

Понижение уровня воды вызывает опускание поплавка, а следовательно, раскрытие заслонки 2, т. е. увеличение поступления воды. При повышении уровня происходит обратный процесс.

Автоматическим регулятором непрямого (косвенного) действия называют такой, в состав которого входит усилительно-преобразующее устройство, питаемое извне от дополнительного источника энергии.

Схема регулятора непрямого действия, предназначенного для регулирования уровня воды в баке 1, приведена на рис. 9,6. Заслонка 2, регулирующая количество поступающей воды Qb управляется чувствительным элементом - поплавком б не за счет энергии воды, а за счет дополнительной электрической энергии, привлекаемой для работы преобразующего органа - потенциометра 4 и усилительного - электродвигателя 3 (привода регулирующего органа).

У рассматриваемого регулятора при среднем положении движка потенциометра, присоединенного к рычагу 5, высота уровня воды равна заданному значению Я, и электродвигатель 3 не работает. При понижении уровня воды поплавок, опускаясь, передвигает ползунок потенциометра в сторону знака плюс, а электродвигатель приоткрывает заслонку 2. При повышении уровня движок перемещается в сторону знака минус, что вызывает вращение электродвигателя в противоположном направлении, а следовательно, прикрытие заслонки.

В зависимости от способа перемещения регулирующего органа автоматические регуляторы могут быть непрерывного и прерывистого действия.

У автоматических регуляторов непрерывного регулирования регулирующий орган занимает, кроме крайних, любое промежуточное положение в зависимости от протекания процесса. Примерами таких регуляторов могут служить приведенные на рис. 8 и 9. У автоматических регуляторов прерывистого регулирования регулирующий орган занимает только два крайних положения (у двухпозиционных) или два крайних и несколько промежуточных (у многопозиционных).

Примером двухпозиционного прерывистого регулятора является автоматический регулятор температуры, приведенный на рис. 6,6. Здесь регулирующий орган (вентиль регулирования- подачи пара) может быть открыт или закрыт, т. е. занимать, только два крайних положения.

Характер протекания процесса непрерывного регулирования- определяется законом регулирования, т. е. зависимостью выходной величины автоматического регулятора от входной.

Закон регулирования определяется управляющим устройством регулятора. По этому признаку автоматические регуля-- торы подразделяются на статические и астатические. Их особенности можно рассмотреть на примере автоматических регуляторов уровня воды (см. рис. 8 и 9).

Статическим или пропорциональным называют такой регулятор, который обеспечивает регулирующее воздействие, пропорциональное отклонению регулируемой величины:

Это воздействие достигается включением в состав регулятора статических элементов и использованием жестких обратных связей. В статическом регуляторе уровня воды, изображенном на рис. 8,6, значение регулируемого параметра не остается постоянным, а зависит от величины возмущающего воздействия. Для поддержания уровня на одной и той же высоте необходимо, чтобы поступление воды равнялось ее расходу Поступление воды зависит от раскрытия заслонки 2, т. е. от положения поплавка 5. Чем больше расход воды, тем больше- должна быть приоткрыта заслонка и тем ниже при установившемся режиме работы регулятора будет находиться поплавок, с уменьшением расхода воды положение поплавка выше. Таким образом, уровеньводы в баке зависит от величины расхода воды т. е. от величины возмущения, и колеблется в некоторых небольших пределах относительно среднего значения.

Работа статического регулятора всегда отличается некоторой постоянной погрешностью. К положительным особенностям его относится малая склонность к колебаниям регулируемого параметра. Статические регуляторы, как более простые по устройству, применяются в тех случаях, когда небольшая погрешность в их работе не оказывает существенного влияния нерегулируемый объект.

В астатическом регуляторе выходная величина у (регулирующее воздействие) пропорциональна интегралу от отклонения регулируемой величины:

В таком регуляторе (см. рис. 9,6) значение регулируемого параметра не зависит от величины возбуждения. В рассматриваемом примере это обеспечивается тем, что между чувствительным элементом - поплавком 6 и регулирующим органом - заслонкой 2 отсутствует жесткая связь. При установившемся режиме и различных значениях расхода Q2 воды заслонка будет занимать разные положения, а поплавок - всегда одно и то же, отвечающее заданному значению H уровня воды в баке.

Астатический регулятор в отличие от статического лишен статической погрешности регулирования. Однако он склонен к колебательным процессам и не всегда устойчив в работе.

Чтобы автоматический регулятор был пригоден для практического использования, необходимо обеспечить устойчивость системы и приемлемое качество регулирования.

Устойчивость системы автоматического регулирования определяется рядом показателей, отображающих характер переходных процессов при регулировании. В специальной литературе приводятся критерии и методы анализа устойчивости регуляторов .

Под качеством процесса регулирования понимают соответствие между заданным и фактическим изменением регулируемого параметра. Обычно это качество определяется следующими показателями:
1) разницей между заданной и фактической величинами регулируемого параметра в установившемся режиме (ошибкой системы); 2) перерегулированием (забросом), т. е. наибольшим отклонением фактической величины параметра от заданной; 3) временем регулирования (быстродействием системы), которое принимается равным продолжительности переходного процесса от его начала до момента, когда регулируемый параметр приобретает величину, близкую (обычно 95-97%) к значению в установившемся режиме; 4) числом колебаний регулируемого параметра в заданное время.

