Оглавление

Раздел 3. Регулирующие устройства, и автоматические регуляторы, исполнительные механизмы, интерфейсные устройства

3.1. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы…………………………………..56

3.2. Исполнительные механизмы………………………………………………………………..…79

3.3. Интерфейсные устройства………………………………………………………………….….91

Раздел 3. Регулирующие устройства, и автоматические регуляторы, исполнительные механизмы, интерфейсные устройства

3.1. Регулирующие устройства и автоматические регуляторы.

В стандарте DIN 19226 дается следующее определение понятия "регулирующее устройство" и "регулятор":

Регулирующее устройство – это приборы, которые необходимы непосредственно для воздействия на объект регулирования в соответствии с поставленной задачей. В состав регулирующего устройства входят как минимум одно устройство для регистрации регулируемой величины x и для сравнения с задающей величиной w, а также одно устройство для формирования регулирующей величины y.

Регулятор – это прибор, который в рамках регулирующего устройства объединяет в себе выполнение нескольких функций, присущих регулирующему устройству. Однако для регулятора обязательно наличие сравнивающего устройства, а также как минимум еще одного важного функционального элемента, например усилителя или схемы задержки.

Автоматический регулятор - это устройство (совокупность устройств), посредством которого осуществляется процесс автоматического регулирования. Функционирование автоматического регулятора происходит в соответствии с алгоритмом регулирования, под которым понимают математическое выражение функциональной зависимости выходной величины регулятора от входной. Основная задача регуляторов заключается в формировании такого управляющего воздействия на объект регулирования в зависимости от измеренных отклонений регулируемой величины, чтобы восстановить требуемое состояние объекта. Автоматические регуляторы классифицируются по различным признакам (рис.3.1).

В зависимости от возможности изменять свой режим работы регуляторы подразделяются на два класса:

- детерминированные регуляторы не изменяют своих параметров в процессе регулирования;

- регуляторы с настройкой - экстремальные и адаптивные. Экстремальные - непрерывно производят поиск оптимальных значений выходных величин объекта. В адаптивных регуляторах происходит настройка параметров с целью достижения оптимального качества регулирования при изменении характеристик объекта во время его работы.

По наличию дополнительных источников энергии различают регуляторы:

- Регуляторы прямого действия управляют регулирующим органом за счет энергии, получаемой от регулируемой среды, и не требуют вспомогательной энергии.

- Регуляторы непрямого действия. В них имеются усилители мощности, управляющие поступлением энергии от постороннего источника. При этом в зависимости от вида используемой энергии различают электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные регуляторы.

В зависимости от характера воздействия на объект имеются:

- регуляторы непрерывного действия - обеспечивают непрерывное изменение регулирующего воздействия. Во многих случаях к ним относят и регуляторы с импульсным перемещением регулирующего органа.

- регуляторы дискретного действия - изменяют регулирующее воздействие только в определенные моменты времени, в интервале между которыми регулирующее воздействие постоянно.

В зависимости от вида квантования входного сигнала подразделяются на:

- релейные;

- импульсные;

- цифровые.

Рис.3.1. Классификация автоматических регуляторов дискретного действия

В соответствии с реализуемым законом регулирования регуляторы делятся на:

- пропорциональные;

- интегральные;

- пропорционально-интегральные;

- пропорционально-дифференциальные;

- пропорционально-интегрально-дифференциальные;

- релейные двух- и трехпозиционные и релейные с механизмами постоянной скорости.

По способности изменять свою структуру различают регуляторы:

- с фиксированной структурой - не изменяют свою структуру при изменении характеристик объектов регулирования;

- с переменной структурой – у них структура изменяется при изменении свойств объекта.

По характеру математической связи между выходной и входной координатами регуляторы подразделяются на:

- линейные;

- нелинейные.

В зависимости от конструктивного исполнения имеются регуляторы:

- приборного типа - в системе регулирования включается последовательно со вторичным прибором, в котором формируется сигнал ошибки;

- аппаратного типа - сами формируют сигнал ошибки и обычно включаются параллельно вторичному прибору;

- агрегатного типа – в них используется агрегатный принцип построения используется при стандартных сигналах на выходе датчиков. Такой принцип рекомендован ГСП и позволяет подключать любой стандартизованный датчик непосредственно к унифицированному входу регулятора.

В соответствии с числом регулируемых величин регуляторы подразделяются на:

- одномерные;

- многомерные.

Регуляторы классифицируются также по классу систем и фирмам-изготовителям.

Линейные регуляторы – это регуляторы, которые позволяют реализовать теоретические (стандартные) законы регулирования, называются идеальными. В этих регуляторах операции интегрирования, дифференцирования, суммирования и умножения на постоянный коэффициент выполняются абсолютно точно. Рассмотрим динамические характеристики регуляторов с различными стандартными законами регулирования.

Пропорциональные (П) регуляторы. Закон регулирования П-регулятора выражается уравнением

y = k_px

где k_p - коэффициент пропорциональности, являющийся параметром настройки П-регулятора.

У пропорциональных регуляторов отклонение регулируемой величины X от ее заданного значения Х₀ вызывает перемещение регулирующего органа на величину, пропорциональную этому отклонению x=Х₀-X.

Передаточная функция П-регулятора имеет вид:

W_п(p) = k_p

Переходная характеристика П-регулятора показана на рис.3.2, а.

