Классификация систем автоматического регулирования

ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Основные понятия и определения теории автоматического регулирования

Совокупность операций для пуска, остановки процесса, поддержания постоянства показателей процесса или изменения их по заданному закону называется управлением.

Поддержание показателей на заданном уровне или изменение их по заданному закону, называется регулированием, т. е. регулирование- это часть управления. И если эти процессы управления осуществляются без участия человека (оператора), то они называются автоматическими.

Устройство, осуществляющее технологический процесс, показатели которого нужно управлять или регулировать, называется объектом управления, или управляемым объектом.

Техническое устройство, осуществляющее управление в соответствии с программой (алгоритмом), называется автоматическим управляющим устройством.

Совокупность объекта управления и управляющего устройства называется системой автоматического управления.

Автоматическое поддержание заданного закона изменения показателей процесса с помощью обратной связи называется автоматическим регулированием.

Всякий процесс регулирования может вестись

– без контроля результата – регулирование по разомкнутому циклу,

или

– с контролем результата – регулирование по замкнутому циклу.

Автоматическое устройство, осуществляющее автоматическое регулирование, называется автоматическим регулятором.

Управляемый регулятором объект называется регулируемым объектом (или объект регулирования).

Совокупность регулируемого объекта и автоматического регулятора составляют систему автоматического регулирования (САР).

Классификация систем автоматического регулирования

По закону воспроизведения (изменения) регулируемой величины замкнутые системы регулирования делятся на три вида: системы стабилизации, системы программного регулирования, следящие системы.

Система стабилизации – это система поддержания постоянства регулируемой величины.

В системах программного регулирования регулируемая величина должна изменяться по заранее известной программе во времени.

Следящая система. Здесь регулируемая величина изменяется по неизвестному произвольному закону. Закон определяется некоторым внешним задающим воздействием (произвольно).

В зависимости от характера регулирующего воздействия на исполнительный элемент системы автоматического регулирования подразделяются на системы непрерывного, импульсного и релейного регулирования.

В системах непрерывного регулирования сигналы на выходе всех элементов системы являются непрерывными функциями сигналов на входе элементов.

Системы импульсного регулирования отличаются тем, что в них через определенные промежутки времени происходит размыкание и замыкание контура регулирования специальным устройством. Время регулирования делится на импульсы, в течение которых процессы протекают так же, как и в системах непрерывного регулирования, и на интервалы, в течение которых воздействие регулятора на систему прекращается. Такие регуляторы применяются для регулирования медленно протекающих процессов (регулирование температуры в промышленных печах, температуры и давления в котлах).

В системах релейного регулирования размыкание контура регулирования производится одним из элементов системы (релейным элементом) в зависимости от внешнего воздействия.

В зависимости от результатов, получаемых при автоматическом регулировании, различают два вида автоматического регулирования: статическое и астатическое.

Статическим называется такое автоматическое регулирование, при котором регулируемая величина при различных постоянных внешних воздействиях на объект регулирования принимает по окончании переходного процесса различные значения, зависящие от величины внешнего воздействия (например, нагрузки).

Система статического регулирования имеет следующие характерные свойства:

– равновесие системы возможно при различных значениях регулируемой величины;

– каждому значению регулируемой величины соответствует единственное определенное положение регулирующего органа.

Для осуществления такой связи между датчиком и исполнительным элементом контур регулирования должен состоять из так называемых статических звеньев, у которых в состоянии равновесия выходная величина однозначно зависит от входной: . Регулятор, осуществляющий статическое регулирование, называется статическим регулятором.

Астатическим называется автоматическое регулирование, при котором при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект отклонение регулируемой величины от заданного значения по окончании переходного процесса становится равным нулю.

Система астатического регулирования имеет следующие характерные особенности:

– равновесие системы имеет место только при одном значении регулируемой величины, равном заданному;

– регулирующий орган имеет возможность занимать различные положения при одном и том же значении регулируемой величины.

По принципу регулирования САР делят на действующие по отклонению, по возмущению и по комбинированному принципу.

В системах, работающих по отклонению автоматический регулятор сравнивает текущее и заданное значения регулируемого параметра и при их рассогласовании вырабатывает регули­рующее воздействие соответствующего знака. На­личие отрицательной обратной связи является главным преиму­ществом систем регулирования по отклонению. На практике та­кие системы получили преимущественное распространение, так как регулирующее воздействие в них осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущающих воздействий.

При регулировании по возмущению регулятор получает информацию о текущем значении основного возмущающего воз­действия, при его изменении и несовпадении с номинальным значением, регулятор формирует регулирующее воздействие направленное на объект, которое компенсирует действия воз­мущения. В системах, действующих по возмущению, сигнал ре­гулирования проходит по контуру быстрее, чем в системах, по­строенных по принципу отклонения.

Однако реализовать регу­лирование по возмущению для большинства объектов нефтяной и газовой промышленности практически не представляется возможным, так как оно требует учета влияния всех возмущений объекта, число которых, как правило, велико. Кроме того, некоторые из них не могут быть оценены количественно. Обычно учитывают основное возмущение, например, по нагрузке объекта. Кроме того, текущее значение регулируемой величины не поступает в контур регулирования системы по возмущению, поэтому с течением времени отклонение регулируемой величины от номинального значения может превысить допустимые преде­лы. Системы регулирования по возмущению являются разомкну­тыми.