Повысить устойчивость и качество регулирования систем автоматического регулирования можно двумя способами: путем изменения параметров регулируемого объекта или регулятора и путем изменения структурной схемы регулятора. Практически обычно изменяют структурную схему регулятора, для чего вводят дополнительные звенья. Устройства автоматических регуляторов, состоящие из таких звеньев, называются корректирующими. Часто они представляют собой разного рода дополнительные (внутренние) обратные связи.

Из автоматических регуляторов с корректирующими устройствами наиболее распространены изодромный и с воздействием по производной (с предварением).

Таким образом, эти регуляторы обладают хорошими динамическими свойствами статических регуляторов в сочетании с хорошими статическими свойствами (например, отсутствие установившегося отклонения) астатических регуляторов.

Такое сочетание достигается с помощью гибких обратных связей, действующих только во время переходных процессов для затухания колебаний и отсутствующих в установившемся режиме.

Схема изодромного регулятора с гибкой обратной связью в виде катаракта для автоматического регулирования температуры приведена на рис. 10. Температура в камере 18 измеряется термометром сопротивления 17, включенным в одно из плеч измерительного электрического моста 15. В одну из диагоналей моста включена обмотка чувствительного поляризованного реле 9, а питание второй диагонали осуществляется от источника постоянного напряжения. Стабилизируемая температура устанавливается задатчиком 16, который перемещает движок одного из сопротивлений R электрического моста.

При температуре в камере выше заданной реле 9 замыкает контакт 10, включающий обмотку 8 реверсивного двигателя 7 постоянного тока. Двигатель вращает валик 2, соединенный с вентилем 1 паропровода, уменьшая тем самым подачу пара в калорифер 19 камеры.

При понижении температуры в камере направление тока в обмотке поляризованного реле меняется на противоположное и реле замыкает контакт 11, включающий обмотку 6. Двигатель начинает вращаться в обратную сторону, и валик 2 открывает вентиль 1, вследствие чего подача пара в калорифер 19 увеличивается.

Изодромное устройство для улучшения динамической характеристики регулятора осуществлено с помощью катаракта (гидравлического тормоза) 4 с пружиной 5. При вращении валика 2 перемещается рычаг 3, а вместе с ним и катаракт 4 с движком 12 потенциометра 14. Благодаря этому изменяется соотношение между сопротивлениями, включенными в плечи моста 15, и на обмотку реле 9 поступает дополнительный корректирующий сигнал. Жесткая связь рычага 3 с движком 12 существует лишь при быстрых перемещениях рычага в переходных процессах, так как тогда малое отверстие демпфера 13 препятствует переходу масла из одной полости катаракта в другую и шток с цилиндром катаракта перемещается как одно целое. По истечении некоторого времени,когда переходный процесс закончится, пружина 5 катаракта возвращает поршень и движок 12 в исходное положение, пропуская масло через демпфер 13 из одной полости цилиндра катаракта в другую. Таким образом, по окончании процесса регулирования равновесие моста, заданное задатчиком 16, вновь восстанавливается.

Если регулируемый объект отличается большой емкостью (постоянная времени велика), применение изодромного регулятора с гибкой обратной связью не обязательно. В этом случае можно использовать статические регуляторы с жесткой обратной связью (см. пунктир на рис. 10).

Регуляторы с воздействием по производной отклонения осуществляют регулирование по отклонению и его производной, что позволяет учитывать характер изменения регулируемой величины. Поэтому их называют также р е- гуляторами с предварением.

Эта особенность существенна при регулировании быстропротекающих процессов. Закон регулирования таких регуляторов можно выразить уравнением

Регуляторы с воздействием по производной подавляют колебания и повышают быстроту действия системы, улучшая таким образом качество переходных процессов.

Эффект улучшения качества переходных процессов в регуляторах с предварением можно проследить на рис. 11. Предположим, что изменение регулируемого параметра во времени выражается сплошной кривой(рис. 11,а).

Рассмотренный ранее статический пропорциональный регулятор без корректирующих устройств уменьшает рассогласование между заданной и фактической величинами параметров не только пока оно имеется, но и (за счет инерции) некоторое время после его устранения. Поэтому такой регулятор переключается на действие в обратном направлении не в точке В, когда рассогласование равно нулю, а несколько позже, на участке ВС, оказывая некоторое время воздействие, противоположное требуемому.

Регулятор с предварением действует иначе. На участке возрастания отклонения регулируемого параметра от заданного действие регулятора форсируется, так как в начале переходного процесса отклонение и производная имеют одинаковые знаки, а производная имеет наибольшее значение, когда Ax близко к нулю. Благодаря этому наибольшее отклонение параметра в начале переходного процесса уменьшится, на- прішер точка А займет положение Ai. На участке AB, в связи с уменьшением отклонения регулируемого параметра, производная меняет знак. Поэтому регулятор подает воздействие, равное не сумме, а разности сигналов по отклонению и производной, т. е. меньшее. Если регулятор без предварения получил команду переключения на действие в противоположном направлении вблизи точки В, то регулятор с предварением получает такую команду раньше, например вблизи точки Е, когда сигналы по отклонению и производной равны. Переключение регулятора на действие в противоположном направлении до прекращения отклонения параметра предотвращает это отклонение в отрицательную сторону. Переходный процесс может стать апериодическим, как показано пунктиром на рис. 11,а .

