37. Структурная схема пид-регулятора. Особенности.

ПИД-регуляторы воздействуют на объект пропорционально отклонению ε регулируемой величины, интегралу от этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины:

. (2.18)

По возможностям ПИД-регуляторы являются

а	б
Рис. 2.21. Cтруктурная схема ПИД-регулятора (а) и закон ПИД-регулирования (б)

универсальными. Используя их, можно получить любой закон регулирования. Структурная схема и закон регулирования идеального ПИД-регулятора приведены на рис. 2.21.

 

 

При скачкообразном изменении регулируемой величины ПИД-регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на объект регулирования, затем величина воздействия резко падает до значения, определяемого пропорциональной составляющей, после чего постепенно начинает оказывать влияние интегральная составляющая регулятора. Переходной процесс при этом (рис. 2.22) имеет минимальные отклонения по амплитуде и по времени.

Параметрами настройки ПИД-регуляторов являются коэффициент пропорциональности регулятора k_p, постоянная времени интегрирования Т_и и постоянная времени дифференцирования Т_д.

Структурные схемы промышленных ПИД-регуляторов, а также их характеристики описаны в [2].

Рис. 2.22 Переходной процесс при ПИД- регулировании

38-39. Релейные регуляторы

Релейные регуляторы - наиболее распространенный вид промышленных регуляторов. Они просты по схеме и конструкции, экономичны, надежны. Работают в комплекте с электрическими исполнительными механизмами постоянной скорости, которые также являются наиболее простым, надежным и экономичным видом исполнительных устройств.

Признаком релейного регулятора является наличие характерной для него трехпозиционной с гистерезисом нелинейности (рис.3.23), характеризующейся зоной нечувствительности ΔН и зоной возврата Δв. У разных типов регуляторов она реализуется по-разному. Это может быть обычное электромагнитное реле или триггерные устройства, выполненные на магнитных усилителях, транзисторах или интегральных микросхемах.

Рис.3.23

Рассмотрим упрощенную схему релейного регулятора и проанализируем особенности его работы (рис.3.24), где 1 - нелинейный усилитель, 2 - исполнительный механизм постоянной скорости, 3 - цепь отрицательной обратной связи, 4 - входной сумматор.

Рис3.24

При входном напряжении, меньшим половины зоны нечувствительности на выходе усилителя 2 сигнал отсутствует. Исполнительный механизм неподвижен, напряжение на выходе цепи отрицательной обратной связи -U_oc=0.

При срабатывает релейный элемент и на выходе усилителя 1 появится напряжение, которое приведет в движение исполнительный механизм 2, одновременно начнется заряд конденсатора С цепи обратной связи через резистор R_св. Напряжение -U_oc с выхода ЦООС (цепи отрицательной обратной связи) в сумме с входным напряжением стремится его компенсировать и при реле отпускается. Напряжение на выходе усилителя 1 исчезнет, исполнительный механизм останавливается, заряд конденсатора С прекращается и начинается его разряд через резистор .

Рассмотрим процессы в релейном регуляторе при характерных для его работы режимах.

Пусть скорость V_св изменения напряжения на выходе цепи обратной связи характеризуется углом α (рис.3.25,а). Предположим, что регулируемая величина, т.е. входной сигнал изменяется со скоростью выражаемой углом β (рис.3.25,б). В зависимости от соотношения углов α и β имеют место два режима работы регулятора:

Рис.3.25

1. β>α - скорость изменения регулируемой величины больше, чем скорость изменения напряжения обратной связи.

Когда отклонение регулируемой величины станет равно , включится исполнительный механизм. Срабатывание реле вызове появление линейно нарастающего напряжения обратной связи. Если скорость изменения регулируемой величины будет все время больше скорости изменения напряжения обратной связи, то исполнительный механизм, оставаясь все время включенным, будет перемещать регулирующий орган с постоянной скоростью. Такой режим работы регулятора называется режимом постоянной скорости.

2. β<α, т.е. скорость изменения поступающей на вход регулятора регулируемой величины меньше скорости изменения напряжения обратной связи. Рассмотрим процессы, которые будут протекать в регуляторе в этом случае. Пусть в момент времени t₀ (рис.3.26) на вход регулятора начал поступать входной сигнал U_вх, нарастающий со скоростью, определяемой углом β. В момент времени t₁ отклонение U_вх достигнет половины зоны нечувствительности регулятора, что повлечет включение исполнительного механизма. Одновременно начнет увеличиваться напряжение U_oc обратной связи (с противоположным знаком). Скорость нарастания U_oc больше, чем скорость регулируемой величины. Следовательно, разность U_вх-U_oc будет уменьшаться. В момент времени t₂, когда эта разность станет равной , исполнительный механизм включится. Начнется разряд конденсатора ЦООС через резистор . Но процесс увеличения регулируемой величины продолжается и в момент t₃ произойдет новое включение исполнительного механизма. Включение и выключение механизма будут периодически следовать друг за другом.

Если сравнить характеры движения механизма в двух рассмотренных случаях, то нетрудно увидеть их существенное различие. В первом случае режим исполнительного механизма характеризуется длительным включением. Характерной особенностью режима во втором случае являются частые кратковременные включения в одном направлении при плавном изменении регулируемой величины. Такой характер работы регулятора получил название скользящего (или пульсирующего) режима.

При скользящем режиме работы средняя скорость движения исполнительного механизма всегда меньше его конструктивной скорости, определяемой скоростью электродвигателя и передаточным отношением редуктора.

Специфичным для скользящего режима является особый характер изменения воздействия обратной связи. В скользящем режиме изменение U_oc как бы следит за изменением регулируемой величины U_вх, отличаясь от нее по своему среднему значению на небольшую величину. Разность U_вх-U_oc при скользящем режиме лежит в пределах

. (3.25)

Чем меньше зона нечувствительности ΔН регулятора, тем меньше отличается текущее значение отклонения регулируемой величины от значения сигнала обратной связи.

Кроме рассмотренных режимов возможен также смешанный режим, при котором имеет место как длительные, так и кратковременные включения исполнительного механизма.

Скользящий режим является основным режимом работы промышленных релейных регуляторов технологических процессов. Таким образом, условие наличия скользящего режима можно сформулировать так: скорость изменения регулируемой величины должна быть меньше скорости изменения сигнала обратной связи, компенсирующего входной сигнал регулятора.

В скользящем режиме, когда имеет место неравенство (3.25), (с точностью до половины зоны нечувствительности) выполняется условие

, (3.26)

т.е. регулятор, содержащий нелинейные элементы (реле, исполнительный механизм постоянной скорости) начинает подчиняться нелинейному закону регулирования, определенному устройству обратной связи. Это является чрезвычайно важным выводом, т.к. на этом основании при расчете систем автоматического регулирования, использующих регуляторы данного типа, становится возможным пользоваться линейной теорией автоматического регулирования.

В самом деле, пусть регулятор состоит из усилителя, содержащего нелинейные элементы и охваченного обратной связью (рис.3.27).

Рис.3.27

На вход регулятора поступает сигнал U_вх и напряжение обратной связи U_oc. Передаточная функция цепи обратной связи определяется как отношение

.

Отсюда U_oc(p)=U_вых(р)W_ос(р).

Передаточная функция регулятора в целом имеет вид

.

Поскольку в скользящем режиме , то передаточная функция регулятора будет

. (3.27)

Таким образом, постановка регулятора в скользящий режим является важным способом линеаризации релейного регулятора. Действительно, ЦООС составлена из линейных элементов, поэтому и будет линейной.