а) б)

Рисунок 2.1 – Схемы САР, работающих:

а - по возмущению; б - по отклонению

При регулировании по комбинированному принципу совмест­но используются принцип регулирования по отклонению и по возмущению. Это позволяет получить высококачественные сис­темы. В них влияние основного возмущения, нейтрализуется регулятором, работающим по принципу возмущения, а влия­ние других возмущений - регулятором, реагирующим на от­клонение текущего значения регулируемого параметра от задан­ного значения.

Рисунок 2.2 – Схема САР, работающей по комбинированному принципу

В зависимости от источника энергии, получаемой регулятором, различают прямое и непрямое регулирование.

В системах прямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от датчика.

В системах непрямого регулирования энергия для перестановки управляющего элемента получается от постороннего источника.

По виду используемой энергии все системы можно подразделить на:

- электрические,

- гидравлические,

- пневматические,

- электрогидравлические,

- электропневматические и т. д.

В зависимости от числа регулируемых величин системы автоматического регулирования (САР): одномерные, двухмерные, многомерные.

Многомерные САР могут быть системами несвязанного и связанного регулирования.

Системами несвязанного регулирования называются такие, в которых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать только через общий для них объект регулирования. Если в системе несвязанного регулирования изменение одной из регулируемых величин влечет за собой изменение других регулируемых величин, то такая система называется зависимой; и если не влечет, то система называется независимой.

Системами связанного регулирования называются такие, в которых регуляторы различных регулируемых величин связаны друг с другом и помимо объекта регулирования.

Система связанного регулирования называется автономной, если связи между входящими в ее состав регуляторами таковы, что изменение одной из регулируемых величин в процессе регулирования не вызывает изменения остальных регулируемых величин.

Замкнутые системы автономного регулирования, имеющие только одну (главную) обратную связь, называются одноконтурными.Системы автоматического регулирования, имеющие помимо одной главной обратной связи еще одну или несколько главных или местных обратных связей, называются многоконтурными.

В зависимости от вида характеристик элементов, из которых состоят системы, все системы делятся на линейные и нелинейные.

Линейными называются системы, которые состоят только из элементов, имеющих линейные характеристики; переходные процессы в таких элементах описываются линейными дифференциальными уравнениями.

Нелинейными называются системы, которые имеют один или несколько элементов с нелинейными характеристиками; переходные процессы в таких системах описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.

2.1.3 Классификация систем автоматического регулирования

2.1.4 Функциональная схема САР

2.1.5 Требования, предъявляемые к САР. Показатели качества

2.1.6 Законы регулирования

П-закон регулирования обеспечивает наибольшее быстродействие управления исходя из соотношения tp/Td. Однако, если коэффициент усиления П-регулятора Кр мал (чаще всего это наблюдается в системах с запаздыванием), то такой регулятор не обеспечивает высокой точности регулирования, т.к. в этом случае велика величина статической ошибки.

Если Кр>10, то П-регулятор приемлем, а если Кр<10, то требуется введение в закон управления интегральной составляющей.

ПИ-закон регулирования наиболее распространенный на практике является ПИ-регулятор, который обладает следующими достоинствами:

- обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования;

- прост в настройке, т.к. настраиваются только два параметра, а именно коэффициент усиления Кр и постоянная времени интегрирования Ti;

- малая чувствительность к шумам в канале измерения (в отличие от ПИД-регулятора).

ПИД-закон регулирования рекомендуется для наиболее ответственных контуров регулирования, обеспечивает наиболее высокое быстродействие в системе.

Однако следует учитывать, что это условие выполняется только при его оптимальных настройках (настраиваются три параметра).

С увеличением запаздывания в системе резко возрастают отрицательные фазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальной

составляющей регулятора. Поэтому качество работы ПИД-регулятора для систем с большим запаздыванием становится сравнимо с качеством

работы ПИ-регулятора.

Кроме этого, наличие шумов в канале измерения в системе с ПИД-регулятором приводит к значительным случайным колебаниям

управляющего сигнала регулятора, что увеличивает дисперсию ошибки регулирования и износ исполнительного механизма.

Таким образом, ПИД-регулятор следует выбирать для систем регулирования, с относительно малым уровнем шумов и величиной

запаздывания в объекте управления. Примерами таких систем является системы регулирования температуры.

ПИД регуляторы позволяют для объектов постоянной времени обьекта (инерционностью) Тис малым транспортным запаздыванием

Td<0,2T обеспечить хорошее качество регулирования: рассогласование регулирования E < 1% (от заданной точки), достаточное малое время

выхода на режим и невысокую чувствительность к внешним возмущениям. Иногда (в некоторых обьектах регулирования с существенным

транспортным запаздыванием), при Td>0,2T ПИД регулятор обладает плохим качеством регулирования. В этом случае хорошие качественные

показатели обеспечивают системы управления с моделью объекта.

Следует иметь в виду, что при неточном задании коэффициентов настройки ПИД регулятор может иметь худшие показатели, чем

двухпозиционный регулятор и даже перейти в режим автоколебаний. Для типовых П-, ПИ-, ПИД регуляторов известны простейшие аналитические

и табличные методы настройки (например методики Циглера-Никольса).

Вопросы настройки П-, ПИ-, ПД-, ПИД-регуляторов расмотрены в разделе Методы настройки регуляторов.