Корректирующие устройства, применяемые для дополнительного воздействия регулятора на объект, пропорционального производной от регулируемого параметра, могут быть различны. Разными способами может быть также осуществлено их включение в схему.

На рис. 11,в приведена элементная схема системы автоматического регулирования с воздействием по производной. Здесь корректирующее устройство представляет собой дифференцирующий элемент, включенный последовательно в основную цепь воздействия звеньев системы. На входэтого звена подается отклонение регулируемого параметра, а на выходе получается величина, равная сумме двух слагаемых, из которых первое пропорционально отклонению регулируемого параметра, а второе - производной от этого отклонении. Выходные параметры преобразующего, исполнительного и регулирующего элементов обозначены функциями цуг от времени і.

На рис. 11,г дана принципиальная схема автоматического регулирования скорости вращения вала электрического двигателя постоянного тока, соответствующая элементной схеме на рис. 11,в. Дифференцирующий элемент (показан пунктиром) представляет собой контур сопротивлений RiR2 и емкости С, собранный таким образом, что

, т. е.

В схеме измерительном элементом является тахогенератор, его напряжение пропорционально числу оборотов п электродвигателя Д. Это напряжение сравнивается с заданным напряжением на потенциометре задатчика.

Выходное напряжение U3 дифференцирующегоконтура подается на усилитель 1, аусиленное напряжение приложено к обмотке возбуждения электромагнитного усилителя ЭМУ, используемого в качестве регулирующего элемента системы.

Система работает следующим образом. При увеличении нагрузки 2 электродвигателя Д скорость вращения п его вала уменьшается. В связи с этим уменьшается величина вырабатываемого тахогенератором напряжения и, следовательно, увеличивается напряжение рассогласования системы. В результате последнего обстоятельства увеличивается напряжение на обмотках возбуждения ЭМУ, что приводит к возрастанию силы тока /, протекающего через якорь двигателя Д.

Увеличение силы тока двигателя обеспечивает увеличение вращающего момента Л1вп - кі, что приводит к возрастанию скорости вращения вала двигателя.

Так как величина производной будет наибольшей в самом начале переходного процесса (когда близко к 0), регулятор начнет действовать раньше, чем наступит необходимое рассогласование регулируемого параметра. Действие регулятора в начале переходного процесса будет форсированным, так как отклонение параметра и производная имеют одинаковые знаки.
В середине переходного процесса, когда отклонение параметра достигает наибольшего значения, производная превращается в нуль, поэтому она способствует уменьшению перерегулирования параметра.

В конце переходного процесса производная вновь приобретает наибольшее значение, однако с противоположным знаком. Это способствует уменьшению длительности переходного процесса, который может стать апериодическим.

Автоматические регуляторы непрямого действия, предназначенные для регулирования какого-либо параметра по заранее заданной программе, вместо ручной настройки оборудуются программными задающими устройствами (рис. 12).

В случае применения электрических чувствительных элементов и усилительно-преобразующего устройства в качестве программного может быть использован часовой механизм 1, приводящий во вращательное движение профилированный кулачок 2, воздействующий на движок потенциометра 3 эталонного напряжения (рис. 12,6). Форма профилированного кулачка соответствует программе регулирования.

Регулирование с изменением значения регулируемой величины по заранее заданному закону называется программным регулированием.

При программном регулировании автоматический регулятор «стремится» ликвидировать рассогласование между напряжением Ui на выходе чувствительного элемента и переменным напряжением UQ задающего устройства. «Отрабатывая» задаваемое на входе переменное напряжение U0, система осуществляет соответственное изменение регулируемой величины (например, температуры Ѳ) на выходе.

Автоматические регуляторы непрямого действия можно выполнять универсальными, пригодными для регулирования разных параметров процессов. Например, к измерительной системе таких регуляторов может быть присоединен любой воспринимающий (первичный) элемент, вводящий необходимое воздействие и интенсивность. К выходу исполнительного органа регулятора могут быть присоединены разные регулирующие органы в соответствии с. видом и интенсивностью выходного воздействия .

отрывки из книги Автоматизация технологических процессов в деревообработке, Н. В. МАКОВСКИЙ (внимание! возможны ошибки распознавания)

От: LidiaZaiceva,  11545 просмотров

- Присоединяйтесь! Ваше имя: (или войдите через соц. сети ниже)

Что такое автоматический регулятор? Регулятор прямого и непрямого действия. Блок- схема автоматического регулятора

Автоматические регуляторы классифицируются по назначению, принципу действия, конструктивным особенностям, виду используемой энергии, характеру изменения регулирующего воздействия и т.п.

По принципу действия они подразделяются на регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторы прямого действия не используют внешнюю энергию для процессов управления, а используют энергию самого объекта управления (регулируемой среды). Примером таких регуляторов являются регуляторы давления. В автоматических регуляторах непрямого действия для его работы требуется внешний источник энергии.

