1.5.Класифікаія і принцип дії автоматичних регуляторів.

План.

1. Класифікація регуляторів.

2. Регулятори прямої та непрямої дії.

3. Закони регулювання.

Aвтоматичні регулятори класифікуються по різних ознаках.

Наприклад:

- по виду регульованого параметра: регулятори тиску, витрата, рівня , температури й так далі;

- по роду дії: регулятори періодичної та не безперервної дії;

- по способі дії: регулятори непрямої й прямої дії.

Ці види класифікації регуляторів не є визначальними, тому що не характеризують їхньої властивості. Основна ознака, по якому класифікуються регулятори незалежно від приналежності до однієї з перерахованих вище груп, є характеристика дії, тобто залежність між зміною регульованої величини й переміщенням регулювального органа.

По характеристиці дії регулятори підрозділяються на наступні:

позиційні (Пз) регулятори;

інтегральні (І) регулятори;

пропорційні (П) регулятори;

пропорційно-інтегральні (ПІ) регулятори;

диференціальні (Д) регулятори (пропорційно-диференціальні (ПД),

пропорційно-інтегрально-диференціальні (ПІД) регулятори).

Автоматичні регулятори, у яких датчик безпосередньо впливає на регулювальний орган, причому регулювання відбувається по рахунок енергії самого об'єкта, називають регуляторами прямої дії. Регулятори, які впливають на регулювальний орган через підсилювальний пристрій і виконавчий механізм, що харчує від додаткового зовнішнього джерела енергії, називають регуляторами непрямої дії.

Позиційні регулятори.

Автоматичні регулятори (АР), у яких регулювальний орган може займати обмежене число певних положень, називаються позиційним. Позиційні (Пз) регулятори ставляться до групи регуляторів переривчастої дії. Найчастіше застосовуються двох- або трипозиційні регулятори.

У двопозиційних регуляторів, залежно від знака відхилення керованої величини, регулювальний орган або повністю відкритий, або повністю закритий. У двопозиційних регуляторів, крім двох крайніх, регулювальний орган має ще одне (середнє) положення, що сприяє більше плавній зміні керованої величини й скороченню числа спрацьовувань регулювального органа в одиницю часу.

Рис. Принципова схема (а) і статична характеристика (б) Пз регулятора:

а) 1-об'єкт; 2-10 труби; 3-регулюючий клапан; 4-сердечник; 5-шток; 6-поплавець; 7-важіль-контакт; 8,9-пересувні упори-контакти; 11-пружина.

б) I-задане значення; II-нейтральна зона; 1-6 крапки характеристики.

Принцип дії Пз регулятора наступний. Наприклад, в об'єкті керування - бак 1 по трубі 2 подається рідина, а по трубі 10 вона витрачається споживачем .

Чутливий елемент регулятора - поплавець 6 вимірює рівень у баці; поточне значення рівня визначається положенням штока 5 і жорстко з ним з'єднаного важеля - контакту 7, що через пружину 11 з'єднаний із джерелом живлення напругою U. Задані значення верхнього й нижнього рівнів визначаються положенням пересувних упорів - контактів 8 і 9, установлюваних вручну.

При підйомі рівня вище заданого контакту 7 замкне з контактом 8 і під напругою виявиться обмотка Б тягового електромагніта, завдяки чому сердечник 4 миттєво переміститься нагору, що приведуть до закриття регулювального органа 3 (клапани). При зниженні рівня нижче заданий контакт 7 замкне з контактом 9, під напругою виявиться обмотка А тяговий електромагніт, якір 4 переміститься вниз, що приведе до відкриття регулювального органа. Наведена схема являє приклад двопозиційного регулювання.

Зі статичної характеристика двопозиційного регулятора видно, що підвищення рівня в баці відповідає переміщенню по крапках 1,2,3,4; крапки 2 і 3 відповідають миттєвому переміщенню регулювального органа з положення “відкрито” у положення “закрите”, коли замкнуть котакты 7 і 8. Зниження рівня відповідає переміщенню по крапках 4,5,6,1 статичні характеристики.

Інтегральний регулятори.

Автоматичні регулятори, у яких тому самому значенню регульованої величини можуть відповідати різні положення регулювального органа, називається інтегральними, або астатичними (astatos - нестійкий, неспокійний).

