Основные элементы регуляторов

Глава 5. Основные линейные законы регулирования

При проектировании и технической реализации систем автоматического регулирования возникает задача выбора типа закона регулирования (типа автоматического регулятора). В каждом конкретном случае свойства регулятора должны соответствовать свойствам регулирующего объекта и тем требованиям к качеству процесса регулирования, которые определяются особенностями данного технологического процесса.

Свойства автоматического регулятора характеризуются законом изменения его выходной величины (регулирующего воздействия) при заданном изменении его входной величины (регулируемого параметра).

Если непрерывное (аналоговое) отклонение регулируемого параметра от заданного значения приводит к непрерывному перемещению регулирующего органа, то такие регуляторы называются регуляторами непрерывного действия. К ним, как правило, относятся регуляторы прямого действия, пневматические и гидравлические, реже – электрические.

Если в регуляторах при непрерывном отклонении регулирующего параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается через некоторые промежутки времени, то регуляторы называются регуляторами дискретного действия. К ним относится большинство электрических регуляторов.

Многие регуляторы дискретного действия в определенных режимах работы приближаются по своим свойствам к регуляторам непрерывного действия.

Свойства регулятора (закона регулирования) в целом определяются структурой и свойствами тех элементов, из которых он состоит.

На рис. 1.3 представлена структурная схема системы автоматического регулирования, в которой показано, что основными элементами регулятора являются: измерительное устройство (И.У.), элемент сравнения (Э.С.), управляющее устройство (У.У.) и исполнительный механизм (И.М.).

Измерительные устройства (датчики) предназначены для измерения регулируемого параметра и преобразования его в сигнал (чаще всего электрический), пригодный для передачи на элемент сравнения. Измерительные устройства регулятора, как и любое другое звено контура регулирования, характеризуется зависимостью между выходной и входной величинами в установившихся и переходных режимах. В установившемся режиме эта зависимость определяет статическую характеристику. Желательно, чтобы статическая характеристика измерительного устройства в диапазоне изменения регулируемого параметра была линейной. Кроме того, для уменьшение зоны нечувствительности регулятора необходимо, чтобы мощность, развиваемая измерительным устройством, значительно превышала мощность, необходимую для срабатывания управляющего устройства в регуляторах непрямого действия.

Желательно, чтобы измерительное устройство по своим динамическим свойствам было малоинерционным по сравнению с регулируемым объектом, а величина запаздывания была минимальной.

Обычно измерительные устройства (датчики) различных параметров относятся к пропорциональным (безынерционным) звеньям (датчики измерения давления, уровня, расходов) или к инерционным звеньям первого порядка (датчики измерителей температур и концентраций).

Будем считать измерительное устройство (датчик по параметрам j) пропорциональным звеном. Тогда, согласно обозначениям, приведенным на рис. 1.3, уравнение его будет , где k _ИУ – коэффициент усиления измерительного устройства, а передаточная функция .

2. Элементы сравнения предназначены для сравнения сигналов от измерительных устройств и сигнала от задатчика. На выходе элемента сравнения получается сигнал рассогласования между текущим (измеренным) значением регулируемого параметра и заданным значением. Сигнал рассогласования поступает на управляющее устройство (усилитель).

Элемент сравнения (см. рис. 1.3) можно отнести к пропорциональным элементам с коэффициентом усиления, равным единице , и передаточной функцией, равной единице ().

3. Управляющие устройства (усилители) предназначены для усиления сигнала рассогласования и использования его для управления исполнительным механизмом. Они характеризуются статическими и динамическими свойствами.

В зависимости от вида статической характеристики различают линейные (рис. 5.1) и нелинейные усилители. В линейных усилителях каждому значению входной величины (Dy) соответствует вполне определенное значение выходной величины (s).

а	б
Рис. 5.1. Статическая характеристика линейного усилителя: а – без зоны нечувствительности; б – с зоной нечувствительности

Свойства, близкие к линейным характеристикам без зоны нечувствительности (рис. 5.1,а), имеют электронные усилители. Если линейный усилитель обладает зоной нечувствительности (D_Н), в пределах которой выходная величина не изменяется, то его статическая характеристика имеет вид, показанный на рис. 5.1,б. В диапазоне изменения входной величины на ± D_Н выходная величина остается неизменной, а за пределами этого значения зависимость между входной и выходной величинами будет линейной.

