Типовые регуляторы и их структура.

П -регулятор

Функциональная схема П-регулятора с сервоприводом с пропорциональной или интегральной скоростью перемещения изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема регулятора, состоящего из усилителя, сервопривода и отрицательной обратной связью

Отрицательная обратная связь в регуляторе осуществляется по положению регулирующего органа путем подачи на вход устройства обратной связи сигнала с выхода сервопривода. Конструктивно обратная связь осуществляется с помощью механической, электрической или другой передачи в зависимости от типов сервопривода и командно-усилительного устройства. Характеристики П-регуляторов (операторная и частотная) имеют вид:

W_р (р) = 1 ⁄ W_о.с (р); W_р (iщ) = 1 ⁄ W_о.с (iщ) (1.1)

Для того, чтобы приведенное выше выражение было тождественно уравнению пропорционального регулятора x_р = K_р y*, необходимо выполнить условие:

W_о.с (р) = X_о.с (р) ⁄ x_р (р) = 1 ⁄ K_р (1.2)

В соответствии с этим условием обратная связь должна выполняться на базе безинерционного усилительного звена. Коэффициент усиления звена обратной связи k_о.с = д = 1 ⁄ K_р называют степенью жесткой (т. е. неизменной во времени) обратной связи.

П-регуляторы имеют орган настройки для изменения д (K_р ), который служит параметром его настройки. Переходная характеристика реального П-регулятора (рис. 2) несколько отличается от идеального в начальной своей части из-за ограниченной скорости сервопривода.

Рис. 2. Кривая переходного процесса П-регулятора

ПД -регулятор

Функциональная схема ПД-регулятора представлена на рис. 3, а. Дифференцирующая составляющая формируется специальным прибором — дифференциатором, обладающим характеристикой реального дифференцирующего звена. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный скорости изменения регулируемой величины.

Рис. 3. ПД-регулятор: а — структурная схема; б — кривая переходного процесса

Скоростной сигнал суммируется с сигналом по отклонению регулируемой величины. Результирующий сигнал поступает на вход усилителя. Усилитель и сервопривод охватываются жесткой отрицательной обратной связью. В замкнутом контуре усилитель— привод — обратная связьформируется П-закон регулирования с коэффициентом усиления K_р.Динамическая характеристика реального ПД-регулятора имеет вид

Переходная (временная) характеристика ПД-регулятора с сервоприводом с ограниченной скоростью изображена на рис. 3, б и представляет собой сумму временных характеристик пропорционального и реального дифференцирующего звеньев. Параметром настройки собственно регулятора служит K_р (степень обратной связи д); параметрами настройки дифференциатора служат коэффициент усиления К_д и постоянная дифференцирования Т_д ,произведение которых характеризует степень ввода дифференциальной составляющей в ПД-закон регулирования.

3. ПИ-регулятор

Реальные ПИ-регуляторы тепловых процессов имеют два вида функциональных схем (рис. 4). В первом варианте (рис. 4, а) сервопривод охватывается отрицательной обратной связью (ООС) и его характеристика не влияет на формирование закона регулирования, целиком определяемого характеристикой устройства обратной связи. Во втором варианте (рис. 4, б) сервопривод не охватывается обратной связью, и ПИ-закон регулирования формируется охватом обратной связью только усилителя К_у . При этом динамические характеристики регулятора в целом определяются динамическими свойствами цепи, состоящей из последовательно включенных замкнутого контура (K_y —W_{o . c} ) и сервопривода. Оба варианта структурных схем ПИ-регуляторов используются в их промышленных исполнениях.

Рис. 4. Структурные схемы ПИ-регуляторов:

а — сервопривод охваченООС;б— сервопривод не охвачен ООС

В первом варианте устройство обратной связи должно иметь динамическую характеристику реального дифференцирующего звена

В этом случае регулятор в целом независимо от типа сервопривода воспроизводит динамику ПИ-регулятора

Если принять Т_д =Т_и и K_р =1/K_д , получим

т.е. передаточную функцию ПИ-регулятора, описываемого также дифференциальными уравнениями

и

В промышленных ПИ-регуляторах в качестве обратных связей используют различные устройства: электрические, пневматические и гидравлические. Но все они служат аналогами реального дифференцирующего звена, имеют соответствующие ему динамические характеристики, и называются устройствами гибкой или упругой (изменяющейся во времени) обратной связи.

