6 Загальні відомості про автоматичні регулятори

6.1 Принципи побудови і класифікація автоматичних регуляторів

Система автоматичного управління може бути представлена у вигляді поєднання двох елементів: об'єкту управління і управляючого пристрою (рис. 6.1).

На управляючий пристрій УП поступає інформація про мету і задачі управління (завдання 3) і інформація х про стан об'єкту управління ОУ. На основі одержаної інформації управляючий пристрій виробляє управляючу дію у.

Для реалізації системи управління відповідно до цієї схеми необхідно знати (одержати) математичну модель об'єкта управління (див. розділ перший) і вибрати управляючий пристрій.

Одна із задач при побудові систем управління — підтримання найістотніших технологічних параметрів об'єкту управління біля їх наперед заданих значень (автоматичне регулювання). У таких випадках як управляючий пристрій використовуються автоматичні регулятори.

У функціональній схемі системи управління (рис. 6.2) елемент порівняння ЕП порівнює поточне значення регулюючого параметра х_t, що виробляється вимірювальним пристроєм ВП, з його заданим значенням х₃, що поступає від задатчика 3, і посилає сигнал розузгодження (відхилення)  на вхід формуючого пристрою ФП.

Роль останнього — отримання певного закону регулювання, під яким розуміється залежність між розузгодженням  і вихідною величиною регулятора у.

Елемент порівняння і формуючий пристрій разом складають регулюючий пристрій.

Сигнал з виходу формуючого пристрою поступає на вхід виконавчого пристрою ВП, який реалізує вироблений регулятором закон регулювання. Формуючий пристрій звичайно реалізується або у вигляді послідовного з'єднання підсилювача П(У) і коректуючого елементу К (рис. 6.3, а), або шляхом обхвату підсилювача (рис. 6.3, б) або ряду елементів в прямому колі регулятора зворотним зв'язком. Іноді обидва способи використовуються спільно, тобто в регуляторі застосовуються як послідовне включення коректуючого елементу, так і зворотний зв'язок.

Рисунок 6.1 – Загальна схема системи управління.

Наголосимо на одній чудовій властивості формуючих пристроїв із зворотними зв'язками (рис. 6.3, б). Позначимо передавальні функції підсилювача W_y(p), а коректуючого елементу W_ос(p). Тоді передавальна функція формуючого пристрою визначатиметься виразом

(6.1)

При W_y(p)= K_у одержимо

(6.2)

або

(6.3)

Оскільки підсилювачі сучасних автоматичних регуляторів характеризуються достатньо великими коефіцієнтами підсилення, то при K_у одержимо

(6.4)

Таким чином, при достатньо великому коефіцієнті підсилення в прямому колі передавальна функція формуючого пристрою, а отже, і закон регулювання, визначаються передавальною функцією ланки зворотного зв'язку. Це властивість широко використовується при побудові промислових регуляторів.

На рис. 6.2 представлена функціональна схема системи управління з типовим сучасним автоматичним регулятором.

Рисунок 6.2 – Функціональна схема системи управління.

Рисунок 6.3 – Схеми реалізації формуючих пристроїв.

Вимірювальний пристрій реалізується в ньому у вигляді чутливого елементу ЧЕ і перетворювача Пр із стандартизованим сигналом на вході. Задатчик виробляє також стандартизований сигнал, аналогічний по своїй природі сигналу вимірювального пристрою.

Виконавчий пристрій включає виконавчий механізм ВМ (привід) і регулюючий орган РО. Тут сигнал формуючого пристрою перетвориться в переміщення регулюючого органу. Такий регулятор прийнято називати регулятором непрямої дії. В ньому поточне х_Т і задане х₃ значення регулюючого параметра, а також вихідний сигнал формуючого пристрою представлені у вигляді стандартизованих сигналів, для отримання яких використовується додаткове джерело енергії.

Залежно від виду енергії, яка використовується, регулятори непрямої дії підрозділяються на пневматичні, електричні і гідравлічні.

