Общие сведения об автоматических системах регулирования

6.1.1 Основные понятия

Автоматическим регулированием называется поддержание на заданном уровне или изменение по определенному принципу какого-либо параметра технологического процесса, выполняемое без непосредственного участия человека с помощью специальных технических средств. Машины, аппараты или агрегаты, в которых выполняется регулирование, называются объектами регулирования (ОР), а технологические параметры, подлежащие регулированию - регулируемыми параметрами.

Технические средства (прибор или совокупность приборов), при помощи которых осуществляется автоматическое регулирование, объе­диняются общим названием регулятор (Р).

Объект регулирования и регулятор образуют автоматическую систему регулирования (АСР). Состав и устройство регулятора могут быть разной степени сложности, но, тем не менее, можно выделить ряд функциональных элементов автоматики, характерных для любой системы. Структурная схема АСР, на которой регулятор представлен расчлененным на функциональные элементы, представлен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Структурная схема АСР

Текущее значение регулируемого параметра воспринимается датчиком Д, преобразуется им в сигнал измерительной информации y׳ и поступает на элемент сравнения ЭС, в котором сравнивается с вырабаты­ваемым задатчиком 3д сигналом , пропорциональным заданному

значению параметра . Разностный сигнал пропорциональный отклонению регулируемого параметра от заданного значения, поступает на вход решающего устройства РУ, которое формирует в определенной зависимости от управляющий сигнал . Под действием этого сигнала исполнительный механизм ИМ перемещает регулирующий орган РО. Регулирующий орган непосредственно воздействует на объект регулирования ОР, изменяя подводимый к нему поток энергии или вещества. Это воздействие направлено на приведение регулируемого параметра к заданному значению и называется регулирующим.

Кроме регулирующего воздействия на объект регулирования влияют также и другие факторы, называемые возмущающими воздействиями , из-за которых регулируемый параметр отклоняется от заданного значения.

В некоторых регуляторах все функциональные элементы конструк­тивно объединены в одно устройство, например терморегулирующий вентиль ТРВ, поплавковый регулятор уровня жидкости или терморегуляторы Т32М и ТР-200. Они реализуют простейшие законы регулирования и используются там, где не требуются высокая точность и применение сложных средств автоматизации экономически нецелесообразно.

На объектах с более сложными для автоматизации свойствами, при более высоких требованиях к качеству регулирования применяют довольно сложные технические средства. Для таких систем основные функциональные элементы выпускаются в виде отдельных приборов. При этом название "автоматический регулятор" относят обычно к прибору, выполняющему роль решающего устройства и содержащему в своем составе элемент сравнения и задатчик. Системы, построенные на базе таких приборов, изучаются в проводимой по данной теме лабораторной работе (разделы 6.2 и 6.3).

6.1.2 Показатели качества регулирования

Эффективность работы АСР численно характеризуется показателями качества регулирования. Существуют прямые и косвенные оценки качества. Прямые оценки обладают наглядностью и основаны на анализе графика переходной функции. Переходная функция представляет собой реакцию системы на единичное ступенчатое возмущающее воздействие. Пример переходной функции для стабилизирующей АСР приведен на рисунке 6.2.

Из графика видно, что до момента времени система находилась в состоянии покоя и регулируемый параметр имел заданное значение . После нанесения возмущающего воздействия регулируемый параметр стал отклоняться от заданного значения, вступил в работу регулятор, и в результате его регулирующего воздействия после нескольких колебаний параметр снова пришел к установившемуся значению.

По данному графику можно определить следующие показатели качества регулирования.

1) Максимальное динамическое отклонение регулируемого пара­метра от заданного значения в процессе регулирования , пред­ставляющее собой первое отклонение, следующее непосредственно за возмущением. Это отклонение зависит от свойств объекта регулирования, величины возмущения и параметров настройки регулятора.

Рисунок 6.2 - График переходной функции АСР

2) Динамический коэффициент регулирования , представляет отношение максимального динамического отклонения к отклонению при том же воздействии, но без вмешательства регулятора:

(6.1)

Этот показатель характеризует степень воздействия регулятора на переходный процесс.

3) Перерегулирование. Этот показатель связан с возможным отклонением параметра под воздействием регулятора в сторону, противоположную первоначальному отклонению. Перерегулирование в % характеризует степень колебательности переходного процесса и определяется выражением

.