По роду действия регуляторы делятся на непрерывные и дискретные. Дискретные регуляторы, в свою очередь, подразделяются на релейные, цифровые и импульсные.

По виду используемой энергии они подразделяются на электрические (электронные), пневматические, гидравлические, механические и комбинированные. Выбор регулятора по виду используемой энергии определяется характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы.

По закону регулирования они делятся на двух- и трехпозиционные регуляторы, типовые регуляторы (интегральные, пропорциональны, пропорционально-дифференциальные, пропорционально-интегральные, и пропорционально-интегрально-дифференциальные регуляторы - сокращенно И, П, ПД, ПИ и ПИД - регуляторы), регуляторы с переменной структурой, адаптивные (самонастраивающиеся) и оптимальные регуляторы. Двухпозиционные регуляторы нашли широкое распространение, благодаря своей простоте и малой стоимости.

По назначению регуляторы подразделяются на специализированные (например, регуляторы уровня, давления, температуры и т.д.) и универсальные с нормированными входными и выходными сигналами и пригодные для управления различными параметрами.

По виду выполняемых функций регуляторы подразделяются на регуляторы автоматической стабилизации, программные, корректирующие, регуляторы соотношения параметров и другие.

На рис.5 показана блок-сема типового автоматического регулятора.

Рис. 5.

В системах управления автоматические регуляторы используют для поддержания заданной величины параметров технологического процесса. Основные элементы регулятора (рис. 5): устройство 1 для измерения регулируемой величины; устройство 2 ввода заданного значения регулируемой величины (задатчик); устройство 3 сравнения измеряемого и заданного значений для определения отклонения; управляющее устройство 4, формирующее [закон регулирования и управляющее воздействием на исполнительный механизм регулирующего органа; приспособления 5 для настройки регулятора,

Промышленные регуляторы реализуют принцип работы по отклонению.

Регуляторы поддерживают постоянное значение выходной величины в заданных пределах путем изменения регулируемой величины.

По принципу действия регуляторы подразделяются на регуляторы непосредственного действия (прямого) и регуляторы непрямого действия, причем как первые, так и вторые могут быть прерывного и непрерывного действия.

В регуляторе непосредственного или прямого действия регулирующий орган находится под действием регулируемого параметра или прямо, или через зависимый параметр, и при изменении регулируемого параметра приводится в действие усилием, возникающим в чувствительном элементе регулятора и достаточным для перестановки регулирующего органа без какого-либо постороннего источника энергии.

В регуляторе непрямого действия (автоматический регулятор) чувствительный элемент воздействует на регулирующий орган посторонним самостоятельным источником энергии, которым могут служить воздух, газ, жидкость и т. п. При изменении величины регулируемого параметра усилие, возникающее в чувствительном элементе регулятора, приводит в действие лишь вспомогательное устройство.

Оба вида регуляторов состоят из регулирующего органа, чувствительного (измерительного) и управляющего элементов.

В регуляторах непосредственного действия чувствительный и управляющий элементы являются составными частями привода регулирующего органа и неотделимы от него. У регулятора прямого действия чувствительный и управляющий элементы -- самостоятельные приборы, отделенные от регулирующего органа.

Регуляторы непосредственного действия по сравнению с регуляторами непрямого действия обладают меньшей чувствительностью. Это объясняется тем, что регулирующий орган при изменении величины регулируемого параметра начинает перемещаться только после возникновения усилия, достаточного для преодоления сил трения во всех подвижных частях.

У регулятора непрямого действия силы трения преодолеваются за счет постороннего источника энергии, и не требуется значительного изменения усилий на исполнительный орган. Поэтому регулирование происходит здесь более плавно.

Однако независимо от принципа действия регуляторы должны всегда обеспечивать достаточно устойчивое регулирование.

2 Автоматический регулятор Автоматический регулятор – это совокупность устройств при помощи которых автоматически поддерживается значение регулируемой величины с той или иной точностью по отношению к заданному значению. Зависимость μ = f σ в неустановившемся режиме называется законом регулирования регулятора где σ = Ттек – Тзад – сигнал рассогласования μ – закон перемещения затвора регулирующего органа t – время. Динамическая характеристика регулятора как динамического звена...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

2.2 Автоматический регулятор

1. Автоматический регулятор – это совокупность устройств, при помощи которых автоматически поддерживается значение регулируемой величины с той или иной точностью по отношению к заданному значению .

Зависимость μ = f (σ ) в неустановившемся режиме называется законом регулирования регулятора, где σ = (Т тек – Т зад ) – сигнал рассогласования, μ – закон перемещения затвора регулирующего органа, t – время. Здесь:

Т тек – текущее значение регулируемого параметра;

Т зад – заданное значение регулируемого параметра.

Динамическая характеристика регулятора как динамического звена рассматривается всегда в следующих координатах:

В зависимости от закона регулирования регулятора бывают линейные и нелинейные.

В настоящее время роль регуляторов выполняют программируемые контроллеры. В них запрограммирован закон регулирования (чаще всего – ПИД закон).

Классификация линейных регуляторов

1. П-регулятор (пропорциональный);
2. И-регулятор (интегральный);
3. ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный (изодромный));
4. Регуляторы с предварением (с опережением):
   • ПД-регулятор;
   • ПИД-регулятор

Из нелинейных регуляторов самый популярный позиционный регулятор.

