ПИД - регуляторы

Пропорциональный П-регулятор осуществляет пропорциональное преобразование входного сигнала с коэффициентом k. В табл. 1.1 показан характер изменения во времени выходного сигнала П-регулятора при подаче на него ступенчатого входного сигнала в момент времени t₀. Как видно, выходной сигнал такого регулятора повторяет входной с коэффициентом преобразования К.

Интегральный И-регулятор (вторая строка табл. 1.1) получают включением в цепь обратной связи ОУ конденсатора С_ос, а во входную цепь - резистор R₁. В результате этого регулятор приобретает свойства интегрирующего устройства и напряжение на его выходе определяется интегралом от входного сигнала.

Дифференциальный Д-регулятор - обеспечивает дифференцирование входного сигнала с коэффициентом T= R_осC₁. Переходная характеристика идеального Д-регулятора представляет собой электрический импульс бесконечно большой амплитуды и малой длительности.

Таблица 1.1 – Схемная реализация регуляторов и их функции

Схемы и характеристики других регуляторов ПИ-, ПД-, ПИД- осуществляют комплексное преобразование входных сигналов.

При ПИД регулировании сигнал управления зависит от разницы между измеренным параметром и заданным значением, от интеграла от разности и от скорости изменения параметров. В результате ПИД-регулятор обеспечивает такое состояние исполнительного устройства (промежуточное между включен или выключен), при котором регулируемый параметр равен заданному.

Частным случаем регулятора мощности являются регуляторы хода. В системах с электроприводом требуется управлять электродвигателями - их нужно включать, менять их обороты и останавливать, то есть электродвигателям требуется отдельное устройство, которое называется регулятором хода.

Широко применяются импульсные регуляторы с широтно-импульсным регулированием. Регулятор хода включается между источником питания и силовым электродвигателем. В простейшем случае в задачу регулятора входит регулирование потока мощности от источника к двигателю. При минимальной длительности импульсов двигатель выключен, при максимальной - двигатель развивает максимальную мощность. В промежутке мощность плавно изменяется.

Регуляторы хода можно разделить на два типа - для коллекторных двигателей и для бесколлекторных двигателей. Рассмотрим типовую схему включения регулятора коллекторного электродвигателя (рис. 1.9):

Рисунок 1.9 — Схема включения регулятора коллекторного электродвигателя

Управляющий импульс поступает на генератор импульсов G, который вырабатывает импульсы различной длительности – широтно-импульсная модуляция:

- при длительности выходного импульса 0% от периода управляющего сигнала нет, на затворе низкий уровень напряжения - транзистор закрыт, ток через двигатель М не течет;

- при длительности выходного импульса 100% от периода на выходе генератора тоже импульсов нет, но уровень управляющего сигнала высокий. Транзистор открыт и все напряжение от источника U приложено к двигателю М. Он развивает при этом максимальную мощность.

- при промежуточном значении длительности управляющего импульса, например половине от максимального, на выходе генератора присутствуют импульсы, длительность которых составляет половину периода. Соответственно, транзистор половину периода открыт, половину - закрыт.

Когда ключ закрывается, ток не прекращает свое движение и схема выглядит так (рис. 1.10):

Рисунок 1.10 — Пути протекания тока при работе коллекторного электродвигателя

Т.е., ток через двигатель продолжает течь в прежнем направлении. Источником энергии для него служит магнитное поле индуктивности, а диод - замыкает цепь в паузе, когда транзистор закрыт.

Обычно, помимо управления оборотами, регуляторы обеспечивают дополнительные функции:

Тормоз — осуществляется путем замыкания обмоток двигателя через регулятор. Иногда реализуется функция "мягкого" тормоза, когда обмотки замыкаются не сразу, а небольшими импульсами. Это позволяет уменьшить нагрев регулятора и продлить жизнь коллектора электродвигателя.

Реверс — способность менять направление вращения электродвигателя, подавая на него напряжение в обратной полярности.

Для управления двигателями переменного тока используют преобразователи частоты (инверторы). Основное назначение — плавное регулирование скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты.

На рисунке 1.11 представлена схема частотного преобразователя. Транзисторы работают в ключевом режиме попарно (один верхний, другой нижний), открываясь с частой, задаваемой схемой управления. В схеме используется широтно-импульсное управление, позволяющее создать в обмотках статора электродвигателя синусоидальный ток необходимой частоты и амплитуды.