Структуры систем автоматического регулирования

Рассмотрим несколько наиболее распространенных структур САР с детальным выделением всех их основных частей, обратив внимание на область эффективного применения этих структур. При описании области эффективного применения этих структур выявим основные условия и ограничения, выполнение которых гарантирует эффективную их работу.

Сар по отклонению

На многих промышленных объектах такая структура используется часто как типовая без достаточного на то обоснования. Поэтому при анализе действующих САР необходимо увязывать такую структуру со свойствами объекта и делать выводы об эффективности ее функционирования.

Н

y(t)

u(t)

w_н(t)

арисуем структурную схему этой системы с выделением приобъектных систем: измерительной (ИС) и исполнительного блока (ИБ)

ОР

ИБ

ИС

R

y*(t)

u*(t)

ŷ(t)

Рис 1

-

ε(t)

+

Измерительная система, если ее детально рассматривать, является динамической системой, то есть обладает свойствами инерционности. Однако быстродействие измерительных систем, как правило, более высокое, по сравнению с динамикой сигнала измерительной информации, поэтому, за исключением некоторых случаев, динамическими процессами в измерительных системах пренебрегают.

Исполнительный блок (ИБ): в первом приближении его структуру можно представить в виде последовательного соединения двух элементов – исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО):

ИМ

РО

u(t)

(t)

μ(t)

ИБ

μ(t) – командный сигнал от регулятора на исполнительный механизм (двигатель). Чаще всего в качестве ИМ здесь используются двигатели переменного тока с постоянной скоростью. При этом командный сигнал представляет собой напряжение переменного тока постоянной амплитуды и переменной длительности. Чем больше длительность этого сигнала, тем больше угол поворота вала двигателя (t). Угол поворота изменяется в пределах от 0 до 90 градусов.

РО является тем элементом ИБ, который непосредственно воздействует на поток энергии или вещества на входе объекта регулирования, изменяя его состояние.

Входное воздействие РО выражено в градусах, а выходное воздействие u(t) – в соответствующих единицах характеристик входного потока энергии или вещества, или в % хода РО.

Так, например. если регулирующее воздействие связано с подачей газа в печь для регулирования температуры ее рабочего пространства, то размерность u(t) выражается через м³/ч.

φиб(S) = φим(S)* φро(S) (1)

В качестве модели ИМ используется модель интегрального звена, а РО – пропорциональное звено:

kим

φим(S) = ------- (2)

S

φро(S) = kро (3)

Необходимо помнить, что ИМ и РО аппроксимированны линейными моделями (2) и (3) только в рабочем диапазоне функционирования исполнительного механизма (от 0 до 90 градусов)

Чтобы показать, как оценить коэффициенты передачи ИМ и РО, отождествим u*(t) с Δ Т, где Δ Т – величина длительности командного сигнала.

ψ^max – ψ^min

kнм = --------------

Δ Т

Umax – Umin

kро = -----------------

ψmax – ψmin

где U – в конкретных физических величинах (например, в м³/ч).

Обычно используются типовые исполнительные механизмы, у которых 1 оборот вала двигателя выполняется за 100 секунд, поэтому:

ψ^max – ψ^min

kим = --------------

25

Правило:

Если модель преобразующего канала объекта регулирования выбрана по данным литературных источников, то следует особое внимание уделить размерности коэффициента передачи модели преобразующего канала.

Так, в нашем примере коэффициент передачи модели преобразующего канала расхода газа в отклонении времени может иметь следующую размерность:

[^оС/м³/ч] , [^оС/% хода РО].

Это означает, что во втором случае РО включен в модель преобразующего канала и следовательно в таких рассуждениях его нужно исключить из исполнительного блока, а в первом случае его необходимо принимать во внимание.

Поскольку командный сигнал во времени представлен в виде импульса определенной длительности (величина, которая зависит от ε(t), больше ошибка регулирования и, следовательно, больше длительность), поэтому в регуляторе, как правило, реализуют два блока, один из которых выполняет заданный закон регулирования, а вторым является широтно-импульсный модулятор, который формирует командный сигнал в виде Δ Т

ШИМ – Широтно-импульсный модулятор

БРЗР – Блок реализации закона регулирования

Это приводит к необходимости формирования еще одного контура регулирования в структуре рассматриваемой системы:

В этой схеме ШИМ играет роль регулятора с пропорциональным звеном регулирования (согласно методике Ротача). Хорошо настроенная система регулирования имеет коэффициент передачи близкий к 1.

Область эффективного применения такой структуры:

Первое условие – структура ОР соответствует изображенной на Рис.1 – на ОР действуют только неконтролируемые возмущения wн(t). Второе условие – время запаздывания в регулирующем канале должно быть меньше, чем время спада автокоррелирующей функции приведенного ко входу возмущения.

Достоинства: такая система обеспечивает достаточно высокое качество регулирования при большом уровне неконтролируемых возмущений.

Недостаток: вначале допускается ошибка регулирования, а затем она устраняется, то есть система действует как бы с запаздыванием. Этот недостаток отсутствует в системах регулирования по контролируемым возмущениям.