Рассмотрим смысл закона регулирования регулятора на примере САР температуры целевого продукта в теплообменнике. Эта схема нам уже известна. Это САР по отклонению. Здесь σ – сигнал рассогласования 90º – 100º = –10 ºС = σ. Закон регулирования регулятора (контроллера) определяет характер перемещения затвора регулирующего органа в новое положение.

На место регулятора (контроллера) в данной схеме будем поочередно ставить линейные регуляторы и будем наблюдать, как регулирующее воздействие μ от каждого закона регулирования влияет на характер перемещения затвора регулирующего органа.

П-регулятор

Это регулятор, у которого μ пропорционально σ, т.е.

μ = – Кσ.

При скачке входной величины σ на значение (–10ºС) затвор регулирующего органа переходит в новое μ - положение скачком (рис.2.10).

Рис.2.10. Закон регулирования П-регулятора.

Достоинство такого регулирования: регулирующий орган быстро перемещается на новое положение, т.е. высокая скорость регулирования ( t – время).

Недостаток : имеет место остаточное отклонение, т.е. имеет место некоторая ошибка регулирования.

И-регулятор

Это регулятор, у которого μ пропорционально интегралу σ

При скачке входной величины на значение (–10ºС) затвор регулирующего органа медленно переходит в новое положение (рис.2.11).

Рис.2.11. Закон регулирования И-регулятора.

Достоинство : отсутствие остаточного отклонения регулируемого параметра от заданного значения.

Недостаток : низкая скорость регулирования, т.е. затвор в новое положение перемещается медленно.

ПИ-регулятор

Это параллельное соединение предыдущих двух регуляторов (П и И - регуляторов). Этот регулятор сочетает положительные моменты П и И -регуляторов. У ПИ-регулятора (рис.2.12) регулирующее воздействие μ перемещает затвор пропорционально отклонению параметра σ и интегралу отклонения σ.

где: К, Т и – параметры настройки регулятора. Как видим, формула данного закона – это сумма двух предыдущих формул. Затвор регулирующего органа часть пути пройдет скачком по П-закону , а оставшуюся часть – медленно по И - закону .

Рис.2.12. Закон регулирования ПИ-регулятора.

Регуляторы с предварением

ПД-регулятор

Это такой регулятор (рис.2.13), у которого выходной сигнал μ пропорционален входному сигналу σ и производной dσ / dt , т.е.

Рис.2.13. Закон регулирования ПД-регулятора.

Производная dσ / dt характеризует тенденцию изменения (отклонения) регулируемой величины. Величина и знак воздействия от производной позволяют регулятору как бы предвидеть в какую сторону и на сколько отклонилась бы регулируемая величина под действием данного возмущения. Это предвидение позволяет регулятору предварять своим воздействием возможное отклонение регулируемой величины. В результате процесс регулирования завершается в более короткое время.

Сначала затвор скачком переходит из точки а в точку в (П – закон), т.е. больше чем надо, затем отскакивает назад в точку б (дифференциальное действие), и остаётся в этом положении.

ПИД-регулятор .

У него 3 родителя: П-регулятор, И-регулятор, ПД-регулятор. Соответственно складываются 3 формулы (рис.2.14.)

Здесь: К, Т и , Т д – параметры настройки, которые можно настроить вручную.

Рис.2.14. Закон регулирования ПИД-регулятора.

ПИД - закон используется во всех контроллерах. Сначала затвор скачком переходит из точки а в точку в (П – закон), т.е. больше чем надо, затем отскакивает назад в точку б (дифференциальное действие), а далее затвор медленно перемещается в конечное положение (И – закон). В результате процесс регулирования завершается в более короткое время и с меньшей погрешностью регулирования.

С АР непрерывного и прерывного действия

В САР непрерывного действия при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган перемещается непрерывно.

В САР прерывного действия при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган перемещается прерывно. Соответственно САР прерывного действия делятся на: САР импульсные, САР релейные (позиционные).

В импульсных САР при непрерывном изменении регулируемого параметра регулирующий орган воздействует на объект отдельными импульсами. Период чередования импульса задается принудительно.

В релейных САР регулирующий орган воздействует только тогда, когда непрерывно изменяющаяся регулируемая величина достигает определенного значения или определенных значений. Частный случай релейных САР – двухпозиционная САР. Например, изменение температуры в сауне по времени τ в диапазоне двух уставок (90-110) 0 С (рис.1.2). В качестве регулирующего органа в сауне используется контактная пара для включения и выключения ТЭНа. Регулирующий орган имеет всего 2 положения - контактная пара включена и выключена.

Рис.1.2. Изменение температуры в сауне по времени τ.

На практике чаще всего встречаются объекты с несколькими регулируемыми параметрами. Например, в аппарате надо поддерживать постоянное давление и при этом определенный температурный режим. Когда САР различных параметров связаны между собой через объект, то такие САР называются системами связанного регулирования.

