3. Общие сведения о двухпозиционных регуляторах
Двухпозиционные регуляторы широко используются в промышленности и коммунальном хозяйстве. Их несомненным достоинством является простота реализации и возможность управлять установками большой мощности.
Они могут применяться для регулирования технологических параметров в тех случаях, когда не требуется высокой точности и объект обладает свойством фильтрации (сглаживания) высокочастотных колебаний благодаря аккумулирующим способностям технологического оборудования. С помощью двухпозиционных регуляторов поддерживают заданную температуру в промышленных установках с электрическим нагревом, температуру в холодильных установках, уровень воды (конденсата) в различных емкостях и т.д. В бытовой технике с их помощью регулируется температурный режим электрических водонагревателей, конвекторов и масляных радиаторов, в духовках электроплит, в камерах холодильников и морозильников, рабочей поверхности электрических утюгов и т.д.
Кроме того, двухпозиционные устройства применяются в системах сигнализации и автоматической защиты для формирования дискретных сигналов о выходе переменных за заданные значения.
На рис. 1 показана структурная схема АСР с двухпозиционным регулятором.
Рис. 1. Структурная схема АСР с двухпозиционным регулятором:
РЭ – релейный элемент; u (SP) – задание; y (PV) – регулируемая переменная;
μ (MV) – регулирующее воздействие; ε = u - y = SP - PV - рассогласование
Двухпозиционный регулятор строится на базе релейного элемента РЭ, который может быть выполнен в виде электромеханического реле, электронной схемы или реализован программным путем. Этот элемент имеет нелинейную статическую характеристику.
Статическая характеристика двухпозиционного реле приведена на рис. 2: а) без гистерезиса, б) с гистерезисом (зоной возврата).
а)
|
б) |
Рис. 2. Статическая характеристика двухпозиционного реле: а) без гистерезиса; б) с гистерезисом (зоной возврата)
Двухпозиционное реле без гистерезиса (рис. 2а) имеет однозначную статическую характеристику, которая описывается выражением:
,
если
,
иначе
,
(1)
где: ε – входная переменная регулятора (сигнал рассогласования), μ – выходная переменная регулятора (регулирующее воздействие).
Двухпозиционное реле с гистерезисом (рис. 2б) относится к классу устройств с «памятью», то есть учитывает предыдущее состояние, и имеет неоднозначную статическую характеристику, которая может быть представлена следующим образом:
,
если
;
иначе
,
если
;
иначе
.
(2)
где: Δ – гистерезис (зона возврата) релейной характеристики.
Двухпозиционный регулятор имеет всего два возможных значения выходного сигнала: минимальное (в данном случае – нуль, нагреватель выключен) и максимальное (в данном случае – μ0 , нагреватель включен).
Отметим, что для реле с гистерезисом переключения в сторону «больше» и в сторону «меньше» происходят при разных значениях ε.
Особенностью АСР с двухпозиционными регуляторами является процесс регулирования в форме устойчивых автоколебаний –периодических незатухающих колебаний (см., например, рис. 4). При этом регулируемая переменная PV колеблется вокруг задания SP, а воздействие регулятора MV периодически переключается с максимального μ0 на минимальное значение и обратно.
Амплитуда колебаний регулируемой переменной и их период зависят от свойств объекта регулирования, гистерезиса Δ и воздействия μ0. Кроме того, при несимметричном воздействии регулятора на объект в направлениях «Больше» и «Меньше» происходит смещение средней линии колебаний, что видно, например, на рис. 4.
При использовании реле без гистерезиса (рис. 2а) период переключений регулирующего воздействия может оказаться недопустимо малым, например, при управлении холодильной установкой.
Кроме того, при медленном изменении регулируемой переменной PV вблизи задания SP может возникнуть явление «дребезга» - частых беспорядочных переключений реле из-за действия случайных помех. Поэтому на практике применяются двухпозиционные регуляторы, имеющие зону гистерезиса (с разнесенными порогами переключения).
Описанная выше особенность АСР с двухпозиционными регуляторами (автоколебания) может рассматриваться как недостаток, так как электромеханические релейные элементы имеют ограниченный ресурс переключений. Кроме того, точность регулирования в АСР с двухпозиционным регулятором может оказаться недостаточной.