Швидкість переміщення регулювального органа цих регуляторів, тим більше, чим більше відхилення регульованої величини від заданого значення. Закон інтегрального регулювання (І-регулятори). Такі регулятори формують регулюючий вплив на об'єкт пропорційно інтегралу за часом при відхиленні регульованої величини від заданого значення.

При регулюванні І-регулятором об'єкта без самовирівнювання процес має коливальний характер з незатухаючими періодичними коливаннями регульованої величини щодо заданого значення. У дійсних умовах поява найменшого запізнювання в кожній з ланок системи приводить до нестійкості процесу регулювання й навіть до розбіжних коливань. Із цієї причини І-регулятори на об'єктах без самовирівнювання не застосовуються.

Регулятор діє в такий спосіб: положення сприймається поплавцем 1, прикріпленим до важеля 2, що має нерухомий шарнір у крапці О. У крапці 0₁ важіль з'єднується з повідцем розподільника 5, що управляє подачею й зливом робочої рідини у верхню й нижню порожнини поршневого виконавчого механізму (ВМ) 4. Шток ВМ виведений через сальник назовні й безпосередньо з'єднаний зі штоком регулювального клапана 5.

Поршень ВМ нерухомий лише в тому випадку, коли золотник розподільника 3 перекриває обоє отворів, що подають робочу рідину в його порожнині (як показано на малюнку). Зсув золотника розподільника слідом за рівнем порушує рівновага подачі робочої рідини у виконавчий механізм 4 і його поршень почне рухатися й переміщати регулювальний клапан. Рух буде тривати доти, поки рівень води в баці не повернеться до заданого положення й золотник розподільника 3 не повернутися у вихідне положення, перекривши канали впуску й зливу робочої рідини.

В І-регуляторах відсутній зворотний зв'язок, вони прості по пристрої. Найважливішою їхньою особливістю є те, що незалежно від величини навантаження регульованого об'єкта вони приводять регульовану величину до заданого значення. І-регулятори мають деякі недоліки, обумовленими їхніми динамічними властивостями. Мале відхилення регульованої величини від заданого значення, І-регулятор продовжувати переміщати регулювальний орган аж до положення повного відкриття або закриття. Зміна напрямку руху РО наступає лише тоді, коли регульована величина проходить задане значення.

Закон регулювання передбачає вплив регулятора зі швидкістю, пропорційно відхиленню регульованої величини, і описується рівнянням

Пропорційний регулятори.

Автоматичні регулятори, у яких відключення регульованої величини від заданого значення викликає переміщення регулювального органа на величину, пропорційну величині цього відхилення, називаються пропорційними, або статичному (statos -стоячий). Кожному значенню регульованого параметра відповідає одне певне положення регулювального органа. Ця пропорційна залежність досягається за рахунок дії твердого зворотного зв'язку, тому П-регулятори називаються також регуляторами із твердим зворотним зв'язком. Швидкість переміщення регулювального органа таких регуляторів пропорцианально швидкості зміни регульованої величини.

Пропорційні регулятори можуть застосовуватися для керування процесами, що протікають в об'єктах, що як володіють, так і не володіють самовирівнюванням. При цьому потрібно мати на увазі, що зміни навантаження повинні бути невеликі, щоб статична помилка залишалася в припустимих межах.

Пропорційний закон регулювання в П-регуляторах з використанням стороннього джерела енергії досягається шляхом уведення в схему регулятора твердого зворотного зв'язку по положенню регулювального органа або по величині регулюючого впливу. П-регуляторы цього типу називають регуляторами із твердим зворотним зв'язком (статичними).

Цей механізм виконаний у вигляді штока 7, що з'єднує поршень 4 виконавчі механізми із шарніром Про важіль 2. Сталому стану системи відповідає певне положення крапки 01. У цьому положенні золотник розподільника 3 перекриває обидва канали, що з'єднують порожнини ЇМ з надходженням і зливом робочої рідини. Завдяки наявності штока 7 положення поплавця жорстко пов'язане з положенням клапана 5. Чим нижче опущений поплавець у баці, тим більше відкритий клапан. Різниця рівнів ДУ, що відповідають нульовому й максимальному навантаженням регульованого об'єкта при сталому стані системи регулювання, являє собою статичну нерівномірність регулювання. Ця величина може бути змінена при настроюванні регулятора, наприклад зміною положення крапки 01. Положення рівня може бути задане за допомогою муфти 6 на штоку золотника.