Величину, обратную коэффициенту пропорциональности регулятора, т.е. δ_р=1/k_р, называют статизмом, или коэффициентом неравномерности регулятора, а величину (1/k_p) 100% -диапазоном дросселирования.

Рис.3.2. Переходные характеристики линейных идеальных регуляторов

Особенностью систем регулирования с П-регулятором является изменение регулируемой величины при различных нагрузках регулируемого объекта. Объясняется это тем, что перемещение регулирующего органа в новое положение, соответствующее новой нагрузке, может быть произведено только за счет отклонения регулируемой величины. Разность между максимальным и минимальным установившимися значениями регулируемой величины ∆х_шах называют остаточной неравномерностью П-регулятора, ее величина определяется выражением ∆х_шах=1/k_p.

Интегральные (И) регуляторы. Процесс регулирования И-регулятором происходит по закону, который описывается уравнением:

где Т_и - постоянная времени интегрирования, являющаяся параметром настройки И-регулятора.

Интегральные регуляторы производят перемещение регулирующего органа пропорционально интегралу отклонения регулируемой величины до тех пор, пока не восстановится ее заданное значение.

Передаточная функция И-регулятора имеет вид:

W_и(р)=1/Т_иp

Переходная характеристика И-регулятора показана на рис.3.2, б. Интегральный регулятор не обладает остаточной неравномерностью, что является его положительной особенностью.

Пропорционально-интегральные (ПИ) регуляторы. Закон регулирования ПИ-регулятора выражается уравнением:

где Т_и — время интегрирования регулятора, или время изодрома. Коэффициент пропорциональности k_p и постоянная времени Т_и являются параметрами настройки ПИ-регулятора.

Уравнение закона регулирования ПИ-регулятора состоит из двух составляющих регулирующего воздействия: k_px - пропорциональной и - интегральной. Передаточная функция ПИ-регулятора имеет вид:

W_ПИ(р) = k_p(Т_иp+1)/Т_иp

В динамическом отношении ПИ-регулятор представляет собой систему из двух параллельно включенных регуляторов: пропорционального и интегрального. При увеличении времени изодрома до бесконечности ПИ-регулятор превращается в П-регулятор. Если k_p и Т_и стремятся к нулю, но их отношение остается постоянным, то получим И-регулятор. Пропорционально-интегральные, как и интегральные, регуляторы не обладают остаточной неравномерностью. Переходная характеристика ПИ-регулятора показана на рис.3.2, в.

Пропорционально-дифференциальные(ПД) регулятор. Закон регулирования ПД-регулятора выражается следующим уравнением:

где Т_д - время дифференцирования, или время предварения регулятора, характеризующее степень влияния воздействия по производной на величину регулирующего воздействия. Коэффициент пропорциональности k_p и постоянная времени Т_д ПД-регулятора являются параметрами его настройки. Передаточная функция ПД-регулятора:

W_ПД(р) = k_p(1+Т_дp)

Пропорционально-дифференциальный, как и пропорциональный, регулятор обладает остаточной неравномераостью, величина которой определяется выражением ∆х_шах=1/k_р.

Однако дополнительное воздействие по скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения положительно влияет на процесс регулирования. Это является преимуществом ПД-регуляторов по сравнению с П-регуляторами. Переходная характеристика ПД-регулятора показана на рис.3.2, г.

Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы. Закон регулирования ПИД-регулятор а определяется уравнением:

Параметрами настройки ПИД-регулятор а служат коэффициент пропорциональности k_р и постоянные времени Т_я и Т_я. Передаточная функция имеет вид:

W_ПИД(р) = k_p(Т_дТ_иp + Т_иp + 1)/Т_иp

В динамическом отношении эти регуляторы представляют собой систему из трех параллельно включенных звеньев: безынерционного, интегрирующего и идеального дифференцирующего. При Т_Д = 0 ПИД-регулятор превращается в ПИ-регулятор. ПИД-регуляторы не обладают остаточной неравномерностью. Переходная характеристика ПИД-регулятора показана на рис.3.2, д

Промышленные регуляторы состоят из реальных элементов, поэтому их динамические характеристики отличаются от динамических характеристик, определяемых уравнениями идеальных регуляторов.

Для оценки расхождения характеристик идеального и реального регуляторов передаточную функцию W_p(p) реального регулятора представляют в виде произведения передаточной функции W_ид(р) идеального регулятора и передаточной функции W_б(p) некоторого балластного звена:

W_р(р)=W_ид(р)W_б(р)

Балластное звено не имеет заранее известной передаточной функции. Разные регуляторы имеют балластные звенья с различными передаточными функциями. С помощью понятия «балластное звено» удобно оценить степень отличия реального и соответствующего идеального регуляторов. В ряде случаев, анализируя балластное звено, можно найти способы приблизить реальный регулятор к идеальному, усовершенствуя его схему или конструкцию. Исследование динамики балластного звена позволяет сделать вывод об особенностях структурной схемы и настройки того или иного реального регулятора.

Если регулятор идеальный, то передаточная функция балластного звена W₆(ρ)≡1, его модуль W₆(ω)≡1, а фаза φ₆(ω)≡0. Чем больше передаточная функция балластного звена отличается от единицы, тем значительнее отличается качество регулирования в системах с идеальными и реальными регуляторами. Степень отличия реального регулятора от идеального для одного и того же типа прибора может быть различной, так как она зависит не только от структурной схемы и конструкции, но и от динамических настроек регулятора. Для регуляторов с нелинейными элементами частотные характеристики балластного звена зависят также от амплитуды входного сигнала.

