Отчёт по работе должен содержать:

1. Структурную схему CAP.

2. Графики переходной и нормированной переходной характеристики с необходимыми дополнительными построениями для определения параметров настройки ПИ-регулятора.

3. Промежуточные и окончательные результаты расчетов параметров настройки.

4. Экспериментальные графики переходных процессов CAP в трехпозиционном релейном и пропорционально-интегральном (ПИ) режимах регулирования.

Основные положения и методические указания

Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор типа Р-25 предназначен для использования в системах автоматического регулирования технологических процессов. Регулятор выполнен на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах. Является современным аналогом ранее выпускавшихся приборов типа РП-3 и РПИБ.

На выходе регулятора имеются бесконтактные ключи (тиристоры), с помощью которых осуществляется трехпозиционное управление (меньше – ноль – больше) однофазным электродвигателем стандартного исполнительного механизма с постоянной скоростью вращения. Также возможна реализация с помощью регулятора и ПИ-режима. Целью данной работы является сравнение этих режимов регулирования и знакомство с принципами определения параметров настройки регулятора Р-25 применительно к CAP температурой воздуха в помещении.

Функциональная схема CAP. Лабораторная установка состоит из двух идентичных CAP. Их функциональные схемы представлены на стенде и рис. 7.1.

Рис. 7.1. Функциональная схема CAP

Рис. 7.2. Структурная схема CAP

Вентилятор с приводом от электродвигателя М1(2) принудительно гонит воздух через нагреватель ЕК1(2). Датчиком температуры нагретого воздуха является медный термометр сопротивления ТЕ1(2), сигнал с которого подается на автоматический измерительный мост типа КСМ1(2). Кроме отображения текущего значения температуры мост вырабатывает напряжение переменного тока, пропорциональное этой температуре, которое подается на вход регулятора Р-25.

На входе регулятора данное напряжение сравнивается с сигналом задатчика. В зависимости от знака разности этих сигналов открывается один из выходных ключей, и исполнительный механизм перемещает в ту или иную сторону движок автотрансформатора, от которого питается электронагреватель ЕК1(2). Величины перемещений и их частота зависят от режима работы регулятора (релейный или пропорционально-интегральный), а также от параметров настройки, методика которой будет изложена далее.

Изменение напряжения на нагревателе происходит таким образом, чтобы свести сигнал рассогласования к нулю. При достижении этого оба ключа на выходе регулятора закрываются, и движок автотрансформатора фиксируется в неподвижном состоянии.

В схеме управления двигателя вентилятора имеется ключ SA1(2), пе­реключающий схему соединения обмоток статора с треугольника на звезду, что изменяет расход воздуха и служит моделью возмущающего воздействия в данной системе автоматического регулирования.

Краткое описание регулятора Р–25. Структурная схема регулятора вместе с исполнительным механизмом постоянной скорости перемещения изображена на рис.7.2, вид передней панели прибора Р-25 – на рис.7.4.

Входной величиной регулятора является сигнал рассогласования ε = х – у, где х – сигнал задания, у – сигнал обратной связи или выходной (ток нагревателя I_ek). Всего на вход прибора Р-25 может быть подано одновременно три сигнала датчиков с индивидуальной настройкой коэффициента передачи по каждому каналу и последующим суммированием этих сигналов. В данной работе используется только третий канал с максимальным, равным единице коэффициентом передачи.

Поступающий на этот вход сигнал у с датчика температуры ТЕ вычитается из сигнала задания х, вырабатываемого самим регулятором и зависящего от положения движков потенциометров "корректор" (грубо) и "задание" (точно). Разностное напряжение ε выведено на клемму "е" прибора Р–25 и может быть измерено вольтметром относительно общей клеммы "от".

Сигнал ε усиливается и в случае выхода его за пределы зоны нечувствительности D, ширина которой регулируется потенциометром "зона", вызывает срабатывание соответствующего выходного ключа регулятора, о чем свидетельствует светодиодный индикатор на панели прибора.

Передаточная функция регулятора в режиме релейного регулирования (клавиша "ПИ" нажата):

, (7.1)

где D – зона нечувствительности.

Передаточная функция в режиме ПИ–регулирования:

, (7.2)

где К_п – коэффициент пропорциональности; Т_и – постоянная времени интегрирования, с.

Величины К_п и Т_и выставляются с помощью соответствующих потенциометров расположенных на передней панели прибора Р-25, а определение их численных значений для конкретной CAP составляет основную задачу настройки регулятора.

Настройка параметров регулятора. В данной работе эта задача решается с помощью кривой разгона (переходной характеристики) объекта регулирования – нагревателя ЕК.

Напомним, что переходной характеристикой называется реакция объекта на входное воздействие, которое может быть представлено в виде единичной ступенчатой функции:

(7.3)

Для снятия переходной характеристики необходимо:

а) перевести регулятор в ручной режим управления;

б) включить тумблер SB1(2) в цепи нагревателя ЕК1(2);

в) выставить с помощью переключателя "больше - меньше" ток нагревателя I_ek=4А, что соответствует приращению входного воздействия х = 90%;

г) отключить тумблер SB1(2) и в течение 5…10 мин продувать нагреватель воздухом от вентилятора до достижения комнатной температуры Θ_н;

д) не отключая вентилятор снова включить тумблер SB1(2) и снять динамику изменения температуры Θ(t) по шкале моста КСМ, делая отсчеты через каждые 5 секунд в начале опыта, а затем через 20 секунд от начального значения Θ(0) вплоть до достижения установившегося значения температуры Θ(∞).

Далее следует построить график нормированной переходной характеристики:

(7.4)

Этот график следует аппроксимировать теоретической зависимостью:

(7.5)

Такая аппроксимация соответствует передаточной функции объекта регулирования:

(7.6)

Расчёт параметров регулирования производится по формулам:

(7.7)

где t_n – координата точки перегиба графика y(t) (находится, как середина интервала времени, на котором имело место наибольшее приращение величины y(t)); – находится из графика рис.7.3.

Параметры регулятора вычисляются по формулам, приведённым в таблице 7.1 и с учётом вида типового переходного процесса.

Таблица 7.1. Оптимальные значения параметров ПИ–регулятора.

Регулятор	Вид переходного процесса
	апериодический	с 20 % перерегулированием	минимальный интегральный критерий качества
ПИ

Примечание: Полученное по данной таблице значение К_п следует помножить на отношение времени прохода стандартного исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое, равное 63 с и реального, в данном случае 21 с.

Рис. 7.3. Передняя панель прибора Р–25: 1–корректор; 2, 3, 4–коэффициенты передачи по каналам 3, 2, 1, соответственно; 5–задатчик; 6–зона нечувствительности; 7–скважность импульса; 8–коэффициент пропорциональности К_п; 9–постоянная времени интегрирования Т_и; 10–постоянная времени демпфера; 11, 12, 13–гнезда сигналов рассогласования, обратной связи и общая точка; 14 –переключатель режима работы; 15–тумблер "больше–меньше" режима ручного управления; 19 – переключатель режима регулирования (ПИ, релейный); 17, 18 – светоиндикаторы направления регулирующего воздействия.