Пропорційно-інтегральні регулятори.

Порівняння П-регуляторов і І-регуляторів показує, що перші має перевагу по динамічних властивостях і забезпечують кращий перехідний процес регулювання; перевага других -відсутність статичній помилці, тобто кращі статичні властивості.

ПІ - регулятор сполучає обоє П и И регуляторів. Таким чином, аналогічно І-регулятору изодромный (від грецького isos - рівний, подібний; dromos- що біжить) регулятор підтримує постійне значення регульованої величини поза залежністю від навантаження об'єкта, а при відхиленні її від заданого значення в початковий момент часу перемістить регулювальний орган на величину, пропорційну величині відхилення (як П-регулятор), потім продовжить переміщення регулювального органа до зникнення статичній помилці, тобто приведе регульовану величину до заданого значення.

При відпрацьовуванні цього закону, регулювальний орган переміщається по сумі впливів, пропорційних відхиленню регульованої величини від заданого значення й інтегралу за часом від цього відхилення.

Пі-регулятори виконуються за схемою зі зворотним зв'язком., Цей зв'язок робиться не твердої, як у П-регулятора, а пружної (зникаючої) завдяки наявності інтегруючої ланки.

На мал. показана схема регулювання об'єкта за допомогою Пі-регулятора. Цей регулятор у частині відпрацьовування пропорційного закону регулювання 'анаогичен П-регулятору, представленому на мал. .Додатковим елементом є механізм гідравлічного пружного зворотного зв'язку. Він являє собою циліндр 7, заповнений маслом або іншою грузлою рідиною. Усередині циліндра міститься поршень, що розділяє його на дві порожнини. Поршень з'єднаний зі штоком виконавчого механізму, а циліндр 7 пов'язаний із пружиною 9. Верхня й нижня порожнини циліндра 7 з'єднані обвідним каналом, на якому встановлений дросель 8. Прохідний отвір дроселя може бути встановлене при настроюванні регулятора. Циліндр 7 з'єднаний у крапці О с важелем 2 чутливі елементи(поплавця ) регулятора. У свою чергу важіль 2 пов'язаний із пружиною 9, що фіксує крапку О в первісному положенні, якщо вона зміститься від нього нагору або вниз. Отвір дроселя 8 має невелику величину, тому поршень може переміщатися в циліндрі 7 зі швидкістю, значно меншої швидкості переміщення поршня 4 виконавчі механізми.

При відхиленнях рівня, викликаних порушенням рівноваги між припливом і стоком у баці, регулятор діє спочатку за схемою й лише потім механізм пружного зворотного зв'язку доповнює його вплив інтегральної складової. Наприклад, при зниженні рівня, викликаному збільшенням стоку, золотник розподільника 3 зміститься вниз (крапка О в перший момент нерухомий). Виконавчий механізм збільшить відкриття клапана 5 і перемістить нагору циліндр зворотного зв'язку й крапку Про ычага 2. Пружина 9 при цьому стиснеться й створить уси-иі, що прагне повернути кінець важеля 2 у вихідне положення. Під впливом зусилля з боку пружини 9 идкость у циліндрі зворотного зв'язку буде повільно перетікати через дросель 8 з верхньої порожнини в нижню. Крапка Про при цьому буде поступово повертатися у вихідне положення. Під впливом пружного зворотного зв'язку регулятора буде відбуватися відновлення рівня води в баці й зняття статичної нерівномірності пропорційного регулювання.

За допомогою дроселя 8 можна змінювати постійну часу інтегрування Ти, що є одним з параметрів настроювання Пі-регулятора. Наприклад, повне перекриття дроселя 5 на обвідному каналі виключає дія пружного зворотного зв'язку, і регулятор починає відпрацьовувати пропорційний закон регулювання. При повнім відкритті дроселя 8 на обвідному каналі Пі-регулятор буде діяти як астатический регулятор, відпрацьовуючи інтегральний закон регулювання.

Закон пропорційно-інтегрально-диференціального регулювання (Пид-регуляторы). У цих регуляторів переміщення регулювального органа пропорційно трьом величинам: відхиленню регульованої величини' від заданого значення, інтегралу цього відхилення й швидкості зміни (похідній) цього відхилення