Область в пространстве амплитуд, частот входного сигнала и параметров настройки регулятора, в пределах которой частотные характеристики идеального и реального регуляторов отличаются на величину, не превышающую некоторое наперед установленное значение, называют областью нормальной работы (ОНР) регулятора.

Частотные характеристики идеального и реального регуляторов согласно установленным нормам могут отличаться по модулю на ±10% и по фазе на ±15%. В пределах этих отклонений различием в динамических характеристиках можно пренебречь, а в расчетах использовать уравнения идеальных регуляторов.

Сопоставление по величине ОНР является удобным и наглядным методом оценки регуляторов, отрабатывающих одинаковый закон регулирования. Обычно оно проводится при одних и тех же заранее выбранных значениях, амплитуды и частоты входного сигнала в координатах параметров настройки регуляторов.

При оценке регулятора обычно исходят из того, что его применение целесообразно, если оптимальные значения параметров настройки, лежащие внутри ОНР, соответствуют динамическим характеристикам объектов управления. Из двух однотипных регуляторов, имеющий большую ОНР лучше, так как он в большей мере удовлетворяет требованиям универсальности, поскольку может быть использован на более широком классе объектов.

Если в результате расчета параметров настроек регулятора будут получены данные, не попадающие в ОНР, то нужно выбрать либо другой закон регулирования, либо применить регулятор другого типа, имеющий более широкую область допустимых настроек.

Автоматические регуляторы, формирующие один и тот же закон регулирования, могут быть построены по различным структурным схемам. Каждая из таких структурных схем обладает рядом достоинств и недостатков, которые необходимо учитывать при разработке регуляторов и при их эксплуатации. Анализ структурных схем позволяет не только оценить, насколько характеристики реального регулятора отличаются от характеристик идеального, но и установить причины этих отклонений. Рассмотрим некоторые структурные схемы.

1. П-регуляторы. Типичная структурная схема пропорционального регулятора (рис.3.3, а) состоит из усилительного и интегрирующего звеньев, охваченных жесткой отрицательной обратной связью. Интегрирующим звеном является исполнительный механизм, который служит для преобразования выходного сигнала регулирующего блока в механическое перемещение.

Если усилитель k₁ считать безынерционным с конечным значением коэффициента усиления, а исполнительный механизм - идеальным интегрирующим звеном, то передаточная функция регулятора запишется в виде:

Рис.3.3. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного П-регулятора

где Т_ИM - постоянная времени исполнительного механизма. Обозначим Т_б = Т_ИM/δ_pk₁ тогда передаточная функция балластного звена:

W₆(p)=1/(T₆p+1)

Таким образом, реальный регулятор, для которого справедливы названные допущения, можно представить в виде последовательного соединения идеального П-регулятора с коэффициентом усиления k_p и балластного звена с передаточной функцией W₆(p).

Балластное звено в этом случае будет представлять собой апериодическое звено первого порядка с постоянной времени Т_б, величина которой растет с увеличением постоянной времени исполнительного механизма Т_им и коэффициента пропорциональности регулятора k_р. Наличие балластного звена в П-регуляторе объясняется конечным значением коэффициента усиления k₁. Действительно, если k₁→∞, то Т_б→0, a W_p(p)=k_p=W_П(p), т.е. рассматриваемый регулятор становится идеальным. На рис. 88, б приведены переходные характеристики П-регулятора с балластным звеном при различных значениях Т_б.

2. ПИ-регуляторы. Имеется несколько разновидностей схем ПИ-регуляторов. Наиболее часто используемая схема изображена на рис.3.4, а. Она представляет собой последовательное соединение усилительного и интегрирующего звеньев, причем первое охвачено отрицательной обратной связью с апериодическим звеном. По такой структурной схеме выполнены регуляторы электронной агрегатной унифицированной системы. Передаточная функция такого регулятора имеет следующий вид:

где k_p=Т_И/δ_рТ_ИМ; s=1/k₁δ_ρ=T_имk_р/Т_иk₁·Обозначим через k_δ=l/(s+1) и Т_б=sТ_и/(s+1).

С учетом этих обозначений получим передаточную функцию балластного звена в виде:

W_б(р)=k_б/(T_бр+1)

В этом случае балластное звено представляет собой апериодическое звено с коэффициентом усиления k₆ и постоянной времени.

Рис.3.4. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного ПИ-регулятора

Для данной структурной схемы коэффициент усиления регулятора зависит от постоянной времени Т_ИМ интегрирующего звена, т.е. от времени полного хода исполнительного механизма. Известно, что постоянная времени исполнительного механизма в свою очередь зависит от нагрузки, поэтому от нагрузки зависит и k_p. В таких регуляторах наблюдается взаимосвязь обоих настроечных параметров - коэффициента усиления k_p и времени интегрирования Т_и.

Переходные характеристики регулятора со структурной схемой, изображенной на рис. 3.4, а, приведены на рис.3.4, б.

Видно, что при s=0 регулятор становится идеальным. Чем больше значение s, тем сильнее отклонение характеристики реального регулятора от характеристики идеального.