Позиционный регулятор

У позиционных регуляторов регулирующее воздействие заставляет затвор срабатывать только при определённых отклонениях регулируемого параметра от заданной величины. Регулирующий орган позиционного регулятора может занимать ограниченное число определенных позиций. Перемещение из одного положения в другое происходит мгновенно. Примером может быть контактная пара (регулирующий орган) для включения ТЭНа в сауне. Регулирующий орган - контактная пара имеет только 2 позиции (вкл., выкл,). Наиболее распространены двухпозиционные регуляторы. При использовании двухпозиционной САР регулируемый параметр совершает незатухающие синусоидальные колебания (рис.2.15.).

Рис.2.15. Закон регулирования регулятора двухпозиционного регулятора.

Реальность в динамических характеристиках звеньев САР

1. C качков не бывает (всё происходит во времени) (ПИД-регулятор).

2. В графиках нужно учитывать запаздывание (чистое (транспортное) – τ 0 ; ёмкостное - τ ё )

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
12167.		Программно-лингвистический комплексы РАМЕЯ (автоматизированное рабочее место языковеда для иероглифических языков)/и ЯРАП (японско-русский автоматический перевод)	18.25 KB
	Комплекс РАМЕЯ предназначен для оптимизации работы русскоязычного пользователя с языками имеющими иероглифическую письменность прежде всего с японским и китайским. Комплекс обеспечивает более полный и разнообразный набор словарных и корпусных функций для русскоязычных пользователей чем какаялибо другая из существующих систем обработки текстов и данных на языках с иероглифической письменностью. Учитываются три основных вида работы: 1 выполнение и редактирование переводов текстов на языках с иероглифической письменностью; 2 поиск...
12013.		Технология автоматической классификации транспортных средств на базе анализа видеоизображений, получаемых средствами видеофиксации (видеокамерами). Автоматический классификатор транспортных средств АКТС-4	1.02 MB
	Автоматический классификатор транспортных средств АКТС4. Разработка в качестве сенсора использует четыре видеокамеры видимого диапазона установленные перпендикулярно движению транспортных средств две – на въезде на полосу движения пункта взимания платы две другие – на выезде. Используемые в настоящее время в европейских странах автоматические классификаторы транспортных средств представляют собой оптические пары инфракрасных излучателей и датчиков.

1. Автоматические регуляторы и законы регулирования

Автоматическим регулятором называется устройство, обеспечивающее в системах автоматического регулирования (АСР) поддержание технологической величины объекта, характеризующей протекание в нем процесса около заданного значения путем воздействия на объект.

Заданное значение может иметь постоянную величину (в системах стабилизации) или изменяться по определенной программе (в системах программного регулирования).

Структурная схема регулятора может быть представлена как совокупность двух элементов (рис.1): элемента сравнения 1 и элемента 2, формирующего алгоритм (закон) регулирования.

На элемент сравнения 1 поступают два сигнала у и у зд, пропорциональные, соответственно, текущему и заданному значениям регулируемой величины. Сигнал у формируется измерительным преобразователем, а сигнал у зд – задатчиком или программным устройством.

Сигнал рассогласования

(1)

поступает в элемент 2, который вырабатывает выходной сигнал регулятора, направляемый на исполнительное устройство.

Регуляторы могут быть с прямой и обратной характеристикой. Если с увеличением у относительно у зд выходная величина u увеличивается, то регулятор имеет прямую характеристику, а если уменьшается, то – обратную характеристику. Переход с прямой характеристики на обратную и наоборот в регуляторах осуществляют при помощи специального переключателя.

Отрицательную обратную связь в замкнутом контуре АСР формируют посредством применения регуляторов с прямой или обратной характеристикой.

Законом регулирования называется зависимость между изменением выходной величины регулятора u и рассогласованием текущего у и у зд значений регулируемой величины.

По законам регулирования аналоговые регуляторы делят на пропорциональные, пропорционально-интегральные, пропорционально-дифференциальные и пропорционально-интегрально-дифференциальные.

2. Пропорциональные регуляторы

Закон регулирования пропорционального регулятора имеет вид

(2)

где - коэффициент передачи (усиления) регулятора; u 0 -выходная величина регулятора в начальный момент времени.

Коэффициент передачи регулятора является параметром настройки регулятора. Изменяя , можно изменить степень воздействия регулятора на объект.

С

труктурная схема П-регулятора представляет звено с большим коэффициентом усиления
(k =1000040000), охваченное по отрицательной обратной связи усилительным звеном с коэффициентом k oc .

Передаточная функция П-регулятора, приведённого на рис. 2, равна

(3)

Из выражения (3) видно, что чем меньше коэффициент k ос (степень воздействия отрицательной обратной связи), тем больше изменяется выходная величина регулятора при определенном рассогласовании.

Динамические характеристики П-регулятора при ступенчатом изменении входного сигнала и различных значениях k p приведены на рис. 3.

Согласно уравнению (2) выходной сигнал регулятора для зависимостей 1 и 2 будет равен:

(3)

К
достоинствам пропорционального регулятора следует отнести его безынерционность (или быстродействие). Это выражается в том, что его выходная величина изменяется одновременно с изменением входной величины. Оптимальное значение параметра настройки регулятора, как и для других регуляторов определяется выбранным переходным процессом АСР, заданными параметрами качества регулирования и устанавливается в зависимости от свойств объекта регулирования.