При втором варианте исполнения ПИ-регулятора (рис. 4, б) возможны два случая: 1) сервопривод имеет характеристику интегрального звена (например, электрический или гидравлический сервопривод с переменной скоростью); 2) сервопривод обладает характеристикой пропорционального звена (мембранный сервопривод с уравновешивающей пружиной). В обоих случаях в соответствии с правилом определения результирующей характеристики двух последовательно включенных звеньев

W_p (p) = W_КУУ (p)W_с.п (p), (3.3), гдеW_КУУ (p) = 1 ⁄ W_о.с (р).

При использовании сервопривода с передаточной функцией интегрального звена W_с.п (p) = 1⁄ T_Р передаточная функция регулятора имеет вид

При этом для формирования ПИ-закона с помощью устройства обратной связи необходимо, чтобы выдерживалось соотношение

1/W_о.с (р) = W_КУУ (р) = K_р (1+T_Р ) (3.5)

что обеспечивает обратная связь с оператором

W_о.с (р) = K_о.с /(1+T_Р ) = д/(1+T_Р ) (3.6)

Рис. 5. Переходный процесс в устройстве Рис. 6. Переходный процесс ПИ-регулятора обратной связи

Последнее уравнение служит оператором инерционного звена первого порядка. При охвате К_у такой обратной связью оператор регулятора в целом имеет вид

W_р (р) = K_р (1+1/T_иР )

Параметрами настройки ПИ-регулятора служат K_р и Т_и .

Если сервопривод имеет характеристику пропорционального звена и не охватывается обратной связью (рис. 4, б), то для того, чтобы выполнялось условие (3.2), W_{о. c} (p) должно быть реальным дифференцирующим звеном.

Постоянная времени ПИ-регулятора Т_и численно равна подкасательной Т_д к переходной кривой реального дифференцирующего звена (рис. 5).

Промышленные регуляторы имеют специальные приспособления— органы настройки для изменения K_р (д) и Т_и в достаточно широких, но ограниченных пределах. Так как подача на вход регулятора ступенчатого сигнала не составляет труда, фактически установленные значения К_р и T_и можно легко определить из его экспериментальной переходной кривой (рис. 6). Наклонный участок OA на кривой объясняется наличием у промышленного ПИ-регулятора сервопривода с конечной (ограниченной) скоростью перемещения выходного вала редуктора. Из этого графика следует, что

K_р = x_р1 /y* (3.7)

а Т_и численно равно времени, необходимому для перемещения выходного вала сервопривода из положения x_р1 до его удвоенного значения 2х_р1 . Отсюда второе название T_и — время удвоения выходного сигнала ПИ-регулятора x_р при подаче на его вход ступенчатого сигнала у*.

Из уравнения динамики идеального ПИ-регулятора следует, что К_р /Т_и определяет степень ввода интегральной составляющей в ПИ-закон регулирования

Действительно, при безграничном увеличении Т_и второй член в

последнем уравнении стремится к нулю и регулятор из пропорционально-интегрального переходит в П-регулятор. При этом экспонента (вида де^{- t / T и} ) на выходе реального дифференцирующего звена, используемого в качестве устройства обратной связи, вырождается в ступенчатый сигнал д (рис. 5).

4. ПИД-регулятор

Закон регулирования

W_р (р) = K_р +K_р /T_иР +K_д T_дР (4.1)

в реальных регуляторах формируется путем последовательной (рис. 7, а) или параллельной (рис. 7, б) коррекций ПИ-регулятора с помощью реального дифференцирующего (РД) звена. В обоих случаях ПИД-закон воспроизводится лишь приближенно.

При последовательной коррекции

Где

При параллельной коррекции

Где

Рис. 7. Последовательная (а) и параллельная (б) коррекция ПИ-регулятора с помощью дифференцирующего звена

Рис. 8. Переходные характеристики ПИД-регуляторов

ПИД-регулятор имеет четыре параметра настройки: K_р , T_и , T_д и K_д , которые могут быть получены из экспериментальных кривых разгона ПИ-регулятора и РД-звена, снятых по отдельности. Комплексные параметры настройки реального ПИД-регулятора K*_р и T* можно определить по формулам (4.2) (4.3).

На рис. 8. приведена кривая разгона реального ПИД-регулятора с аналоговым выходом (сплошная линия). В отличие от идеального (прерывистая линия) она имеет ограниченный и плавно затухающий «всплеск» x*_р , связанный с дифференцированием ступенчатого сигнала с помощью РД-звена.