3. ПИД-регуляторы. Эти регуляторы также могут быть построены по различным структурным схемам. Одна из типичных структурных схем изображена на рис.3.5, а. Она позволяет строить ПИД-регуляторы из унифицированных блоков. Для формирования, пропорционально-интегральной составляющей сигнала регулирования используется блок, схема которого показана на рис.3.5, а. Дифференцирующий блок 1 конструктивно может выполняться отдельно от других блоков.

Рис.3.5. Структурная схема и переходные характеристики реального линейного ПИД-регулятора

Передаточная функция регулятора с такой структурной схемой может быть записана в виде:

где ; s₂=T₂/T_И

В этом случае передаточная функция балластного звена имеет вид:

Это - передаточная функция апериодического звена второго порядка. Максимальное отношение Т_Д/Т_И =0,25. Оно достигается при а=2 или (T_2/T₁) (k₂ + 1)=1. Это обстоятельство может рассматриваться как недостаток подобных схем, поскольку ограничивает область применения ПИД-регуляторов. Переходные характеристики регуляторов приведены на рис.3.5, б. При регулятор становится идеальным.

Релейные регуляторы.

Двухпозиционные регуляторы, или Рп₂-регуляторы - это приборы выходная величина которых может принимать только два установившихся значения. Характеристика двухпозиционного регулятора (рис.3.6, а), отражающая зависимость выходной величины у от входной х, представляющей собой разность между текущими значениями регулируемой величины и ее заданным Х₀ значением, определяется выражением:

где В - регулирующее воздействие регулятора. Характеристика имеет зону неоднозначности, равную 2а.

В установившемся режиме при поступлении на вход одноемкостного объекта с самовыравниванием ступенчатого воздействия В (рис.3.6, в) регулируемая величина будет изменяться по экспоненциальному закону:

где k_o6, Т_об - соответственно коэффициент усиления и постоянная времени объекта.

Регулируемая величина в процессе регулирования колеблется относительно заданного значения с максимальной амплитудой отклонения A_g (рис.3.6, 6). Если значение регулируемой величины меньше заданного с учетом зоны неоднозначности, то регулирующее воздействие у - В, что обеспечивает полнее поступление энергии в объект. При этом регулируемая величина будет повышаться.

Рис.3.6. Переходные процессы в системе с двухпозиционными регуляторами: а - статическая характеристика двухпозиционного регулятора с зоной неоднозначности; б - переходные процессы, в системе регулирования без запаздывания; в - переходные процессы в двухпозиционном регуляторе

После того как X превысит заданное значение Х₀ на величину а, регулирующее воздействие у=-В и доступ энергии в объект .прекратится. Регулируемая величина начнет уменьшаться до тех пор, пока не станет меньше заданной на величину а. Затем процесс повторяется. Установившееся состояние отсутствует. Регулятор не может удержать параметр X на уровне, равном заданному Х₀.

Диапазон колебаний, или динамическая ошибка, определяется следующим образом:

Из этого выражения находится длительность импульсов:

Период установившихся колебаний:

Частота переключений регулятора n=2/Т_к.

Из этих уравнений следует, что снижение нечувствительности приводит к уменьшению периода колебаний и увеличению числа переключений регулятора. Уменьшение числа переключений возможно за счет понижения энергии, коммутируемой регулятором. Однако это может привести к недокомпенсации возмущающих воздействий на объект. Увеличение постоянной времени объекта также увеличивает период колебаний и уменьшает частоту переключений регулятора.

Трехпозиционные регуляторы, или Рп₃-регуляторы – это приборы, выходная величина которых может принимать три установившихся значения. Они отличаются от двухпозиционных формами статических характеристик релейных устройств и способами подвода энергии в объект регулирования.

Рис.3.7. Статические характеристики трехпозиционного регулятора: а - с зоной нечувствительности; б - с зоной нечувствительности и неоднозначности

Кроме режимов максимального подвода энергии при у=В и отсутствии подвода энергии при у=-В, Рп₃-регуляторы позволяют устанавливать промежуточную мощность при у=0. Статическая характеристика трехпозиционного регулятора, имеющего зону нечувствительности 2ε (рис.3.7, а), определяется выражением:

Для регуляторов с релейными устройствами, имеющими, кроме зоны нечувствительности, еще и зоны неоднозначности (рис.3.7, б):

Характер регулирования аналогичен процессам в системах с Рп₂-регуляторами, но с меньшими значениями амплитуды отклонений A_g. Кроме того, при выборе промежуточной мощности, достаточно близкой к номинальной потребляемой, возможно осуществлять регулирование не только с меньшими A_g, но и удерживать величину X в пределах зоны нечувствительности более длительное время, не образуя периодических колебательных процессов при достаточной ширине зоны нечувствительности.

Регуляторы постоянной скорости, или Рс-регуляторы, обеспечивают трехпозиционное управление исполнительными механизмами в соответствии с выражением:

где ε - половина зоны нечувствительности релейного устройства; 1/Т_им - максимальное значение скорости перемещения исполнительного механизма (Т_им - время полного хода).

Рс-регулятор работает следующим образом. При значении регулируемой величины X<Х₀-ε(X>Х₀+ε) исполнительный механизм включен и с максимальной скоростью перемещает регулирующий орган в направлении, обеспечивающем повышение (уменьшение) величины X. В пределах зоны нечувствительности регулятор не реагирует на величину и направление изменения ошибки. Статическая характеристика такого регулятора может быть представлена как зависимость скорости изменения регулирующего воздействия dy/dx от величины ошибки (рис.3.8).