Недостатком П-регулятора является то, что при работе в замкнутом контуре АСР регулятор не возвращает регулируемую величину к заданному значению, а приводит к новому положению равновесия со статической ошибкой регулирования пропорциональной коэффициенту передачи по каналу «возмущающее воздействие – регулируемая величина» и обратно пропорциональной k p . Увеличение k p при работе на объектах с запаздыванием приводит к неустойчивому режиму работы АСР.

3. Пропорционально-интегральные регуляторы

Выходная величина пропорционально-интеграль-ных регуляторов (ПИ-регуляторов) изменяется под действием суммы двух составляющих: пропорциональной и интегральной.

Закон регулирования ПИ-регуляторов с независимыми параметрами настройки описываются равенством:

, (4)

где k p – коэффициент передачи регулятора;

Т и – время интегрирования.

По физическому смыслу Т и – это время, в течение которого изменение выходного сигнала регулятора под действием интегральной составляющей достигает ступенчатого изменения его входной величины.

ПИ-регулятор имеет два параметра настройки – k p и Т и.

Динамическая характеристика ПИ-регулятора (рис.4) представляет сумму пропорциональной и интегральной составляющих.

Из рисунка видно, что с увеличением Т u степень воздействия интегральной составляющей уменьшается.

Структурная схема ПИ-регулятора с независимыми параметрами настройки приведена на рис. 5.

П
ередаточная функция этого регулятора описывается уравнением

В промышленности широко используются также регуляторы с зависимыми параметрами настройки (изодромные регуляторы), уравнение динамики которых имеет вид:

, (6)

где k p –коэффициент передачи регулятора;

Т из –время изодрома регулятора.

П

о физическому смыслу Т из – это время, в течение которого при ступенчатом изменении входной величины выходная величина регулятора под действием интегральной составляющей изменяется на такую же величину, как и под действием пропорциональной составляющей.

Динамические характеристики изодромного регулятора приведены на рис.6.

С

труктурная схема изодромного регулятора представлена на рис. 7.

Передаточная функция приведенной структурной схемы находится по равенству

Обозначая через k p , получим

ПИ-регуляторы по сравнению с П-регуляторами обладают меньшим быстродействием. Вместе с тем, вследствие отсутствия статической ошибки при работе в замкнутом контуре АСР,они обеспечивают более качественное регулирование. Это обуславливается тем, что интегральная составляющая регулятора будет действовать до тех пор, пока рассогласование не станет равным нулю.

4. Регуляторы с опережением

К регуляторам с опережением (с воздействием по производной) относят пропорционально-дифференциаль-ные и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПД- и ПИД-) регуляторы.

Закон регулирования ПД-регулятора с независимыми параметрами настройки описывается уравнением

, (8)

где – время дифференцирования.

Динамическая характеристика ПД-регулятора, описываемого уравнением (8), при подаче на его вход входного сигнала, изменяющегося с постоянной скоростью , представлена на рис. 8.

Уравнение ПД-регулятора с зависимыми параметрами настройки имеет вид

, (9)

где Т п – время предварения.

По физическому смыслу Т п показывает, что по сравнению с пропорциональной составляющей выходной величины регулятора u п выходная величина u пд достигает тех же значений с опережением по времени, равном Т п. Это явствует из приведенной на рис. 9 динамической характеристики регулятора, описываемого уравнением динамики 9.

Н
а рис. 10. приведена структурная схема ПД-регулятора с зависимыми параметрами настройки.

Передаточная функция ПД-регулятора с такой структурной схемой равна

Закон регулирования ПИД-регулятора с независимыми параметрами настройки имеет вид

(11)

(12)

С

труктурная схема ПИД-регулятора с зависимыми параметрами приведена на рис. 11.

Передаточная функция такого регулятора описывается уравнением

Характеризуя быстродействие ПИД-регулятора необходимо отметить, что если воздействия интегральной и дифференциальной составляющих одинаковы, то его быстродействие приближается к быстродействию П-регулятора. Если воздействие дифференциальной составляющей больше, чем воздействие интегральной составляющей, то регулятор будет действовать быстрее, чем П-регулятор. В случае же большего воздействие интегральной составляющей быстродействие ПИД-регулятора будет приближается к быстродействию ПИ-регулятора.

При работе в замкнутом контуре АСР введение дифференциальной составляющей в закон регулирования вызывает уменьшение скорости изменения регулируемой величины, уменьшение времени регулирования и динамической ошибки регулирования, а также интегральной ошибки регулирования.

Уравнения динамики, настроечные параметры, переходные характеристики и их графики для различных типов регуляторов приведены в табл. 1.

5. Регуляторы и контроллеры

При автоматизации химико-технологических производств используются регуляторы и контроллеры .

Регуляторы представляют собой технические средства с жесткой функциональной структурой, обеспечивающей реализацию закона регулирования.

Контроллеры – специализированные вычислительные устройства, обеспечивающие выполнение закона регулирования программно. При изменении программы алгоблок контроллера реализует выбранный алгоритм регулирования.

Регуляторы могут быть пневматическими или электрическими, а контроллеры – электрическими.