(6.2)

Переходный процесс, при котором называется апериодическим. При незатухающих колебаниях . При неустойчивом (расходящемся) процессе .

4)Время регулирования –это отрезок времени от начала переходного процесса до момента, когда отклонения регулируемого параметра от заданного значения не будут превышать допустимых пределов 3…5% от .

5) Статическая ошибка – это остаточное отклонение регулируемого параметра от заданного значения после завершения переходного процесса.

Перечисленные показатели качества могут использоваться как для оценки действующих систем, так и при расчете и проектирований новых. В последнем случае, исходя из условий технологического процесса, формулируются требования к этим показателям.

6.1.3 Законы автоматического регулирования

Законом регулирования называется функциональная связь между регулирующим воздействием и отклонением регулируемого параметра от заданного значения:

(6.3)

Простейшим законом регулирования является позиционный, при котором регулятор в зависимости от значения параметра переключает регулирующие воздействие с одного фиксированного уровня на другой. В практике используются обычно двух- и трехпозиционное регулирование, при которых таких уровней соответственно два или три. Математическая формулировка идеального (без зоны нечувствительности) двухпозиционного регулирования имеет вид:

(6.4)

Работа двухпозиционного регулятора исследуется и подробно разбирается в разделах 6.2.2 и 6.3.2.

Более сложные законы регулирования: пропорциональный П, интегральный И, пропорционально-интегральный ПИ, пропорционально -дифференциальный ПД, пропорционально-интегрально- дифференциальный ПИД - осуществляются регуляторами непрерывного и импульсного действия.

При пропорциональном законе регулирования регулирующее воздействие прямо пропорционально отклонению параметра от заданного значения:

(6.5)

где - коэффициент передачи регулятора, являющийся параметром его настройки.

При появлении отклонения регулируемого параметра регулятор производит пропорциональное перемещение регулирующего органа. В результате такого регулирующего воздействия дальнейшее отклонение параметра прекращается, а затем начинает уменьшаться. Однако в новом установившемся состоянии будет наблюдаться остаточное отклонение параметра от заданного значения, называемое статической ошибкой . Наличие статической ошибки при работе

П-регулятора принципиально неизбежно, так как без нее регулирующий орган не может занять положение, отличное от исходного. Вследствие этого пропорциональное регулирование называется также статическим. Примером П-регулятора может служить терморегулирующий вентиль ТРВ.

Интегральный закон регулирования описывается выражением

(6.6)

где - постоянная времени интегрирования (параметр настройки регу­лятора);

- текущее значение времени.

При этом законе с появлением отклонения регулятор производит интегрирование его величины во времени и пропорционально полученному результату изменяет положение регулирующего органа до тех пор, пока не перестанет изменяться величина интеграла, т.е. пока регулируемый параметр не вернется к заданному значению. Таким образом, после завершения работы И-регулятора статической ошибки не остается ( ), поэтому интегральное регулирование называется также астатическим.

Пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования являет­ся комбинацией П и И-законов. ПИ-регулятор после завершения переходного процесса не оставляет статической ошибки и поэтому, как и И-регулятор, отно­сится к астатическим.

Пропорционально - дифференциальный закон регулирования (ПД) описывается выражением

(6.7)

где - постоянная времени дифференцирования (параметр настройки регулятора).

У ПД-регулятора имеется два параметра настройки - и . Регули­рующие воздействие формируется из двух частей - пропорциональной и дифференциальной. Использование сигнала дифференциальной час­ти, пропорционального скорости нарастания рассогласования позволяет регулятору реагировать на более ранней стадии, когда само

рассогласование еще очень мало, но скорость его изменения уже вполне ощутима. Таким образом, включение производной в закон регулирования позволяет регулятору как бы предвидеть начинающееся отклонение параметра, поэтому ПД-регулятор называется еще пропорциональным с предварением. После завершения работы регулятором в системе остается статическая ошибка ( ) и, следовательно, регулятор относится к статическим.

Наиболее сложным законом регулирования является пропорционально-интегрально-дифференциальный, который описывается выражением

(6.8)

Регулирующее воздействие ПИД-регулятора формируется из сигналов пропорциональной, интегральной и дифференциальной частей. Характер действия каждой из этих составляющих был разобран выше, ПИД-регулятор объединяет их достоинства. Он применяется на наиболее трудных для автоматизации объектах и там, где требуется обеспечить высокое качество регулирования.