Рис.3.8. Статическая характеристика регулятора постоянной скорости

Максимальная статическая ошибка Рс-регулятора, как и у всех видов релейных регуляторов, σ>ε. Динамическая ошибка определяется свойствами объекта, значениями максимальной скорости перемещения исполнительного механизма и шириной зоны нечувствительности релейного устройства. Величины максимального значения скорости 1/Т_им и зоны нечувствительности 2ε являются параметрами настройки регулятора.

В регуляторе постоянной скорости предусмотрены системы измерения, элементы сравнения измеренного и заданного значений регулируемой величины и трехпозиционный релейный элемент с ограниченной регулируемой зоной нечувствительности. Формирование Рс-закона регулирования осуществляется электрическими позиционными устройствами вторичных электронных приборов, работающих в комплекте с исполнительными механизмами, которые имеют постоянную скорость при ±x≥±ε, вне зависимости от величины поступившего в объект возмущающего воздействия.

Регуляторы с переменной структурой – это приборы, содержащие ключевые (релейные) элементы, которые в соответствии с выбранным законом размыкают или восстанавливают различные каналы передачи информации. Структурная схема регулятора меняется в течение переходного процесса таким образом, чтобы обеспечить высококачественное выполнение задач управления.

В общем виде регулятор с переменной структурой (рис.3.9) можно представить в виде трех функциональных элементов: измерительного устройства ИУ, формирователя функции переключения ФФП и блока коммутируемых коэффициентов БД.

Назначение измерительного устройства ИУ состоит в преобразовании сигнала Х₀, пропорционального заданному значению регулируемой величины, и сравнении его с измеренным значением X регулируемой величины. Сигнал ошибки х₁=Х₀-X с выхода блока ИУ поступает на блоки БК и ФФП.

Рис.3.9. Структурная схема регулятора с переменной структурой

Блок ФФП формирует функцию переключения s. Преобразование структуры регулятора осуществляется в момент перехода через нуль функции s, заданной уравнением

s=c₁x₁+c₂s₂

В блоке ФФП сигнал ошибки х_х дифференцируется и величина х₂ = dx_χΙdτ поступает на выходной суммирующий усилитель с релейной характеристикой. Требуемое соотношение коэффициентов с₁ и с₂ обеспечивается введением на второй вход усилителя дополнительного сигнала х₁ с соответствующим коэффициентом. Функция s преобразуется выходным усилителем в релейный сигнал Usgns, являющийся выходным сигналом блока ФФП.

Блок БК формирует управляющее воздействие U и осуществляет скачкообразное изменение структуры регулятоpa в соответствии с логическим законом, записываемым в виде:

где α²,- β² - коэффициенты каналов регулятора; г - любая из коммутируемых координат х₁, у или U.

Этот блок состоит из логических переключающих устройств (ЛПУ), реализующих закон регулирования и выходного сумматора, на котором формируется управляющее воздействие U. В зависимости от вида решаемой задачи в БК могут использоваться от одного до трех ЛПУ, Соответственно этому управляющее воздействие U будет представлять собой комбинацию одного, двух или трех сигналов вида

U = ψ²z

Характерно наличие в регуляторе с переменной структурой блока БК, который обеспечивает скользящий режим работы в требуемых областях фазового пространства (х₁, х₂), в то время как другие типы регуляторов содержат блоки, аналогичные ИУ и ФФЛ.

Для примера можно назвать пневматический регулятор с переменной, структурой ПР5.1. Он подразделяется на регулирующую и логическую части. Первая реализует стандартный ПИ-закон регулирования для двух режимов - умеренного и форсированного. Вторая - в зависимости от величины рассогласования между заданным и текущим значениями регулируемого параметра и скорости изменения этого рассогласования осуществляет автоматическое скачкообразное изменение настроек регулирующей части (предела пропорциональности и времени изодрома), т.е. переход работы регулятора с одного режима на другой в зависимости от знака выражения:

s=±a(x_l)i-T_и(x₂),

где x₁ - величина рассогласования (сигнал ошибки); х₂ - скорость изменения рассогласования; а - коэффициент пропорциональности (величина безразмерная); Т_а - коэффициент пропорциональности (мин), аналогичный постоянной времени дифференцирования. Коэффициенты а и Т_п являются настроечными параметрами логической части регулятора.

Регулятор ПР5.1 предназначен для работы на объектах, подверженных частым и значительным возмущениям и имеющих большие времена запаздывания, на которых применение обычных регуляторов не дает удовлетворительных результатов.

Импульсные регуляторы – это регуляторы дискретного действия, в структуре которых имеется импульсный элемент, преобразующий непрерывно изменяющуюся регулируемую величину в последовательность импульсов. Параметры импульсов меняются в соответствии со значениями входной величины модулирующего сигнала. Модулируемым параметром для последовательности импульсов на выходе импульсного элемента может быть амплитуда импульса, его ширина и интервал времени между импульсами. В соответствии с этим различают три вида модуляции импульсов:

1) амплитудно-импульсную (АИМ), при которой модулируемым параметром, зависящим от значения входного сигнала х_вх (рис.3.10, а) вначале очередного периода Т_и повторения импульсов, является высота (амплитуда) импульсов А (рис.3.10, б);

2) широтно-импульсную (ШИМ), при которой модулируемым параметром является ширина импульса Т_и (рис.3.10, в);

3) время-импульсную (ВИМ), которая подразделяется на фазоимпульсную (рис.3.10, г) и частотно-импульсную. В первом случае модулируемым параметром является величина запаздывания Т₃ импульса относительно начала периода. Во втором - частота f_и=1/Т_и следования импульсов.