В регуляторах дискретного действия на выходе управляющего устройства имеется реле (усилитель релейного типа). Статическая характеристика релейного усилителя представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Статическая характеристика релейного усилителя:
а – с зоной нечувствительности Δн;	б – с зоной нечувствительности Δн и зоной возврата Δв

Пока сигнал на входе Dy, необходимый для срабатывания реле, мал, выходная величина усилителя s равна нулю. Когда сигнал достигает значения, необходимого для срабатывания реле, выходная величина мгновенно достигает своего конечного значения и остается постоянной (рис. 5.2,а). Если сигнал, необходимый для срабатывания реле, больше сигнала, необходимого для отпускания контактов реле (отключения реле), то у такого усилителя помимо зоны нечувствительности 2D_Н будет еще и зона возврата D_В, (рис. 5.2,б), которая соответствует разности значений входного параметра при включении и выключении релейного усилителя.

По своим динамическим свойствам усилительные устройства можно считать пропорциональными (усилительными, безынерционными) звеньями, так как их инерционность несоизмеримо мала по сравнению с инерционностью других элементов системы регулирования. Тогда уравнение управляющего устройства может быть записано в виде , а передаточная функция его будет , где k _УУ – коэффициент усиления усилителя, который может быть очень большим (k _УУ»10³¸10⁵).

4. Исполнительные механизмы служат для преобразования сигнала от управляющего устройства в перемещение регулирующего органа за счет энергии вспомогательного источника (подача электрической энергии на включение в работу электродвигателя исполнительного механизма; подача масла или воздуха в исполнительные механизмы гидравлического или пневматического типа).

По принципу действия исполнительные механизмы можно разбить на следующие типы: исполнительные механизмы с переменной скоростью, пропорциональной сигналу от управляющего устройства; исполнительные механизмы с постоянной скоростью и исполнительные механизмы типа реле.

В исполнительных механизмах с постоянной скоростью скорость перемещения выходного вала пропорциональна величине управляющего воздействия от усилителя s. Выходным параметром является относительное перемещение регулирующего органа m_рег (см. рис. 1.3). Тогда исполнительный механизм можно отнести к идеальному интегрирующему звену, и его уравнение имеет вид

, (5.1)

где Т _ИМ – постоянная времени исполнительного механизма, под которой понимают время, необходимое для перемещения регулирующего органа из одного крайнего положения в другое при его перемещении с максимальной скоростью. Передаточная функция исполнительного механизма будет

. (5.2)

В исполнительных механизмах с постоянной скоростью скорость перемещения не зависит от величины отклонения регулируемого параметра от заданного значения на всем пути перемещения. Постоянную скорость обычно имеют электрические исполнительные механизмы, которые включаются усилителями релейного типа. В зависимости от величины входного сигнала s и зоны нечувствительности D_Н электрический исполнительный механизм может находиться в одном из трех режимов, каждому из которых соответствует свое уравнение:

1. Движение исполнительного механизма в сторону открытия регулирующего органа:

при . (5.3)

2. Исполнительный механизм отключен и регулирующий орган неподвижен:

при . (5.4)

3. Движение исполнительного механизма в сторону закрытия регулирующего органа:

при . (5.5)

Под законом регулирования понимают зависимость регулирующего воздействия m_рег (выходная величина регулятора) от отклонения регулируемой величины от заданного значения . В литературе по автоматике это отклонение часто обозначают e=Dj и называют текущей ошибкой. В качестве величины регулирующего воздействия m_рег рассматривается перемещение регулирующего органа (или выходного вала исполнительного механизма), выраженное в процентах полного перемещения (хода).

Закон регулирования является непрерывным, если математическая зависимость m_рег= f (Dj) представляет собой непрерывную функцию, т.е. непрерывному изменению регулируемой величины j соответствует непрерывное изменение регулирующего воздействия m_рег. Это возможно при использовании в САР исполнительного механизма с переменной скоростью перемещения, пропорциональной отклонению параметра от заданного значения. Закон регулирования будет дискретным, если в системе регулирования используется исполнительный механизм с постоянной скоростью перемещения или реле.

В линейных системах автоматического регулирования различают следующие идеализированные законы регулирования: интегральный (И-закон); пропорциональный (П-закон); пропорционально-интегральный (ПИ-закон); пропорционально-дифференциальный (ПД-закон); пропорционально-дифференциально –интегральный (ПИД-закон). Технические устройства, реализующие законы регулирования, называются соответственно П-; И-; ПИ-; ПД- и ПИД-регуляторами. Они получаются из рассмотрения соединений основных элементов, входящих в регулятор, и дополнительных элементов, включаемых в регулятор, к которым относятся обратные связи и дифференциаторы для получения импульсов по скорости изменения регулируемого параметра.

Рассмотрим, как получаются основные законы регулирования.