В пневматических регуляторах изменение входных и выходных сигналов находится в диапазоне 20100 кПа. В регуляторах системы «СТАРТ» реализуются ПИ и ПИД-законы регулирования с независимыми параметрами настройки. В этих регуляторах в качестве одного из параметров настройки используют величину, обратную коэффициенту передачи, называемую пределом пропорциональности

(14)

Предел пропорциональности показывает, в каком диапазоне изменяется входной сигнал регулятора при изменении его выходного сигнала от 0 до 100%. Он характеризует степень отрицательной обратной связи в пропорциональном регуляторе. Чем меньше, тем силнее воздействие регулятора на объект.

В электрических регуляторах и контроллерах используются следующие диапазоны изменения сигналов: 0–5 мА; 0–20 мА; 4–20 мА и 0–10 В.

Электрические регуляторы и алгоритмы регулирования регулирующих микропроцессорных контроллеров описываются законами с зависимыми параметрами настройки.

Наличие определенного диапазона выходного сигнала регулятора обуславливает его ограничение по величине. Поэтому в случае значительного рассогласования или при установке определенных значений настроечных параметров выходной сигнал регулятора будет принимать предельные значения.

Таблица 1. Уравнения и характеристики аналоговых регуляторов

Закон регулирования		Уравнение динамики	Настроечные параметры
			k p – коэффициент передачи
С независимыми параметрами настройки			k p – коэффициент передачи Т и – время интегрирования
			k p – коэффициент передачи Т д – время дифференцирования
			k p – коэффициент передачи Т и – время интегрирования Т д – время дифференцирования
С зависимыми параметрами настройки			k p – коэффициент передачи Т из – время изодрома
			k p – коэффициент передачи Т п – время предварения
			k p – коэффициент передачи Т из – время изодрома Т п – время предварения
Переходная характер истика		График переходной характеристики

По способу воздействия на регулирующий орган автоматические регуляторы бывают прямого и непрямого действия. В регуляторах прямого действия чувствительный элемент непосредственно воз­действует на регулирующий орган, используя при этом энергию, получаемую от регулируемой среды. У них измерительное устрой­ство и исполнительный механизм составляют одно целое с регу­лирующим органом и воздействуют на него посредством механи­ческих связей. Основной недостаток регуляторов прямого дейст­вия-непригодность к дистанционному управлению.

В регуляторах непрямого действия, расположенныхна значительном удалении от регулирующих органов, управление регули­рующим органом производится с помощью энергии, получаемой от постороннего источника.

По виду энергии, приводящей их в действие, регуляторы подразделяют на пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные.

В пневматических регуляторах используется энергия сжатого воздуха. Эти регуляторы надежны в работе и безопасны в пожар­ном отношении.

В гидравлических регуляторах используется энергия жидкости (масла или воды). Они надежны в работе и могут развивать боль­шие перестановочные усилия на исполнительном механизме. Одна- ко имеют ряд недостатков: ограниченный радиус действия, опреде­ляемый длиной импульсного трубопровода, зависимость рабочих характеристик от температуры рабочей жидкости и огнеопасность (в случае использования масла).

Наибольшее распространение получили электрические регуля­торы, которые подразделяют на электромеханические и электрон­ные. Основное преимущество электрических регуляторов по срав­нению с пневматическими и гидравлическими-возможность пере­дачи командных импульсов к промежуточным устройствам и исполнительному механизму на практически неограниченные рас­стояния с минимальным запаздыванием.

В комбинированных регуляторах одновременно используются два вида энергии: в электропневматических-электрическая энер­гия и сжатый воздух, в электрогидравлических-электрическая энергия и жидкость, в пневмогидравлических-сжатый воздух и жидкость. Такая комбинация позволяет максимально использовать преимущества каждого вида энергии.

По характеру регулирующего воздействия ав­томатические регуляторы подразделяют на несколько видов.

Позиционные регуляторы. Регулирующий орган может зани­мать два или три определенных положения. Наибольшее примене­ние получили двух- и трехпозиционные регуляторы.

Пропорциональные (статические) регуляторы. Регулирующий орган изменяет свое положение по такой же закономерности, по какой изменяется регулируемая величина; скорость перемещения регулирующего органа пропорциональна скорости изменения регу­лируемой величины.

Астатические регуляторы. Регулирующий орган при отклонении регулируемой величины от заданного значения перемещается бо­лее или менее медленно и все время в одном направлении до

тех пор, пока регулируемая величина не придет к заданному зна­чению.

Изодромные регуляторы. Совмещают свойства статического и астатического регуляторов и обеспечивают поддержание задан­ного значения регулируемой величины без остаточного отклонения. Регулирующий орган может занимать любое положение в пределах своего рабочего хода.

Регуляторы, с предварением. Имеют дополнительное устройст­во, благодаря которому процесс регулирования протекает с уче­том скорости изменения регулируемой величины. В этих регулято­рах к пропорциональному действию добавляется дополнительное воздействие от скорости изменения регулируемой величины, кото­рое заставляет перемещаться регулирующий орган с некоторым опережением, возрастающим с увеличением скорости изменения регулируемой величины. С уменьшением скорости изменения регу­лируемой величины это опережающее перемещение также умень­шается и полностью прекращается, когда регулируемая величина перестает изменяться.