Импульсные регуляторы по сравнению с непрерывными имеют следующие преимущества, обусловленные прерывистым характером передачи сигналов между отдельными частями системы управления: возможность многоточечного управления; многократное использование линий связи; повышенную помехозащищенность. Кроме того, импульсные регуляторы могут применяться для управления объектами с запаздыванием, когда другие типы регуляторов не подходят.

Рис.3.10. Виды импульсной модуляции

В тех случаях, когда объекты управления многочисленны, характеризуются большими постоянными времени, малыми скоростями изменения переменных, целесообразно управлять с помощью одного импульсного регулятора путем его циклического подключения последовательно к каждому объекту. Промежуток времени между двумя очередными импульсами, поступающими на один и тот же объект, используется для обмена дискретными сигналами с другими объектами. В результате система управления существенно упрощается по сравнению со случаем применения для каждого объекта отдельного регулятора.

Цифровые регуляторы – это приборы, в которых информация об управляющем сигнале хотя бы в одном из блоков выражается в цифровом коде и для ее обработки используют средства цифровой вычислительной техники. Для представления сигнала в цифровом коде в регуляторе осуществляется квантование сигнала по времени и по уровню

Цифровые регуляторы обладают следующими достоинствами:

- высокой точностью измерения регулируемой величины, зависящей от числа разрядов используемого цифрового кода;

- пониженной чувствительностью к помехам на всех стадиях преобразования сигнала;

- возможностью использования в качестве регулирующего устройства ЦВМ и УВМ;

- возможностью использования любого из алгоритмов регулирования;

- способностью автоматически обнаруживать и исправлять возникающие при обработке сигналов ошибки и искажения.

Такие регуляторы обычно многоканальные и используются для управления большим количеством объектов посредством машин централизованного контроля и управления.

Работа цифрового регулятора определяется его динамическими свойствами, для описания которых можно применить законы регулирования линейных идеальных регуляторов. Однако в цифровых регуляторах законы регулирования вырабатываются в цифровой форме. При воспроизведении регулирующих воздействий в цифровой форме операции интегрирования и получения производной соответственно заменяются операциями суммирования и вычисления разности.

В общем случае цифровой регулятор состоит из входных устройств, вычислителя и выходных устройств. Структура всех этих устройств и структурная схема цифрового регулятора в основном зависят от закона регулирования и способа его реализации. На рис.3.11 приведена одна из возможных структурных схем цифрового регулятора.

Рис.3.11. Структурная схема цифрового регулятора

Входное устройство I представляет собой совокупность блоков, предназначенных для получения электрических сигналов, пропорциональных текущему и заданному значениям регулируемой величины, сравнения этих значений и получения в цифровой форме сигнала ошибки х*[пТ]. Текущие значения регулируемой величины определяются при помощи аналогового датчика АД с выходным сигналом в виде тока или напряжения. Последний поступает на вход аналогового блока отклонения АО и сравнивается в нем с сигналом аналогового блока задания A3. Сигнал ошибки в аналоговой форме поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, в котором осуществляется его квантование по уровню и во времени.

Вычислительное устройство II представляет собой совокупность различных вычислительных блоков, запоминающих элементов и логических устройств, которые обеспечивают вычисление управляющего воздействия в соответствии с принятым законом регулирования. Вычислительное устройство включает в себя следующие блоки: настройки БН; цифровых операторов БЦО; управления БУ. Блок настройки БΗ предназначен для хранения коэффициентов настройки k₁ - k₃. Блок управления БУ обеспечивает последовательность работы всех блоков цифрового регулятора и представляет собой систему логических устройств, формирующих последовательность командных импульсов. Блок цифровых операторов БЦО выполняет основные операции по вычислению отдельных составляющих закона регулирования. В зависимости от способа кодирования входной величины существуют различные варианты схем вычисления закона регулирования. Все эти схемы состоят из типовых элементов цифровой техники: реверсивных счетчиков, схем сравнения и др. На выходе вычислительное устройство выдает управляющее воздействие у*[пТ] в цифровой форме.

Выходное устройство III состоит из блоков и устройств, при помощи которых осуществляется воздействие на регулируемый объект в соответствии с выходным сигналом вычислительного устройства. Оно включает в себя: цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, усилитель У и исполнительный механизм ИМ. Цифро-аналоговый преобразователь в моменты времени τ = Τ, 2Τ, ..., пТ. преобразует управляющий сигнал у* [ιΤ] в пропорциональное значение длительности импульса τ_i, в течение которого исполнительный механизм отрабатывает этот управляющий сигнал. Успехи в развитии вычислительной техники позволили широко использовать мини-ЭВМ при создании систем непосредственного цифрового управления.

Экстремальные регуляторы (или оптимизаторы) – это автоматическое устройство, обеспечивающее отыскание и поддержание таких значений входных переменных у₁, у₂, ..., у_п объекта управления, при которых его выходная переменная X достигает наибольшего или наименьшего (экстремального) значения.