Основні переваги електричних регуляторів — швидкодія, можливість передачі електричного сигналу на великі відстані і простота енергопостачання. Пневматичним і гідравлічним системам властиві істотне обмеження по дальності передачі сигналів і швидкодії, а також необхідність використовування спеціальних джерел енергії.

Істотними достоїнствами пневматичних регуляторів є вибухо- і пожежобезпечність, простота обслуговування, а також високі швидкості і надійність виконавчих механізмів.

Рисунок 6.4 – Функціональна схема системи з регулятором непрямої дії.

Рисунок 6.5 – Функціональна схема системи з регулятором прямої дії.

Для електричних регуляторів характерні обмеження по швидкості виконавчих механізмів і важкість виконання електричних систем у вибухобезпечному виконанні.

Відмітною особливістю гідравлічних регуляторів є можливість отримання великих потужностей виконавчих механізмів з невеликими габаритами.

Вказані достоїнства регуляторів використовуючих енергію різного виду привели до створення комбінованих регуляторів. Частіше за все використовуються електрогідравлічні і електропневматичні регулятори, в яких, як правило, вимірювальні і формуючі пристрої виконуються електричними, а виконавчі механізми — пневматичними або гідравлічними.

У нафтовій і газовій промисловості зважаючи на істотну вимогу пожежо- і вибухобезпечність, а також необхідністю великих перестановочных зусиль виконавчих механізмів найбільше поширення набули пневматичні, гідравлічні і комбіновані регулятори.

Разом з регуляторами, що працюють за схемою рис. 6.4, в промисловості використовуються автоматичні регулятори прямої дії (рис. 6.5). В таких регуляторах не використовуються сторонні джерела енергії. Промислові регулятори прямої дії звичайно конструктивно поєднують в собі чутливий елемент ЧЕ, задатчик З, елемент порівняння ЕП і регулюючий орган РО, причому останній переміщається за рахунок енергії чутливого елементу. Ці регулятори мають малопотужний сигнал на виході і тому дуже рідко використовуються.

Автоматичні регулятори прийнято також підрозділяти на спеціальні і універсальні.

Спеціальні регулятори призначені для регулювання конкретного параметра в певних умовах. До них можна віднести регулятори прямої дії, а також регулятори подачі долота.

Найбільше поширення набули універсальні регулятори, призначені для автоматичного регулювання різних технологічних процесів.

При побудові універсальних регуляторів непрямого дії здебільшого використовуються приладові і агрегатні принципи.

У автоматичних регуляторах, побудованих за приладовим принципом, вимірювальні і регулюючі пристрої об'єднані в одному корпусі. Проте велика частина сучасних універсальних автоматичних регуляторів непрямої дії будується за агрегатним принципом. При цьому вимірювальні, регулюючі і виконавчі пристрої конструктивно виконуються роздільно з обов'язковим узгодженням сполучаючих вузлів. Задатчики виконуються або у вигляді самотійного пристрою і розміщуються в так званому «вторинному» приладі, або вбудовуються в регулюючий пристрій.

Останніми роками у зв'язку з введенням державної системи промислових приладів і засобів автоматизації (ГСП) намітилася тенденція до мінімізації номенклатури засобів контролю і управління на основі розробки і випуску агрегатних комплексів технічних засобів.

Агрегатний комплекс є сукупністю технічних засобів вимірювальної і регулюючої техніки, що характеризуються метрологічною, інформаційною, конструктивною і експлуатаційною сумісністю, призначених для вирішення певних задач автоматичного контролю і управління.

У зв'язку з цим промислові автоматичні регулятори, що приводяться нижче, розглядаються як функціональні блоки відповідних агрегатних комплексів.

Автоматичні регулятори прийнято також класифікувати за законом регулювання. При цьому розрізняють позиційні (Пз) пропорційні (П), пропорційно-інтегральні (ПІ), пропорційно-диференціальні (ПД) і пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори.

Особливий клас складають екстремальні регулятори.