Наиболее сложная проблема заключается в расчете оптимальных параметров настройки регуляторов. К настоящему времени разработано большое количество методов, основанных на использовании организованного поиска, расчетных формул и графиков, с помощью методов оптимизации и т. д. Для упрощения расчетов созданы пакеты прикладных программ, позволяющие автоматизировать процедуры расчета параметров настройки, построения переходных процессов в одноконтурных и неодноконтурных АСР, анализа качества переходного процесса и т. д.
Наиболее просты в применении расчетные формулы и графики. Рассмотрим в качестве примера один из вариантов.
Динамические свойства объекта регулирования с самовыравниванием представляются в виде дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом:
где Т - постоянная времени; к - коэффициент усиления; τ0 - время
запаздывания.
Параметры модели к,Т,τ0 находят в результате аппроксимации переходной функции решением дифференциального уравнения первого порядка с запаздывающим аргументом (см. рис. 8.49). Для этого проводят касательную через точку перегиба переходной функции до пересечения с осью абсцисс и установившимся значением переходной функции.
Только три параметра модели определяют свойства объекта. Это позволяет по экспериментально построенным формулам рассчитывать параметры настройки регулятора одноконтурной АСР:
В результате расчета получим параметры настройки регулятора, обеспечивающие близкий к заданному запас устойчивости одноконтурной системы ψ = 0,9. Проверка результатов расчета производится путем построения переходного процесса в системе с помощью ПЭВМ. При необходимости параметры настройки корректируются, полагая, что полученные в результате расчета значения находятся в околооптимальной области.
Для решения задачи четвертой итерации следует сначала проанализировать структуру объекта, выбрать и построить неодноконтурную систему регулирования или систему с использованием дополнительной информации. Одноконтурные АСР не могут удовлетворить требованиям технологического регламента в тех случаях, когда объект обладает большим запаздыванием и большой инерционностью. Тогда в регулятор вводится дополнительная информация о возмущениях или об изменении специально подобранных величин.
Каскадные системы применяются для регулирования инерционных объектов с запаздыванием по каналу регулирования, если имеется возможность выбрать дополнительную, менее инерционную, промежуточную величину у 1 (см. рис. 8.50), которую можно стабилизировать
основным регулирующим воздействием. Основной (корректирующий) регулятор Wр (p) предназначен для поддержания основного параметра у на заданном значении. Его выходной сигнал х р служит заданием для вспомогательного (стабилизирующего) регулятора W р 1 (p), который должен обеспечивать быстродействие вспомогательного контура регулирования, за счет чего и достигается более высокое качество переходного процесса по сравнению с одноконтурной системой. Положительной стороной каскадных систем является тот факт, что в контурах используются стандартные регуляторы. Наиболее часто в качестве стабилизирующего выбирают П-регулятор, а в качестве корректирующего выбирают ПИ- или ПИД-регулятор. В случае необходимости число контуров регулирования может быть увеличено до трех.
В системах с компенсацией возмущений ( рис. 8.51) повышение качества процесса регулирования достигается за счет использования информации о внешнем возмущении.
Из множества внешних возмущений выбирается возмущение x в,
наиболее сильно влияющее на качество переходного процесса. Это воз-мущение измеряется с помощью первичного преобразователя и переда-ется на динамическое устройство – компенсатор W к(p), формирующее воздействие x к с учетом динамических свойств одноконтурной системы и объекта по каналу возмущения W ов(p). Таким образом корректируется с упреждением во времени задание регулятору W р(p), чтобы компенси-
ровать влияние возмущения на регулируемый параметр y, не
дожидаясь его изменения. Сте-пень компенсации влияния возмущения зависит от воз-можности физической реализа-ции динамической структуры компенсатора, определяемой из
условия неполной инвариант-ности выходного сигнала от-носительно возмущения.
Как правило, идеальный компенсатор реализовать не удается из-за невозможности выполнения условия физической реализуемости. Обыч-но в качестве компенсаторов используют типовые звенья (апериодиче-ское первого порядка и реальное дифференцирующее) или их комбина-цию, поэтому при использовании реального компенсатора достигается частичная компенсация влияния возмущения, приводящая к улучшению качества переходного процесса.
Для улучшения качества процесса регулирования объектов с распределенными параметрами в регулятор вводится дополнительная информация о скорости изменения промежуточного параметра – АСР с вводом сигнала по производной от промежуточной величины.
Правильно выбранный сигнал из промежуточной точки y 1 таких объектов обладает меньшей инерционностью, чем на выходе y. Чтобы обеспечить равенство выходной величины и задания в установившемся режиме, дополнительный сигнал x д (рис. 8.52) в установившемся режиме
должен быть равным нулю. Для этого промежуточный сигнал y 1 пропускается через реальное дифференцирующее
и то гда сигнал xд существует
только при изменении параметра y 1.
Системы связанного регулирования используются для стабилизации выходных параметров объектов с взаимосвязанными параметрами (рис. 8.53). Если перекрестные связи между параметрами слабые и ими можно пренебречь [W12(p)≈0 и
W21(p)≈0], то строятся две
независимые одноконтурные системы регулирования выходных параметров y 1 и y2.
При наличии существенных перекрестных связей параметров объекта добиться устойчивой работы независимых систем невозможно, так как при выходе из равновесия одной системы приходит в движение вторая система, которая будет воздействовать на первую, и т. д. Говорят, что системы раскачивают друг друга, делая их неустойчивыми.
Проблема решается с помощью условий автономности и физической реализуемости. Они дают возможность построить и реализовать динамическую структуру дополнительных устройств Wд 12 (p) и Wд21(p)
так, чтобы можно было компенсировать влияние перекрестных связей параметров объекта, что сделало бы одноконтурные АСР независимыми. Использование в качестве дополнительных устройств типовых звеньев
ограничивает возможность выполнения условий автономности, поэтому полной независимости контуров регулирования добиться не удается, но
обеспечивается устойчивая работа системы связанного регулирования в целом.
Системы регулирования соотношения двух параметров используются для поддержания регулируемого параметра в некотором соотношении с другим параметром (рис. 8.54).
Рассмотрим построение системы регулирования со-отношения на примере испарительной установки.
В установку подается поток испаряемой жидкости G 1 и поток пара G 2, соотношение которых должно быть определенным, т. е. (G 1 / G 2) = k. Поступающее в испаритель тепло должно обеспечивать испарение всей жидкости, сохраняя материальный баланс, который оценивается по уровню жидкости в испарителе. Регулятор соотношения W р(p) сравнивает текущее значение соотношения потоков и изменяет
поток пара G 2 так, чтобы поддерживать их соотношение в соответствии с заданным значением k = const. Однако заданное соотношение расходов жидкости и пара может оставаться постоянным, если уровень возмущений, действующих на объект, достаточно низкий. При изменении расхода или температуры испаряемой жидкости будет изменяться интенсивность испарения, что скажется на изменении уровня жидкости в аппарате из-за нарушения материального баланса. В этом случае со-отношение расходов жидкости пара в испаритель должно корректиро-ваться регулятором W к(p) по третьему параметру y – уровню жидко-
сти в испарителе [ k = f (y)].