Такие регуляторы применяются в системах автоматической оптимизации (САО) работы отдельных агрегатов или технологических процессов в металлургическом производстве, например для оптимизации теплового режима методических печей при нагреве металла перед прокаткой, в системе управления нагревательного колодца и др.

В отличие от обычных систем регулирования в системах САО не известно заданное значение регулируемой величины. Поэтому их задача принципиально сложнее и заключается в автоматическом поиске такого управляющего воздействия, которое обеспечивает максимум (минимум) регулируемой величины. Задача поиска экстремума разбивается на две части:

1) определение градиента или отклонений от точки экстремума (изучение объекта);

2) организация движения к точке экстремума.

Для решения задачи поиска экстремума предложено большое число различных способов. Рассмотрим наиболее распространенные из них и соответствующие им структурные схемы экстремальных регуляторов.

Экстремальный регулятор с запоминанием экстремума. Этот регулятор реагирует на разность между наибольшим, достигнутым в предыдущие моменты времени, значением выходной величины и текущим значением X.

Структурная схема экстремальной системы с запоминанием экстремума представлена на рис.3.12, а. Экстремальный регулятор ЭР включает в себя: запоминающее устройство ЗУ, фиксирующее только увеличение величины X; устройство реверса УР, представляющее собой сигнум-реле (реле знака изменения сигнала на выходе объекта управления); исполнительный механизм ИМ, воздействующий на входной сигнал у объекта управления ОУ.

Рис.3.12. Структурная схема и диаграмма работы экстремального регулятора с запоминанием экстремума

Выходная величина объекта X подается на запоминающее устройство регулятора и запоминается им, если происходит увеличение X при воздействии на объект управляющего воздействия у. Сигнал Х₃ с запоминающего устройства непрерывно подается на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с текущим значением сигнала X. Сигнал разности (X-Х₃) с выхода элемента сравнения поступает на устройство реверса. При достижении этой разности значения, попадающего в зону нечувствительности сигнум-реле, последнее срабатывает и производит реверс исполнительного механизма, воздействующего на объект. При этом запомненное в предыдущий момент значение Х₃ стирается и осуществляется запоминание нового текущего значения X.

Диаграмма, поясняющая работу регулятора с запоминанием экстремума, приведена на рис.3.12, б. В момент включения регулятора τ₁ экстремальное значение Х_тах выходной величины объекта управления неизвестно, а его состояние характеризуется входным сигналом у_х и выходным Х₁. Запоминающее устройство в этот момент запоминает сигнал Х₁ После включения в работу экстремальный регулятор может либо увеличивать значение у (при этом значение X уменьшается), либо уменьшать (значение X увеличивается). Предположим, что регулятор начал уменьшать значение у. Исполнительный механизм непрерывно работает с постоянной скоростью, воздействуя на объект и увеличивая значение X. Рабочая точка движется к экстремуму (участок кривой 1-2).

Если система достигла экстремума (точка 2) и продолжает функционировать в том же направлении, то значение X уже уменьшается, а запоминающее устройство запоминает Х_тах. В точке 2, когда разность между Х₂ и Х_тах достигает зоны нечувствительности сигнум-реле Х_и, происходит реверс исполнительного механизма и сброс запомненного значения Х_mах. При этом воздействие исполнительного механизма на объект увеличивает X и рабочая точка снова перемещается к экстремуму (участок кривой 3-4). Затем последовательность работы схемы повторяется. В результате устанавливается автоколебательный режим работы регулятора около точки экстремума. Из рис.3.12, б видно, что период колебаний Т_вх входной величины объекта в два раза больше, чем период колебаний Т_вых выходной величины.

Шаговый экстремальный регулятор – это регулятор, изменяющий управляющее воздействие у ступенчато. Первоначально производится принудительное изменение у в какую-нибудь сторону на некоторую величину шага ∆у. Значение X в конце шага сравнивается с тем, которое было в начале. В зависимости от знака разности этих значений определяется новое направление изменения у.

Структурная схема шаговой экстремальной системы приведена на рис.3.13, а. Экстремальный регулятор ЭР включает в себя: элемент запоминания (запаздывания) е^-pT , запоминающий значение выходной величины X объекта управления на время Т; сигнум-реле СР, осуществляющее реверс исполнительного механизма ИМ; два импульсных элемента ИЭ1 и ИЭ2, работающих синхронно.

Рис.3.13. Структурная схема и диаграмма работы шагового экстремального регулятора

Выходная величина объекта X подается на импульсный элемент ИЭ1, осуществляющий ее квантование по уровню. Выходной сигнал ИЭ1 представляет" собой последовательность импульсов, высота которых пропорциональна значениям X в дискретные моменты времени τ=nΤ (Τ - период повторения импульсного элемента). Обозначим значение X в момент времени τ=пТ через Х_п. Тогда на элемент сравнения ЭС в соответствии со схемой подаются значения Х_п-1 и Х_п. На выходе ЭС получается сигнал разности ∆Х=Х_п-Χ_n-1. В следующий момент времени τ=(n+1) Τ значение X_n-₁ сбрасывается с элемента сравнения и запоминается Х_п-1. При этом на ЭС подаются уже значения Х_п и Х_п+1.

На сигнум-реле поступает сигнал, пропорциональный приращению ΔΧ выходной величины объекта за отрезок времени Т. При ΔΧ>0 сигнум-реле не меняет направление вращения исполнительного механизма, а при ΔΧ<0 производит его реверс. Импульсный элемент ИЭ2 осуществляет периодическое размыкание цепи питания исполнительного "механизма. Изменение входного сигнала объекта целесообразно производить быстро, чтобы время перемещения исполнительного механизма за один шаг было достаточно мало. При этом возмущения, вносимые в объект исполнительным механизмом, будут приближаться к скачкообразным.

На рис.3.13, б приведена диаграмма, поясняющая работу шагового регулятора. Из точки 1 в момент времени τ₁ регулятор может произвести шаговое изменение Δy либо вправо, либо влево. В последнем случае ΔΧ<0 и произойдет реверс исполнительного механизма. При движении вправо исполнительный механизм на шаг Δy увеличивает входной сигнал объекта, что вызывает увеличение выходного сигнала X. Так как ΔX₁=Х₂ - Х₁>0, исполнительный механизм в момент времени τ₂ производит шаг в ту же сторону.

Движение рабочей точки к экстремуму осуществляется ступенчато. При этом, если шаг изменения управляющего воздействия конечен, система всегда перейдет экстремум. В момент времени τ₄ приращение выходного сигнала объекта ΔΧ₃⁼Х₅-Х₄ станет отрицательным, сигнум-реле сработает и следующий шаг Δy исполнительный механизм сделает в сторону уменьшения входного сигнала у. Таким образом, около точки экстремума установятся автоколебания, частота и амплитуда которых будут зависеть от параметров объекта, настроек регулятора (периода повторения Τ и величины шага Δy) и начальных условий работы.

В настоящее время выпускаются следующие пневматические экстремальные регуляторы (или их аналоги): АРС-2-0 - запоминание экстремума (максимума или минимума); АРС-1-ОН - шаговый поиск максимума регулируемой переменной; АРС-2-ОИ - шаговый поиск максимума или минимума регулируемой переменной.

Адаптивные регуляторы. Многие технологические процессы и агрегаты в металлургии относятся к классу нестационарных с изменяющимися во времени динамическими характеристиками. Поэтому автоматические системы регулирования (АСР), в которых применяют регуляторы с фиксированными параметрами, не могут обеспечить высокое качество, а иногда даже и просто устойчивого управления. В связи с этим в последние годы при реализации АСР обращаются к принципу адаптивного управления, создавая самонастраивающиеся системы (СНС) с применением адаптивных регуляторов, выполненных на базе элементов и средств цифровой вычислительной техники.

Принцип работы СНС заключается в следующем. Для системы задается некоторый функционал качества Q₃, который в общем случае зависит от параметров системы и внешних воздействий. В процессе работы функционал качества изменяется при изменении входных воздействий и динамических характеристик объекта. Самонастройка сводится к решению двух основных задач:

1) стабилизации динамических или статических характеристик системы управления, т. е. обеспечения условия Q = Q₃ или Q ≤ Q₃ (Q — текущее значение функционала качества);

2) оптимизации динамических или статических характеристик системы управления, т.е. обеспечения условия Q=Q_min. .

Отыскание оптимума функционала осуществляется путем поиска. При этом вектору управления или вектору перенастраиваемых параметров регулятора задается приращение и оценивается отклонение меры качества, в зависимости от которого осуществляется соответствующее изменение этих векторов. Самонастраивающиеся системы такого типа получили название поисковых.

Обычно на практике чаще используют беспоисковые СНС, в которых обеспечение условий Q=Q₃ или Q=Q_min осуществляется на основе принципа управления по отклонению или возмущению с использованием эталонной модели основного контура управления, включающего в себя объект управления и регулятор с настраиваемыми параметрами. При номинальном режиме работы системы параметры объекта и настроечные параметры регулятора обеспечивают близость динамических характеристик основного контура к характеристикам эталонной модели. При отклонении параметров объекта от номинальных необходимо перестроить параметры регулятора так, чтобы динамические характеристики основного контура совпали с характеристиками эталонной модели.

В беспоисковых СНС управление настройкой параметров усложнено по сравнению с несамонастраивающимися системами управления. Это обусловлено трудностями создания датчиков параметрических отклонений.

На рис.3.14 приведена структурная схема беспоисковой СНС по отклонению. Кроме основного контура (ОУ, Р), данная схема содержит эталонную модель системы ЭМС и вычислительное устройство ВУ, которое на основании информации о входных воздействиях g и f, выходных координат модели х_м и объекта X, а также заданного значения регулируемой величины Х₀ вычисляет значения, составляющих вектор ν, настраиваемых параметров регулятора Р. Адаптация в данной системе осуществляется с помощью замкнутого контура обратной связи. Применение при этом компенсационных сигналов по внешним возмущающим воздействиям обеспечивает повышение качества адаптации.

Рис.3.14. Структурная схема беспоисковой СНС по отклонению

На рис.3.15 приведена структурная схема беспоисковой СНС по возмущению. Данная система состоит из основного контура, блока оценки параметров объекта управления БОП и блока настройки параметров регулятора БНП. Управление в такой системе осуществляется на основе беспоисковой оценки параметров объекта ОУ и настройки регулятора по разомкнутому циклу. Этот тип адаптивных систем особенно эффективен, если удается выделить один технологический параметр, от которого зависят все настраиваемые параметры регулятора.

Рис.3.15. Структурная схема беспоисковой СНС по возмущению